CC BY
205
Исследование способов модернизации действующей передающей радиовещательной антенны АМШП для работы в стандарте DRM
Ключевые слова: стандарт DRM, длинноволновый диапазон, АМШП, КСВ, добротность антенны.
В связи с переходом на стандарты цифрового радиовещания в нашей стране возникает проблема модернизации действующих антенно-фидерных устройств для работы в данных стандартах. Наиболее перспективным из этих стандартов является DRM (Digital Radio Mondiale - мировое цифровое радио). Целью данной статьи является описание способов модернизации действующей передающей радиовещательной антенны AMШП (антенна-мачта шунтового питания) для работы в стандарте DRM. Учитывая большие габариты действующей антенны, при исследовании способов ее модернизации рассматривались только небольшие изменение в геометрии антенны. В качестве критерия оценки качества модернизации антенны AMШП: была выбрана величина добротности антенна, а точнее ее уменьшение. Кроме того, авторы старались привязывать желаемые изменения во входном сопротивлении антенны к конкретному виду согласующей цепи. Иными словами, модернизация антенны выполнялась уже под конкретный тип согласующего устройства, который фактически и определял желаемый вид частотного поведения входного сопротивления антенны. Было проведено компьютерное моделирование существующей ДВ антенны AMШП для оценки возможности уменьшения ее ^В в рабочей полосе путем изменения геометрии полотна антенны без изменения ее высоты. Разработана модернизированная геометрия антенны AMШП, обеспечивающая на частоте 180 кГц в полосе ±5 кГц ^В не хуже 1.1, а полосе ±10 кГц ^В не хуже 1.2. В качестве согласующей схемы использовалась комбинация Г-цепи и параллельного колебательного контура. Возможность изменения высоты мачты антенны AMШП обеспечивает ее согласование в полосе 9 кГц с ^В не хуже 1.1 при использовании согласующей цепи в виде параллельного контура и Г-цепи во всем ДВ диапазоне.
Гайнутдинов ТА, доцент кафедры ТЭДиА МТУСИ Гаранкина Н.И., инженер кафедры ТЭДиА МТУСИ Кочержевский В.Г., доцент кафедры ТЭДиА МТУСИ
Используемые в настоящее время в ДВ диапазоне антенно-фидерные устройства (АФУ) весьма узкополосны, и возможность их использования для передачи радиовещательного сигнала перспективного стандарта DRM (Digital Radio Mondiale) до настоящего времени не изучена. Так, вопросы работы вещательных передатчиков в режиме DRM на относительно узкополосные антенны диапазона НЧ и требования к антенным системам обсуждались в [1, 2]. В [1] показано, что при работе современного передатчика с ШИМ модулятором в режиме DRM на узкополосную антенну возможно существенное (до 15 дБ) превышение его выходного спектра над ограничительной линией (маской) допустимых внеполосных радиоколебаний. Для устранения данного эффекта в [1] сформулированы требования к КСВ антенны при работе передатчика в цифровом режиме стандарта DRM:
— величина КСВ должна быть <1,05 в полосе частот ± 5 кГц от несущей;
— величина КСВ должна быть <1,1 в полосе частот ± 10 кГц от несущей.
Следует отметить, что перечисленные требования к допустимому КСВ нагрузки относятся только к конкретному, исследованному в [1] типу передатчиков с применяемым в них методом высокоэффективного усиления, выбранной тактовой частотой ШИМ и тд.
Как показывает анализ, входной КСВ реальных, используемьх в настоящее время длинноволновых антенн в полосе цифрового сигнала 10 кГц существенно превышает требуемые значения.
Рассмотрим несколько антенн, которые используют для передачи сигнала в странах, которые уже ввели стандарт DRM в эксплуа-
тацию. Первая рассмотренная нами антенна — радио-шлейф антенна (рис.1) [3], со следующими параметрами: высота такой антенны более 300 метров, длинна изоляторов 76 м, расстояние между ними 25 м. КСВ такой антенны колеблется от 1 до 1,218.
Рис. 1. Радио-шлейф антенна
Вторая антенна (рис. 2) приведена в [4] , имеет параметры: высота мачты антенны 375 м, сложная 5 уровневая система оттяжек, обеспечивающая надежное крепление всей конструкции. Центральная частота — 177 кГц
Для большей наглядности приведем рисунок, более подробно показывающий всю сложность построения разветвленной вертикальной части антенны 7еІе^оії
Рис. 2а ДВ антенна 7еІепСог(
Рис. 26. Модель антенны 7е!епСог(
Учитывая весьма немалые габариты вышеописанных конструкций, их покупка за рубежом и затраты на последующую установку в РФ делают внедрение стандарта Р1?М коммерчески малопривлекательным делом. Поэтому представляет интерес возможность модернизации уже действующих в РФ ДВ антенн для работы в стандарте ЭШ.
Было проведено компьютерное моделирование действующей в РФ антенны ДВ диапазона АМШП [5] — антенны-мачты шунтового питания с целью оценки возможности расширения ее полосы пропускания для нужд цифрового радиовещания путем изменения геометрии полотна антенны без изменения ее высоты.
В качестве критерия, определяющего является ли это изменение благоприятным или же оно только ухудшает и без того неширокую рабочую полосу антенны, используем величину добротности О антенны. Чем величина О меньше, тем потенциально широкополоснее антенна. Величина О определяется по формуле (1), при условии что сопротивление антенны вблизи центральной частоты носит резонансный характер.
д=&
Я '
где L и С индуктивность и емкость резонансного контура имитирующего характерное поведение реактивного сопротивления антенны, а I? — активное сопротивление антенны. Основным приближением при таком методе расчета О является пренебрежение частотной зависимостью активной части входного сопротивления антенны. По-
(1)
Рис. 3а. LC-цепь
Рис. 36. CL-цепь
этому для антенн, у которых активная часть входного сопротивления в требуемой полосе частот меняется слабо, расчет О вполне адекватен. Кроме уменьшения добротности антенны в рамках численной оптимизации авторы старались привязывать желаемые изменения во входном сопротивлении антенны к конкретному виду согласующей цепи. Иными словами, модернизация антенны выполнялась уже под конкретный тип согласующего устройства, который фактически и определял желаемый вид частотного поведения входного сопротивления антенны. В качестве согласующих цепей рассматривались следующие варианты [6]: а) Г-цепь ^С — рис. 3а или CL — рис. 3б) б) последовательный колебательный контур, включенный последовательно относительно антенны в питающий фидер (рис. 4) в) параллельный колебательный контур, включенный параллельно относительно антенны в питающий фидер.
Рис. 4а. последовательный колебательный контур
Рис. 4б Параллельный колебательный контур
На практике любое изменение в конструкции антенны ведет к изменению как активной, так и реактивной части входного сопротивления антенны, поэтому выполнить оба требования на подъем активного и резонанс реактивного одновременно получается далеко не всегда. В этом случае для подъема активного сопротивления использовать Г-цепь, которая являлась бы элементом двухцепной системы согласования антенны.
Рис. 5. Модель антенны АМШП
Разработанная модель конструкции антенны (рис. 5) имеет следующие параметры: высота мачты 254 м, радиус мачты 0,63 м, радиус тросов оттяжек и "фонаря" (фонарь образован шестью "ломаными" тросами) 6 мм, радиус собирательного кольца 5 м, высота плоскости расположения собирательного кольца 3 м, радиус провода собирательного кольца 18 мм, высота излома тросов фонаря 127 м, угол между тросами фонаря и мачтой 45 градусов .Область собирательного кольца в укрупненном масштабе показана на рис. 6.
•
а
Рис. 6. Собирательное кольцо антенны АМШП
Центральная частота диапазона составляет 180 кГц. Было проанализировано поведение входного сопротивления этой антенны. Расчетные данные по входному сопротивлению действующей антенны в диапазоне частот 170-190 кГц представлены в виде графиков на рис. 7, а также в табличном виде (табл. 1).
ІПфМП*
|- аццрип - одрчп |
Ргедиелсу |кНг]
Рис. 7
Таблица 1
Частота, (кГц) 1*е(4 (Ом) 1т(4 (Ом)
170 19,6 -93,3
172 19,7 -88,5
174 19,9 -83,9
176 20,1 -79,5
178 20,3 -75,3
180 20,5 -71,1
182 20,8 -67,2
184 21,1 -63,3
186 21,4 -59,6
188 21,7 -56,0
190 22,0 -52,5
Как видно из этих графиков активная часть входного сопротивления, имеющая порядок чуть больше 20 Ом, медленно растёт с повышением частоты, что можно объяснить увеличением действующей высоты антенны. Реактивное сопротивление имеет ёмкостной характер и также растет с ростом частоты. Расчетная величина добротности антенны оказалось равной 10,6.
Была произведена попытка согласования входного сопротивления рассматриваемой антенны со входным сопротивлением 60-омного фидера на центральной частоте. Расчетная кривая зависимости КСВ от частоты показана на рис. 8. При этом параметры ЬС-согласующей цепи были следующими: С1=20 нФ, 12=88 мкГн. Полоса согласования действующей антенны по уровню КСВ не большим 1,05 составляет около ± 0,3 кГц, по уровню 1,1 примерно ± 0,5 кГц и по уровню1,2 примерно 1,5 кГц, что совершенно не удовлетворяет требованиям стандарта Р1?М.
),-----------і--------;---------;---------і--------;---------;--------;---------;---------;--------;
170 172 174 176 178 180 182 184 186 188 190
Частота. кГц
Рис. 8
Модернизация антенны производилась путем добавления в геометрию излучающей части антенны! некоторых новых эффективно излучающих элементов с целью приближения увеличения активной части входного сопротивления и обеспечения резонансного характера кривой реактивного сопротивления по типу последовательного резонанса. В результате многочисленного перебора и проверки различных вариантов мы остановились модели, изображенной на рис. 9.
Как видно из рис. 9 к излучающей системе антенны добавлены 6 дополнительных проводов, симметрично расходящихся от вершины и обрывающихся не доходя до поверхности земли. Диаметр проводов выбран таким же, как у проводов основного фонаря. Длина проводов определялась из условия обеспечения последовательного резонанса на центральной частоте рассматриваемого диапазона. В результате, удаление концевых точек этих проводов по горизонтали от оси мачты составляет 160 м, высота концевых точек над поверхностью земли равна 120 м. При этом концевые точки смещены по часовой стрелке на 3 м относительно направлений основных тросов фонаря.
Расчетные зависимости действительной и мнимой частей входного сопротивления модифицированной модели и от частоты представлены на рис. 10.
Добротность антенны понизилась до уровня 7,1. Согласования входного сопротивления антенны с 60-омным фидером по уровню КСВ <1,1 в полосе частот 5 кГц и по уровню КСВ < 1,2 в полосе частот ±10 КГц относительно центральной частоты при помощи Г цепи это по-прежнему не удается. Однако использование более сложной согласующей цепи позволило удовлетворить этим требованиям, хотя и не в полном объеме.
Была использована усложненная схема Г-цепи [6] с добавочным параллельным контуром изображенная ниже.
Полученные результаты по согласованию в полосе ±5 кГц можно видеть на рис. 12. Из рисунка видно, что достигнута полоса согласования по уровню КСВ <1,1 от 174.75 до 185 кГц. При этом индуктивность параллельного контура равна 3 мкГн, а его емкость — 300 нФ; индуктивность Г-цепи равна 49 мкГн, а емкость — 30 нФ. Однако требуемая полоса по уровню КСВ <1,2 при этих параметрах согласующей цепи не достигается.
Наилучшие результаты, достигнутые при согласовании по уровню КСВ <1,2 можно увидеть на рис. 13. Полученная полоса занимает интервал частот 172,3 — 185,75 кГц, что несколько меньше требуемой ТЗ ширины полосы. Параметры согласующей цепи следующие. Параллельный контур: Ь=5 мкГн , С=160 нФ. Г-цепь: Ь =26 мкГн, С =15 нФ.
Помимо собственно вопросов модернизации антенны без изменения высоты мачты, с научной точки зрения важна зависимость ши-
Рис 13
рины полосы пропускания антенны АМШП от частоты и возможность ее согласования стандартными методами (шлейфами или одним Г Т — звеном) на частотах153, 171, 189, 234 и 270 кГц по двум критериям: а) в полосе 9 кГц КСВ 1,05, в полосе 18 кГц КСВ 1,1; б) в полосе 9 кГц КСВ 1,1.
Как видно из предыдущий результатов ни критерий б), ни тем более жесткий критерий а) не могут быть выполнены на указанных частотах ДВ диапазона. Было определено, насколько полоса пропускания действующей антенны будет не удовлетворять критериям а) и б). В качестве согласующего элемента была выбрана однозвенная Г-цепь. Выбор объяснялся следующими обстоятельствами: Т-звено, по своей широкополосности, нисколько не лучше Г-звена [7], а согласование с помощью одного шлейфа (метод Татаринова) по своим частотным свойствам уступает Г- и Т-звену. Ниже приведем таблицу результатов.
54
Т-Сотт, #9-2013
Таблица 2
Антенна АМШП
Чкщ| ІнІМкГн] СДпФ] АР |КСВ = 1,1 [кГц] АР |КСВ = 1,2 [кГц] О
153* 180 25 000 ±0,4 ±0,7 18,6
171* 110 22 700 ±0,6 ±1,2 12,85
189* 70 18 500 ±1,0 ±1,8 8,84
234 48 17 500 ±2,4 ±4,5 4,2
270 140 9 200 ±3,6 ±6,4 2,98
*тип схемы СН2 (рисунок1б),без звездочки тип схемы L1C2 (рис. 1а)
Тип схемы определялся из условия получения максимальной полосы согласования.
Ни АМШП, ни одна из рассмотренных ее модернизаций и близко не выполняет критерии а) и б). Для антенны АМШП граничные частоты для критерия б) составляют 500-550 кГц, а для критерия а) около 1МГц.
В результате проведенных численных исследований было установлено, что в ДВ диапазоне (частоты 153 кГц; 171 кГц; 234 кГц; 270 кГц) не при какой высоте мачты невозможно выполнить критерии а) и б) при использовании согласующего устройства в виде Г-цепи. Были найдены оптимальные высоты мачт, при которых антенна имеет наибольшую полосу согласования. Результаты по оптимальным высотам и полосам приведены ниже в таблице 3
Таблица 3
Частота [кГц] 153 171 234 270
Оптимальная
высота [м] 480 410 300 260
Полоса по КСВ<1,05 [кГц] ±1,0 ±1,3 ±1,7 ±2,1
Полоса по КСВ<1,1 [кГц] ±1,8 ±2,5 ±3,4 ±3,9
Для большей наглядности приведем графики зависимости оптимальной высоты и полос от частоты в ДВ диапазоне при согласовании с помощью Г-цепи (рис. 14 и 15).
500,0
475,0-
450/)-•125,0* 100,0 О 375,0 8 £ -,іл п
ЗТЬ.О
300,0 27 V)-
250^0 Л 1Є д гё> 15 0 19 ■ Я о г 0 220 230 * 0 250 21 я т, і и 0 с
Рис. 14
Полученная узкополосность объясняется тем, что сама схема согласования, т.е. Г-цепь плохое широкополосное устройство для ДВ диапазона. Применение более широкополосной схемы, а именно, параллельный контур и Г-цепь (см. рис. 11) позволяет выполнить критерий б) во всем ДВ диапазоне, да и еще при существенном уменьшении высоты мачты по сравнению с данными по оптимальным высотам, приведенными в таблице 4. Результаты по минимальным высотам и полосам при использовании вышеупомянутой, более сложной схемы согласования представлены ниже в табл. 4.
Таблица 4
Частота [кГц] 153 171 234 270
Минимальная
высота [м] 378 315 235 205
Полоса по КСВ<1,1 [кГц] -8/+5 -5/+10 -5/+10 -5,5/+6
Из сравнения таблиц 3 и 4 видно, что при применении более сложной схемы согласования возможно еще и уменьшить высоту мачты в самом наилучшем случае ((=153 кГц) на 100 м. Для наглядности приведем графики высот на отдельном рисунке
Попытка добиться выполнения критерия а) в ДВ диапазоне при использовании сложной схемы согласования, привела к результатам, представленным в табл. 5.
Таблица 5
Частота [кГц] 153 171 234 270
Минимальная
высота [м] 378 336 242 212
Полоса по
КСВ<1,05 [кГц] -5,5/+3 -6/+4 -7,8/+7,5- 9,5/+5,8
Полоса
по КСВ<1,1 [кГц] -7/+3,2 -7,4/+5,2- 9,2/+9,2- 10/+9,2
Зеленым цветом выделен результат, удовлетворяющий критерию а). Таким образом, выполнить этот критерий удается в верхней части ДВ диапазона, на частотах 234 и 270 кГц.
В данной статье было высказано много критических слов в адрес согласующей Г-цепи. Однако, в СВ диапазоне Г-цепь работает превосходно. Подтверждением этого утверждения являются результаты по нахождению минимальных высот антенны АМШП при согласовании ее Г-цепью, приведенные в табл. 6.
Рис. 15
Таблица 6
Критерий а Критерий б
Частота [кГц] 549 1000 1500 549 1000 1500
Минимальная высота[м] 140 55 32 98 45 26
Полоса по КСВ<1.05 [кГц] *4.5 ±5 ±5
Полоса по КСВ<1.1 [кГц] ±8 ±9. ±9.6 ±4.6 ±4.8 ±4.6
I »f— * If — ) 1
1101-
UM им
в
Л w W
М.»
IM- '
М Ш W ИС >90 7И КО НС ЮС • 1 1000 им им им 1ХО им им им 1400 им им
РИс. 17
Графики минимальных высот антенны для обоих критериев приведем на отдельном рис. 17.
Красным цветом в табл. 6 отмечен тот факт, что на частоте 549 кГц выполнить критерий а) точно не удается. Как видно из таблиц и графиков большой разницы в высотах нет, поэтому, на наш взгляд, в СВ диапазоне лучше строить схему согласования по критерию а), за исключением нижних частот СВ.
Выводы
1. Антенна АМШП, работающая на частоте 180 кГц, может быть согласована в полосе ±5 кГц с КСВ не хуже 1.1 при небольшом изменении полотна антенны и использовании в качестве согласующего устройства комбинации параллельного контура и Г-цепи;
2. Антенна АМШП, работающая на частоте 180 кГц, не может быть согласована в полосе ±10 кГц с КСВ не хуже 1.2 при конструктивно допустимых изменениях полотна
3. Возможность изменения высоты мачты антенны АМШП обеспечивает ее согласование в полосе ±5 кГц с КСВ не хуже 1.1 при использовании согласующей цепи в виде параллельного контура и Г-цепи во всем ДВ и СВ диапазоне
Литература
1. Thomas Walz. DRM Aspects of LW/MW Antenna Systems. Международный симпозиум по цифровому радиовещанию. Москва, 14 — 16 октября 2009.
2. Йохен Хубер. DRM в СВ и ДВ диапазонах, зоны покрытия и технические требования. Международный симпозиум по цифровому радиовещанию. Москва, 14 — 16 октября 2009.
3. Исследование антенных систем, используемых для передачи информации в стандартах DRM и IBOC DAB, Boddy L. Cox II, James R. Moser., 2002.
4. www.waniewski.de/LW/Zehlendorf_LW/zehlendorf_lw_1en.htm.
5. Белоусов С.П.,Гуревич Р!В.,Клигер Г.А, Кузнецов ВД Антенны для радиосвязи радиовещания. Часть 2 Средневолновые и длинноволновые антенны. — М.:Связь,1980. — 120 с.
6. Сазонов ДМ. Антенны и устройства СВЧ. — М.: Высш.шк.1988. — 432 с.
7. Фуско В. СВЧ цепи и сигналы. Анализ и автоматизированное проектирование. — М.: Радио и связь, 1990. — 288 с.
The research of ways of modernization AMSHC for work in DRM standard
Gainutdinov TA, docent, MTUCI, Garankina N.I., engineer, MTUCI,
Kochergevsky V.Gv docent, Cathedra of Technical Electrodynamics and Antennas, MTUCI, Moscow, Russia
Abstract
The problem with modernization of operating antenna-feeding devices lor work in digital broadcasting standards is appeared today, because our country transitions to standards of digital broadcasting. The most perspective of these standards is DRM (Digital Radio Mondiale). The purpose of this article is the description of modernization ways broadcasting AMShF (the antenna-mast of the shunt feed) for work in the DRM standard. The research of ways of modernization was considered only small change in antenna geometry, considering big dimensions of the operating antenna. As criterion of an assessment of quality of modernization of the AMShF antenna: the Q-factor size the antenna, to be exact its reduction was chosen. Besides, authors tried to adhere desirable changes in entrance resistance of the antenna to a concrete type of a matching chain. Differently, the modernization of the antenna was carried out already under concrete type of the matching device which actually and defined a desirable type of frequency behavior of entrance resistance of the antenna. Computer modeling of exsting LW of the AMShF antenna for an assessment of possibility of reduction it by SWR in a working strip a way of change of geometry of a cloth of the antenna without change of its height was carried out. The modernized geometry of the AMShF antenna providing on frequency of 180 kHz in a strip ±5 kHz of SWR is developed isn't worse 1.1, and to a strip ±10 the kHz of SWR isn't worse 1.2. As the matching scheme the combination of the Gamma circuit and a parallel oscillatory contour was used. Possibility of change of height of a mast of the AMShF antenna provides its coordination in a strip of 9 kHz with SWR not worse 1.1 when using a matching chain in the form of a parallel contour and the G-chain in all LW a range.
Keywords Standart DRM, LW range, AMShF, SWR, Q-factor.
References
1. Thomas Walz:. DRM Aspects of LW / MW Antenna Systems. International symposium on digital broadcasting. Moscow, 14-16 October 2009.
2. Jochen Huber. DRM in the MW and LW bands, coverage and technical requirements. International symposium on digital broadcasting. Moscow, 14-16 October 2009.
3. Study antenna systems used for transmission of information standards and DRM IBOC DAB, Boddy L. Cox II, James R. Moser, 2002.
4. http://www.waniewski.de/LW/Zehlendorf__LW/zehlendorf_lw_1en.htm.
5. Antennas for radio broadcasting. Part 2 MW, LW antenna / Belousov S.P, Gurevich R.V., Kliger G.A., Kuznetsov V.D. Moscow,1980. 120 p.
6. Sazonov D.M. Antenna and SVCH device. M.,1988.432 p.
7. Fusco V Microwave circuits and signals. Analysis and computer-aided design. M,1990. 288 p.
56
T-Comm, #9-2013
