1.                 Řešení R a TV rozvodu v budově

V této části jsou popsána všechna zařízení pro stavbu malé společné antény v rodinném domku. V kapitole 3.4 jsou i některá konkrétní řešení anténního systému.

3.1            Umístění stožáru viz 3.4

3.2            Napáječe

Přenos signálu ze svorek antény na vstup přijímače je zajištěn vf vedením nazývaném napáječ. Vzhledem k tomu, že délka vedení bývá mnohem delší než vlnová délka přenášeného signálu, má napáječ charakter vf vlnovodného vedení (viz princip 1.2).

Při kmitočtech v I.-V. TV pásmu prochází elektrický proud v tenké vrstvě na povrchu vodiče  a podstatná část vf energie je přenášena elektromagnetickým polem v prostoru obklopujícím vodiče.

3.2.1    Vlastnosti napáječů:

Činitel zkrácení k:

Rychlost šíření ve vodiči není kvůli dielektrické konstantě vodiče stejná jako ve vzduchu. Zkracovací činitel k udává výrobce a pohybuje se mezi čísly 0,66 až 0,85 - např.: na frekvenci f=30MHz je l=10m. Pro koaxiál s k=0,66 je l=6,6m. Toto je nutno vzít na vědomí při konstrukci zařízení tvořeného vedením (slučovače, symetrizační členy…).

Charakteristická impedance (viz 2.3.4):

u koaxiálního kabelu: Z₀=(138 / Öe)*log D/d

D – průměr opletení

d-průměr vnitřního vodiče

e - konstanta použitého vodiče – pěnový PE=1,52; teflon=2,1; plný PE=2,3; vzduch=1

u dvoulinky: Z₀=276*log 2D/d

D – vzdálenost vodičů

d - průměr vodičů

3.2.2    Typy napáječů:

a)     symetrické dvouvodičové vedení – dvoulinka

Vznikající elektrické i magnetické pole mají složky kolmé k ose vedení, podél níž se šíří. Je tvořena dvěma paralelními měděnými vodiči oddělenými izolantem, kterým jsou oba vodiče udržovány v předepsané vzdálenosti. Ten způsobuje, že rychlost šíření energie je menší než volném prostoru (jedná se o činitel zkrácení viz 3.2.1). Charakteristická impedance závisí na poměru vzdáleností mezi vodiči, jejich průměru a permeabilitě izolantu.

Pro nižší ztráty se nahradil izolant s nepřerušenou polyetylénovou výplní vzduchovým dielektrikem nebo pěnovým polyetylenem.

Nevýhodou tohoto typu vedení je, že energie je vedena v poměrně velkém okolí vodičů. Je tedy nutné udržovat svod v dostatečné vzdálenosti (asi pětinásobek vzdálenosti vodičů od sebe, pomocí distančních rozpěrek) především od vodivých materiálů. Ty způsobují pokles impedance, vznik stojatého vlnění a následně  ztráty nepřizpůsobením. Toto odstraňovala stíněná (obalená vodivým pláštěm) dvoulinka, která se však kvůli vyšším nákladům neujala. Oproti koaxiálnímu kabelu má i vyšší ztráty - až 9 dB na 50 m. Tento velký útlum může mít výhodu, že při nesprávném přizpůsobení se rychle tlumí i vzniklé odrazy. Při delším venkovním používání je zvlášť plochá dvoulinka citlivá na změny počasí a po několika letech se její útlum zvýší až 10-15 dB.

Jedinou výhodou dvoulinky je snadné připojení k většině antén, které mají symetrické svorky s impedancí 300W. Není třeba používat žádné přizpůsobení antény k napáječi.

V současné době se však používá pouze k výrobě některých obvodů (symetrizační členy – 2.3.6; náhražkové antény) a je nahrazena koaxiálním kabelem

b)     souosý – koaxiální kabel  

Veškerá energie je vedena mezi vnitřním a vnějším vodičem, který téměř odděluje přenášené pole od okolí. Vnitřní vodič je tvořen měděným drátem a vnější tvoří zpravidla měděné opletení. Dielektrikum je buď vzduchové nebo pěnový polyetylen. Při dokonalém opletení se elektromagnetické pole rozprostírá mezi vnitřním vodičem a opletením a okolí napáječe tedy  neovlivňuje jeho ztráty ani impedanci. Jsou-li některá vlákna opletení přerušena (ohnutím-zlomením, korozí) elektromagnetické pole proniká do okolí a kabel přijímá vnější rušení.

Jeho charakteristická impedance je stanovena na 75W a je určena poměrem průměru opletení k průměru vnitřního vodiče a je též ovlivněna permitivitou vnitřního izolantu.

Snadná instalace a výhodné vlastnosti oproti dvoulince způsobily, že se pro anténní rozvody využívá dnes téměř výhradně koaxiálního kabelu.

         Útlum kabelu se uvádí v dB/100 m a se zvyšující frekvencí roste (nejkvalitnější pro satelitní rozvody mají útlum 3 db/100 m při 1 GHz).

c)      vlnovody – mikrovlnné vedení  

Používá se především v mikrovlnném pásmu (TV VI.), protože elektrické vlastnosti vlnovodů jsou oproti koaxiálnímu kabelu výhodnější pro toto pásmo. Vlnovod je obdélníkového průřezu a vlnění se od postříbřených stěn odráží a skládá. Přenosové vlastnosti závisí na poměru rozměrů vlnovodů k vlnové délce vlnění. Vlnění musí dopadnout pod takovým úhlem, aby po odrazu při součtu s postupovou vlnou bylo ve fázi s postupovou vlnou.

         Dalším druhem je mikropáskové vedení, tvořené vodivým páskem odděleným dielektrikem (korundová deska) od vodivé podložky. Permitiva dielektrika je velká, takže přenášené pole je soustředěno mezi páskem a deskou.

Je vhodné pro vstupní díly satelitních přijímačů.

3.3            Zařízení pro stavbu společné antény

3.3.1    Slučovače

Při stavbě společné antény je zpravidla nutno použít více než jedné antény. Z ekonomických důvodů je výhodné sloučit signály od jednotlivých antén do jediného napáječe. Prosté spojení napáječů by způsobilo, že vf energie přijatá jednou anténou by byla vyzářena jinou zpět do prostoru. Je tedy nutné použít slučovač, který obstará i správné impedanční přizpůsobení (musí mít reálnou impedanci rovnou impedanci napáječe viz 2.3.6). Při slučování musí dojít vždy k určitým ztrátám a platí pravidlo, že čím jsou slučované signály více kmitočtově odlišné, tím je i jejich sloučení snažší a dochází k menším ztrátám. Při navrhování anténního svodu je nutné vzít v úvahu požadavky na slučovače podle intenzity signálů v místě příjmu a podle toho zvolit správný typ slučovače. Existují dva základní způsoby sloučení:

a)     obvody LC (použití kanálových propustí a zádrží – selektivní slučovače)

b)     využitím přenosových vlastností vedení

Typy zapojení:

a)     slučovač tvořený obvody LC

Je výhodný zejména pro slučování dostatečně vzdálených kmitočtů. Obvod se skládá z dolní propusti, která je průchozí pouze pro nižší kmitočty < f₁ a pro vyšší kmitočet f₂ má maximální útlum,  a z horní propusti s opačnými vlastnostmi. Vlastnosti slučovače lze zachytit na útlumové charakteristice a důležitý je zejména mezní kmitočet f_m, který značí kmitočet u kterého je útlum obou slučovaných signálů stejný. Podmínkou správné funkce je aby průběh charakteristiky byl natolik strmý, že kmitočty f₁ a f₂ nebudou v přechodových pásmech. Z toho je vidět, že sloučení sousedních kanálů je u tohoto typu  nemožné.

 

b)     slučovač tvořený směrovým vedením

Tento typ je vhodný pro slučování slabého signálu (malý vazební útlum na vedení 1) se silným (zeslaben vazebním útlumem mezi vedením 2 a 1). Slučovač se skládá ze souosého kabelu se středním vodičem (mezi svorkami a, b) a pomocného vodiče (mezi c, d) tvořících směrové vedení. Jeho délka je l/4 (kmitočtu vedeného pomocným vedením). Na hlavní vodič je připojen slabší signál, na pomocný silnější. Slučovat se mohou dva signály o stejných kmitočtech i tři signály (postupně dvěma směrovými vedeními).

         Při vlastním zhotovování je nejlepší použít pro směrové vedení desek plošných spojů. Rozměry závisí na dielektrické konstantě izolantů a materiálů.

c)      slučovač tvořený kruhovým vedením

Využívá periodického opakování vlny na vedení a je tvořen úseky vedení délky l/4 zapojených do kruhu. Napáječe antén 1 a 2 jsou připojeny ke společnému svodu třemi úseky vedení. Vlnová impedance všech úseků vedení je stejná jako u napáječe (75W). Přicházející signál od antény 1 se dělí na dvě poloviny (bod 1) – jedna jde přímo do napáječe se zpožděním l/4 a druhá jde přes bod 2 se zpožděním l+l/4 – je ve fázi s první polovinou. V bodě 2 je zpoždění první poloviny (z bodu 1) l/4+l/4=l/2 – signály z bodu 1 jsou  v bodě 2 v protifázi, takže k vyzáření vf energie z 1. do 2. antény nedojde.  

Tento druh slučovače je vhodný pro slučování rovnocenných signálů s blízkými kmitočty. Délka vedení je vztažena ke střednímu kmitočtu: fstř = Ö(f1f2). Nevýhody: - slučovač nelze přizpůsobit k napáječi a vznikají odrazy - přijímá-li jedna anténa  signál zachycený i druhou anténou, dochází ke zhoršení kvality obrazu (nutné použít selektivní propust)

    d)     hybridní obvod

Transformátor je proveden na dvouotvorovém feritovém jádru (jako u symetrizačních členů). Jeho charakteristikou je značná širokopásmovost (50-800 MHz) a průchozí útlum je asi 3 dB. Tento typ je vhodný ke slučování silnějších rovnocenných signálů ve všech TV pásmech. Jeho oddělovací útlum není však příliš velký, takže při slučování blízkých kmitočtů dochází ke ztrátě kvality.  

3.3.2    Rozbočovače a odbočovače

Signál jdoucí jedním napáječem k více přijímačům je nutné před přijímačem rozbočit nebo odbočit.

Rozbočovač:

Princip spočívá v obráceně zapojeném slučovači. Typy a vlastnosti rozbočovačů jsou shodné se slučovači. Opět se tedy jedná o obvody tvořené dolní, horní propustí nebo pásmovou propustí. Rozbočovač by měl mít malý průchozí útlum a velký oddělovací útlum. Důležitým parametrem je jeho správné impedanční přizpůsobení, protože odrazy vznikající na výstupu rozbočovače by měly vliv na zhoršení obrazu. K rozbočení se nejčastěji používá hybridní člen.

Odbočovač:

         Na rozdíl od rozbočení, kde se přenášená vf energie dělila rovnoměrně na dva a více směrů se při odbočení oddělí z původního signálu pouze vf energie o požadovaném kmitočtovém rozsahu (např. FM). Odbočovací člen narušuje minimálně signál v hlavním vedení, zato však odbočený signál má útlum 11-15 dB. Nejrozšířenějším typem je transformátorový odbočovač (průchozí útlum 0,5-0,8 db, oddělovací 30 dB, činitel stojatého vlnění = 1,2). Nejčastěji se používá při oddělení signálu pro FM pásmo.

Jejich provedení je buď pro IEC nebo F konektory.

Cena odbočovačů je od 70 do 400 Kč, rozbočovačů pak 70 – 200 Kč.

3.3.3    Útlumové články

Poblíž vysílače může být signál příliš silný a je nutné ho zeslabit. Útlumový článek zařazujeme do obvodu před slučovač nebo zesilovač. U slučovače tvořeného kruhovým vedením nebo hybridním obvodem je nutné slučovat přibližně rovnocenné signály. U výrazně silnějšího signálu je tedy nutné předřadit útlumový článek. Útlumový článek je ladícím obvodem nastaven na pracovní kanál a  může mít i regulovatelný útlum (1-25 dB). Nejčastěji je proveden pro připojení standardních IEC konektorů. Jejich cena se pohybuje od 50 do 400 Kč.

3.3.4    Zesilovače a předzesilovače

Účelem zesilovače je dodat do anténního rozvodu takovou intenzitu signálu, aby neklesla pod úroveň, kdy se už projeví šum. Používá se především tam, kde je nepostačující intenzita signálu nebo k nahrazení ztrát vznikajících v dlouhém napáječi. K jeho správné funkci je ovšem nutno použít anténu, která dodá dostatečnou intenzitu k dalšímu zesilování.

Vlastnosti

Mezi rozhodující vlastnosti patří zesílení a odstup signálu od šumu. Použití zesilovače může pomoci pouze v případě, že již na svorkách antény bude dostatečný signál od šumu. Pokud tomu tak není, zesílí se i šum a výsledný signál se nezlepší.

Výsledný signál závisí i na šumovém číslu zesilovače. Při průchodu signálu přibude k jeho šumu i šum zesilovače (úměrný šumovému číslu). Odstup signálu k šumu se nezhorší je-li úroveň šumu  zesilovače malá oproti šumu signálu. Je tedy vhodné přivádět pouze signály dostatečné úrovně.

Platí zde pravidlo, že nejlepším zesilovačem je sama anténa, ktará má minimální vlastní šum.

Zesilovač může vylepšit příjem pokud jeho šumové číslo je menší než vstupní díl příjmače.

Vzhledem k tomu, že má zesilovač nahrazovat ztráty v napáječích měl by být umístěn co nejblíže anténě, nejlépe v anténní krabici přímo na svorkách. Dosáhne se tak maximálního zisku a omezí se impedanční nepřizpůsobení k anténě.

Mezi další vlastnosti patří šířka přenášeného pásma a linearita. Nelinearita přenosové charakteristiky tranzistoru zhoršuje kvalitu zesilovaného signálu intermodulačním zkreslením a křížovou modulací. Intermodulace (vzájemné směšování harmonických kmitočtů) způsobí, že se na výstupu objeví i kmitočty v původním signálu neobsažené.

Křížová modulace způsobí směšování signálů s rušivými signály přicházejícími na vstup zesilovače (na obraze je patrný obraz jiného vysílače). Toto lze odstranit zúžením šířky pásma. Širokopásmové zesilovače musí být konstruovány s co největším potlačením těchto nežádoucích vlastností.

Napájení zesilovačů

Pro svou činnost musí být napájeny napětím, to bývá nejčastěji 12V. Odběr proudu se pohybuje okolo 20 mA. Ten je dodáván adaptérem, který dodává napětí do anténního svodu prostřednictvím anténní výhybky.

Výroba vlastního zesilovače není příliš složitá, ale přesto doporučuji zakoupit již hotový. Jejich cena se pohybuje od 100 do 400 Kč. Poměrně výhodné může být i pořízení domovního zesilovače, který zajistí sloučení a zesílení signálů, přičemž je možné regulovat zesílení i útlum. Jejich cena se pohybuje od 900 do 1700 Kč.

Příklad zesilovače je v článku 4.4.

3.4            Návrh anténního rozvodu podle požadavků na počet a kvalitu přijímaných R a TV stanic  

Návrh anténního systému je pokaždé specifický. Záleží hlavně na místních podmínkách (intenzita elektromagnetického pole, odrazy od okolních budov a terénu) a požadavcích na počet a kvalitu přijímaných stanic. Z těchto důvodů nelze použít nějaké universální řešení.

Při přípravě je nutné nejprve zjistit vysílače požadovaných stanic a změřit jejich intenzitu. To lze provést buď měřičem, ale postačí přenosný přijímač. Podle naměřených hodnot se volí odpovídající antény a ostatní části anténního svodu.

3.4.1  Anténní stožár  

V místě nejlepšího signálu se upevní anténní stožár. Při volbě tohoto místa je vhodné počítat s odrazy od střechy, které mohou zesilovat užitečné ale i škodlivé signály. Střechy lze také využít k potlačení nežádoucích signálů a rušení. Volba stožáru záleží na počtu a zejména ploše antén. Při silném větru jejich plocha působí na stožár ohybovým momentem. Pro tři antény by měl mít stožár průměr více než 6 mm. Horizontálně orientované antény lze upevnit přímo na stožár pomocí třmenu. Pro vertikálně orientované je nutné použít výložného nosníku, který zajistí vzdálenost antény od stožáru minimálně l/4. Při bližší vzdálenosti svislý stožár negativně ovlivňuje parametry antény.

Po dokončení stožáru je možné přejít k instalaci antén a ostatních částí anténní soustavy.

3.4.2    Návrh anténní soustavy

Zde se pokusím navrhnout jak by mohlo vypadat několik anténních systémů v závislosti na podmínkách příjmu a požadavcích na počet a kvalitu stanic v tomto městě.

a)     standardní podmínky + 4 TV stanice + FM rozhlas

Za běžných podmínek, kdy je signál dostatečně homogenní a není rušen odrazy od terénu ani výškových budov je možné tyto požadavky splnit pomocí dvou antén. Pro TV bych zvolil širokopásmovou anténu pro III. – V. pásmo. Jako nejvhodnější se jeví logaritmicko-periodická, která díky své širokopásmovosti obsáhne všechna tři pásma (některé jsou pouze pro IV a V). Použít lze i Buzenou patrovou soustavu, která ovšem není laděná na III. pásmo a zisk je obstaráván pouze elektronicky díky zesilovači, což může způsobit méně kvalitní obraz TV Novy.

Pro běžný příjem rozhlasu doporučuji kruhový dipól s předzesilovačem, který podstatně zlepší příjem slabších stanic a umožní jejich poslech v FM stereu (viz 5.3). Pro náročnější posluchače je vhodná sedmiprvková anténa Supersonik u které je již zesilovač zbytečností.

Sloučení signálů je možné provést selektivním slučovačem (VKV + III.-V. TV pásmo) nebo hybridním slučovačem.

Pro rozbočení je nejlepší použít rozbočovač, který má útlum pro oba směry asi 2 dB. Při použití odbočovacího členu pro FM rozhlas zůstane TV signál bez ztrát, ale FM signál bude utlumen asi o 11 dB.

Cenový odhad:

Logaritmicko-periodická anténa Fracarro III.-V. TV pásmo, zisk 8-8,5 dB                   380 Kč

Kruhový dipól pro FM, 0 dB                                                                    220 Kč

Selektivní slučovač VKV + III. – V. TV pásmo                                            80 Kč

Hybridní rozbočovač                                                                             80 Kč

Koaxiální kabel 20 m                                                                             200 Kč

Celkem                                                                                              960 Kč

b)     obtížnější podmínky – 4 TV stanice + FM:

Tato situace může nastat například ve městě s výškovými budovami. Signál je znehodnocen odrazy a pro nejlepší signál je často nutné najít nejvhodnější odraz, protože není možná přímá viditelnost k přijímači. Pro potlačení interferencí na obraze (duchů) je nutné použít směrovou anténu s velkým činitelem zpětného příjmu.

Návrh anténní soustavy záleží tedy především na vznikajících odrazech. Pro zajištění kvalitního TV příjmu může být potřeba více antén a opět se jeví nejvýhodněji logaritmicko-periodická (podle potřeby i jiné – viz 2.6.3). Pro příjem v III.TV pásmu je pro tyto podmínky nejvhodnější Yagiho pětiprvková antény s dvojitým reflektorem (viz 2.6.2 b). Pro FM pásmo je vhodné použít tří až sedmiprvkovou Yagi anténu.

         Je pravděpodobné, že intenzita signálů bude značně odlišná a proto je vhodné použít slučovač tvořený směrovým vedením. Pro slabé signály by byl potřebný zesilovač, jeho použití je nutné dobře zvážit.

Za těchto podmínek je možno uvažovat o více vysílačích podle dané situace:

Cena tohoto systému by vycházela z předešlého řešení a lišila by se podle počtu antén nebo o použití zesilovačů, útlumových článků apod.

c) soustava pro kvalitní příjem stanice Radia 1 (91.9 MHz)

Nakonec bych se rád věnoval příjmu tohoto kultovního pražského rádia. Od roku 2002 má Radio1 silnější vysílač ( 5 kW, vertikální polarizace, Rošického Stadion, Praha), ale i přes to lze jeho příjmu za běžných podmínek dosahovat pouze ve středních Čechách. U nás je situace stížená rušivým kmitočtem 92.1 na kterém vysílá rádio Impuls (3 kW, horizontální polarizace, Černá hora). Díky rozdílným polarizacím lze však kmitočet odrušit (natočením do vertikální polohy) a podle požadavků na kvalitu příjmu zvolit anténu. Ta by měla být minimálně pětiprvková (2.6.1 c), lépe však sedmiprvková (e), do velmi obtížných podmínek je možné použít ultrasměrové (d, h). Kde je však kopcovitý terén je pravděpodobnost příjmu této stanice velmi malá.