Yleisradiotoiminnassa käytettävien VHF- ja UHF-lähetinantennien suunnittelumenetelmien tutkiminen

Sähköteknillinen osasto

Antti Koivumäki

YLEISRADIOTOIMINNASSA KÄYTETTÄVIEN VHF- JA UHF- LÄHETINANTENNIEN SUUNNITTELUMENETELMIEN TUTKIMINEN

Diplomityö, joka on jätetty opinnäytteenä tarkastettavaksi diplomi-insinöörin tutkintoa varten Espoossa Л S. !. /9#o.

Työn valvoja

Työn ohjaaja C/Jorma LLaiho

T

crenkö.

kastJKir i z' A, ‘1

o 4

Tämä diplomityö on tehty Oy. Yleisradio Ab:n masto- ja antenniosastolla. Työn valvojana toimi apul. prof. Ismo Lindell, jolle esitän kiitokseni saamistani neuvoista.

Ohjaajana toimi masto- ja antenniosaston suunnittelutoimin­

nan päällikkö dipl. ins. Jorma Laiho. Haluan kiittää häntä mahdollisuudesta työn tekemiseen samoin kuin lukui­

sista saamistani neuvoista ja ohjeista. Myös muut työ­

toverini ansaitsevat kiitoksen miellyttävästä työympäris­

töstä. Erityisen kiitoksen osoitan vielä työn puhtaaksi­

kirjoittajalle Tuula Kollinille.

H< . ... ., 17# pnä 1980

Antti Koivumäki

Jämeräntaival 1 A 423

02150 Espoo 15 ; puh.4682423

1.26 Radiotekniikka 17.1.1980

Antti Koivumäki

Yleisradiotoiminnassa käytettävien VHF- ja UHF-

antennien suunnittelumenetelmien tutkiminen, 1980, 98 s.

Työn valvoja : apul. prof. Ismo Lindell

TIIVISTELMÄ

Tarkoitusta varten tehtyjen tietokoneohjelmien avulla on

tutkittu dipolipaneliantennin säteilykuvion synteesiä. Sätei- lykuvio on laskettu käyttäen antennijoukkojen teoriaa ja

olettamalla dipolipanelielementtien säteilykuvioksi niiden vapaassa tilassa mitattu kuvio. Erityisesti on tutkittu ympärisäteilevän dipolipaneliantennin horisontaalikuviota.

On todettu, että joissakin tapauksissa elementtiantennien määrän vähentäminen parantaa säteilykuviota. Samoin element­

tien siirtäminen ulospäin mastosta on usein eduksi. On

esitetty taulukoiden ja käyrästöjen muodossa esimerkkejä ele­

menttien optimisijoituksesta eri tapauksissa.

Lähdekirjallisuudesta on etsitty menetelmiä lähetinantennin vaiheistuksen ja tehonjaon määräämiseksi niin, että vertikaa- likuviosta saadaan riittävän hyvä. Lisäksi on kokeiltu verti- kaalikuvion syntesoimista menetelmällä, jossa vaiheistus opti­

moidaan tietokoneella niin, että maanpinnalle saatavan kentän minimi kohdissa kentänvoimakkuus on mahdollisimman suuri.

Näin saatavan vertikaalikuvion heikkous on korkeat sivukeilat.

Dipolipaneliantennin säteilykuvion laskemissa voivat virhettä aiheuttaa antennin epäsovi tus, elementtien keskinäiskytkennät ja maston vaikutus elementin säteilykuvioon. Vertaamalla laskettuja kuvioita helikopterilla mitattuihin on voitu

todeta, että laskemalla päästään täysin tyydyttävään tarkkuu­

teen.

Hakusanat : antennit, VHF- ja UHF-antennit, yleisradioantennit, yleisradiotekniikka

SISÄLLYSLUETTELO

ALKULAUSE 1

TIIVISTELMÄ ii

SISÄLLYSLUETTELO iü

KÄYTETYT MERKINNÄT vi

LIITELUETTELO ix

1. JOHDANTO 1

2. MÄÄRITELMIÄ JA KÄSITTEITÄ 3

2.1 Yleisradiotoimintaan varatut VHF- ja UHF-

taaj uudet 3

2.2 Käytetty koordinaatisto 3

2.3 Antennin säteilykuvio, suuntaavuus ja vahvistus 5

2.4 Antennijoukot ja -ryhmät 6

2.4.1 Yleinen antennijoukko 6

2.4.2 Lineaarinen antenniryhmä 8

3. YLEISIMMÄT VHF- JA UHF-LÄHETINANTENNITYYPIT 10

3.1 Dipolipaneliantenni 1 0

3.3.1 Rakenne 10

3.3.2 Säteilykuvio 14

3.2 Ristiantenni 1 3

3.3 Muita antennityyppej ä 1 9

3.3.1 Kierukka-antenni 1 9

3.3.2 Kulkuaaltorakoantenni 20

4. LÄHETINANTENNIN SÄTEILYKUVIO 21

4.1 Yleistä 21

4.2 Horisontaalikuvio 23

4.3 Vertikaalikuvio 25

4.3.1 Ideaalinen vertikaalikuvio 25 4.3.2 Verti kaali kuvio käytännössä 30

5. DIPOLIPANELIANTENNIN SÄTEILYKUVION LASKEMINEN 35 5.1 Laskemisessa tarvittavat tiedot 35

5.2 Säteilykuvion yhtälö 37

5.3 Säännölliset ja epäsäännölliset antennit 40

6. DIPOLIPANELIANTENNIN SÄTEILYKUVION SYNTEESI 43

6.1 Horisontaalikuvio 43

6.1.1 Horisontaalikuvion yhtälö 43 6.1.2 Ympärisäteilevä antenni 44

6.1.2.1 Yleistä 44

6.1.2.2 Tasavaiheinen antenni 46

6.1.2.3 Vaihekompensoitu antenni 52

6.1.2.4 Yhteenveto ympärisäteilevän

antennin suunnittelusta 62

6.1.3 Suunnattu antenni 63

6.2 Vertikaalikuvio 66

6.2.1 Vertikaalikuvion yhtälö 66

6.2.2 Menetelmiä lähetinantennin vertikaali-

kuvion syntesoimiseksi 66

6.2.2.1 Vakioamplitudimenetelmät 69

6.2.2.2 Vakiovaihemenetelmät 73

6.2.2.3 Vaihetta ja amplitudia rajoit­

tamattomat menetelmät 74 6.2.3 Optimoinnin käyttö vertikaali kuvion

toteuttamisessa 76

7. VIRHELÄHTEET SÄTEILYKUVION LASKEMISESSA 86

7.1 Yleistä 86

7.2 Virtojen virheet 86

7.2.1 A ntennivir tojen virheiden syyt 86

7.2.2 Horisontaalikuvion riippuvuus antennin

sovituksesta 88

7.3 Elementin säteilykuvion valinta 89 7.4 Mitattujen ja laskettujen säteilykuvioiden

vertailu 51

8. SÄTEILYKUVIOIDEN LASKEMINEN TIETOKONEELLA 93

8.1 Yleistä 93

8.2 Säteilykuvioiden laskemisessa tarvittavat

ohjelmat 93

8.3 Antennin suunnittelu tietokoneen avulla 94

9. YHTEENVETO 97

LÄHDELUETTELO LIITTEET

KÄYTETYT MERKINNÄT

a dipolipanelin etäisyys maston keskeltä aQ dipolin etäisyys heijastimesta

b dipolipanelin sivuttaissiirto bQ dipolien etäisyys toisistaan b , optimi sivuttaissiirto

opt ^

d antennitasojen väli ; elementtien väli lineaarisessa antenniryhmässä ;maston paarreväli

f taajuus

h antennin korkeus maanpinnasta j imaginaariyksikkö

k etenemiskerroin k aaltovektori

1 dipolin pituus ; kaapelin pituus m nollatäyttökerroin;indeksi n indeksi

q nollakohdan järjestysluku r paikkavektori

r suora etäisyys ; indeksi r horisontin suora etäisyys

o

s etäisyys maanpintaa pitkin

s horisontin etäisyys maanpintaa pitkin o

u yksikkövektori x,y,z koordinaatteja

x antennin ominaisuuksia kuvaava vektori z normalisoitu impedanssi ; kompleksiluku

z: n kompleksikonjugaatti z

D suuntaavuus; vaimennus E kentänvoimakkuus

F säteilykuvio

F, horisontaalikuvio h

F vertikaalikuvio v

F elementtiantennin säteilykuvio o

F^j dipolin säteilykuvio

Ffi normalisoitu säteilykuvio F mitattu säteilykuvio

Fg spesifioitu säteilykuvio F säteilykuvion maksimi F . säteilykuvion minimi

min 2

F verti kaalikuvion pääkeilan amplitudi G vahvistus

I virran itseisarvo J kompleksinen virta K vakio

M antennitasojen lukumäärä

N elementtien määrä antenni tasossa ; elementtien määrä antennijoukossa tai -ryhmässä

P teho

Q nollakohtien lukumäärä R maapallon säde

U,U' jännitteen itseisarvo W painofunktio

ZQ tyhjiön aaltoimpedanssi a suunta

a keilanleveys

B kääntö vaakatasossa у kääntö pystytasossa

6 virran vaihe

6Q progressiivinen vaihesiirto e virhefunktio;suunta

n hyötysuhde

0,0 ' vertikaalitason suuntakulma

cp r cp ' hor ison taa li tason suuntakulma,atsimuuttisuunta

0 horisontin suunta o

X aallonpituus

ç kaapelin nopeuskerroin; kulma li pii

p hei jastuskerroin n avaruuskulma n tulo

2 summa

CCIR Comité Consultatif International des Radiocommunications SAS seisovan aallon suhde

UHF Ultra High Frequency ULA ultralyhyet aallot VHF Very High Frequency

LIITELUETTELO

1. PYHÄVUORI TV-1 : N HELIKOPTERIMITTAUS 2. PYHÄVUORI TV-2:N HELIKOPTERIMITTAUS 3. HAAPAVESI TV-1 :N HELIKOPTERIMITTAUS 4. JOUTSENO TV-2 : N HELIKOPTERIMITTAUS 5. HORISONTAALIKUVION LASKEVA OHJELMA

6. ESIMERKKI HORISONTAALIKUVION LASKEMISESTA 7. ESIMERKKI VERTIKAALIKUVION LASKEMISESTA

8. ESIMERKKI ELEMENTTIEN SIVUTTAISSIIRRON OPTIMOINNISTA 9. VERTIKAALIKUVION OPTIMOINTIOHJELMA

10.ESIMERKKI VERTIKAALIKUVION OPTIMOINNISTA

1. JOHDANTO

Yleisradion käyttämistä ULA- ja TV-lähetinantenne ista valta­

osa on dipolipaneliäntenneja. Ne koostuvat maston ympärille asennetuista elementeistä ja niiden säteilykuvio voidaan laskea pitämällä koko antennia antennijoukkona. Periaattees­

sa laskeminen on yksinkertaista, pelkkää kompleksilukujen kerto- ja yhteenlaskua, mutta käytännössä se on hyvin suuri- töistä, koska laskutoimitusten määrä on niin suuri. Siksi laskeminen on tehtävä tietokoneella. Sitä varten taas on tehtävä ohjelmat, joilla voidaan laskea erilaisia käytän­

nössä mahdollisesti esille tulevia tapauksia. Tämän työn alkuperäisenä tarkoituksena olikin tehdä masto- ja antenni- osaston suunnittelutoiminnan tarpeisiin tietokoneohjelmisto käytettäväksi dipolipaneliantennien suunnittelussa. Jos osasto ei pysty itse tekemään tarvittavia laskelmia, jää se kokonaan antennielementtien valmistajan tehtäväksi. Tästä taas on jonkin verran huonoja kokemuksia, sillä osa Yleis­

radion vanhemmista antenneista on suunniteltu väärin.

Virheet eivät koske elementtejä, vaan ainoastaan niiden sijoit­

telua mastoon, eikä mitään ratkaisevia virheitä ole tehty, mutta parantamisen varaa olisi ollut. Lisäksi antennimark-

kinoille on tullut mukaan kotimainen yritys, jolla ei ole omaa laskentakapasiteettia, joten kyky laskea säteilykuviot

itse on tarpeellinen jotta voitaisiin ostaa antennit Suomesta.

Dipolipaneliantennien säteilykuvion laskeminen tietokoneella on sen verran yksinkertaista, että ohjelman tekeminen ja selostaminen ei yksinään riitä diplomityön aiheeksi. Siksi

tässä työssä esitelläänkin pääasiassa niitä tuloksia, joita tehtyjen ohjelmien avulla on saatu. Itse tietokone­

ohjelmia ei juuri käsitellä. Työtä voidaan pitää katsauksena niihin asioihin, joita dipolipaneliantennia suunniteltaessa saattaa tulla esiin. Muiden kuin dipolipaneliantennin sätei- lykuvion laskemista ei käsitellä kahdesta syystä: ensiksi Yleisradio ei käytä muita antennityyppejä (poikkeuksena pari ristiantennia) ja toiseksi muunlaisten antennien suunnittelu on valmistajan tehtävä, koska niiden säteilykuvio määräytyy

jo valmistusvaiheessa, kun taas dipolipaneliantennin säteily- kuvion määrää asennus. Tietenkin soveltuvissa tapauksissa, kuten ristiantennin vertikaalikuvion laskemisessa, voidaan käyttää samoja yhtälöitä kuin dipolipaneliantenneilla.

2. MÄÄRITELMIÄ JA KÄSITTEITÄ

2

.

taajuusväliä 30-300 MHz ja UHF (Ultra High Frequ -alueeksi taajuusväliä 300-3000 MHz /19/. Yleis taan varatut VHF- ja UHF-taajuudet jaetaan aluei

eensä ency)

radiotoimin- siin I-V.

Kuvassa 2.1 on esitetty alueiden taajuus- ja kanavajako /28/.

Yleisradiokäyttöön varatut taajuusalueet TV-kanavat, alueet I ja III (VHF)

Radio:

Pitkäaalloalue Keskiaaltoalue Lyhytaaltoalueet VHF/alue II

150—285 kHz 525—1605 kHz 8 eri aluetta taajuus­

alueella 5950—26100 kHz 87,5—100 MHz Televisio:

VHF/alue I 47—68 MHz VHF/alue III 174—223 MHz UHF/alueet IV/V 470—790 MHz VHF + very high frequency (metriaallot) UHF + ultra high frequency (desimetriaallot)

2000—1053 m 571—187 m

49, 41,31, 25, 19, 16. 13

Kanava Käytössä Kuva MHz

CCIR Länsi-Euroopassa

Ääni MHz Alue

OIRT Käytössä Itä-Euroopassa Kuva MHz Aani MHz ja 11 m:n aaltoalueet

1 49,75 56.25

ULA-alue 2 48.25 53,75 I 59.25 65.75

3 55.25 60,75 I 77.25 83,75

4 6225 67,75 I 8525 91.75

kanavat 2—4 5 175.25 180,75 III 9325 99,75

6 182.25 187,75 III 175.25 181.75

kanavat 5—11 7 189.25 194.75 Ml 183.25 189.75

kanavat 21—60 8 196,25 201,75 III 19125 197,75

9 203,25 208,75 III 19925 205,75

10 210.25 215,75 III 20725 213,75

11 21725 222,75 III 215,25 221,75

12 22425 229,75 III 22325 229,75

Kanavajako eri taajuusalueilla

ALUE I TV

47_______ $4_______ 41_______ 41

CCIR /К2 M/ КЗ V K4 \|______ ___

(OIRT)

J

ОТ

41.6 66 5 SI 66 76 84 92

ALUE E ULAT (OIRT) - CCIR

i i 1 I

1 t

65.5 73

1 100

ALUE Ж TV

195 202 209 216 223 CCIR £

K5 V Кб V K7 М/ K8 V K9 \1/ К1° * K11 V

(OIRT) f”

-.к‘. JL.*’.-,!- Kl ;T, К9 i, Klo Л, ни ,t. K12 S

198 206 214 222 230

Taajuudet MHz

TV-kanavat, alueet IV ja V (UHF)

Kanava Kuva MHz

Aani MHz Alue 41 63125 636.75 V 42 639,25 644.75 43 64725 652 75 44 65525 660.75 45 66325 668.75 46 67125 676.75 47 679.25 684.75 48 687.25 692.75 49 695,25 70075 50 70325 706.75 51 711.25 716.75 52 719.25 724 75 53 727,25 732.75 54 735.25 740.75 55 743.25 748.75 56 751.25 756.75 57 75925 764.75 58 767,25 772.75 59 77525 780.75 60 78325 788.75 Kanava Kuva

MHz Ääni MHz Alue 21 471,25 476.75 IV 22 479,25 484,75 23 487,25 492.75 24 49525 500,75 25 503.25 508.75 26 511,25 516,75 27 519,25 524,75 28 527,25 532,75 29 535,25 540.75 30 54325 548,75 31 551,25 556,75 32 55925 564.75 33 56725 572.75 34 575,25 580.75 35 583.25 588.75 V 36 59125 596.75 37 599.25 604.75 38 607.25 612.75 39 615,25 620.75 40 623.25 628.75

Kuva 2.1. Yleisradiokäyttöön varatut taajuusalueet

2.2 Käytetty koordinaatisto

Tässä esityksessä käytettävän pallokoordinaatiston suunta­

kulmien määrittely poikkeaa normaalista käytännöstä.

Kuvassa 2.2 on tavallinen pallokoordinaatisto, jonka suunta-

kulmat ovat tp ja ø ja kuvassa 2.3 on nyt käytettävä koordinaatisto, jonka suuntakulmat ovat cp' ja 0'. ø1 : n merkki määritellään niin, että se on negatiivinen xy-tason

yläpuolella ja positiivinen sen alapuolella, jolloin ø1

voi saada arvoja väliltä [-90°, 90°]. Pisteen P paikka- vektori r ' on

f 1 = U • sincp 1 • cosø'+u • COS ф ' . cosø '-u . sinø ' (2.1)

X y Z

Kuva 2.2 Normaali pallo- koordinaatisto

Kuva 2.3 Tässä työssä käytetty pallokoordinaatisto Kun koordinaatisto asetetaan maan pinnalle niin, että

z-akseli osoittaa ylöspäin, у-akseli pohjoiseen ja x-akseli itään, on pohjoisessa cp ' =0°, idässä cp1 =90°, etelässä cp1 = 1 80°

ja lännessä cp1 =270°. Lisäksi vaakatasossa ø ' =0°, zeniitissä

0 ' =-90° ja suoraan alaspäin ø 1 =90°. Tällöin cp1 ilmoittaa atsimuuttisuunnan ja ø1 poikkeaman vaakatasosta. 0': n merkin valinta yllämainitulla tavalla on yleisintä asiaa käsit­

televässä kirjallisuudessa, mutta joskus käytetään myös päinvastaista merkin valintaa.

Jatkossa käytetään merkintöjen <p ' ja e' sijaan merkintöjä cp ja 0 ja niillä tarkoitetaan aina nimenomaan edellä

selostetun kaltaisen, normaalista poikkeavan pallokoordi- naatiston suuntakulmia.

2.3 Antennin säteilykuvio, suuntaavuus ja vahvistus

Antennin säteilykuvio F ( cp, 0) ilmoittaa antennin säteilemän suhteellisen kentänvoimakkuuden suunnan (cp, ø) funktiona kaukokentässä. Yleensä säteilykuvio normalisoidaan niin, että sen maksimiarvo = 1. Tällöin käytetään merkintää

F (cp, 0) . Useimmiten ollaan kiinnostuneita vain säteilykuvion itseisarvosta |F(cp,0)|, mutta joskus ilmoitetaan myös kentän vaihe suunnan funktiona. Antennin tehosäteilykuvio, joka ilmoittaa antennin säteilemän tehon jakautumisen avaruuteen, on kenttäsäteilykuvion itseisarvon toinen potenssi |F(«p,e)l 2 tai I Fn (q», o) I 2 /11/.

Yleisradioantenneista puhuttaessa säteilykuviosta ilmoitetaan yleensä kaksi kohtisuoraa leikkausta : horisontaalikuvio

Fh(tp) ja vertikaalikuvio Fv(0). Edellinen on maanpinnan suuntainen leikkaus ja jälkimmäinen pystysuora leikkaus.

Horisontaalikuvion muoto saattaa riippua siitä vertikaali- suunnasta, jossa leikkaus otetaan ja vertikaalikuvion muoto vastaavasta horisontaalisuunnasta.

Antennin suuntaavuudella D tarkoitetaan antennin aiheuttaman maksimitehotiheyden suhdetta antennin aiheuttamaan keski­

määräiseen tehotiheyteen /11/. D saadaan säteilykuviosta

D ______ çH______

JF (cp, 6) I 2díi 4 ir

(2.2)

missä dfi on a var uus kulma-alkio. Kun cp ja 0 määritellään kuten luvussa 2.2, tulee

2 H iî/2 2

f f |F (cp, 0) i cosødep dø О -л/2 n

(2.3)

Antennin vahvistus G on hyötysuhteen n ja suuntaavuuden D tulo:

G = n • D (2.4)

Hyötysuhde n ilmoittaa antennin säteilytehon suhteen

antenniin syötettyyn tehoon. Se siis ottaa huomioon häviöt ja epäsovituksesta johtuvan tehon heijastumisen /11/.

2.4 Antennijoukot ja -ryhmät

Nimityksellä antenni joukko tarkoitetaan mitä tahansa kahden tai useamman samanlaisen antennin muodostamaa kokonaisuuutta, jonka kaikkia elementtejä käytetään samaan tarkoitukseen,

siis joko lähettämään tai vastaanottamaan samaa informaatiota.

Nimitys antenniryhmä tarkoittaa sellaista antennijoukkoa, jonka elementit saadaan toisistaan translaatiomuunnokseila, mikä käytännössä tarkoittaa sitä, että elementit on suunnattu

samalla tavalla /11/.

2.4.1 Yleinen antennijoukko

Antennijoukon aiheuttama kentänvoimakkuus on yksittäisten elementtiantennien aiheuttamien kentänvoimakkuuksien summa /11/. Oletetaan, että joukon kaikkien elementtien säteilemä

voidaan kunkin antennin säteilemä kenttä lausua kahden

lineaarisesti polaroituneen kentän summana, jolloin alla- olevia yhtälöitä voidaan käyttää kummallakin polarisaatiolla erikseen. Kuvan 2.4 mukaisen joukon säteilykuvio on

F (k)

« - -i w r

z E.(k) • eJK' i i = 1 1

(2.5)

missä

N = elementtiantennien lukumäärä k = —u, = aaltovektori

x k

X = aallonpituus

uk= k:n suuntainen yksikkövektori

E.(k)= elementin i säteilemä kentänvoimakkuus k:n suunnassa i

? = elementin i paikkavektori mielivaltaisesti valitun origon 0 suhteen

Kuva 2.4. Antennijoukko

Elementin i suuntaan k säteilemä kenttä riippuu sen säteily- kuviosta, suuntauksesta ja virrasta. Elementtiantennin

säteilykuvio on F (ф',е'), missä <p' ja e' ovat suuntakulmat antennin omassa koordinaatistossa. Suuntaa <p'=0, ø'=0

kutsutaan antennin pääakseliksi. Jos elementin i pääakselin suuntakulmat kuvan 2.3 koordiaatistossa ovat ф^ ja 0^ sekä

aaltovektorin k suuntakulmat ovat ф ja 0, voidaan sen k-vektorin suuntaan säteilemä kenttä lausua muodossa

j«i

E¿(k) = Ро(ф-ф.,е-е.)-I.-e (2.6)

missä 1^ on elementin i virran itseisarvo ja 6^ sen vaihe- kulma. ei ole todellinen kentänvoimakkuus, vaan

suhteellinen arvo, samoin kuin 1^ on vain suhteellinen virta.

Yhtälön (2.5) mukaan antennijoukon säteilykuvio on

F ( ф , o ) = l F (ф-ф . , 0-0 . ) • I. • e^ ri + s i ^ (2.7) i = 1 ° 1

2.4.2 Lineaarinen antenniryhmä

Lineaarisella antenni ryhmällä tarkoitetaan ryhmää, jonka elementit sijaitsevat samalla suoralla. Ryhmän määritelmän mukaan elementtiantennit on myös suunnattu samaan suuntaan.

Kuvan 2.5 tilanteessa on

k = u »k + u -k -u • k • sinø x x y y z

joten

(2.9)

-к • z.•sinø

i ^(2.10)

N N-1

Kuva 2.5. Lineaarinen antenniryhmä

Elementin i pääakselin suunta on 0^ = 0, joten yhtälöstä (2.7) saadaan

F ( Ф r0 )

N

T. F (cp, 0) • I . i= 1 °

j(-kz.sinø+6.)

eJ i i (2.11)

eli

F (cp, 0)

N F ( cp, 0 ) • Z I .

° i = 1 1

j (-kz.sinø+6 . )

e ' i i (2.12)

Summalauseketta sanotaan ryhmäkertoimeksi. Kaikenlaisille antenniryhmille on voimassa yhtälöstä (2.12) nähtävä seikka : ryhmän säteilykuvio on elementin säteilykuvion ja ryhmä­

ker toimen tulo /11/.

Lauseketta (2.12) ei voi yleisessä tapauksessa yksinkertaistaa.

Jos on kuitenkin kyseessä lineaarinen, tasavälinen, tasaisesti syötetty ja progressiivisesti vaiheistettu ryhmä, eli

z. = (i-1 ) • d i

I. = vakio i

6 . = (i-1)•6 ,

1 v o'

niin yhtälöstä (2.12) saadaan /11/

sin(^ (-kd sino+6Q)) F (cp, 0) = F (cp, 0)--- =---

N* sin(^ (-kd sinø+6Q))

(2.13)

3. YLEISIMMÄT VHF- JA UHF-LÄHETINANTENNITYYPIT

Oy. Yleisradio Ab : n käyttämistä VHF- ja UHF-lähetinantenneista valtaosa on koottu dipolipane1lelementeistä. Käytössä

on myös muutama ristiantenni UHF-alueella, mutta muun tyyppisiä antenneja ei käytetä. Tämä johtuu siitä, että samaan mastoon on sijoitettava vähintään kaksi eri antennia : ULA- ja televisio. Koska yleensä TV 1 lähettää alueella III ja TV 2 UHF:llä, on normaali antennien määrä mastossa kolme.

Tällöin on käytännössä ainoa mahdollisuus koota kaksi alinta antennia erillisistä elementeistä; vain ylin,

UHF-antenni on mahdollista tehdä muulla tavalla, esimerkiksi ristiantenniksi. Siksi seuraavassa käsitellään dipolipaneli- antennia varsin laajasti, ristiantennia suppeammin ja muita antenneja vain vähän.

3.1 Dipolipaneliantenni 3.1.1 Rakenne

Dipolipanelielementti koostuu johtavan tason eteen asete­

tuista dipoleista, joita on yhdessä elementissä yleensä

yksi, kaksi tai neljä kappaletta. Dipolien pituus on välillä X/2...X, etäisyys heijastavasta tasosta x/4: n luokkaa ja

etäisyys toisistaan noin x/2...x/7, 20/. Kuvissa 3.1 - 3.3 on esimerkkejä Yleisradion käyttämistä dipolipanelielemen­

teistä. Kuvassa 3.1. on kaksidipolinen VHF III-alueelle tarkoitettu antenni /7/, kuvassa 3.2 samalle alueelle sopiva nelidipolinen antenni /20/ ja kuvassa 3.3

ovat lasikuidusta tehtyjä jäätymissuojia. Paneleissa voidaan käyttää myös rakoantenneja säteilijöinä.

EE Oo Ю

Kuva 3.1. VHF III-alueen dipolipanelielementti (Kathrein)

Kuva 3.2. VHF III-alueen dipoli- Kuva 3.3. UHF-alueen dipol panelielementti (Rohde&Schwarz) panelielementti (Rohdes

•Schwarz)

Kuvan 3.1 elementti voidaan sijoittaa mastoon joko vaaka- tai pystysuoraan, jolloin saadaan vastaavasti joko vaaka-

(horisontaali-) tai pysty- (vertikaali-) polaroitu kenttä.

Suomessa käytetään pääasiassa vaakapolarisaatiota, koska kokemukset osoittavat pystypolarisaation aiheuttavan

enemmän hankaluuksia vastaanotossa metsäisestä maastosta johtuen. Kuvassa 3.4 on kuvan 3.2 antennia vastaava pystypolaroitu antenni /20/. Lineaarisesti polaroidun antennin sijaan voidaan käyttää myös ympyräpolarisaatiota.

Kun kuvan 3.5 dipolipanelielementin vaaka- ja pystysuorassa olevia dipoleita syötetään 90 asteen vaihe-erolla, sâteileë antenni ympyräpolaroidun kentän /7/.

Kuva 3.4. Vertikaalipolaroitu Kuva 3.5. Ympyräpolaroi tu dipolipanelielementti dipolipaneliantenni

(Rohde & Schwarz) (Kathrein)

Varsinainen lähetinantenni kootaan sijoittamalla dipoli- panelielementtejä maston ympärille useaan tasoon. Kuva 3.6 esittää Joutsenon yleisradioaseman ULA- ja TV-antenneja.

TV 2 : n UHF-antenni on huipussa olevan lasikuitusylinterin sisällä. Tämän alapuolella on TV 1:n III-alueen antenni,

joka koostuu kuvan 3.2 kaltaisista dipolipanelielementeistä, joita on yhteensä 16 kappaletta neljässä tasossa. Alimpana

(keskellä kuvaa) on ULA-antenni, jossa on 16 kaksidipolista elementtiä. Antennien korkeus mastossa on ylhäältä

alaspäin lukien noin 200 m, 180 m ja 140 m.

Kuva 3.6. Mastoon asennettuja dipolipaneliantenneja

Dipolipaneliantenni luetaan laajakaistaisiin antenneihin, mikä tässä yhteydessä tarkoittaa sitä, että samaa antennia voidaan käyttää useammalla kuin kahdella kanavalla /21/.

Kuvassa 3.7 on kuvan 3.1 antennin seisovan aallon suhde (SAS) taajuuden funktiona taajuuksilla 174-230 MHz /7/.

SAS on pienempi kuin 1.1 kaikilla III-alueen kanavilla.

Käyttämällä sopivasti muotoiltua tasomaista dipolia ja suunnittelemalla elementin sisäinen syöttö asianmukaisesti voidaan myös UHF-alueella valmistaa dipolipanelielementtejä

jotka toimivat tyydyttävästi alueen kaikilla kanavilla /21/

_ Umax Umin

ly

1,2 1,1 1,0

--- ► »/MHz

Kuva 3.7. Dipolipanelielementin sovitus (Kathrein)

3.3.2 Säteilykuvio

Dipolipanelielementin säteilykuvion tarkka laskeminen

edellyttää sähkömagneettisen reuna-arvotehtävän ratkaisua.

Tämä tapahtuu laskemalla tietokoneella tilannetta kuvaavan integraaliyhtälön ratkaisu esimerkiksi momenttimenetelmällä /14/. Voidaan myös käyttää geometrista diffraktioteoriaa, jolla saadaan varsin tarkka tulos /25/. Tässä lasketaan säteilykuvio vain yksinkertaisen mallin perusteella ja verrataan saatua tulosta valmistajan ilmoittamiin säteily- kuvion mittaustuloksiin.

Oletetaan, että dipolipaneliantennielementti koostuu N:stä

1: n pituisesta ohuesta dipolista, jotka ovat etäisyydellä a0äärettömän suuresta ideaalisesta johdetasosta ja etäi­

syydellä b0toisistaan. Lisäksi oletetaan, että kunkin

dipolin virta on yhtä suuri. Oletetaan lisäksi, että antenni on vaakapolaroitu, eli sen dipolit ovat vaakasuorassa, jolloin voidaan puhua horisontaali- ja vertikaalikuviosta ilman

sekaannusta.

Kuvassa 3.8 on antenni ylhäältä- ja sivultapäin katsottuna.

Koska johtava taso on äärettömän suuri ja ideaalinen,

voidaan käyttää peilikuvaperiaatetta, jossa taso korvataan säteilijöiden negatiivisilla peilikuvilla. Yhden dipolin horisontaalikuvio on /11/

.ui . .il

cos (—sincp) -cos (—)

(3.1)

COS ф

Vertikaalitasossa dipoli on ympärisäteilevä. Dipolit ja niiden peilikuvat muodostavat antenniryhmän ja säteily- kuvion lauseke saadaan yhtälöstä (2.7).

z У

A

Å

a.

0

Kuva 3.8. Dipolipanelielementin tarvittavat mitat

säteilykuvion laskemisessa

Oletetaan, että origo sijaitsee heijastimen pinnalla

alimman dipolin kohdalla. Tällöin elementtien paikkavektorit ovat

r . = u • a + u • ( i- 1 ) b_ , i=1,...,N (3.2)

1 y o z °

ja peilikuvien paikkavektorit ovat

r . = -u • a + u • ( i-1 ) b_ ,i = 1,.../N (3.3)

1 y O z O

Suuntaan (cp,0) osoittava aaltovektori on k = k ( u •

x Yhtälön (2.7)

sincp* COS0 + U • COScp» COS0-U . sinø)

У z

mukaan antennin säteilykuvio on

(3.4)

N j k • r- N j k • r . '

F ( cp f 0 ) = Z f (cp) e - z F , (cp) e (3.5)

i=1 a i=1

Miinusmerkki johtuu siitä, että peilikuvat ovat negatiivisia.

Sijoittamalla (3.2) ja (3.3) tähän, voidaan lauseke sieventää muotoon

F (cp , 0 ) = ( cp) • j2sin(ka¿coscp«cos0). e

-jk^J- b.sinø sin (k ^ b0 sinø) sin (k ^ b0sinø)

(3.6) Kun suoritetaan vielä origon siirto antennin symmetriapis

teeseen matka b0 z-akselin suuntaan, mikä merkitsee säteilykuvion lausekkeen kertomista lausekkeella

. N-1

e3k—2~bosine, tulee antennin säteilykuvion yhtälöksi sin (-^kby sinø) F (cp, 0) = F-, (cp) • sin (kao* coscp •cosø)*---- ^---

a sin (^bo sinø)

missä Fd saadaan yhtälöstä (3.1)

(3.7)

Edellä sijoitettiin origo heijastavan tason pinnalle antennin symmetriapisteeseen siksi, että eräs antenni- valmistaja (Kathrein) on antanut Yleisradion käyttöön omat mittaustuloksensa dipolipanelielementeistään /29/.Mittaus on

tehty sekä säteilykuvion itseisarvolle että vaiheelle.

Vaihekuvio on ilmoitettu käyttäen referenssipisteenä juuri äsken origoksi määriteltyä pistettä, joten yhtälöä (3.7) voidaan verrata suoraan mittaustuloksiin. Kuvassa 3.9

verrataan kaksidipolisen, kuvassa 3.1 olleen elementin

mitattua ja laskettua horisontaalikuviota taajudella 196 MHz.

Laskettu kuvio on saatu yhtälöstä (3.7) käyttäen ø:n arvoa 0 . O Yhtälön (3. 7) mukaan kuvion vaihe ei riipu q>:stä, mutta

kuten kuvasta nähdään, mitatun kuvion vaihe riippuu

suunnasta. Kuvassa 3.10 on vastaava vertailu vertikaali-

kuviolle. Valmistaja ei ole mitannut vertikaalikuvion vaihetta.

Horisontaalikuviolle saadaan laskemalla liian leveä keila, mutta vertikaalikuvion keila saadaan tarkasti. Erot

johtuvat dipolien paksuudesta, niiden keskinäiskytkennästä

—---mitattu vaihe ______ laskettu itseisarvo

Kuva 3.9 Dipolipanelielementin Kuva 3.10 Dipolipaneliele- laskettu ja mitattu horison- mentin laskettu ja mitattu taalikuvio/29/ ver ti kaalikuvio/29/

3.2 Ristiantenni

Ristiantenni koostuu päällekäin ja ristikkäin olevista

dipoleista, jotka voivat olla joko tavallisia sauvadipoleja, taittodipoleja tai siipidipoleja (perhosantenneja).

Kuvassa 3.11 on ULA-alueelle tarkoitettu ristiantenni, jossa säteilijöinä käytetään siipidipoleja /7/. Tälläista antennia kutsutaan myös super-turnstileantenniksi. Yleensä VHF-

alueen super-turnstileantennin elementit tehdään putki- rakenteisiksi tuulikuorman pienentämiseksi; sen sijaan UHF-alueella elementit voidaan tehdä yhtenäisestä levystä.

Siipidipolien etuna muunmuotoisiin dipoleihin verrattuna on helpommin saavutettava laajakaistaisuus /21/.

- E

Kuva 3.11 ULA-alueen "super-turnstile"-ristiantenni (Kathrein)

Kuvassa 3.12 on edellä mainitun ristiantennin horisontaali- säteilykuvio /7/. Poikkeama ympyrästä on noin 2 dB,

jota voidaan pitää hyvänä. Hyvän säteilykuvion ehtona on

kuitenkin ohut tukimasto, minkä vuoksi korkeassa mastossa voi yleensä olla vain huippuantennina ristiantenni.

Kuva 3.12. Ristiantennin horisontaalikuvio (Kathrein)

Koska yhdessä antennitasossa tarvitaan vain yksi ristidipoli- elementti, tulee antennin kaapelointi yksinkertaisemmaksi kuin dipolipaneliantennilla, jossa elementtejä on tasossa yleensä vähintään kolme.

3.3 Muita antennityyppejä 3.3.1 Kierukka-antenni

Kierukka-antenni muodostuu johtavan sylinterin (maston) ympärille kierretystä johtimesta. Jos antenni on pitkä, saattaa koko antenni koostua useasta kierukasta. Valitse­

malla kierukan halkaisija ja nousukulma sopivasti voidaan maksimisäteilysuunta saada vaakasuoraan tai vähän vaakatason

alapuolelle. Koska kierukka on symmetrinen, on horisontaali- kuvio teoriassa ympyrä. Käytännössä se poikkeaa jonkin verran ympyrästä ja sitä voidaan muotoilla vaakaputkilla, jotka asetetaan kierrosten väliin. Kierukka-antenni on kapeakais­

tainen, koska sen toiminta perustuu siihen, että yhden johdin- kierroksen pituus on aallonpituuden kerrannainen /21/.

3.3.2 Kulкuaaltorakoantenni

Kulkuaaltorakoantenni on koaksiaalijohto, jonka ulkovaippaan on tehty rakoja, jotka toimivat säteilijöinä. Teho kytkey­

tyy rakoihin viritettävien kytkentäkondensaattorien avulla.

Jos antennin halkaisija on pieni, on horisontaalikuvio

lähellä ympyrää. Vertikaalikuviota voidaan muotoilla muutta­

malla pystysuunnan virtajakaumaa. Kulkuaaltorakoantenni on hyvin kapeakaistainen ja saadaan toimimaan vain yhdellä kanavalla kerrallaan, sillä säteilysuunta vertikaalitasossa on herkkä taajuuden muuttumiselle /21/.

4. LÄHETINANTENNIN SÄTEILYKUVIO 4.1 Yleistä

Yleisradio-ohjelmaa lähetettäessä pyritään siihen, että kaikilla palvelualueen vastaanottajilla on mahdollisuus häiriöttömään kuunteluun ja katseluun. Jos vastaanottajan alueella kentänvoimakkuus on liian pieni,- tulee kohina häirit­

sevän suureksi ja lisäksi ympäristöstä tulevien häiriöiden ja televisiossa haamukuvia aiheuttavien heijastusten vaikutus lisääntyy. Kuvassa 4.1 on Yleisradion laatimat normit

vaadittaville kentänvoimakkuuksille, jotka perustuvat CCIR:n (Comité Consultatif International des Radiocommunications) antamiin suosituksiin ja raportteihin /28/.

Laskelma eri taajuusalueilla tarvittavasta kenttävoimakkuudesta, jolla saa­

daan normaaleilla vastaanottolaitteilla tyydyttävä kuva tai ääni. Laskelma si­

sältää myös CCIR:n suositusten 412 ja 417—1 ilmoittamat minimikenttävoi- makkuudet.

Taajuus­

alue çm0*0 go

o Kohinajännite75П, dByli1!iV Kohinaetäisyys (tyydyttävävastaanotto) Jännitevastaanottimien antenniliitännässä75ft Häviötantennijohdossa 20mAJS75—5 Häviötsym.muuntajassa

I

F

Scö

Ш« Taajuudestariippuva2ir antennlkerroin X Antennivahvistus4’ ■dipolinvahvistus0dB

dB yli 1 nV/m

Laskettuminimi- kenttävoimakkuus CCIR:n suositus

11

Pieninsuojat­ tavakenttä MHz dB dB

(mV) dB dB

(mV) dB dB dB dB dB dB dB dB 1

55 5 7 37 44 1,0 1,0 1,0 1,4 5 43.6 47 48 VHF II

94 5 -15 50 151) 1,0 1,0 1,0 6,0 0 24 34 48*

ULA -12,5 353 44 3

III

200 5 7 37 44 2.8 1.0 1.0 12,4 7 54.2 53 55 IV

470 7 9 37 46 3.7 1,0 1,0 20,0 9 62,7 62 65 V

UHF 650 8 10 37 47 4,6 1.0 1.0 22.5 10 66,1 67 70 V

790 9 11 37 48 5.3 1.0 1,0 24 11 68,3 67 70 FM + esikorostus parantaa kohinaetäisyyttä

Maaseudulla. 60 dB kaupungeissa, 70 dB suurkaupungeissa 31 Stereo

4) Normaalit vastaa nottoantennit

Kuva 4.1. Taajuusalueiden kentänvoimakkuusvaatimukset

Aseman näkyvyys- tai kuuluvuusalueeksi määritellään se alue, jolla kentänvoimakkuus ylittää suosituksen arvon 50 % ajasta 50 %:ssa paikoista /8/.

Puhuttaessa kentänvoimakkuudesta tarkoitetaan tässä nimen­

omaan suoraan lähetinantennista vastaanottoantenniin eden­

neen kentän voimakkuutta. Todellinen kentänvoimakkuus saat­

taa poiketa tästä paljonkin, koska se on suoraan edenneen ja heijastuneen kentän summa. Vaikka maastosta tai raken­

nuksista heijastunut kenttä saattaa suurentaa kentänvoimak­

kuutta, se ei suinkaan paranna vastaanotto-olosuhteita, vaan aiheuttaa television kuvaan ns. haamukuvia ja häiritsee

myös ULA:n kuuntelua etenkin stereolla. Hyvänlaatuisen vastaanoton edellytys on tarpeeksi suuri suoraan edennyt kenttä ja tarpeeksi pieni heijastunut kenttä. Periaatteessa on myös mahdollista, että suoraan edennyt kenttä on pieni, mutta heijastumalla tullut kenttä niin paljon suurempi, että sen avulla voidaan ottaa ohjelma vastaan. Käytännössä täl­

lainen tilanne johtaa ennen pitkää hankaluuksiin, sillä heijastuksen suuruus saattaa muuttua ajan mittaan kasvilli­

suuden muuttumisen tms. takia.

Kentänvoimakkuuteen tietyllä alueella vaikuttavat seuraavat seikat: lähettimen teho, antennin säteilykuvio ja hyötysuhde, paikan etäisyys lähetysasemasta, aseman ja paikan välinen maasto (maaperän sähköiset ominaisuudet ja mahdolliset maastoesteet) sekä ilmastolliset olosuhteet. Maanpinnan vaikutus aaltojen etenemiseen on sitä suurempi mitä matalam­

malla lähetinantenni on. Esimerkkinä voidaan mainita, että kun lähetinantennin korkeus on 300 m ja vastaanottoantennin 10 m, on maanpinnan ja ilmakehän vaimentava vaikutus

horisontissa (noin 70 km lähettimestä) tyypillisesti 30-40 dB verrattuna vapaan tilan etenemiseen /1/. Tämä vaimennus on niin suuri, että se voidaan ottaa huomioon vain lähetin- tehoa määrättäessä. Kun lähetinantennia suunniteltaessa vertaillaan eri mahdollisuuksia, voidaan olettaa eteneminen tapahtuvaksi vapaassa tilassa, koska antennien suhteellinen paremmuus saadaan selville näinkin.

4.2 Horisontaalikuvio

Yleisradioaseman lähetyksen kohdealue voidaan valita kahdella tavalla. Joko pyritään peittämään mahdollisimman suuri alue joka suunnassa lähetysaseman ympärillä tai sitten suunnataan teho vain tietylle alueelle. Jälkimmäinen tapaus tulee

kyseeseen lähinnä lähellä valtakunnan rajaa tai meren rantaa, jolloin ei haluta lähettää ohjelmaa alueelle, jolla ei asu luvanmaksajia. Lisäksi valtion rajan tuntumassa olevan aseman naapurimaan suuntaan lähettämää tehoa saattaa rajoit­

taa se, että kyseisellä maalla on samalla kanavalla toimiva asema, jonka kuuluvuusaluetta aaltojen ylipitkä eteneminen voisi haitata. Toinen tilanne, jossa tehon suuntausta usein

käytetään on alilähetin, jolla palvellaan niitä vastaanotta­

jia, jotka eivät maastoesteiden takia pysty seuraamaan minkään suuren aseman lähetyksiä, vaikka periaatteessa kuuluisivatkin sen palvelualueeseen.

Mahdollisimman suureen palvelualueeseen pyrittäessä ihanteel­

linen horisontaalitason säteilykuvio on tietysti ympyrä.

Täysin ympyränmuotoiseen kuvioon ei kuitenkaan päästä, vaan kuvioon jää aina jonkin verran aaltoilua. Erittäin hyvänä

ympärisäte lievänä antennina pidetään yleisesti sellaista, jonka horisontaalikuvion minimit ovat alle 2 dB. Kuvassa 3.12 sivulla 19 oli esimerkki tällaisesta kuviosta. Usein joudutaan tyytymään paljon syvempiin minimeihin, esim.

kuvassa 4.2 n. 7 dB.

Kuva 4.2. Esimerkki ympärisäteilevän lähetinantennin horisontaalikuviosta

Suunnatun antennin horisontaalikuvio määräytyy paikallisten olosuhteiden mukaan. Kuvassa 4.3 on Pyhävuoren TV-antennin säteilykuvio kanavalla 6. Pyhävuori on länsirannikolla,

joten lännessä päin ei ole kaukana katsojia eikä sinne kannata lähettää täydellä teholla.

Kuva 4.3. Suunnatun antennin horisontaalikuvio (Pyhävuori TV-1)

4.3 Verti kaali kuvio /

4.3.1 Ideaalinen vertikaalikuvio

Ideaalinen ver tikaalikuvio on sellainen, joka aikaansaa yhtä suuren kentänvoimakkuuden koko antennista näkyvälle maanpin­

nalle. Johdettaessa kuvion yhtälöä oletetaan maanpinta tasaiseksi pallonpinnaksi, jonka säde on R=8500 km, eli 4/3 kertaa maapallon todellinen säde. Korjaus johtuu radiosäteen taittumisesta ilmakehässä /12/. Muuten etenemisen oletetaan tapahtuvan vapaassa tilassa. Antennin korkeus ympäröivästä maastosta olkoon h.

Tilanne on periaatteessa kuvan 4.4 mukainen; mittakaavaa on selvyyden vuoksi vääristetty huomattavasti.

A

0

Kuva 4.4. Masto maan pinnalla

Korkeudelta h maanpinnasta suuntaan ø vaakatason alapuolel­

le lähtevä säde osuu maanpinnalle pisteessä В etäisyydellä s mastosta. Säteen kulkema matka on r. Oletetaan antennin vertikaalikuvioksi Fv(0). Tällöin kenttä pisteessä В on

EВ

(4.1)

missä K on vakio, joka riippuu mm. lähettimen tehosta ja antennin suuntaavuudesta. Horisontissa pisteessä H,

kuva 4.5 f kenttä on EH = K

F (0 )

v ' o'

(4.2)

Kuva 4.5. Suunta antennista horisonttiin

Koska kentän halutaan olevan kaikkialla yhtä suuri, on oltava E = ETT, eli

ti H

F (0) = v

r-F _{V ' o}(0 )

(4.3)

Koska horisontti on kaukaisin antennista näkyvä piste, on säteilykuvion maksimin oltava suunnassa ø , toisin sanoen F (0 ) = 1. Vertikaalikuvio F (©) on siis

vo v

F (0) = f- (4.4)

o

\

Tilanteessa oletetaan tunnetuiksi R ja h, joten on johdet­

tava r: lie ja r : lie lauseke R:n, h : n ja ø: n funktiona.

o

Kuvan 4.5 kolmio AHO on suorakulmainen, joten

2 2 2 (R + h) = R + r

7 о (4.5)

Koska h<<R, saadaan.

rQ =/2hR' (4.6)

Koska s « r , on lisäksi o o

_ So /2ÏT

5o " ir-V^T (4.7)

Kolmiossa AOB, kuva 4.4, on ß = ir/2 - e

Y = 11 — ß — a = lt/2 + 0 — s/R Trigonometriasta tiedetään, että

S1 n у = (h+R) sinß R

Sijoittamalla tähän y : n ja 6 : n lausekkeet, tulee cos(ø-s/R) = (h+R) cos©

R joten

_ . .R+h . . s = R ( 0-arccos (——coso) )

Koska kulma ACB on hyvin lähellä suoraa kulmaa, pätee tarkasti

r = s/cosø joten

R ( ø-arccos (5í2l coso) )

COS0

(4.8) (4.9)

(4.10)

(4.11)

(4.12)

(4.13)

(4.14)

Yhtälöiden (4.4), (4.6) ja (4.14) perusteella ideaalisen ver tikaalikuvion yhtälöksi saadaan

R ( 0-arccos (-,R+h F (0) =

v v '

R ^COS0)

\Í2Rh (4.15)

COS0

Yhtälön (4.15) tulisi olla voimassa ø: n arvoilla 0q< 0< 90°.

Jos 0<0q, menee radiosäde horisontin yli, joten siihen suuntaan säteilevä teho menee hukkaan ja saattaa häiritä muita kauempana sijaitsevia, samalla kanavalla toimivia

asemia. Siksi ideaalitapauksessa on voimassa yhtälön (4.15) lisäksi

F (0) =0 kun 0<0_ (4.16)

V o

Kuvassa 4.6 on ideaalinen vertikaalikuvio h : n arvoilla 100 m, 300 m ja 500 m. Taulukossa 4.1 on horisontin suunta ja etäisyys samoille korkeuksille.

1 : h = 100 m 2 : h = 300 m 3 : h = 500 m

Kuva 4.6. Ideaalinen vertikaali kuvio antennin korkeuden funktiona

Taulukko 4.1.Horisontin suunta ja etäisyys eri h:n arvoilla h /m ®o r /km

o

100 0°, 28 41 ,2 300 O 0 ►fcb 00 74,4 500 ⁰°, 62 92,2

Maanpinnasta ja ilmakehästä johtuva ylimääräinen vaimennus aiheuttaa sen, että todellisuudessa tasaisen kentän aiheut­

tava vertikaalikuvio on terävämpi kuin yhtälöstä (4.15) saatava. Jos vaimennus antennin ja horisontin välillä on

D(e

D(0) / D(©o):lla, kun halutaan pitää kuvion maksimi ykkösenä.

Jo edellä todettiin, että D(0q) on tyypillisesti 30-40 dB eli 30 - 100 .

Jos rajoitutaan tarkastelemaan aluetta maston lähellä, voi­

daan maanpintaa pitää tasona, jolloin kuvan 4.7 mukaan maanpinnalla olevan pisteen В etäisyys antennista on

s = h/sinø. Tällöin maston läheisyyteen osoittavilla 0:n

arvoilla säteilykuvion on noudatettava suunnilleen cosecantti- käyrän muotoa.

Kuva 4.7. Masto maan pinnalla, kun pintaa pidetään tasona

4.3.2 Vertikaalikuvio käytännössä

Käytännössä yhtälön (4.15) mukainen vertikaalikuvio on hankala toteuttaa. Erityisesti antennin suuntaavuuden saaminen tarpeeksi suureksi edellyttää suurta antennia.

Yleensä pyritään siihen, että säteilykuvio muistuttaa muodol­

taan ideaalista kuviota suunnilleen kuvion arvosta 0,5 lähtien alaspäin.

Erillisistä elementeistä, esim. ristiantenneista tai dipolipane li elementeistä kootun lähetinantennin vertikaalikuvion muodos­

taa lineaarinen antenniryhmä, joka on yleensä myös tasa­

välinen. Jos ryhmä on myös tasaisesti syötetty ja vaiheis­

tettu, on vertikaalikuvio yhtälön (2.13) mukaan

■ ,N , -, . „.

sin(-=- kd smø)

F (0) = F (0) ---- --- (4.17) v ov Nsin (-^ kd sinø)

Tässä F (0) on yhden elementin vertikaalikuvio, N on

päällekkäin olevien elementtien määrä, d on niiden etäisyys toisistaan ja k = 2n/x. Kuvassa 4.8 on (yhtenäinen viiva) erään tällaisen antennin vertikaalikuvio. Antennissa on N=8, d=3,2 m ja taajuus f = 200 MHz. Elementti on nelidipo- linen paneli (kuva 3.2 sivu 12).

F (G)

— el vaiheistettu - vaiheistettu: 65,

18.

17.

Kuva 4.8. Vaihaistamattoman ja vaiheistetun antennin verti­

kaalikuvio

Tasaisesti syötetyn ja vaiheistetun ryhmän vertikaalikuvio on kahdesta syystä huono. Suurin vika on siinä, että se saa tietyillä e : n arvoilla arvon nolla, mikä aiheuttaa myös maanpinnalle nollakentän. Toinen, vähäisempi vika on säteilykuvion maksimin osoittaminen vaakasuoraan, eli se menee horisontin yli. Koska yleensä ryhmä halutaan pitää

tasavälisenä, on ainoa keino vertikaalikuvion muotoilemiseksi virtojen amplitudin ja vaiheen muuttaminen. Niitä menetelmiä, joilla virrat valitaan, käsitellään luvussa 6. Tässä esitel­

lään vain esimerkkinä yksi mahdollisuus edellä mainitun antennin ver tikaalikuvion parantamiseksi. Kuvassa 4.8 on piirretty katkoviivalla vertikaalikuvio, joka saadaan pitä­

mällä virtojen amplitudit yhtä suurina, mutta vaiheistamalla ne ylhäältäpäin seuraavasti : 65 , 44 ,18 , 17 , 6 , 0 ,

o n ...

9,13. Tällaisella vaiheistuksella kuviolla ei enaa ole nollakohtia ja sen maksimi osoittaa noin suuntaan 0,5°

vaakatason alapuolelle. Kuvioiden ero selviää paremmin kuvasta 4.9 , jossa esitetään kummallakin saatava kentänvoi­

makkuus maanpinnalla mastosta mitatun etäisyyden funktiona, kun antennin korkeus ympäröivästä maastosta on 340 m.

Kuvassa kentänvoimakkuudet on normalisoitu niin, että

vaiheistetulla kuviolla saatavan kentän maksimi saa arvon 1. On oletettu vapaan tilan eteneminen.

f suht.

e- vaiheistettu

— vaiheistettu

horisontti

20 30 40 50 3 4 5

Kuva 4.9. Vaiheistamattoma11a ja vaiheistetulla antennilla saatava kenttä maan oinnalla

Vaatimuksia sille, minkälainen vertikaalikuvio on tarpeeks hyvä, voidaan asettaa eri tavoin. Yksi keino on ottaa käyttöön ns. nollatäyttökerroin /3/. Kun dsine<0,25, on tasaisesti syötetyn tasavälisen ryhmän ryhmäkerroin suunnil leen sama kuin tasaisesti valaistun Nd-pituisen aukkosätei lijän säteilykuvio

sms'

S' (4.18)

F ( 6 ) missä

Tämän käyrän verhokäyrä on 1/sv joka on verrannollinen 1/sine:aan eli cosecø:aan; kuva 4.10.

^r. rod

Kuva 4.10.Tasaisesti valaistun aukkosäteilijän vertikaali- kuvio

Käytännössä vertikaalikuviolle voidaan määritellä rajat seuraavan lausekkeen avulla /3/

m F cosec(e-6o)

IF(e) i

e.<e-e <ø0

mi ssä F on pääkeilan amplitudi, Gq on pääkeilan suunta, m on nollatäyttökerroin ja ja Ø2 ovat määrittelyalueen

rajat. Lähteessä /3/ on annettu eräs ¿nahdollisuus vertikaali- kuvion ylä- ja alarajan määrittelemiseksi yhtälön (4.19)

avulla :

yläraja : m = 1,25 , arcsin (X/Nd )<0-0q <25°

alaraja : m = 0,70 , arcsin (X/Nd )<0— øQ < 10°

m = 0,50 f O 0 л 0 ! O 0 л ro ui 0

Tässä arcsin (x/Nd ) on yhtälön (4.18) mukaisen säteilykuvion ensimmäinen nollakohta. Tarpeeksi hyvänä verti kaali kuviona voidaan pitää sellaista, joka sijaitsee mainittujen rajojen sisällä. Yläraja on syytä määritellä kahdestakin syystä.

Ensinnäkin korkeat sivukeilat pienentävät antennin suuntaa- vuutta, jolloin kenttä pienenee erityisesti kaukana asemasta.

Toinen syy on se, että korkeat sivukeilat saattavat aiheuttaa heijastusongelmia minimien kohdalla asuville vastaanottajille.

Tätä esittää hieman karrikoiden kuva 4.11. Samoja vaikeuksia saattaa tosin esiintyä myös sivukeilojen ollessa matalia.

\

fi EM П

Kuva 4.11. Esimerkki heijastuksesta /10/

Kuva 4.12 valaisee vielä nollatäyttökertoimen merkitystä /3/.

Kuvassa on paras mahdollinen verti kaalikuvio, joka saadaan

lineaarisen ryhmän vertikaalikuviosta täyttämällä sen nollat.

Käytännössä m:n arvolla 1 esiintyy myös sivukeiloja, jolloin kuvion minimit noudattavat kuvan käyrää. Katkoviiva vastaa nollatäyttökerrointa m=0.

6, deg Na

Kuva 4.12. Nollatäyttökertoimen merkitys

5. DIPOLIPANELIANTENNIN SÄTEILYKUVION LASKEMINEN

5.1 Laskemisessa tarvittavat tiedot

Maston ympärille erillisistä elementeistä koottu antenni on antennijoukko, jonka säteilykuvio voidaan laskea yhtälöstä

(2.7), joka kuului

N j(k-r.+6.)

F (<p,e) = SF (<p-cp ,0-0 ) l e 11 (5.1) i=1° iii

missä

F = säteilykuvio

Ф = horisontaalisuunta

0 = vertikaalisuunta

Fq= yhden elementin säteilykuvio

<p^= elementin i pääakselin hor isontaa li suunta

0^= elementin i pääakselin vertikaalisuunta I^ = elementin i virran amplitudi

6^= elementin i virran vaihekulma r^= elementin i paikkavektori k = aaltovektori = 2n/x•u.

k

Periaatteessa lähetinantennin säteilykuvio voitaisiin laskea suoraan yhtälön (5.1) perusteella laskemalla ensin arvot kaikille cp. : lie, ø. : lie ja r . : lie. Kun kuitenkin ainoa käytännöllinen keino kuvion laskemiseksi on tietokoneen käyttö, on syytä muuttaa yhtälö (5.1) sellaiseen muotoon, että lähtötietoina voidaan käyttää suoraan antennipiirustuk- sista saatavia mittoja.

Lähetinantenni koostuu päällekäin olevista tasoista.

Oy. Yleisradion Ab:n antenneissa tasoja on 1-16 kappaletta ja yhdessä tasossa on yleensä kolme tai neljä elementtiä.

Elementit sijaitsevat tasossa yleensä säännöllisen monikulmion sivuilla. Ensin käsitellään kuitenkin yleinen tapaus, jossa monikulmio saattaa olla epäsäännöllinen. Kuvassa 5.1a on

esimerkki kolmion sivuilla olevista elementeistä. Kuva 5.1b esittää antennia sivulta päin katsottuna.

N

У

À

Kuva 5.1a

Kuva 5.1b

Kuva 5.1. Dipolipaneliantennin laskemisessa tarvittavat mitat

Kuvista nähdään, että tarvitaan seuraavat mitat ja kulmat antennin geometrian määrittelemiseksi:

a = monikulmion sivun kohtisuora etäisyys origosta 0.

Origoksi voidaan valita mielivaltainen piste monikulmion sisältä. Sen on kuitenkin sijaittava joka tasossa samalla suoralla ( z-akselilla).

b = elementin sivuttaissiirto sivun ja sen origon kautta

kulkevan normaalin leikkauspisteestä (kuvassa 5.1 piste A), b on postiivinen jos siirto on myötäpäivään,

a = monikulmion sivun normaalin atsimuuttisuunta

6 = elementin kääntö sivun normaalin suhteen; positiivinen myötäpäivään

d = tason etäisyys referenssitasosta, joksi määritellään alin taso.

у = elementin kääntö pystytasossa; positiivinen alaspäin Periaatteessa edellä mainitut mitat ja kulmat voivat olla eri suuria eri elementeillä. Siksi otetaan käyttöön ala­

indeksit m ja n, joista m ilmoittaa tason numeron ja n

elementin numeron tason sisällä. Tasojen numerointi kulkee niin, että alin taso on m=1 jne. ja elementtien tason sisäi­

nen numerointi kulkee myötäpäivään lähtien mielivaltaisesta elementistä. Suureet a, b, et, ß ja у tarvitsevat molempia alaindeksejä, kun taas suure d tarvitsee vain alaindeksin m.

5.2 Säteilykuvion yhtälö

Ottamalla mukaan elementtien indeksointi on säteilykuvion yhtälö

M N j (k•r +6 )

m _ . - - . , _J x mn mn' F(cp,ø) = z z F^(<p-<pmn,e-emn) lmn e

m=1 n=1

(5.2)

missä M on antennin tasojen lukumäärä ja Nm on elementtien lukumäärä tasossa m. Koordinaattiakselit sijoitetaan

kuten kuvasta 5.1 • käy ilmi. Origo sijaitsee alimmalla antennitasolla. Tällöin aaltovektori k on

k = k (u • sin<p • COS0+U * cos<p - cose -u • sine )

X y Z (5.3)

Elementin m, n etäisyys z-akselista on \]^mn

Í

etäisyys xy—tasosta . Horisontaalitason suuntakulma origosta elementtiin m,n on a +arotan IT11^—. Nyt voidaan kirjoittaa

mn a^

mn elementin m,n paikkavektori r

mn

"mn = , a mn

2 2 Z+b * mn

~1 г

u • sin (a tarctan-—) mn.

x mn a

mn

+ u -cos(a tarctan

у m

bmn.

amn

+ uz d

m (5.4)

Elementin m,n pääakselin suuntakulmat ovat

Ф =ct +3

vmn mn mn 0 =v

mn mn

(5.5) (5.6) Sijoittamalla yhtälöistä (5.3) - (5.6) saatavat suureet

yhtälöön (5.2) ja käyttämällä trigonometrisia kaavoja piste- tulon к-r yksinkertaistamiseen, saadaan antennin säteily-

mn kuvion yhtälöksi

F (cp, 0)

M

= T, m= 1

1Nm z F

n=1 o ^(cp-cpmn ^{0— Y )}'mn' ^Imn

exp k(c •coso•cosç -d »sine)

L v mn mn m

+

]}

mnJ J (5.7)

missä

фYmn ^{а + ß} mn mn (5.8)

c =i/a 2+ b 2

mn V mn mn ^(5.9)

ç = a +arctan--- -фmn

шп mn amr^

mn

(5.10)

ja muut merkinnät on selvitetty edellä sivuilla 36 ja 37

Jos monikulmio, jonka sivuilla elementit ovat, on säännöllinen, toisin sanoen sen kulmat ovat kaikki yhtä suuria, voidaan

sen sijaan, että ilmoitettaisiin jokaisen sivun normaalin suunta, ilmoittaa vain yhden sivun normaalin suunta, jota merkitään e :llä. Tällöin

ФYmn

^mn

e +m

e +m

(n-1)•

(n-1 )•

11 N

24 N

+ ß +

mn arctan

bmn amn

-ф

ja yhtälöä (5.7) voidaan yhä käyttää.

(5.11) (5.12)

Yhtälö (5.7) soveltuu hyvin tietokoneelle laskettavaksi.

Periaatteessa kaikki mitä säteilykuvion laskevassa ohjelmassa tarvitaan, on lähtötietojen määrittely, kuvion laskeminen kahden DO-lauseen avulla (Fortranilla) ja säteilykuvion tulostus. Laskemista tietokoneella käsitellään enemmän luvussa 8.

5.3 Säännölliset ja epäsäännölliset antennit

Laskettaessa säteilykuvio yhtälöstä (5.7) on yhtälöön sijoitettava tiedot jokaisesta antennielementistä. Jos kyseessä on esimerkiksi 16-tasoinen antenni, jossa on neljä elementtiä tasossa, on elementtejä yhteensä 64 kappaletta.

Tarvittava lähtötietojen määrä on siis varsin suuri. Seuraa- vassa osoitetaan, että tietyissä tapauksissa säteilykuvio voidaan lausua muodossa

F ( cp, 0 ) = Fh(cp) . Fv(0) (5.13) ja että tällöin Fh (cp ) voidaan laskea vain yhden antennitason tietojen perusteella ja F^(6): n laskemiseen tarvitaan vain eri tasojen väliset erot, ei lainkaan tason sisäistä rakennet

ta. Antennia, jolla (5.13) pätee kutsutaan jatkossa sään­

nölliseksi. Muut antennit ovat epäsäännöllisiä.

Ensimmäinen ehto sille, että lähetinantennin säteilykuvio voidaan lausua muodossa (5.13) on se, että elementtianten- nin säteilykuvion lauseke voidaan lausua vastaavassa muodossa Kappaleessa 3.3.2 johdettiin dipolipaneliantennielementin säteilykuviolle lauseke

sm (k-^b sm©)N

F (cp, 0) = F (cp) • sin (ka* coscpcosø)*--- ;--- , (5.14)

d sin (k-^b sinø)

jota ei voi lausua kahden sellaisen funktion tulona, joista toinen riippuu vain cp : stä ja toinen vain 0:sta. Kun kuiten­

kin yleensä ollaan vain kiinnostuneita ø: n arvoista |ø|<20°, jolloin cos 0 ei poikkea vielä paljoakaan ykkösestä

(cos 20°=0, 94) , voidaan katsoa, että lauseke sin (ka• cos<p-cose) ei juuri riipu 6:sta. Tällöin (5.14) on muotoa (5.13). Jos

laskettaessa käytetään elementin mitattua säteilykuviota, voidaan olettaa, että horisontaalikuvio on suunnilleen

saman muotoinen kaikilla 0:n arvoilla kun |0|<2O°. Tällöin elementin säteilykuvio on

F„(»,e) = Fmh(v) • Fmv<e)

missä F ^(<p) on mitattu hor isontaalikuvio ja F^tø) mitattu vertikaalikuvio.

(5.15) on

Yhtälöstä (5.7) voidaan johtaa ehdot, jotka antennin on täytettävä jotta sen säteilykuvio täyttäisi ehdon (5.13).

Asia voidaan kuitenkin päätellä ilman matematiikkaakin.

Yhtälöä (5.13) voidaan pitää sellaisen antenniryhmän säteily- kuviona, jonka elementin säteilykuvio on F^(cp) ja ryhmäkerroin F (0). Dipolipaneliantenni on tällainen ryhmä silloin, kun kaikkien antennitasojen horisontaalikuvio on samanlainen, jolloin ryhmäkertoimen määräävät antennitasojen paikat ja virrat. Yhtälöstä (5.7) nähdään kuitenkin, että yhden

antennitason säteilykuviolla on myös ©-riippuvuus, joka johtuu osaksi elementin säteilykuvion 0-riippuvuudesta ja osaksi

eksponentti termissä olevasta cosøista. Kun tason elementtien kääntö pystytasossa (y) on yhtä suuri, voidaan elementin

vertikaalikuvio Fqv(0-y) ottaa kertoimeksi summausmerk in eteen, mutta eksponentissa olevaa ø-riippuvuutta ei voi eliminoida. Täten tarkkaan ottaen säännöllistä antennia ei ole olemassakaan. Nyt voidaan kuitenkin tehdä sama approksi­

maatio kuin edellä, eli käytännössä kiinnostavilla 0:n

arvoilla 0 < 20° voidaan merkitä cosø«1, jolloin yhden

antennitason horisontaalikuvio ei riipu ø:stä ja useammasta tasosta kootun antennin säteilykuvio voidaan lausua muodossa

(5.13). Laskuilla voidaan todeta, että suunnassa ø =20°

approksimaation aiheuttama virhe on alle 1 dB; se riippuu tietenkin antennin rakenteesta.

Eri antennitasojen horisontaalikuvio on samanlainen silloin kun niiden geometria on sama ja lisäksi niiden sisäinen

suhteellinen vaiheistus ja tehonjako on sama. Jos elementtejä käännetään pystytasossa, on käännön oltava samassa tasossa yhtä suuri kaikilla elementeillä, sen sijaan se voi olla eri suuri eri tasoissa. Tällöin antenni on säännöllinen ja sen horisontaalikuvion laskemiseen riittävät vain yhden antenni- tason tiedot ja ver tikaalikuviota laskettaessa tarvitaan vain tasojen väliset erot.