| Pokazywałem wiele przykładów gdy mimo bliskości stacji nadawczej sygnał w antenie odbiorczej był słaby i niewystarczający. Czasami wystarczało przesunięcie anteny na dachu o kilka metrów, czasami jej podwyższenie. Często przyczyną braku sygnału są przeszkody jakie przez lata powstały na trasie rozchodzenia się sygnału, czasami to odbicia od sąsiednich obiektów, które powodują wygaszanie. Może to też być efekt pracy nadajników DVB-T na wspólnym kanale w ramach sieci jednoczęstotliwościowej SFN | |
| Dziś jednak o zupełnie innej przyczynie braku sygnału TV mimo bliskości stacji nadawczej. Przyczynie nieuświadomionej, pewnie nawet mało znanej. | |
| Chodzi o pechowe trafienie miejsca odbioru w tak zwane „zero charakterystyki” anteny nadawczej. | |
| I od razu uwaga: w tym filmie będziemy rozmawiali wyłącznie o charakterystyce pionowej anten nadawczych. Bo jak pamiętamy, cechy kierunkowe anteny opisujemy dwiema charakterystykami: poziomą i pionową. Tym razem pozioma nas prawie w ogóle nie będzie interesowała. | Rodzina charakterystyk.png |
| Skupimy się także na antenach telewizyjnych, gdyż w radiofonii jest podobnie, natomiast TV posługuje się o wiele wyższymi częstotliwościami, a to jest ważne. Poruszymy dziś kilka kwestii – wydawałoby się – pobocznych, ale jednak ważnych dla zrozumienia zjawiska. | |
| |
| Jak wyglądają nadawcze anteny TV? | |
| Właściwie można zauważyć trzy główne rodzaje konstrukcji, zależnie od numeru kanału TV: | |
| anteny zwane „panelowymi”, dipolowe z reflektorem siatkowym, używane w paśmie VHF, czyli do kanału 12; te anteny mogą mieć dipole proste lub zagięte pod kątem, są też inne odmiany konstrukcyjne; | Anteny panelowe.png |
| anteny w kształcie pudeł zwanych w środowisku radiowym „trumnami”, używane w pasmem IV i V, czyli obecnie w kanałach 21 do 48; | Anteny trumnowe.png |
| anteny w kształcie „kominków” dla stacji mniejszej mocy, przy czym kominki te sa tylko aerodynamicznymi i klimatycznymi osłonami, w środku kryją się anteny dipolowe albo szczelinowe. | Anteny kominki.png |
| Tak wyglądają anteny, | |
| tyle że pojedyncze anteny w stacjach nadawczych są bardzo rzadko stosowane. W większości zobaczymy na masztach czy wieżach, a czasem na dachach mniejszych stacji nadawczych, tak zwane systemy antenowe. | Systemy panelowe.png |
| Dość często spotykany jest układ anten tworzących system w postaci wysokiego ciągu „trumien”, na przykład 16 sztuk, jedna nad drugą. | Systemy trumnowe.png |
| A ponieważ zwykle z takich anten składa się system quasi dookólny, z 4 anten skierowanych na 4 strony świata w ramach pojedynczego „piętra”. | charakterystyka quasi dookólna.png |
| Zatem typowy system antenowy UHF składa się z 16 pięter po 4 anteny, a więc z aż 64 anten – „trumien”. A jak zobaczymy za chwilę, naprawdę pojedynczych anten jest w tym systemie o wiele więcej! | System trumnowy do 16 pięter.png |
| Tak rozbudowane systemy antenowe mogą przyjąć z nadajników wiele dziesiątków kilowatów fizykalnej mocy sygnału, a z uwzględnieniem zysku ich moc promieniowana (ERP lub EIRP) sięga miliona watów. | Moce ERP analogowych RTCN.png |
| Obejrzyjmy sobie budowę takiego pojedynczego pudła „trumny” po zdjęciu osłony z laminatu. | |
| I co się okazuje: w jednej obudowie mamy w rzeczywistości kilka równoległych anten! Każda „trumna” jest wyposażona w złącze koncentryczne, natomiast połączenia wewnątrz obudowy są zbudowane z linii paskowych. I odpowiednio „pogmatwane”, żeby było dobrze. Nie będziemy tego analizowali. | Antena trumnowa wnętrze.png |
| W każdym razie: już pojedyncze takie pudło zawiera kilka anten jedna nad drugą, a jeszcze tworzymy z nich układy dwóch, trzech, czterech a w końcu nawet 16 takich pudeł. Czyli w rozbudowanych systemach antenowych nad sobą położonych jest nawet 64 odrębnych anten, a takich układów („ścian” mamy 4. Razem więc 256 odrębnych anten! | System 16 pięter 1.jpg System 16 pięter 2.jpg |
| Po co aż tak? Zobaczmy zasadę fizyczną działania takiego zestawu anten. Przyda się wspomnienie ze szkoły na temat ruchu falowego – akustyka, światło, to właśnie te tematy. A to dlatego, że mamy do czynienia z sygnałem falowym, czyli falą elektromagnetyczną emitowaną przez każdą antenę. | |
| Zaczniemy jednak od innych fal: dźwięków emitowanych przez głośniki. Analogia jest pełna, a głośniki częściej spotykamy. | |
| Oto pojedynczy głośnik emitujący ton. Gdziekolwiek słuchacz znajdzie się przed nim w tej samej odległości, niezależnie czy na osi czy z boku, będzie słyszał dźwięk o tej samej głośności. Oczywiście upraszczam nieco dla zasady. Mamy tu do czynienia z falą akustyczną sinusoidalną, która symbolicznie widoczna jest za pomocą łuków (jak to sobie po szkolnemu wyobrażamy dla magnesu w postaci „linii sił”) | Głośniki 1.png |
| Ustawiamy drugi identyczny głośnik obok pierwszego. Emituje taki sam ton. Słuchacz staje na wprost osi symetrii kierunku „widzenia” obu głośników. Słyszy nagle ton o dwa razy wyższym poziomie. Fale od obu źródeł dochodzą do niego przecież po takich samych drogach, a zatem w tej samej fazie. Suma dwóch identycznych sinusów to sinus o dwa razy wyższej amplitudzie. | Głośniki 2.png |
| Słuchacz przesuwa się nieco w bok. Już nie znajduje się w jednakowej odległości od obu głośników. Dochodzące do słuchacza fale spotykają się tu w fazie innej niż taka sama. Sygnał dźwiękowy jest tu mniejszy, sinusy przesunięte w fazie dodają się mniej niż poprzednio… | Głośniki 3.png |
| … aż w pewnym miejscu ich fazy są dokładnie przeciwne, a amplitudy zbliżone. Sygnały od dwóch głośników odejmują się, nawet do zera. A przecież oba głośniki emitują bez zmian ten sam sygnał, który w tym konkretnym miejscu nie dociera do słuchacza wcale lub jest bardzo mały. | Głośniki 4.png |
| Wniosek: jeżeli w odpowiednich odległościach umieścimy jednakowe i zasilane jednakowym sygnałem głośniki w pewnym szeregu, uzyskamy efekt skupienia, zawężania obszaru słyszalności rozsyłanych fal w przestrzeni. Jeżeli ustawimy je nad sobą w pionie, zawęzimy obszar słyszalności w pionie, jeżeli w poziomie, zawęzimy obszar w poziomie. Możemy to określić jako „zawężanie jednej lub drugiej charakterystyki emisji zespołu głośników”, prawda? Im więcej głośników tym zawężenie większe. | kolumna dźwiękowa 2.png |
| A w oczywisty sposób musi temu towarzyszyć zwiększenie energii fali emitowanej w kierunku ku przodowi, czyli po linii maksimum promieniowania. Bo przecież łączna energia doprowadzona do zespołu źródeł zostanie w całości wypromieniowana zawsze (nawet gdyby istniał tylko jeden głośnik), natomiast efekt ukierunkowania emisji powoduje, że coraz więcej tej energii przesyłanej jest w jedną stronę, a coraz mniej we wszelkich innych kierunkach bocznych. | |
| Jakie to urządzenia zbudowaliśmy w tym eksperymencie? Zbudowaliśmy kolumnę głośnikową i to taką prawdziwą. Inaczej nazywana „kolumną dźwiękową”. | |
| To co od jakichś 30 lat powszechnie a błędnie nazywamy „kolumnami głośnikowymi”, wcale nimi nie jest. To są zgodnie z unormowanym polskim słownictwem technicznym „zespoły głośnikowe”. | Głośniki w domu.webp |
| Aby urządzenie było kolumną głośnikową, musi być zbudowane właśnie tak jak w tym eksperymencie. Głośniki (jednakowe) muszą być umieszczone w szyku, najsensowniej w pionowym, bo to ma głęboki sens. A jaki – zaraz zobaczymy. Takie kolumny głośnikowe z jakiegoś powodu są przecież powszechnie stosowane w wielu halach, praktycznie w każdym kościele, czasami na stadionach. Zatem gromadzenie w jednym szeregu wielu źródeł sygnału falowego musi do czegoś przydatnego służyć. | kolumna dźwiękowa 1.png kolumna dźwiękowa 6.png kolumna dźwiękowa 7.png |
| Od dłuższego czasu czujecie, że opowiadając o głośnikach, jednocześnie opowiadam właśnie o takich zestawach anten, o jakich dziś rozmawiamy. I słusznie. Jak wspomniałem, analogia jest pełna, bo tu i tam chodzi o sygnał o naturze falowej. | |
| Zobaczmy co się dzieje, jeżeli zbudujemy system antenowy z 8 jednakowych dipoli rozłożonych co połowę długości fali jeden nad drugim. | |
| Jak przed głośnikami tak i teraz stoimy dość daleko, na wprost dipoli. Wszystkie kierunki ku odbiorcy od dipoli są równoległe | |
| Wszystkie kierunki do odbiorcy są równoległe, ale odbiorca otrzyma sygnały od poszczególnych dipoli w różnych chwilach, bo każdy kolejny względem sąsiada jest opóźniony o drogę oznaczoną purpurowym odcinkiem. Czyli odbiorca dostaje sygnały o równomiernie opóźnianych fazach | System antenowy zasada 1.png |
| Mam nadzieję, ze nie przestraszy Was taki wykres wektorowy. Kto nie lubi wektorów , niech na niego nie patrzy, a któ lubi, zobaczy matematyczną ilustrację tego, o czym opowiadam. Krótko: w punkcie odbioru obowiązuje nas sumowanie z uwzględnieniem faz, czyli suma wektorowa. Widzimy wektory sygnałów od poszczególnych dipoli, amplitudy jednakowe, fazy jednakowe, efekt: gruby wektor wypadkowy. Zapamiętajmy go, to jest odbierany sygnał od układu dipoli gdy stoimy na wprost. Po prostu suma. | System antenowy zasada 2.png |
| Co, gdy staniemy z boku, czyli np. nad lub pod antenami? Przeanalizujmy podobnie. Tym razem każdy sygnał od dipola biegnie do nas po drogach różniących się od odcinek oznaczony purpurową linią. A więc faza każdego sygnału będzie inna, coraz to większa. Oddają to poszczególne wektory od dipoli. Na koniec otrzymujemy wektor sumaryczny, który jest krótszy od poprzedniego, tego „na wprost”. Sygnał w bok jest więc mniejszy. | System antenowy zasada 3.png |
| Im bardziej w bok, tym bardziej (z tych samych powodów) sygnał w punkcie odbioru nam maleje. | System antenowy zasada 4.png |
| Od razu dopowiem, ze w zakresie radiowym gdy będziemy to badali, sygnał pod pewnymi kątami znów nam się nieco wzmocni, spadnie i tak dalej. Powstają listki boczne. | Rodzina charakterystyk.png |
| A więc powstają takie same interferencje, sumowania i wygaszania, czyli ukierunkowanie emisji. Oraz wzrost zysku kierunkowego, bo skoro ukierunkowujemy emisję, cała moc będzie szła w takie kierunki jak pokazuje charakterystyka, a nie we wszystkie jednakowo. | |
| Nic więc dziwnego, że z nadajnika TV o mocy na przykład 20 kW uzyskujemy moce promieniowane dla pojedynczego kanału TV rzędu 200 kW lub więcej. W czasach TV analogowej wiele centrów nadawczych emitowało np. dwa programy TV, każdy z mocą ERP 800 lub 1000 kW, czyli rzędu megawata. | Moce ERP analogowych RTCN.png |
| Widzimy więc taki korzystny splot faktów: | |
| kanały TV pasma UHF mają wysokie częstotliwości, a więc dość małe długości fali, rzędu metra; | rozmiary.png |
| dla takich fal rozmiary dipoli czy innych elementów promieniujących nie są wielkie | rozmiary.png |
| łatwo zatem zbliżać te elementy do siebie w pionowym szyku | 4 piętra.png |
| powoduje to jednocześnie zwiększenie zysku takiego systemu (a więc zwiększenie mocy promieniowanej), z czego jest oczywista korzyść zasięgowa, ale także powoduje silne spłaszczenie charakterystyki pionowej, z czego korzyść nie jest tak na intuicje zrozumiała. | wąska.png |
| Jaki jest wypadkowy zysk energetyczny systemów antenowych z takich anten? | |
| Zależy to od liczby anten składowych położonych w odpowiednich odległościach jedna nad drugą. Typowo buduje się systemy z pojedynczego piętra (czyli z 4 anten wewnętrznych) do 16 pięter (czyli 64 anten składowych w szyku pionowym). Jak pokazuje ta tabela, zyski takich systemów to od 12 do 21 dBd (czyli do 23 dBi). Przynajmniej dopóki nie dokonamy pewnych modyfikacji, o których za chwilę. | System trumnowy do 16 pięter.png plus wskaźnik, zbliżenie tabelki |
| To zysk „czystych” systemów antenowych, ale do anten na dużej wysokości należy dostarczyć sygnał z nadajnika. Typowe moce nadajników to od kilku kW do nawet 40 kW (w telewizji analogowej, w cyfrowej tak duże moce nie są potrzebne). Koncentryczny tor antenowy, czyli fider, choć ma duże rozmiary jednak kilka dB tłumi. Często spotyka się fidery rozmiaru ponad 6 cali, czyli „kabliska” o średnicy nieomal 20 cm! | fidery 1.jpg fidery 2.jpg fidery 3.jpg |
| Musimy teraz omówić tę być może niezrozumiałą korzyść z zawężenia charakterystyki pionowej takiego rozbudowanego układu anten. | |
| Dlaczego to jest dobre, skoro coś zawęża? Dlaczego dobre, skoro systemy antenowe dla tych wysokich kanałów TV montuje się zwykle na samym szczycie masztów antenowych, tak że ich środek wypada nawet aż ponad 300 metrów nad ziemią? Czyli jest mocno oddalony od anten odbiorczych na budynkach? | szeroka.png wąska.png |
| Teraz przejdziemy krótki kurs odczytywania charakterystyk anten. | |
| Większość z nas jest przyzwyczajona do oglądania charakterystyk anten w takiej postaci: | typowa charakterystyka.png |
| Takie charakterystyki są najbardziej czytelne i intuicyjne, bo od razu pokazują zmianę poziomu sygnału po odchylaniu się o konkretny kąt, czyli to co nas najbardziej interesuje. Są to po prostu wykresy w biegunowym układzie współrzędnych: jedną współrzędną jest kąt odchylenia, drugą promień od środka do punktu na wykresie, czyli poziom sygnału. Ta współrzędna może być różnie wyskalowana: w wartościach względnych od 0 do 1 (lub od 0% do 100%), czyli liniowo, ale najczęściej jednak skaluje się ją w mierze logarytmicznej, czyli po prostu w decybelach, a i to na dwa sposoby. | wskaźnik wyjaśnia |
| Ale to nie jest jedyny sposób prezentowania charakterystyk. Czasami taki wykres biegunowy jest za mało dokładny, gubi takie szczegóły, które są ważne. Dlatego w zakresie anten nadawczych często charakterystyki pionowe przedstawia się inaczej – w „zwykłym” prostokątnym układzie kartezjańskim. Na osi pionowej mamy poziom emitowanego czy odbieranego sygnału, na osi poziomej kąt odchylenia od zera (czyli od poziomu). Za chwilę zobaczymy zalety takiego sposobu prezentacji charakterystyki, zwłaszcza pionowej. | pionowa prostokątna.png |
| Proponuję teraz taki test: | |
| Oto 4 różne obrazki charakterystyk antenowych – spróbujcie opisać różnice między antenami, których te rysunki dotyczą. | Zadanie 1.png |
| chwila ciszy podczas prezentowania 4 charakterystyk | |
| Tak, to rodzaj podpuchy: wszystkie te charakterystyki opisują tę sama antenę. Są to wykresy jej charakterystyki pionowej. | |
| Chyba najczęściej spotykamy rysunki w stylu D. Jest to wykres we współrzędnych biegunowych, wyskalowany w decybelach równomiernie narastających. Skala kończy się na 30 dB, co zwykle wystarcza. | łapka pokazuje rysunek D (prawy dolny) |
| Są to oczywiście decybele tłumienia emitowanego sygnału pod poszczególnymi kątami patrzenia w przód lub ku gruntowi i tak dalej. Pod kątem elewacji „zero”, czyli poziomo, antena emituje maksimum, pod kątem (przykładowym) 28° w dół sygnał wypromieniowany jest słabszy o 3 dB (to jest umowna granica kąta promieniowania do określania „szerokości wiązki”, ta przykładowa antena ma zatem szerokość wiązki w pionie 2×28°, czyli około 56 lub 57°). Pod kątem około 49° w dół antena emituje mniej o 10 dB niż płasko ku horyzontowi. | typowa charakterystyka.png łapka może pokazywać kierunki, wartości i opisy albo pozostawić chwilę na przeczytanie przez widzów? |
| Ale gdyby potrzebny był precyzyjniejszy wykres, może powstać cos takiego jak na rysunku A. To naprawdę ten sam wykres, lecz wyskalowany aż do 60 dB, zresztą mało potrzebnie. W każdym razie widać, że na oko charakter wykresu się całkowicie zmienia, jest jakiś „rozwichrzony”. A to tylko efekt uwidocznienia szczegółów w zakresie kolejnych 30 dB. | Zadanie 2.png łapka pokazuje rysunek A (lewy górny) |
| Rysunek B to radykalna zmiana sposobu prezentacji: zmienimy układ współrzędnych na prostokątny, jaki najczęściej znamy ze szkoły. Na osi poziomej mamy kąty od -180° do +180°, czyli cały przekrój kątów elewacji tak jak na wykresie biegunowym. A oś pionowa jest tutaj wyskalowana po prostu w zakresie od zera do jedności – czyli jakby w procentach od „nic” do „maksimum”. Widzimy więc, że pod kątem pochylenia zero (czyli poziomo) ta antena emituje maksimum, a potem z każdą zmianą kąta „patrzenia” coraz to mniej. Podkreślam, że na tej formie prezentacji charakterystyki nie ma decybeli. | łapka pokazuje rysunek B (prawy górny) |
| Rysunek C to znów wykres prostokątny, tej samej charakterystyki, jednak tym razem oś pionowa JEST wyskalowana w decybelach i to równomiernie zmiennych. Zobaczcie jak zupełnie inaczej wygląda wykres, a przecież pokazuje tę samą informację, lecz o wiele bardziej szczegółowo z samej natury decybeli i logarytmów. | łapka pokazuje rysunek C (lewy dolny) |
| Pokazuję ten test, żeby uczulić wszystkich, którzy czasem korzystają z takich charakterystyk, iż należy się dobrze przypatrzeć opisowi i sposobowi skalowania osi wykresu biegunowego, bo bez tego można wyciągnąć fałszywe wnioski o cechach anteny. | |
| Takie cztery formy prezentowania charakterystyk to jeszcze nie wszystkie możliwości, zobaczmy kolejne: | |
| Bardzo często spotyka się postać biegunową wyskalowaną w decybelach, ale wartości zmieniają się logarytmicznie … | Zadanie 3.png łapka pokazuje nowy rysunek |
| … a czasem jest to wykres biegunowy, jednak wyskalowany liniowo (od 0 do 1). | Zadanie 4.png łapka pokazuje nowy rysune |
| Ale teraz zajmiemy się tylko wykresami prostokątnymi. | pionowa prostokątna.png |
| Zatem charakterystyka pionowa nadawczego systemu antenowego jest kształtowana i to nawet bardzo wąsko. Ale do czego dążymy? | WĄSKA.PNG |
| Niech znów zagrają głośniki. Idealnie byłoby, by głośniki (czyli kolumny głośnikowe do nagłaśniania sal lub ulic) tak promieniowały, by słuchacz bliski i daleki słyszał audycję możliwie jednakowo głośno, prawda? Oczywiście to samo dotyczy odbioru telewizji: | kolumna dźwiękowa 2.png łapka pokazuje słuchaczy |
| Chcemy, by sygnał w antenach odbiorczych był odpowiedni zarówno daleko, jak blisko anteny, ale żeby dla odbiorcy bliskiego nie był tak ogromny, że poczyni jakieś szkody. Czyli żeby był możliwie równomierny. | |
| Jak to uzyskać, skoro z natury rzeczy gdy blisko źródła, sygnał jest „głośny”, a gdy daleko – musi być osłabiony przez odległość? | |
| Prześledźmy takie rozumowanie: aby odbiorca daleki miał wystarczająco silny sygnał, należy możliwie dużo emitować w jego stronę, czyli w stronę horyzontu, | |
| … ale by równocześnie odbiorca bliski otrzymał tyle energii z anteny nadawczej, by się zadowolił, a nie aż tyle, by mu przesterować telewizor, w stronę odbiorcy bliskiego należy emitować bardzo mało sygnału. Jak mało? mniej więcej tyle samo ile otrzyma odbiorca „daleki” po stłumieniu ze względu na dużą odległość. | kąty emisji 1.png łapka pokazuje miejsce „1 km” oraz „50 km” |
| Jak antena nadawcza „widzi” jednego i drugiego odbiorcę? | |
| Tego dalekiego widzi właściwie poziomo, czyli pod kątem 90° (na razie załóżmy, że poziomo). Ta trasa sygnału jest tu połamana, bo dokonaliśmy pofragmentowania, żeby nie zawracać sobie głowy krzywizną Ziemi, która już na takiej odległości jest nie do pominięcia. Ale rozumiemy, że tak daleko to praktycznie poziomo. Wystarczy to do rozumowania. | kąty emisji 2.png |
| Tego bliskiego odbiorcę pod jakimś kątem ku gruntowi. Jeżeli odbiorca znajduje się w odległości np. 1 kilometra od masztu antenowego, mamy takie zależności kątowe, wychodzi więc kąt 21° | kąty emisji 3.png |
| Teraz pojawiają się zagadnienia rozchodzenia się sygnału radiowego w przestrzeni. Istnieje na to wzór, ale w rzeczywistości w prawdziwej statystycznej przestrzeni sygnał rozchodzi się nie według wzoru, a w sposób bardziej złożony. Na szczęście od stu lat wiadomo jak to liczyć. Krótko: sygnał radiowy czy telewizyjny rozchodzi się według tzw. krzywych propagacyjnych, międzynarodowo unormowanych. Oto rodzina takich krzywych: | Rec_P_1546_2_Tab_values.png |
| Ta rodzina wykresów dotyczy różnych przypadków, usuwam wszystkie niepotrzebne do naszego przykładu. Załóżmy, że antena w przykładzie wisi na 300 m nad gruntem, bez wdawania się w zbędne szczegóły korzystania z tych krzywych. | Rec_P_1546_2_Tab_values tylko 300 m.png |
| Co z tego wiemy? Że w odległości 1 km od anteny (początek wykresu) przy mocy emisji równej 1 kW należy na wysokości 10 m (znormalizowana wysokość anteny odbiorczej) spodziewać się sygnału o poziomie +103 dB (µV/m). Natomiast w odległości 10 km sygnał będzie o 25 dB niższy niż na kilometrze, a po 50 km niższy już o 58 dB. W rzeczywistości moce emisji są zwykle o wiele, wiele wyższe niż 1 kW, ale niczego to nie zmienia w zmianach decybeli, poziomy będą wyższe, ale zawsze różniące się o tyle samo dla poszczególnych odległości, a tylko to jest teraz ważne. | łapka pokazuje |
| Dobrze, ten wykres będziemy mieli zawsze teraz pod ręką. | kąty emisji 4.png |
| W stronę odbiorcy bardzo dalekiego wysyłamy maksimum. Chcemy, by niezależnie od odległości odbiorcy dostali taki sam sygnał. | |
| Zatem w stronę odbiorcy bliskiego powinniśmy wysłać o 58 dB niższy niż w stronę horyzontu, prawda? Bo wówczas ten bliski dostanie tyle samo co daleki. | kąty emisji 5.png łapka pokazuje pałkę „58 dB” na wykresie krzywych. |
| Umieśćmy jeszcze jednego odbiorcę testowego, np. po 10 km. | kąty emisji 6.png |
| Tymi samymi rachunkami dojdziemy, iż należy tam skierować o 25 dB sygnału mniej niż do dalekiego | kąty emisji 7.png łapka pokazuje pałkę „25 dB” na wykresie krzywych. |
| Czyli idealnie byłoby zbudować antenę o charakterystyce spełniającej te trzy nasze punkty. Jak widać wyszła bardzo płaska, prawda? Już wiemy jaka jest korzyść z zawężania charakterystyki. | kąty emisji 8.png |
| Teraz tak: wiemy jak rozchodzi się sygnał na dziesiątki kilometrów… | Rec_P_1546_2_Tab_values.png |
| … wiemy jak wygląda charakterystyka pionowa anteny i systemu antenowego. W zależności od liczby „pięter” rozbudowanego systemu antenowego dla zakresu UHF mogą one wyglądać następująco. Po raz pierwszy widzimy tu takie kierunki emisji, na których teoretycznie sygnały z poszczególnych elementarnych anten się silnie wygaszają. Czyli w praktyce pod tymi kierunkami emitowane jest teoretycznie „nic”, w praktyce bardzo, bardzo mały sygnał. To są właśnie słynne miejsca zerowe charakterystyki promieniowania anteny nadawczej. Ma je zresztą każda antena. | Charakterystyka pionowa 1.png łapka pokazuje dziury |
| Gdzie wypadają w terenie skutki takich miejsc zerowych? Oto gotowy zestaw odległości, bez zadawania obliczeni do domu: | Charakterystyka pionowa 2.png |
| To może być zaskakujące, ale nawet dość blisko anteny nadawczej może się zdarzyć miejsce, w którym sygnał będzie znikomo mały! A nawet mamy więcej niż jedno takie miejsce. A przyczyną są właśnie miejsca zerowe charakterystyki anteny. | łapka pokazuje te na żółtym tle, bo są blisko |
| No jak to powinno wyglądać? Zobaczmy takie porównanie. Najpierw zobaczmy sygnał od takiej właśnie charakterystyki wzdłuż trasy propagacji. W tym przykładzie w okolicy 2 i 4 kilometra mamy kompletne zero sygnału! | Porównanie sygnału 1.png |
| Znów sięgamy do wiedzy praktycznej: krzywe propagacji wskazują, że sygnał chce się tak rozchodzić.. : | Porównanie sygnału 2.png |
| … więc krzywą propagacji musimy oglądać do góry nogami, bo musimy sprzeciwić się jej skutkom … | Porównanie sygnału 3.png |
| … a więc razem potrzebowalibyśmy takiej charakterystyki pionowej! | Porównanie sygnału 3.png |
| Jakże dalekiej od rzeczywistej. | Charakterystyka pionowa 1.png |
| Trygonometria podsuwa na tu mało znaną ze szkół funkcję cosecans, czyli odwrotność sinusa. Sprawdźcie w encyklopedii… Bez wchodzenia w szczegóły przyjmijmy, że gdyby charakterystyka pionowa anteny przebiegała dokładnie według tej funkcji cosecans, | Porównanie sygnału 4.png |
| to aż do zagięcia Ziemi wymagane warunki dostarczania równego sygnału dla wszystkich punktów byłyby spełnione. Czyli idealnie kosekans owa charakterystyka w zakresie od tuż przy maszcie do kilkudziesięciu kilometrów zapewniałaby ten sam poziom sygnału odbieranego na przykład (typowo) na wysokości 10 m nad gruntem. | Porównanie sygnału 5.png łapka pokazuje te kilkadziesiąt kilometrów w ramach obwódki „gęstego zamieszkania” |
| I co, nic z tym się nie da zrobić? | |
| Da się, ale najpierw wróćmy do tego tłumaczenia zasady powstawania zawężenia pionowej charakterystyki. | |
| Przypominam, że jest to skutkiem sumowania się i wygaszania sygnałów emitowanych przez anteny składowe. Dotąd zakładaliśmy, że wszystkie one są zasilane sygnałem identycznym, o tej samej amplitudzie i jednakowej fazie. To znaczy, że w każdej antenie sygnał wielkiej częstotliwości w tej samej chwili przechodzi przez zero lub maksimum lub minimum. To właśnie oznacza „jednakowa faza” w każdej antenie. | Zasilanie dipoli 1.png łapka przejeżdża przez dipole 1…8 oraz przez sinusoidki po prawej stronie dipoli |
| Ale tak przecież nie musi być. Nie ma przeszkód, by do każdej z tych anten doprowadzać sygnał o innej amplitudzie i o innej fazie, jeżeli tylko potrafimy to zapewnić, prawda? | |
| Po co mielibyśmy różnicować fazę? Zobaczmy na schemacie: | |
| Bez głębokiego wnikania w analizę widzimy, że jeżeli kolejne coraz wyżej położone elementy antenowe będą zasilane sygnałami stopniowo opóźnionymi, całość emisji ulegnie po prostu pochyleniu. Podkreślam, że nie pochylamy tu całego systemu antenowego (czyli nie stosujemy pochylenia mechanicznego), zachodzi tu wyłącznie pochylenie elektryczne. | Zasilanie dipoli 2.png łapka przejeżdża przez dipole 1…8 oraz przez sinusoidki po prawej stronie dipoli następnie pokazuje pochylenie |
| O ile stopni? O tyle ile potrzeba. W praktyce potrzeba od pół do półtora stopnia. To w zupełności wystarczy, by maksimum emisji nie wypadało poziomo (pod kątem 90°), tylko by trafiało tam, gdzie Ziemia się zakrzywia i przez to nie emitujemy nadmiernie „w kosmos”. Zużywamy możliwie dużo energii sygnału nadawanego do obsłużenia odbiorców. | wąska 2.png 🡪 wąska 3.png |
| Ale takie działanie nie zasypuje tych głębokich dziur w charakterystyce, lecz je nieco przesuwa. Należy uczynić coś jeszcze w tym systemie antenowym. | Charakterystyka pionowa 1.png |
| I znów proszę, byście przyjęli „na wiarę”, że należy zastosować takie rozwiązanie: | |
| mamy 16 pięter anten (czyli w sumie 64 anteny składowe, jedna nad drugą w odległościach około połowy długości fali); | |
| do kilku elementów antenowych w okolicy połowy tego szyku doprowadzamy sygnały nie tylko przesunięte lekko w celu pochylenia, ale jeszcze dodatkowo przesunięte w fazie o 90°; | Zasilanie dipoli 3.png |
| amplitudy tych sygnałów regulujemy tak, by uzyskać zamierzony efekt. | łapka przejeżdża przez dipole 1…8 oraz przez sinusoidki po prawej stronie dipoli |
| A jaki to efekt? Uzyskaliśmy wypełnienie miejsc zerowych. | Charakterystyka pionowa 3.png |
| Widzimy więc, że uzyskaliśmy duże zbliżenie do idealnej krzywej kosekansowej, w efekcie rozkład sygnału owija się wokół tej idealnej krzywej i efekt jest pozytywny. | |
| W jaki sposób można uzyskać takie przesunięcia fazowe, o jakich tu w dwóch zastosowaniach mówiłem? | |
| Po prostu dobierając długości koncentrycznych kabli łączących elementy dzielące sygnał z poszczególnymi „trumnami” anten. Bo skoro nap. przy częstotliwości 600 MHz (okolice kanału TV nr 37) fala ma długość pół metra, to kabel o długości około pół metra opóźni sygnał o cały okres, czyli o 360°, a przesunięcie fazy o 90° zapewni kabel o długości powiększonej o około 12 centymetrów względem kabla bez przesunięcia fazy. „Około”, bowiem sygnał w kablu porusza się z prędkością mniejszą niż w powietrzu, powiedzmy z prędkością równą 88% prędkości światła, zatem długości fali w kablu koncentrycznym także są skrócone. Nazywa się to zresztą „współczynnikiem skrócenia”. | |
| To już dużo wiemy. Powstaje jednak pytanie: skoro tak można robić, dlaczego czasem spotyka się jednak na dachach zaniki sygnału, które można przypisać właśnie efektowi miejsc zerowych? | |
| Ponieważ skomplikowane wypełnianie miejsc zerowych można w praktyce wykonać dla rozbudowanych systemów antenowych, takich właśnie jak w dużych centrach nadawczych. Tymczasem bardzo duża część stacji nadawczych DVB-T to stacje niewielkie, o niezbyt rozbudowanym systemie antenowym. W takim systemie antena ma na tyle szeroką charakterystykę pionową, ze efektu wypełnienia nie da się uzyskać. I to są właśnie te przypadki. | Systemy pochylone 1.png 🡪 Systemy pochylone 2.png 🡪 Systemy pochylone3.png 🡪 Systemy pochylone 4.png |
| W każdym razie gdy w konkretnej instalacji nie ma widocznych przeszkód, nie można zwalić winy na odbicia od sąsiednich obiektów przewodzących, zmiana miejsca anteny na dachu nic nie daje – zawsze można przypuścić, że powodem jest właśnie opisane tu zjawisko miejsc zerowych charakterystyki promieniowania nadawczego systemu antenowego. Można więc próbować przesuwać antenę nie w bok, lecz w przód lub tył po linii łączącej obiekt ze stacją nadawczą – lub próbować odbierać z innej stacji dającej wystarczający sygnał z innego kierunku. | |
| Oczywiście przyczyn „braku sygnału” może być więcej, metod zapobiegania także, dziś chciałem omówić powód mało znany, o którym warto także pamiętać. | |
