TV IV. sávi lemezantenna
A T V I V . sávi átjátszóprogram kiépítése szükségessé tette egy az ebben a sávban m ű k ö d ő antennapanel kifejlesztését, amely ú g y adó-, mint v e v ő a n t e n n a k é n t e g y a r á n t alkalmazható. T ö b b antennapanel megfelelő összekapcsolásával tetszőleges tulajdonságokkal rendelkező irány vagy körsugárzó karakterisztikák valósíthatók meg. Tele pítésükre a nagy adók által nem kellően besugárzott területeken kerül sor. A műszaki követelmények tel jesítése mellett a kis súly a k ö n n y ű és gyors szerelhe tőség döntő szempont. A kis súly a dipólok és össze k ö t ő t á p v o n a l a k lemezből t ö r t é n ő kialakításának, a r ö v i d í t e t t alakú záróüreges balun alkalmazásának, valamint a reflektorfal fémfólia kiképzésének k ö szönhető. Sugárzó panel felépítése T V I V . sávi lemezantenna-panel összefüggő reflektor fal előtt elhelyezett négy darab azonos fázisban azo nos amplitúdóval t á p l á l t közel egészhullámú dipól ból és a dipólok táplálását biztosító elosztó, illetve balun rendszerből áll. Z ú z m a r a és jegesedés ellen nagyszilárdságú üveg szálas poliészterburkolat nyújt védelmet. adatok
Frekvenciatartomány 470-640 MHz Bemeneti impedancia 50 Ohm aszimmetrikus Bemeneti állóhullámarány r=sl,15 Nyereség (sávközépen) 10,5 d B E l ő r e - h á t r a sugárzási viszony 17 d B Telj esítmény terhelhetőség 1 kW Polarizáció horizontális Súly kb.20 k g Csatlakozó 7/16 Méretek 1130x475x256 mm Szélterhelés szemben 138 kp/220 k m / ó oldalt 75 kp/220 k m / ó Torlónyomás 110 k p / m 2
230
ZOLTÁN BHG
Lemezantenna fejlesztése, és a fejlesztés folyamatából levonható tapasztalatok
Bevezetés
Műszaki
SZABÓ
Kézenfekvő gondolat volt, hogy az a n t e n n á t reflek torfal és dipól kombinációjából hoztuk létre. Meg felelő reflektorfal és elegendő számú dipól alkalmazá sával mind a k í v á n t nyereség, mind az előre-hátra sugárzási viszony előírt értéke biztosíthatónak lát szott az adott állóhullámarány mellett. Négy k e t t ő s dipólból (antirezonáns dipól) és egy reflektorfalból álló dipólcsoport méretezéséhez egész sor olyan tapasztalati eredmény állt rendelkezésre, amely az optimális sávszélesség kihasználásának és a horizontális diagram legkedvezőbb félértékszélességé nek i r á n y á b a mutatott. A k e t t ő s dipól impedancia m e n e t é t az egymás fölött levő sugárzók közti távol ság (dipól—dipól távolság), a dipólnak a reflektortól való távolsága (dipól—reflektor távolság), a kettős dipól hossza és karcsúsági tényezője határozza meg. P a r a m é t e r e k n e k az elektromos jellemzőkre gyako rolt hatásáról elmondható, hogy: a) A/4-es dipól—reflektor távolság esetén legna gyobb a t á p p o n t i impedancia. A reflektor távolság legkedvezőbb értéke a nyereség szempontjából 0,1 — 0,15 A, ekkor azonban nagyon szorossá válik a sugár zási csatolás, aminek következtében lényegesen le csökken az egyes dipólok sugárzási ellenállása. í g y az antenna nagyon frekvenciafüggővé válik. A gya korlatban 0,2—0,25 A a reflektorfal és dipól távolság. A széles átviteli sáv elérése érdekében k b . 0,3 — 0,35 A a legkedvezőbb érték. E s e t ü n k b e n ez 0,31 1. H a a dipólokat távolítjuk 0,35 A-ig a t á p p o n t i impe dancia csökken. Ez a távolság kritikus a vízszintes diagram szempontjából is. A/4-es távolság esetén a főnyaláb szélessége a félteljesítményű pontok között kb. 60°, a hátsó nyalábok szintje a főnyalábhoz k é pest k b . -20 dB. b) A dipól—dipól emelettávolság az antirezonan ciához t a r t o z ó impedancia 1/2 esetén a legkisebb. A dipól—dipól távolság növelésével k b . 0,8 A-ig nő az impedancia és javul a szelektivitás is. A függő leges karakterisztika is ennek a távolságnak a függ vénye. A távolság növelésével nő az antenna nyere ség, de csökken a sávszélesség. Híradástechnika
XXXIII.
évfolyam 1982. 5. szám
A főnyaláb nyílásszöge a félteljesítményű pontok között kb. 28°-ra szorítható le, ekkor a másodlagos nyalábok szintje 12 d B . A karakterisztika-mérések jól m u t a t t á k , hogy az antennapanel sugárzási diagramja a sávon belül igen keveset változik. A dipólusok t á p p o n t i impedanciá j á n a k alakulását erősen befolyásolja a táplálási pon tok kialakítása. Figyelembe véve, hogy a nyereségnek a megadott sávon belül nagyobbnak kell lennie 10 dB-nél 4 p á r kettősdipól alkalmazására van szükség. A dipólok táplálása — mind azt az ábra mutatja — szimmetrikus légtápvonalakkal szélessávú módon van megoldva. Mindegyik dipólt középen gerjesztjük az / szimmetrikus vezetékkel. Az A—A táplálási pontok impedanciája, Z = = 200 Ohm. KB—B pontokban az impedanciák pár huzamos kapcsolása révén előálló 100 Ohmot az / Z = 1 0 0 Ohm hullámellenállású szimmetrikus veze tékkel a C—C pontban közösítjük és ide csatlakozik a balun, a szimmetrikus-aszimmetrikus á t a l a k í t á s eszköze (1. ábra).
reflektorfal k ö z ö t t helyezkedik el. Célravezető meg oldásnak a szimmetrikus záróüreg, illetve ennek r ö v i d í t e t t változata látszott. A rövidítést, azaz méret csökkentést az üreg belső vezetői közötti kapacitás teszi lehetővé (2. ábra).
x
A
2
0
Zw [B23V2]
2. ábra. Szimmetrizáló üreg rövidített alakban
[B23-TT1
1. ábra. T V I V . sávi antenna elvi táplálási vázlata
Mindezen paraméterek e g y m á s r a h a t á s a , egyik k ö vetkezése a másikból, ismertek henger alakú, vagy azt jól megközelíző dipólok esetén. Lemezből kialakított dipólok esetén azonban válto zik a helyzet. Ez elsősorban a dipól impedancia me n e t é t vizsgálva és m é r v e v á l t szembetűnővé. Fentieket ismerve elmondhatjuk, hogy a fejlesztés k é t fő problémakörre b o n t h a t ó . Nevezetesen — a dipól alakjának meghatározására, — a balun helyes szerkezeti kialakítására.
A szimmetrizáló üregben a pontos illesztésnek meg felelő rezonanciát (7-hossz meghatározása) a csomó pontok eltolása alapján lehet ellenőrizni. Ezt a prob lémát k é t balun szémbekapcsolásáyal oldottuk meg és az így végzett mérések elég jó közelítésben meg adják a működési sávban ( I V . sáv) az / hosszat. T o v á b b i finomítás, illetve véglegesítés a dipól csoporttal való e g y ü t t m é r é s k o r történik. A végső kialakítás során l hosszat beállító „ r ö v i d z á r t u s k ó k " egyben mechanikai felerősítésül is szolgálnak. A szak irodalom említést tesz a szélessávú kiegyenlítés né h á n y változatáról, i t t azonban erre nem volt szükség. b) Dipól alakjának és méretének dipólcsoport kialakítása
meghatározása,
Ez a fejlesztés d ö n t ő jelentőségű és a legtöbb időt igénylő problémája. K i i n d u l á s k é n t egyenesvonalú lemezdipólt alkalmazva a hengeres dipól első közelí téséhez j u t u n k (hosszmentén a középvonal körül megforgatva). Ezzel a problémával egy korábbi, az úgynevezett keskenysávú lemezantenna panelfejlesz tés során m á r foglalkoztunk. Egyetlen lemezdipól összefüggő reflektorfal előtt elhelyezve jó sugárzási tulajdonságokkal rendelkező szerkezetet adott. Ez m á r biztos t á m p o n t volt a négy dipól megfelelő összekapcsolásával nyert komplett panel tekintetében. Levontuk a tapasztalatokat és első lépésben nem t ö r t é n t m á s , m i n t a k o r á b b i kes k e n y s á v ú táplálást szélessávúra v á l t o z t a t t u k .
Vizsgálatainkat kezdjük a bahmnal Adatok a) Balun
kialakítása
A balun a szimmetrikus-aszimmetrikus átalakítás eszköze. Sok megoldás létezik, melyek közül a A/4-es záróüreg alkalmazása a legelterjedtebb. Nehezebb szerelhetősége és nagyobb mérete miatt azonban ez nem alkalmazható, ugyanis a balun a dipól és a Híradástechnika
XXXIII.
évfolyam 1982. S. szám
Dipól hossz 0,76 X, Dipól—dipól távolság 0,52 X, Dipól—reflektor távolság 0,31 X. Az impedanciamenet r ~ l , 3 - a s Á H A (állóhullám a r á n y ) értékre való beállítása u t á n i közvetlen karak-
231
II.
terisztika mérések jó e r e d m é n y t adtak a teljes sáv ban. Az antenna sugárzás t e k i n t e t é b e n megfelelt az el v á r á s o k n a k . A z impedanciamenet t o v á b b i mérése a dipól alakjának jelentős módosítását eredményezte. A nehézségek az állóhullámarány értékének (r = = 1,3-* 1,15) csökkentése során a d ó d t a k . Nevezetesen az egyedi dipól talpponti impedanciája (impedancia menete) nem megfelelő, miáltal a 4 dipól p á r h u z a m o s kapcsolásának eredő értéke sem elfogadható. I t t j u t u n k el a k o r á b b a n e m l í t e t t problémakörhöz. A dipól alakjának kialakítása olyan műszer alkalma z á s á t tette szükségessé, aminek képernyőjén az i m pedancia menet a teljes s á v b a n megjelenik, így min den b e a v a t k o z á s azonnal regisztrálható. A m ó d o s í t o t t dipól b e m u t a t á s á r a az alábbi szem léltető á b r a szolgál (3. ábra). J ó l l á t h a t ó az „exponenciális" közelítésű dipólfél tagozódása. Erre a felosztásra szükség van a mérések során, mert v á l t o z t a t á s u k jelentős befolyással van az antenna impedanciamenetére, jóllehet egymásra h a t á s u k nem elhanyagolható. A dipól alakjában
az I . rész hatása
95-vel jelölt kúpszög a sávszélességet befolyásolja, a nyílásszög növelésével az átviteli sáv egyre szélesebb lesz. A legkedvezőbb é r t é k e t 50° körül kapjuk. Ese t ü n k b e n s á v h a t á r o k o n belüli j ó illesztés a lényeg. A dipólfélnek az összekötő t á p v o n a l felőli szélessége kiegyenlítő h a t á s ú . Ez szélesebb v á l t o z a t b a n kapacitív, keskenyebb esetben i n d u k t í v jellegű. Az termé szetesen visszaszámolás során derül k i , hogy milyen b e a v a t k o z á s r a van szükség. 77. rész hatása Az ú g y n e v e z e t t „ c s ú c s o k " helyzete a dipól hullám ellenállását, s egyben a dipól impedanciamenetét
232
elsődlegesen meghatározó tényező. Ennek bizonyí tására az 1. Smith-diagram görbeseregének (impedan ciamenet) alakulása szolgál. J ó l érzékelhető a közele dés az 50 Ohm felé. A felrajzolt görbék természetesen a m p l i t ú d ó , illetve fázishelyesek a beavatkozás helyé nek és n a g y s á g á n a k pontos meghatározása. A csúcsok helyzetének v á l t o z t a t á s á v a l mintegy a valós tengely m e n t é n lehet „eltolni" a görbét, ami lényegében transzformáló h a t á s . III.
rész hatása
Kevésbé jelentős, csupán r e a k t á n s jellege számít. Az i m p e d a n c í a m e n e t kiegyenlítésének t o v á b b i lé nyeges j a v í t á s a a dipólok fölött a zúzmara-védőteknő belső felületén elhelyezett (ragasztott) fémfólia alkal mazásával érhető el. T o v á b b i k a r a k t e r i s z t i k á k a t mutatunk a panel horizontális és vertikális jellemzői h á r o m frekvencián mérve (4., 5., 6., 7. ábrák).
Az antennapanel mechanikai felépítése Az antenna tetszőleges m é r e t ű oszlopra, konzolra rögzíthető. Erre a reflektorfal hátoldalán a felerősí tésre szolgáló fémtuskók furatai szolgálnak. A k ö n y n y ű súly többek k ö z ö t t a reflektorfal újszerű kialakí t á s n a k köszönhető, ahol a fémlemezt az üvegszálas poliészterre felvitt fémfólia helyettesíti. A mérés sze r i n t tökéletesen. Ahhoz, hogy megfelelő mechanikai szilárdságú legyen, bordás merevítést kell alkalmazni. Ez a lemez mechanikailag az egész szerkezet alapját képezi. A dipólok d = 1 0 m m átmérőjű, villamos szempontból szigetelő r ú d segítségével szerelhetők fel. Súlycsökkentés m i a t t h a s z n á l t u n k szigetelőanya got. A dipól anyaga 1 mm-es vörösrézlemez (tökéle tesen ö n t a r t ó ) az összekötő t á p v o n a l a k , illetve a baHíradástechnika
XXXIII.
évfolyam 1982. 5. szám
4. ábra. Az impedanciamenet alakulása a dipólalak változtatásának függvényében
[B231-A l
t =470MHz , 1 -550MHz . f = 640MHz
6. ábra. T V . I V . sávi lemezantenna horizontális sugár zási karakterisztikája
lB 231- 71
7. dbra. T V I V . sávi leniezantenna verikális sugárzási karakterisztikáj a
lun szimmetrikus részére csatlakozó felvezető t á p vonal anyaga 2 mm-es vörösrézlemez. A lemeztáp vonalak t á v t a r t á s á t az impedanciamenet kiegyenlí tésére szolgáló teflon kockák oldják meg. Ezek elektromos szempontból k a p a c i t á s t visznek a rend szerbe, mechanikailag pedig rendkívül stabilak. A balun anyaga szintén vörösréz az „l" elektromos
8. ábra. T V I V . sávi lemezantenna sematikus rajza
234
9. ábra. T V I V . sávi antenna zúzmara védő teknő nélkül Híradástechnika
XXXIII.
évfolyam 1982. 5. szám
10. ábra. T V I V . sávi antenna zúzmara védő teknővel hossz beállítására szolgáló „ r ö v i d z á r t u s k ó k " egyben mechanikai rögzítésre is szolgálnak. A bemenet ter mészetesen a reflektorfal külső felén van, ami kö
Híradástechnika
XXXIII.
évfolyam 1982. 5. szám
nyök a l k a l m a z á s á t tette szükségessé. I t t ú j a b b me chanikai rögzítést alkalmaztunk k a r i m á s kivitelben. A csavarkötésektől eltekintve valamennyi csatlako zási pont (dipól-összekötő tápvonal-felvezetőtápvo nal, balun szimmetrikus oldal) keményforrasztással van összekötve. I t t kell megjegyezni, hogy a méretek pontos betar tása (dipólméret, t á p v o n a l a k egymástól való távol sága stb.) és a stabil mechanikai szerkezet elsődleges szempontok. Végül az egész szerkezetet az ú g y n e v e z e t t zúzm a r a t e k n ő borítja, kellő védelmet n y ú j t v a a szélsősé ges időjárási változásoknak k i t e t t panel számára. A fénykép mellett m é g egy sematikus rajz is bemu tatja az antennapanelt. A z ú z m a r a v é d ő - t e k n ő anyaga üvegszálas poliész ter, h a t á s a elektromos szempontból e l h a n y a g o l h a t ó . Figyelembe véve, hogy az antennapanelnek 220 k m / ó szélsebességet is el kell viselnie, indokolt a panel teljes borítása. Erre szolgál az ú g y n e v e z e t t z ú z m a r a v é d ő - t e k n ő . Kiképzésénél az éles sarkok, kiszögelő élek a l k a l m a z á s á t elkerültük és áramlás technikai szempontból kedvező formát biztosítot tunk. A panel áramlástechnikai vizsgálata m e g t ö r t é n t a B M E Áramlástechnikai Tanszékének szélcsatornájá ban. A legnagyobb beállítható érték 220 k m / ó szél sebesség volt. A mérés szerint a fedélre h a t ó terhelés ennél a szél sebességnél 138 k p , míg oldalirányban 75 k p . A szél csatornás vizsgálat eredménye pozitív, a panel meg felel a vele szemben t á m a s z t o t t mechanikai követel ményeknek. Végezetül közöljük az elkészült panel fényképét a sematikus rajz egyidejű b e m u t a t á s á v a l (8., 9., 10. ábra).
235
