VŠB Technická univerzita Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky Katedra telekomunikační techniky

VŠB Technická univerzita Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky Katedra telekomunikační techniky Návrh a realizace Hovermanovy antény Design and realisation of the Hoverman antenna 2016 Michal Chmiel

Prohlášení studenta Prohlašuji, že jsem tuto bakalářskou práci vypracoval samostatně. Uvedl jsem všechny literární prameny a publikace, ze kterých jsem čerpal. V Ostravě dne: 25. dubna 2016.. podpis studenta

Poděkování Rád bych poděkoval Ing. Marku Dvorskému, Ph.D., za odbornou pomoc a konzultace při vytváření této bakalářské práce.

Abstrakt Cílem této bakalářské práce je poukázat na provedení anténních patrových soustav a na praktickou realizaci antény, jež spadá do této kategorie. Jedná se o anténu, známou především v zemích USA s názvem Hoverman antenna (Hovermanova anténa). Práce zahrnuje teoretickou část základních anténních prvků, charakteristických rysů, historii a také výhody/nevýhody zmiňovaného typu antén. Součástí práce je praktické vyhotovení Hovermanovy antény. Simulace jsou zhotoveny v programu 4NEC2 a použity k porovnání a přezkoumání starších a novějších modifikací tohoto typu antén. Klíčová slova anténa Buzená celovlnná patrová soustava, Celovlnný dipól, Širokopásmová anténa, Hovermanova

Abstract The subject of this bachelor thesis is to demonstrate the design of the storey antenna systems and the practical realisation of the antenna which fits to this category. It is about antenna known especially in USA countries called Hoverman antenna. This thesis includes theoretical part about basic antenna`s elements, characteristic features, history and also benefits and some disadvantages of this antennas type. The also thesis includes practical construction of Hoverman antenna model. The simulations are made in 4NEC2 editor and used for comparison and for better examination of older and newer modifications of this antenna type. Key words Revive full - wave storey antenna system, Full-wave dipole, The wide-band antenna, The Hoverman antenna

Obsah Seznam použitých symbolů... 8 Seznam použitých zkratek... 9 Seznam ilustrací a seznam tabulek... 10 Úvod... 12 1 Anténa... 13 1.1 Základní rozdělení antén... 13 1.2 Základní vlastnosti antén... 13 2 Buzené patrové soustavy... 17 2.1 Charakteristické vlastnosti... 17 2.1.1 Půlvlnný dipól... 18 2.1.2 Celovlnný dipól... 19 2.2 Základní typy buzených anténních soustav... 19 2.3 Parametry širokopásmových antén typu TVa... 20 2.4 Výhody a nevýhody patrových soustav... 22 3 Hovermanova anténa... 23 3.1 Historie... 23 3.2 Impedanční přizpůsobení Hovermanovy antény a symetrizace... 24 3.3 Výpočet rozměrů Hovermanovy antény... 27 3.4 Simulace Hovermanovy antény v programu 4NEC2... 29 3.5 Simulace čtyřpatrové soufázově buzené soustavy... 33 4 Praktická realizace Hovermanovy antény... 40 4.1 Ověření správnosti návrhu a reálného vyhotovení antény měřením... 44 4.2 Měření zisku antény substituční metodou... 45 4.3 Zhodnocení naměřených výsledků a srovnání se simulací... 45 Použitá literatura... 49 Seznam příloh:... 51 7

Seznam použitých symbolů Symbol Jednotky Význam symbolu B šířka pásma c [m/s] rychlost světla d [m] průměr D max D ref zisk izotropního zářiče zisk referenční antény f [Hz] frekvence G abs [dbi] absolutní zisk G rel [dbd] relativní zisk G r [dbd] zisk referenční antény G a [dbd / dbi] zisk měřené antény I vst [A] vstupní proud k činitel zkrácení l el [m] délka elektrická l mech [m] délka geometrická R vst [Ω] vstupní činný odpor R vyz [Ω] vyzařovací odpor antény R ztr [Ω] ztrátový odpor S 11 [db] parametr S 11 U vst [V] vstupní napětí X vst [Ω] vstupní reaktance Z vst [Ω] vstupní impedance α e [ ] úhel elevace - vertikální rovina (směrový diagram) α h [ ] horizontální úhel Γ koeficient odrazu η [%] účinnost antény λ [m] vlnová délka 8

Seznam použitých zkratek Zkratka ČZZ dbi dbd db FBR HA Hz Kč KV PSV TV UKV vf VKV Význam činitel zpětného záření zisk ideální izotropní antény zisk ideálního půlvlnného dipólu decibel, jednotka zisku front back ratio - předozadní poměr Hovermanova anténa hertz, jednotka frekvence (kmitočtu) korun českých krátké vlny poměr stojatých vln (SWR) televize/televizní vysílání ultra krátké vlny vysoko frekvenční velmi krátké vlny 9

Seznam ilustrací a seznam tabulek Číslo ilustrace Název ilustrace Číslo stránky 1.1 Příklad vyzařovacího diagramu antény 14 1.2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16 3.17 Ukázka určení šířky pásma Čtveřice soufázově buzených zářičů směrovaná kolmo na dopadající vlnu. Soustava zářičů vzájemně vzdálených o délku λ/4 Ukázka půlvlnného dipólu a rozložení napětí a proudu Jednoduchý celovlnný dipól Ukázka rozložení prvků antény a detailní přechod mezi jednotlivými prvky Anténa typu Plzeňské síto Anténa typu Polské síto Praktická ukázka antény typu Hoverman Varianty GH6 - GH10 Přizpůsobené vedení a vedení sloužící k transformaci impedance Symetrizační člen TEROZ 978 Technický náčrt Hovermanovy antény Model Hovermanovy antény s reflektorovou stěnou Graf parametrů PSV a vstupního činitele odrazu v závislosti na frekvenci Graf závislosti zisku na frekvenci a činitel zpětného příjmu Směrová horizontální charakteristika Směrová vertikální charakteristika 3D směrová charakteristika Náčrt a zásady propojení čtyřpatrového soufázového systému Model čtyřpatrové soufázově buzené anténní soustavy Grafy parametrů PSV a činitele odrazu v závislosti na frekvenci Graf závislosti zisku na frekvenci a činitel zpětného příjmu Směrová horizontální charakteristika Směrová vertikální charakteristika 16 17 18 18 19 20 21 22 23 24 25 26 28 30 30 31 32 32 33 34 35 36 37 38 38 10

3.18 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 3D směrová charakteristika Část vybraného materiálu ke konstrukci HA Detail konstrukce dipólu (zářiče) antény Vyřezávaný šestihranný jekl Naskládané prvky antény připravené ke spojení Uchycení mezi ráhnem a nosnou konstrukcí (stožárem) Reflektorová stěna Vyhotovený model Hovermanovy Antény Detail krabičky se symetrizačním členem Schéma zapojení pro měření zisku antény (substituční met.) Graf parametru PSV v závislosti na kmitočtu Graf vstupního koeficientu odrazu při výstupu zakončeném zátěží (Z L = Z 0 ) 39 41 41 42 42 42 43 43 44 45 46 46 Číslo tabulky Název tabulky Číslo stránky 3.1 3.2 Rozměry Hovermanovy antény Rozměry čtyřpatrového soufázového modelu 27 35 11

Úvod Úvod V dnešní době jsou antény značně rozšířené a jsou nedílnou součástí rádiových, vysílacích nebo přijímacích systémů (zařízení). Můžeme je využít k přijímání a vysílání rádiových vln. Jedná se v podstatě o prvek, který zařizuje přechod vysokofrekvenční energie do prostředí. Bakalářská práce je zaměřená na typ antény s názvem Hovermanova anténa. Jde o anténu využívanou v pásmu UKV (ultra krátkých vln) i VKV (velmi krátkých vln), zejména pro příjem TV (televizního vysílání). Anténa je využívaná spíše v zahraničních zemích. Mezi součásti práce patří simulace v programu 4NEC2 a samotná praktická realizace (zhotovení) antény. V první části bakalářské práce je nejprve teoretický vhled objasňující problematiku všeobecně, dále se zaměřujeme na principy fungování antén a elementární terminologii. Druhá část je zaměřena na teorii týkající se anténních soufázově buzených patrových soustav, které úzce souvisí se zvoleným typem antény. Tato část obsahuje rozčlenění těchto antén do určitých kategorií a rozebrání nejpoužívanějšího typu těchto patrových soustav. K porovnání HA (Hovermanovy antény), byl zvolen stejný typ antény, využívaný v České republice. Jedná se o model s názvem Polské síto, který je svým uzpůsobením (vlastnostmi) srovnatelný s HA. Jsou zde také zmíněny výhody a nevýhody případných sestav, jejich parametry a charakteristické vlastnosti. Historií a základní teorií studované problematiky se pak zaobírá třetí část bakalářské práce (impedanční přizpůsobení, varianty antény, parametry, kmitočtové rozsahy apod.) Uvádíme rovněž výpočty určené k vymodelování a praktické realizaci HA na zadaném kmitočtu (470 698 MHz). Pro následné porovnání výsledků je HA porovnána s klasickým čtyřpatrovým soufázovým modelem prostřednictvím simulací v programu 4NEC2. Závěrečná pátá část práce zahrnuje vyhotovení reálné antény pro daný kmitočtový rozsah na základě výsledků simulací a poznatků převzatých z teorie. Začleňujeme sem také dokumentaci a patřičný odborný komentář k praktické realizaci. Funkčnost antény je ověřena kontrolním měřením danými analyzátory. 12

Anténa 1 Anténa Základní úlohou antény je měnit elektrickou energii dodanou vysílačem na elektromagnetické vlny vyzařované do prostoru. Antény jsou schopné energii vyzařovat, ale také i stejným způsobem přijímat (tzv. reciprocita). Výkon antény z velké části určuje dosah zářiče, ale je také nutné dbát na jejich precizní konstrukci. Můžeme je rozdělit za pomoci délky vlnění na milimetrové, centimetrové, decimetrové, metrové a kilometrové. Dále se pak liší svou velikostí a tvarem. [1] 1.1 Základní rozdělení antén Antény dělíme podle různých kritérií do mnoha kategorií, mezi ta nejdůležitější kritéria patří směrový diagram a způsob použití antény. Antény lze rozdělit: Podle tvaru zářiče: liniové, smyčkové, spirálové, šroubovicové. Podle polarizace: lineární - horizontální, vertikální, kruhové, eliptické. Podle šířky pracovního pásma: širokopásmové, úzkopásmové. Podle uspořádání zářičů: jednoduchý zářič, řady zářičů, soustavy řad zářičů, kolineární antény, logaritmicko - periodické. Dělení dle tvaru vyzařovací charakteristiky Dále můžeme antény rozdělit pomocí vyzařovací charakteristiky neboli směrovosti. To je schopnost soustředit vyzařování vln do určitého směru a všechny antény vyjadřují určitý stupeň směrovosti. Jedině v případě nesměrové antény (izotropní zářič), který vyzařuje všemi směry stejně, ovšem jeho představa je jen teoretická. Můžeme je rozdělit na: všesměrové, směrové. Dělení dle využití Přijímací anténa přeměňuje energii elektromagnetických vln na energii elektrickou a anténa vysílací přeměňuje elektrickou energii na energii elektromagnetických vln. Mezi vysílací a přijímací anténou není z hlediska vlastností žádný značný rozdíl, ovšem na vysílací antény jsou kladeny daleko vyšší a přísnější požadavky. [1] [2] 1.2 Základní vlastnosti antén Mezi nejvýznamnější parametry antény patří jejich směrová charakteristika, vstupní impedance, předozadní poměr, poměr stojatých vln, polarizace, účinnost antény a její zisk. Následující vzorec č. 1.1 popisuje vztah mezi kmitočtem (frekvencí), udávanou v jednotkách [Hz] a délkou elektromagnetické vlny λ [m]; c je rychlost světla (přibližně 3 10 8 [m/s]). Kde vlnová délka je nepřímo úměrná kmitočtu. [1] λ = c f (1.1) 13

Anténa Směrová charakteristika Směrová charakteristika se vztahuje k vysílací, ale i k přijímací anténě a udává grafické vyjádření směrových vlastností. Vyjadřujeme je ve formě absolutní hodnoty podílu elektrické intenzity vyzařovaného vlnění v daném směru a nejvyšší hodnoty intenzity vyzařovaného vlnění. Vyzařovací diagram je trojrozměrný, avšak v praxi se ve většině případů znázorňuje jednorozměrným prostorovým řezem ve vertikální nebo horizontální rovině. Diagram záření je rozdělen do několika laloků (hlavní, boční, zadní). Z tohoto diagramu se určuje velmi důležitý parametr s názvem úhel záření antény. Je to úhel mezi dvěma hodnotami v hlavním laloku, které odpovídají poklesu intenzity pole o 3 db. [2] [3] [4] Předozadní poměr Obrázek 1.1: Příklad vyzařovacího diagramu antény [4] Předozadní poměr se též označuje ČZZ (činitel zpětného záření) nebo v anglické literatuře FBR (Front to Back Ratio). Je to poměr mezi maximální intenzitou ve směru záření a maximální intenzitou v opačném (nežádoucím) směru. Předozadní poměr se udává stejně jako zisk v jednotkách db. [2] Vstupní impedance Vstupní impedance, je veličina, kterou bychom naměřili na vstupních svorkách antény. Představuje poměr napětí (U vst ) a proudu (I vst ) na vstupu antény. Vstupní impedance u lineárních antén je dána poměrem fázorů vstupního proudu a napětí. Vztah 1.3 má omezenou platnost, jelikož vyzařovací odpor je vztažen k vstupním svorkám a ty nemusí být nutně v amplitudě proudu. Ztrátový odpor je způsoben konečnou vodivostí stavebního materiálu antény, ve kterém dochází ke ztrátám. Vstupní činný odpor se skládá ze ztrátového odporu a vyzařovacího odporu. Vyzařovací odpor je odpor, který klade anténa elektromagnetické vlně v průběhu vyzařování. Hodnota X vst je vstupní reaktance antény, která ztěžuje přizpůsobení antény, zejména když dosahuje vyšších hodnot. Pak je příčinou značných ztrát v přizpůsobovacích obvodech.[2] Z vst = U vst I vst = R vst + jx vst (1.2) R vst = R vyz + R ztr (1.3) 14

Anténa Impedanční přizpůsobení antény Je to jeden z nejdůležitějších faktorů při výrobě antény. V nejlepším případě se jedná o stav, ve kterém nedochází na vedení k odrazu vln a přenos energie je maximální. Principem impedančního přizpůsobení je dosáhnout stejných hodnot impedance vedení a vstupní impedance antény. V tomto případě nedochází ke vzniku stojatého vlnění. Přizpůsobení realizujeme pomocí přizpůsobovacích obvodů, kterých je celá řada. Přizpůsobený systém je takový, když anténa, vedení a zátěž pracují na shodné impedanci. Tímto způsobem bude anténa přizpůsobena pouze v omezeném (požadovaném) kmitočtovém rozsahu. [2] Parametr S 11 (vstupní činitel odrazu) Parametr vyjadřuje vstupní činitel odrazu, jenž se uvádí ve formě útlumu odrazu v db nebo jako bezrozměrná veličina. Vstupní činitel odrazu úzce souvisí s impedančním přizpůsobením antény. V případě ideálního přizpůsobení by bylo ρ (Γ) rovno nule a veškerá energie přenesená do antény by byla vyzářena nebo spotřebována na ztráty, ideální hodnota v db by měla nabývat co nejvyšších záporných hodnot. Energie odražené vlny je v ideálním případě nulová. Vztah pro výpočet viz níže: [5] Parametr PSV (SWR) S 11 = 20 log (ρ) (1.4) Zkratka PSV znamená poměr stojatých vln. Jedná se o jeden z nejdůležitějších parametrů celého anténního systému včetně napáječe. Cílem je dosáhnout, aby mezi vstupní impedancí antény a vlnovou impedancí připojeného vedení panovala rovnost. Při těchto ideálních podmínkách bude PSV 1 : 1. Jedině tehdy dochází k maximálnímu přenosu energie mezi vedením a zátěží. Nerovnost těchto impedancí způsobuje odraz vf (vysokofrekvenční) energie od zatěžovací impedance. Na vedení dochází ke vzniku stojatých vln, což se projeví jako pokles přenesené energie i zkreslením přenášené informace. Za ideální stav můžeme považovat nízké hodnoty PSV zhruba 1,1 : 1 až 1,2 : 1, zejména u náročnějších přenosů se složitou širokopásmovou modulací (TV, radiolokace, telefonní multiplex aj.). Vysílací antény se zpravidla konstruují tak, aby PSV 2 : 1. U antén přijímacích jsou přijatelné hodnoty PSV 1,6 : 1 až 4 : 1. [6] Zisk antény Zisk antény charakterizuje její účinnost. Udává decibelové vyjádření maximální hodnoty činitele směrovosti. To znamená zisk vztažený k určitému referenčnímu zářiči. Pokud je zářič izotropní, mluvíme o absolutním zisku. Hodnotu zisku vyjadřujeme jako logaritmus poměru napětí nebo výkonů získaných z měření mezi zkoumanou a referenční anténou. Můžeme jej vyčíst ze vztahu pro absolutní zisk (viz níže). G abs = 10 log (D max ) [dbi] (1.5) Dále pak můžeme hovořit o relativním zisku, který se porovnává k referenční anténě (ve většině případů je použit půlvlnný dipól). Neboli měříme, kolikrát větší napětí naměříme na svorkách směrové antény než na svorkách vztažné antény. Vztah pro převod jednotek dbi a dbd (viz níže). G rel = 10 log (D max D ref ) [dbd] (1.6) 15

Anténa dbi = 2,15 + dbd (1.7) Vzorec lze vyložit tak, že zisk v decibelech udávaný proti izotropnímu zářiči bude číselně o hodnotu 2,15 vyšší než zisk udávaný proti dipólu. Dále to znamená, že zisk dipólu je 2,15 dbi = 0 dbd. [2] [4] Účinnost antény Můžeme hovořit o poměru vyzářeného výkonu k přivedenému výkonu, jež můžeme vyčíst z níže uvedeného vztahu: η = Rvst R vst +R ztr (1.8) R vst je odpor záření, vztažený ke vstupnímu proudu, R ztr je ztrátový odpor antény, vztažený ke vstupnímu proudu. Účinnost se vypočítá jako podíl vyzařovacího odporu a součtu vyzařovacího a ztrátového odporu. Dobrá účinnost antény je podmíněna buď malým ztrátovým odporem, nebo velkým odporem záření. Antény s malým odporem záření mívají nízkou účinnost. Při výpočtu účinnosti vyzařování uvažujeme bezeztrátovou anténu (R ztr je nulový). Pak je účinnost vyzařování dána poměrem činného výkonu vyzářeného anténou a činného výkonu na napájecí svorce zářiče (antény). [2] Polarizace Polarizace představuje další podstatný faktor při výběru a instalaci antény. Zpravidla se snažíme, aby prostorová orientace byla vždy stejná jako polarizace přijímané vlny. Pokud jsou různé, dochází k značnému útlumu přijímaného signálu a hovoříme o tzv. polarizačním nepřizpůsobení. Polarizace se používají vertikální či horizontální, známe ale také např. polarizaci kruhovou aj. [2] Šířka pásma Šířka pásma je rozsah frekvencí, při kterých se anténa chová vzhledem k daným veličinám standardním způsobem. Další podstatné základní parametry antény jako jsou: zisk, vstupní impedance, směrová charakteristika, polarizace aj. vždy souvisí s její konstrukcí. Jednotkou šířky pásma je Hz. Šířka pásma je vymezena minimálním a maximálním kmitočtem ( Δ f ). Její rozptyl určuje pokles o -3 db vůči maximální hodnotě šířky pásma. [2] Obrázek 1.2: Ukázka určení šířky pásma [2] 16

Buzené patrové soustavy 2 Buzené patrové soustavy Buzené patrové soustavy představují v dnešní době jeden z nejrozšířenějších typů antén používaných zčásti pro pásmo VKV a hlavně UKV. Jsou to antény s vysokou škálou využití, také se lze s tímto druhem lze setkat pod názvem síto (síto připomíná konstrukci plošného reflektoru). Jejich základní typickou vlastností je velká širokopásmovost. [7] 2.1 Charakteristické vlastnosti Na rozdíl od antén typu Yagi, kde je využíván půlvlnný dipól, je základním stavebním prvkem těchto soustav celovlnný dipól. Tyto soustavy se vyznačují nenáročnou výrobou a skvělou širokopásmovostí. Zpravidla se jedná o více patrový anténní systém, jehož patra se skládají z celovlnných prvků, které jsou od sebe vzdáleny λ/2. Jednotlivá patra soustavy jsou spojena vedením o délce λ/2, tudíž signály z jednotlivých pater soustavy se sečtou a výsledný výkon je dán součtem všech výkonů jednotlivých zářičů. Tento typ antény je určen pro rozsahy zhruba 300-862 MHz. Obvykle se skládá ze 4 pater, které jsou tvořeny celovlnným anténním systémem (zářič + reflektor). Celá anténní soustava (4 patra) je zezadu osazena reflektorovou stěnou, jež zajistí dobrý činitel zpětného příjmu a lépe nahradí tyčové formy reflektorů. Parazitní příjmy (vyzařování) z boku a ze zadního směru závisí na konstrukčním provedení reflektoru. Soufázové anténní systémy nejsou tak náročné na homogenitu pole, a proto jsou vhodné i do členitějšího prostředí, k montáži na zeď, na půdu apod. Většinou jsou vybaveny plošnými reflektory z kovových plechů, síťových pletiv nebo plochou celovlnných tyčí, která se řadí rovnoběžně s dipóly (zářičem). [8] Obrázek 2.1: Čtveřice soufázově buzených zářičů směrovaná kolmo na dopadající vlnu [3] 17

Buzené patrové soustavy Obrázek 2.2: Soustava zářičů a reflektorů vzájemně vzdálených o λ/4 (dosažení potlačení rušení z kolmého směru) [3] 2.1.1 Půlvlnný dipól Základní typ rezonanční antény je zářič o půlvlnné délce. Chová se jako rezonanční obvod a jeho rezonanční kmitočet nastavujeme za pomocí délky zářiče. Je-li délka dipólu kratší než délka rezonanční má vstupní impedance kapacitní charakter. Pokud je delší má charakter induktivní. Pro dosažení resonance musíme tedy délku vodiče zkracovat. Zde zavádíme koeficient zkrácení. Ten udává, kolikrát je potřeba zkrátit fyzickou délku λ/2, aby bylo dosaženo resonanční délky elektrické λ/2. Činitel zkrácení v pásmech VKV a UKV určený pro TV, se pohybuje zhruba kolem hodnot 0,85-0,95 a klesá s rostoucím průměrem anténního vodiče. Současně s rostoucí tloušťkou zářiče klesá jeho vstupní impedance. Zde také zavádíme poměr l/d, to je poměr mezi délkou a průměrem zářiče. S klesajícím poměrem l/d se zlepšuje širokopásmovost zářiče. Rozložení proudu a napětí na půlvlném dipólu je znázorněno na obrázku 2.3. Používá se pro antény typu Yagi, TVa, TVb atd. [8] Obrázek 2.3: Ukázka půlvlnného dipólu a rozložení napětí a proudu [8] 18

Buzené patrové soustavy 2.1.2 Celovlnný dipól Celovlnný dipól zpravidla dosahuje vyšších hodnot zisku než půlvlnný, a to díky použití nízkých vyzařovacích úhlů. Mezi jeho charakteristické vlastnosti patří vysoká hodnota impedance, ta bývá i 1200 Ω. Rozložení proudu a napětí na celovlnném dipólu je znázorněno na obrázku 2.4. Využívá se u anténních soustav, více viz kapitola 2.1. [9] Obrázek 2.4: Jednoduchý celovlnný dipól [9] 2.2 Základní typy buzených anténních soustav Řádové soustavy Dipólové prvky se nachází na téže ose a jsou buzeny ve fázi. Vyzařování probíhá obdobně jako u jednoduchého půlvlnného dipólu, směrový diagram je užší a v kolmé rovině všesměrový. S přibývajícím počtem prvků roste směrovost a také anténní zisk. Pro dvouprvkovou soustavu je to např. 1,8 db, pro tříprvkovou 3,3 db, pro čtyřprvkovou 4,5 db atd. Soufázové napájení lze provést např. zařazením čtvrtvlnných úseků vedení mezi jednotlivé půlvlnné prvky zářiče. [8] Kolineární soustavy Tento typ antény je složen z dipólů umístěných nad sebou souose, v bodech styku dipólů je zajištěno otočení fáze vf proudu o 180, aby byl celek soufázový. Skládá se z několika půlvlnných úseků koaxiálního kabelu, které tvoří zářič antény, ten je nahoře zakončen čtvrtvlnným úsekem, na nějž navazuje drát čtvrtvnné délky. Dole je zářič zakončen také čtvrtvlnným úsekem, na nějž navazují radiály délky čtvrt vlny, sklopené o 45 dolů. Ty jsou vodivě spojené s opletením posledního koaxiálního úseku. Důležitým parametrem je v tomto případě činitel zkrácení (k). Při konstrukcí dbáme, aby nedošlo k propletení sousedních úseků. Na detailním obrázku 2.4 jsou vyobrazeny propojení jednotlivých sekcí a zakončení antény. [10] 19

Buzené patrové soustavy Obrázek 2.5: Ukázka rozložení prvků antény a detailní přechod mezi jednotlivými prvky [10] Bočné soustavy Bočné soustavy mají rozložení dipólových prvků seřazeno paralelně. Nejlepší vyzařování probíhá kolmo k rovině prvků. V případě horizontální polarizace jsou prvky nad sebou a získává se směrovost ve svislé rovině, v rovině horizontální je vyzařovací diagram totožný s diagramem dipólu. Obvyklá rozteč prvků v soustavě je půlvlnná, která usnadňuje řešení napájení. [8] Koncové soustavy U koncových soustav jsou prvky také rovnoběžné, ale liší se napájením s rozdílnou fází. Maximální vyzařování nastává v rovině prvků a kolmo k nim, takže soustava vyzařuje svou energii v obou rovinách. Mezi nejpoužívanější fázový rozdíl se řadí 180. Obvyklý zisk u dvouprvkové soustavy napájenou v protifázi při rozteči λ/4 se obvykle pohybuje okolo 3,8 db, při rozteči λ/8 4,3 db. Nevýhodu z hlediska napájení představuje malý vstupní odpor. Tento typ horizontálních buzených soustav pro KV (krátké vlny) je značně rozměrný a byl překonán otočnými směrovými anténami. Efektivně využít se dají např. pro vertikální verzi v nižších KV pásmech, kde lze vytvořit soustavy s přepínáním směrového diagramu pouhou změnou fázování v napájecím systému. [8] 2.3 Parametry širokopásmových antén typu TVa Maximální zisk u TVa antény by se mohl pohybovat zhruba okolo 13 db. Výrobci ovšem udávají okolo 10-13 db. Je to z celé řady důvodů Musíme brát v úvahu důsledky mnoha detailů, do kterých spadá např. délka zářičů, délka napáječe mezi zářiči, vzdálenost zářiče od reflektoru atd. Pro zlepšení širokopásmových vlastností antény se doporučuje použití celovlnných provedení motýlkových zářičů. Původním českým výrobcem TVa antén a polovičních TVb antén byla firma Kovopodnik Plzeň, která již ovšem zanikla. Tento typ antény se vyskytuje v mnoha variantách. [7] [10] 20

Buzené patrové soustavy Plzeňská varianta TVa Plzeňská varianta se odlišuje zejména v provedení reflektorové sítě, která je v tomto případě hustší (osová rozteč je 25 mm). Rozměry reflektoru jsou 600 mm do šířky a 1000 mm do výšky. Popřípadě ještě v menší variantě, a to v 800 mm do výšky. Zářiče jsou tvořeny hliníkovou kulatinou a průměru 4 mm a jsou ve tvaru ostrého písmene V. V některých případech se také vyskytuje upravená varianta, kde jsou dipóly doplněné (rozšířené) o čtyři direktorové řady o šesti prvcích. Avšak toto vylepšení není nutné, z hlediska přínosu se změní pouze zisk o zhruba 2 db, ale pouze v pásmu od 606-862 MHz (V. TV pásmo). [11] Obrázek 2.6: Tv anténa typu Plzeňské síto [11] Polská varianta Tva Další z variant antény je označována jako tzv. polská, ta se liší již ve zmiňované konstrukci reflektoru. Ten je v tomto případě řidší. Zářiče se vyrábí z lisovaného hliníku a mohou se nepatrně lišit tvarem. I přes zjevně řidší provedení reflektoru, může anténa dosahovat srovnatelného zisku s předchozí kvalitnější variantou. Dle našeho názoru je tato anténa značně podceňována. Nikde se totiž neuvádí jedna z hlavních předností tohoto modelu. Touto předností je výrazně delší životnost antény než u Plzeňské varianty. Prvky antény jsou chráněné plastem a v oblastech s agresivním vlivem prostředí, je tato položka nezanedbatelná. Plzeňské pozinkované modely jsou totiž náchylné na nepříznivé vlivy prostředí a podléhají korozi. Rezavá anténa je nepoužitelná (znehodnocená). 21

Buzené patrové soustavy Obrázek 2.7: Tv anténa typu Polské síto [11] 2.4 Výhody a nevýhody patrových soustav Výhody: Mezi výhody řadíme dobrý příjem ve všech používaných pásmech, cenová dostupnost a také kompaktní rozměry. Cena je nejlepší u antén typu polské síto, kde se cena bez předzesilovače pohybuje okolo 200-300 Kč, ovšem kvalita antény tomu také odpovídá. V České republice vyráběla soustavy firma Kovopodnik Plzeň, která se zabývala patrovými anténami Yagi. U antény se uvádí zisk okolo 13 db (bez předzesilovače) a úhel příjmu ve vertikální a horizontální rovině je poměrně široký a jeví se jako souměrný zhruba 40-50. [3] Nevýhody: Mezi první značnou nevýhodu můžeme považovat vyzáření poloviny výkonu dipólem. V nehomogenním poli dochází k problému, kdy slaběji ozářené dipóly vyzáří část energie přijaté silněji ozářenými dipóly. K dalším negativům patří úhel dopadu signálu. Když je jiný než kolmý směrem na patra soustavy, dochází k posunutí fáze jednotlivých signálů a přenos energie se sníží. Pokud se fázový posun mezi jednotlivými patry dostane do kritických hodnot λ/2, způsobí úplné vyrušení signálu. [3] Tohoto jevu lze také využít k potlačení rušení přicházejícího kolmo zezdola. Rušení dopadá na jednotlivá patra s fázovým posunem, čímž se vyruší. Vedení mezi patry 1, 2 a 3, 4, musí být vždy překřížené pro dosažení fázové shody. Spoje mezi 2, 3 patrem jsou tvořeny čtvrtvlnnými úseky, jako spoje k bodu připojení symetrického napáječe. Vzhledem k tomu, že u těchto antén je velmi důležité pečlivé sfázování a předzesilovač (většinou není odolný proti statické elektřině), jsou výsledky těchto antén často nedostačující. [3] 22

Hovermanova anténa 3 Hovermanova anténa Tato anténa představuje jednu z variant buzených patrových soustav. Tento starší typ směrové antény objevila malá skupina kanadských radioamatérů, která se jí začala v nedaleké minulosti hlouběji zabývat. Její využití se orientuje zejména k oblasti kmitočtů IV. - V. TV pásma. K základní stavební konstrukci patří dvě části. První část (aktivní prvek) se nazývá zigzag neboli česky řečeno klikatý pár. Druhá část je složená z několika vodorovných parazitních prvků (reflektorů). Hlavní předností této antény oproti klasickým celovlnným patrovým systémům propojených opakovači a transformačními úseky vedení je její mechanická (konstrukční) jednoduchost. V letech 2007 2016 díky dodatečnému detailnějšímu přezkoumání prošla anténa řadou inovací. [12][13] 3.1 Historie Hovermanova anténa byla navržena Doyt R. Hovermanem (1913-1989) v 50. letech 20. století, v časech bez existence jakýkoliv programů pro modelování. Patent pro tuto anténu byl Hovermanovi udělen v 60. letech 20. století. Jeho práce však byla založena na metodě pokusů a omylů a velkého množství výpočtů bez existence výpočetních (simulačních) programů a přístrojů. [12][13] Jeho originální návrh byl zpracován pro příjem televizního signálu. Tento návrh však nedokázal pokrýt celé UKV pásmo využívané pro televizní vysílání, nýbrž jen jeho část. Originální návrh se skládá z drátu, který je pozohýbaný a rozdělený do více úseků o délce 7 palců, což je zhruba 180 mm. Když se poohlédneme zpátky do minulosti, tak již v 60. letech 20. století UKV pásmo zabíralo 13-83 kanálů a pohybovalo se v kmitočtovém rozsahu 470-890 MHz. Avšak jeho prvotní anténní návrh dokázal pokrýt pouze 14. až 35. kanál v kmitočtovém rozsahu od 470-602 MHz, jinými slovy, tento návrh byl nedostačující. Dnes po značných vylepšeních a modifikacích anténa dokáže pokrýt téměř celé pásmo s ohledem na snížení horního mezního kmitočtu určeného pro TV (790 MHz) o kterém pan Hoverman nemohl v té době vědět. Na obrázku 3.1 můžete vidět modernější praktické provedení HA s celovlnnými reflektory. [12][13] Obrázek 3.1: Praktická ukázka antény typu Hoverman [12] 23

Hovermanova anténa V roce 2007 se anténní nadšenci podíleli na změnách vzhledu antény za pomocí simulačních programů NEC. Mezi hlavní úpravy antény patří změna délky řídících prvků antény, z důvodů zvýšení horní frekvence pokrytí televizního pásma UKV. Tyto změny zahrnovaly zmenšení konců aktivního prvku z původních 180 mm na 127 mm. Další pokrok byl zaznamenán v únoru roku 2009, kde kanadští radioamatéři ve spolupráci s panem Johnem E. Davisem popisují zásadní změny nutné pro vylepšení původní tvorby. Práce je zveřejněná na webových stránkách [13]. Tajemství těchto úprav spočívá ve využití šesti párů půlvlnných reflektorů s názvem GH6; další varianta je označována pod názvem GH10 a je vybavena deseti páry půlvlnných reflektorů. Výzkum zahrnuje i návrh čtyřpárových a osmipárových modelů. Jejich parametry (rozměry, tvar atd.) můžeme nalézt již na zmíněných webových stránkách, společně s porovnáním výsledků ve formě grafů a výpočtů. Příklady prvních dvou revizí, jsou znázorněny náčrtem níže (na obrázku č. 3.2) a lze k nim na stránkách dohledat příslušné NEC soubory, pro kontrolu parametrů a vlastností antény. Na obrázcích je využit zmenšený klikatý pár (zářič antény) a půlvlnné páry reflektorů. Popřípadě lze využít reflektorovou stěnu (podobně jako u antény síto) nebo galvanicky oddělenou vodivou plochu. [13] Obrázek 3.2: Varianty GH6 - GH10 [13] 3.2 Impedanční přizpůsobení Hovermanovy antény a symetrizace Při řešení problematiky HA se setkáme s problémy, mezi které patří např. její vstupní impedance, jež má značný vliv na impedanční přizpůsobení k napáječi. Z literatury můžeme vyčíst, že impedance typické TV antény je zhruba 300 Ω, proto se antény prodávají s tzv. symetrizačním členem, který nám zajistí přizpůsobení impedance antény na impedanci vedení. Impedance vedení je v tomto případě 75 Ω, což odpovídá standartnímu souosému koaxiálnímu vedení. Často se setkáváme s lákavým případem provedení, kdy se vedení napojí přímo k dipólu, jelikož samotný půlvlnný dipól má impedanci 75 Ω. V praxi se toto řešení neprovádí, protože dipól je elektricky symetrický, zatímco 24

Hovermanova anténa koaxiální kabel, který potřebujeme připojit z důvodů měření, je asymetrický. Z tohoto důvodu se tato problematika řeší za pomocí přizpůsobovacích obvodů. Symetrizace Zamyslíme-li se, je zřejmé, že přímé propojení antény s TV přijímačem není vhodné. Napáječ pro TV anténu je souměrná dvojlinka s charakteristickou impedancí Z 0 = 300 Ω a napáječ pro TV přijímač je koaxiální kabel s Z 0 = 75 Ω. Zde se setkáme s pojmy transformace impedance. Princip transformačního členu je jednoduše znázorněn na obr. č. 3.3 (a). V tomto případě na vedení nedochází k odrazům. [14] Obrázek 3.3: (a) přizpůsobené vedení a vedení sloužící k přenesení impedance (b). Když se podíváme na obrázek č. 3.3 (b), je zde využito přenosové vlastnosti vedení o délce λ/2, tudíž se impedance 75 Ω zrcadlí z bodu A do bodu B, a to znamená, že obvod je impedančně přizpůsobený. Ovšem tato funkce vedení se řadí mezi úzkopásmové a bude platit pouze v omezeném kmitočtovém rozsahu. V tomto případě, aby bylo přizpůsobení optimální, byla zvolena polovina hodnoty impedance antény, čili 150 Ω. Konstrukce transformačního členu je jednoduchá, můžeme využít koaxiální kabel s pevným dielektrikem. Jeho mechanickou délku určíme výpočtem. Pro takový výpočet je zapotřebí znát vzorec, činitele zkrácení. Činitel zkrácení zohledňuje rozdíl v rychlosti šíření elmag. vlnění ve vakuu a v dielektriku kabelu. Hodnoty činitele zkrácení se pohybují mezi 0,6 až 0,85. Tuto hodnotu je třeba zjistit z katalogových údajů výrobce kabelu. Pokud tato informace není k dispozici, vycházíme z těchto odhadů. Pro kabely s plným dielektrikem z polyethylenu 0,65 až 0,66 a pro pěnová dielektrika 0,8 až 0,81. Zjištění této hodnoty měřením pro libovolný druh vf vedení je jednoduché. Ze vzorce vyčteme, že délka symetrizační smyčky λ/2 bude tedy fyzicky kratší, než délka λ/2 ve vakuu. [14] Balun k = l mech l el 1 (3.1) Název balun je zkratka odvozená z angl. slov balance-unbalance a řadíme jej mezi další způsob symetrizace napájení symetrických antén k nesymetrickým napáječům. Mohou být realizovány jako běžné vinuté transformátory, kde je sekundární vinutí galvanicky odděleno od primárního. Pokud připojíme symetrickou anténu bezprostředně ke koaxiálnímu kabelu, rozdělí se tak vf proud z vnitřní strany stínění do jednoho ramene antény a na proud, který přechází na vnější povrch stínění kabelu. Stejně velký vf proud vnitřního vodiče přechází celý do druhého ramene antény. Na obou polovinách antény se tak vf proud rozloží nesymetricky společně se zářením vnějšího povrchu koaxiálního kabelu. 25

Hovermanova anténa Mezi důsledky patří např. deformace diagramu záření, rozložení zářivých proudů má charakter stojatých vln, což může ovlivnit impedanci antény a poté kontrolu PSV, která se např. jeví jako příznivější. [15] Baluny dělíme na úzkopásmové, což jsou z pravidla různé rezonanční obvody (čtvrtvlnné rukávové, půlvlnné smyčkové aj.) nebo širokopásmové impedanční transformátory. Proudové 1. nekompenzované - omezují povrchové proudy na koaxiálním napáječi, ale nezabezpečují širokopásmové symetrické napájení antény. Řadí se spíše k oddělovacím obvodům tzv. "tlumivky". 2. kompenzované - omezují povrchové proudy na koaxiálním napaječi a zároveň zaručují symetrické napájení antény. Napěťové Nejčastěji se používají pro transformaci impedance v určitém poměru. Omezení při tomto provedení jsou úzký rozsah impedancí a diskrétní škála impedančních poměrů. Mezi nejčastěji využívané poměry patří 1 : 1, 1 : 4. Velmi oblíbený je Guanellův transformátor 1 : 4, který taktéž provádí konverzi mezi symetrickým a asymetrickým napájením. [15] Praktické řešení Symetrizace a transformace impedance HA byla provedena za pomocí širokopásmového transformačního článku Teroz 978 s útlumem 0,5 db. Tento článek je z pravidla řešen dvoudutinovým feritem (nebo mosten) a je určen pro 21. - 69. kanál pásma UKV (Guanellův transformátor). Transformace impedance a symetrizace jsou navinuty na tomto dvoudírkovém izolantu jako čtvrtvlnné vedení. Výsledná impedance se transformuje v poměru 1 : 4, tzn. z původních 300 Ω (bod připojení k anténě) na potřebných 75 Ω koaxiálního vedení. Pro transformační poměr 1 : 4 jsou vinutí na vstupu zapojena paralelně a na výstupu do série. Obrázek 3.4: Symetrizační člen TEROZ 978 26

Hovermanova anténa 3.3 Výpočet rozměrů Hovermanovy antény Výpočet rozměrů, pro sestavení HA vychází z jejího kmitočtového využití. Tato anténa je obvykle navrhována jako pásmová (širokopásmová) anténa pro příjem TV. Jedno z řešení HA se pohybuje v rozmezí kmitočtů od 470-698 MHz, tak aby bylo zajištěno kmitočtové pokrytí IV. a V. TV pásma. Ovšem Pro zjištění přesnějšího kmitočtu je nutno spočítat střední kmitočet podle vzorce uvedeného níže. Střední kmitočet: Pro zjištění pracovního kmitočtu antény je nutné určit střední hodnotu (geometrický střed) těchto dvou zvolených kmitočtů f 1 = 470 MHz, f 2 = 698 MHz. Získáme ji výpočtem podle vzorce 3.2. f p = f 1 f 2 (3.2) f p = 470 698 = 573 MHz Výsledný střední kmitočet je tedy 573 MHz. V první řadě byla vypočtena vlnová délka pro kmitočet 573 MHz. Výpočet probíhal obdobným způsobem jako přepočet vlnových délek na dané frekvence dle vzorce (1.1). λ = 300 = 0,524 m = 524 mm 573 Výpočtem byla zjištěna vlnová délka antény λ = 524 mm pro zadaný kmitočet f = 573 MHz. Tato hodnota byla v průběhu práce pozměněna na 502 MHz (λ = 598 mm). Průměr prvků antény: d = 3 mm. Přepočet zářiče neboli cik cak páru na tyto rozměry, byl proveden z vylepšeného originálu. 1. a 4. patro odpovídá v součtu rozměru pro obě strany (celé patro) 1,018 λ a prostřední 2. a 3. patro jsou delší a to v součtu 1,188 λ. Všechny potřebné údaje a rozměry jsou znázorněny na obrázku 3.5 a v tabulce 3.1. Tabulka 3.1: Rozměry zářiče Hovermanovy antény Strana: A B C Úsek λ Úsek λ/2 Úsek λ/4 Délka vyjádřená [λ] 0,212 0,297 0,0763 1 0,5 0,25 Délka strany [mm] 127 177,8 40 59,8 29,9 14,95 27

Hovermanova anténa Obrázek 3.5: Technický náčrt Hovermanovy antény Reflektorová stěna HA byla navržena tak, aby pokryla celou aktivní plochu antény a zamezila ozáření ze zadního směru. U běžných patrových soufázově buzených antén typu TVa atd. je kritickým bodem rozteč reflektorových tyčí odsazených o 1/4 λ od zářiče, kdežto u reflektorové stěny by se měla pohybovat pod výškou < 1 λ. Z těchto poznatků se odvíjí dané rozměry. 10 Výška antény po přepočtu je 754 mm, z toho důvodu bude výška reflektorové stěny 800 mm. Maximální šířka na koncích zářiče je 545,4 mm, ale anténa musí fungovat jak na nejvyšším, tak na nejnižším kmitočtu. Z tohoto důvodu se musí podle vzorce 1.1 přepočíst hodnota pro kmitočet 470 MHz, z tohoto kmitočtu nám vyjde maximální šířka reflektorové stěny. Tím se zajistí důkladné zakrytí antény. λ = 300 = 0,638 m = 638 mm 470 Šířka reflektorové stěny antény při hodnotě 470 MHz je tedy 638 mm. Velikost ok, jak již bylo zmíněno je vztažená k velikosti 1 λ, ale pro nejvyšší kmitočet (698 MHz). Takže zase přepočítáme 10 podle vzorce 1.1. λ = 300 = 0,429 m = 429 mm 698 1 λ = 42,9 mm 10 28

Hovermanova anténa Doporučená vzdálenost aktivního prvku antény od reflektorové stěny se pohybuje v hodnotách 0,2-0,25 λ, proto byla zvolena kompromisní vzdálenost 120 mm. Při simulování reflektorové stěny byl použit rozměr rozteče (výška jednotlivých ok) = 35 mm. Takováto hodnota nám pro potřeby simulace stačí. 3.4 Simulace Hovermanovy antény v programu 4NEC2 Pro provedení simulací byl zvolen program 4NEC2. Ten patří mezi programy sloužící k modelování a optimalizování antén a anténních systémů. Tento systém navrhl Arie Voors, který je zaměstnán v ICT Solutions ve městě Enschede v Nizozemsku. Byl vytvořen z dřívější verze NEC systému 4 a vychází z linie NECů verze 2, jak již vypovídá z názvu. Na první pohled se zdá patrně složitější než programy MMANA, které vychází ze systému MININECů. Ale co se týče důmyslnosti v modelování anténních systémů má 4NEC2 navrch. Verze 2 je zpřístupněna jako volně šiřitelná, takže můžeme pracovat či manipulovat s jejími kódy. Program byl navržen jak pro pokročilé uživatele, tak pro začínající. Začátečníci jistě využijí 3D grafický editor, ve kterém by mohl tvořit i naprostý laik. Stačí pochopit práci s kartézskou soustavou souřadnic, na které je tento editor založen. Často lze využít předefinovaných ukázek, ovšem pro naši výrobu jsme předdefinovanou šablonu nevyužili. Program je kompatibilní s Windows verze 95 až po Windows verze 8, také je zde možnost pracovat v operačních systémech Linux. Program ovšem není v českém jazyce, ale jen a pouze v jazyce anglickém. Na internetu můžeme narazit na spoustu návodů (tutoriálů) nebo se se svými dotazy obrátit na zřízené fórum. Mezi první kroky simulace patřilo vypočtení délek antény ze zadaného kmitočtu 470-698 MHz a následné upravování tak, aby anténa vyhovovala daným požadavkům. Dále zvolení vhodné pozice pro umístění napáječe ve středu antény. Realizace byla provedena za pomoci geometry a NEC editoru. Další důležitý úsek simulace zahrnuje vytvoření reflektorové stěny. Problematiku reflektorových ploch řeší geometry builder, ve kterém stačí navolit rozměry a rozdělit je do určitých sekcí o požadované výšce a délce. V případě simulace stačí, aby tyto sekce výškově byly menší než 1 10 λ. U reálné antény bylo použito síto hustší, tak aby požadovaná reflexe byla maximální. V poslední fázi simulace bylo nutno nastavit frekvenční rozsah od 470-698 MHz. Pro anténu bylo nutné pozměnit přizpůsobovací kmitočet z 573 MHz na 502 MHz z důvodů týkajících se hodnot PSV; jak je možné vyčíst z grafů níže hodnota PSV je příliš vysoká. Po provedení simulace HA program vygeneroval grafy pro poměr stojatých vln PSV a činitel odrazu (obr. 3.7), zisk a činitel zpětného příjmu (obr. 3.8 a směrové charakteristiky 3.9 a 3.10). 29

Hovermanova anténa Obrázek 3.6: Model Hovermanovy antény s reflektorovou stěnou Obrázek 3.7: Grafy parametrů PSV a činitele odrazu v závislosti na frekvenci 30

Hovermanova anténa Z pohledu názornosti zobrazení je anténa simulací spočítaná až do kmitočtu 770 MHz. Anténa v těchto hodnotách vykazuje použitelných (příznivých) výsledků. Modrá křivka v grafech zobrazuje průběh parametru PSV, vygenerovaný pro kmitočty 470-770 MHz. Po levé straně je zobrazení, jež zdaleka neodpovídá daným požadavkům. Vpravo pak anténa po provedení impedančního přizpůsobení, kde PSV nepřesahuje hodnotu 2,3 : 1 v navrhovaných kmitočtech (470-698 MHz). Ovšem u obou případů anténa dosahuje lepších výsledků na kmitočtech vyšších např. při hodnotě 730 MHz (PSV 1,1 : 1). Výrobci TV antén do katalogů běžně uvádí hodnotu PSV < 3 : 1. Z tohoto důvodu je nutná změna kmitočtu tak, aby byly potlačeny nejvyšší hodnoty PSV, ty se jeví kritické hlavně na nižších kmitočtech zvoleného pásma antény (viz levý graf). Hodnota 10 : 1 je nepřijatelná, proto byl zvolen kompromisní přizpůsobovací kmitočet 502 MHz. Tímto posunutím přizpůsobovacího kmitočtu do nejkritičtějších míst, bylo docíleno požadované hodnoty PSV < 2,5 : 1 v celém zvoleném kmitočtovém pásmu. Graf napravo je výsledkem přizpůsobení přes RLC článek. Za tímto účelem byl využit článek π s automaticky vygenerovanými parametry reaktance a induktance. Pro příjímací anténu jsou tyto hodnoty PSV optimální, požadavky vysílací antény to ovšem nesplní. V tomto případě by bylo zapotřebí razantnějších změn, než je použití RLC článků. Červená křivka (obr. 3.7) ukazuje odraženou energii od antény, jež by měla nabývat co nejnižších hodnot. Čím více se odražená hodnota energie blíží k nule, tím více energie se od antény odrazí a projeví se to na poklesu vyzářené energie. V přizpůsobené části je hodnota perfektní -38 db a dále hodnota nabývá hodnot kolem -8 db, takže tyto odrazy jsou dostačující pro další měření. Obrázek 3.8: Graf závislosti zisku na frekvenci a činitel zpětného příjmu 31

Hovermanova anténa Z obrázku 3.8 lze vidět, že modrá křivka určená pro zisk nabývá nejvyšších hodnot až na konci zvoleného kmitočtového pásma (700 MHz). Simulované hodnoty jsou optimální zhruba až do frekvence 770 MHz, proto byla provedena další simulace s větším rozptylem frekvence. Anténa spolehlivě pokryje i vyšší kmitočty. Okolo hodnoty 770 MHz a výše, vzrůstá parametr PSV nad 2,5 : 1 (viz obrázek 3.7), dále anténa začíná poměrně strmě ztrácet hodnotu zisku. Obrázek 3.9: Směrová horizontální charakteristika Obrázek 3.10: Směrová vertikální charakteristika 32

Hovermanova anténa Směrová charakteristika definuje, zda je anténa směrová nebo všesměrová, jak již je psáno na začátku této práce v kapitole s č. 1. Podle těchto vyzařovacích charakteristik je potvrzeno, že HA je anténa směrová. Úhel příjmu (šířka hlavního laloku) ve vertikální rovině (elevace) odpovídá teoretickým hodnotám patrových soustav α e = 30, v rovině horizontální α h = 50. Maximální zisk odpovídá hodnotě 12,11 db a předozadní poměr 21,2 db. Simulace odpovídá požadavkům a je použita k praktické části bakalářské práce. Obrázek 3.11: 3D směrová charakteristika 3.5 Simulace čtyřpatrové soufázově buzené soustavy Tato simulace vznikla z důvodu porovnání výsledků HA s klasickým soufázovým čtyřpatrovým modelem. Rozměry v simulaci odpovídají prvotním vypočteným hodnotám, které jsou shodné s výpočty HA, aby byly výsledky těchto dvou porovnávaných antén co nejpřesnější. Velikosti jsou znázorněny v náčrtku na obrázku 3.12. Po pravé straně je znázorněn rozměr pomyslného rovnoramenného trojúhelníku, přes který byl finální výpočet proveden. Pracovní frekvence f p = 573 MHz. Na rozdíl od modelu Hoverman, který nesplňoval důležité parametry simulace pro kmitočet 573 MHz, u tohoto modelu zůstal kmitočet původní. 33

Hovermanova anténa Výpočet prvků této čtyřpatrové soufázově buzené anténní soustavy byl proveden za pomoci goniometrické funkce cosinus (viz vzorec 3.3). Úhly a výsledky výpočtů pro jednu půlvlnnou stranu jsou znázorněny v náčrtku 3.12. cos α = délka přilehlé odvěsny (v) délka přepony (c) (3.3) c = v cos 20 = 24,175 = 257,3 mm 0,9396 Obrázek 3.12: Náčrt a zásady propojení čtyřpatrového soufázového systému 34

Hovermanova anténa Tabulka 3.2: Rozměry čtyřpatrového soufázového systému Strana a = c v (λ/2) x Úsek λ Úsek λ/4 Délka strany [λ] 0,532 0,5 0,0827 1 0,25 Délka strany [mm] 257,3 241,8 40 483,5 120,9 Průměr použitých vodičů je d = 3 mm. Vzdálenost aktivního prvku antény a reflektorové stěny byla zvolena 120 mm. Výška antény se, ale od HA liší. Po přepočtení je výška sestavy 900 mm, proto byla reflektorová stěna navýšena z původních 800 mm na 1000 mm, aby důkladně pokryla celou plochu antény. Šířka reflektorové stěny zůstala stejná, rozměr se nemění, protože anténa pracuje na stejných kmitočtech. Čili šířka je 638 mm. Velikost ok neboli výška rozteče, odpovídá hodnotě 1/10 λ (vztažena k nejvyššímu kmitočtu 698 MHz, cca 43 mm). Zvolená hodnota odpovídá vzdálenosti 40 mm. Ve středu anténního systému jsou body k připojení přizpůsobeného vf vedení. Vstupní impedanci (Z) antény zjistíme až praktickým měřením. Obrázek 3.13: Model čtyřpatrové soufázově buzené anténní soustavy Simulace probíhala obdobným způsobem jako u antény Hoverman. V grafech níže jsou znázorněny a okomentovány nejdůležitější poznatky a rozdíly těchto dvou konstrukcí. 35

Hovermanova anténa Obrázek 3.14: Grafy parametrů PSV a činitele odrazu v závislosti na frekvenci Z grafů na obrázku 3.14 lze vyčíst, že parametr PSV nabývá vyšších (horších) hodnot než u HA, kde jsou celkové výsledky příznivější a PSV je v celém zvoleném kmitočtovém pásmu podstatně nižší. Anténa po přizpůsobení splňuje požadavky v zadaném kmitočtovém pásmu a jeho hodnota nepřesahuje PSV 2,9 : 1. Na vyšších kmitočtech křivka PSV vykazuje pokles pod hodnotu < 2,5 : 1, avšak zisk klesá na minimální hodnotu 10,7 dbi (viz obr. 3.15). Tato hodnota už se řadí mimo šířku zvoleného kmitočtového pásma, ta končí v hodnotě, kde maximální hodnota amplitudy klesá o 3 db (viz kap. 1.2). Zisk nad 10 dbi je, ale považován za uspokojivý. Vlivem nepříznivého PSV může při vysílání docházet k odrazům vf energie. To znamená, že část vf energie se při výstupu z napájecího vedení do antény odrazí a putuje zpět a mění se v neužitečné teplo. Také na vedení může dojít k vzniku stojaté vlny, která by mohla v extrémních případech poškodit vysílač. Činitel odrazu (červená křivka) se pohybuje v rozmezí od -8 db do -38 db, což jsou srovnatelné výsledky s prvním simulovaným modelem. 36

Hovermanova anténa Obrázek 3.15: Graf závislosti zisku na frekvenci a činitel zpětného příjmu Obě simulované antény dosahují téměř stejných hodnot maximálního zisku a činitele zpětného příjmu. Maximální zisk je u klasického čtyřpatrového modelu nižší řádově jen o desetiny. Avšak výsledky z velkého počtu testů ukazují, že klasický čtyřpatrový soufázový systém dosahuje většího rozpětí kmitočtů, čili jeví se jako širokopásmovější. HA daných rozměrů dosahuje přijatelného zisku (10 dbi) maximálně do kmitočtu 790 MHz. Druhý klasický model vykazuje přijatelný zisk až do hodnoty 970 MHz. 37

Hovermanova anténa Obrázek 3.16: Směrová horizontální charakteristika Obrázek 3.17: Směrová vertikální charakteristika 38

Hovermanova anténa Úhel příjmu (šířka hlavního laloku) ve vertikální rovině (elevace) je α e = 30, v rovině horizontální α h = 40. Maximální zisk u horizontální charakteristiky dosahuje hodnoty 14,21 db a předozadní poměr 26,5 db. V charakteristice vertikální je max. zisk 14,17 db a předozadní poměr rovněž 26,5 db. Simulace odpovídá požadavkům a je použita k srovnání s praktickou částí HA. Obrázek 3.18: 3D směrová charakteristika Závěr: Obě navrhované antény byly mnohokrát otestovány a "vypilovány" v simulaci tak, aby jejich výsledky byly co nejpříznivější. Také bylo nutno dbát na věrohodnost těchto srovnání, jíž bylo docíleno stejnými konstrukčními rozměry a vstupními parametry. Např. antény musely být navrhnuty na stejné rozmezí kmitočtů apod. Z daných simulací si můžeme vyvodit, že srovnané antény dosahují podobných výsledků. Bez ohledu na náročnost konstrukce, jež je v případě čtyřpatrového soufázového systému složitější. Z vyzařovacích diagramů (charakteristik) je patrné, že HA vyzařuje energii pod většími úhly než klasický soufázový systém. Rozdíly se pohybují okolo 10. Taktéž se nepatrně liší zisk a předozadní poměr, kde naopak vítězí čtyřpatrová soustava. Zisk je větší o 2 db a předozadní poměr o 5,3 db, z toho vyplývá vyšší odolnost vůči nežádoucímu záření ze zadní strany antény. Pro přehlednost jsou všechny podstatné grafy součástí přílohy. 39

Praktická realizace Hovermanovy antény 4 Praktická realizace Hovermanovy antény Poslední kapitola naší bakalářské práce se zaobírá praktickou realizací (stavbou a měřením) HA. Při realizaci bylo dbáno na životnost zhotoveného modelu, zároveň také na váhu a pevnost. Anténa byla zkonstruována s velkou odolností proti poškození, takže ve výsledku je přizpůsobena k laboratorním podmínkám, manipulaci a danému měření. Vhodný materiál pro výrobu konstrukce antény je hliník, který je lehký, odolný a dostatečně pevný. Pro celou anténní konstrukci (ráhno, rám síta), byl použit, právě hliníkový šestihranný jekl a jako podpůrné tyče čtyřhranná čtvercová hliníková tyč. Pro zlepšení pevnosti rámu byla použita železná kulatina (prostřední podpůrná tyč), jež drží celý rám a síto pevně napnuté. Tyto tyče byly vyřezány a upraveny pro dané rozměry z pohozených materiálů (odpadu). Anténní síto (reflektorová stěna) bylo zhotoveno z pozinkovaného železa, ze staré nepoužívané klece pro papoušky. Použitý materiál k výrobě: o Reflektor "pletivo" o rozměrech 900 mm výška, 700 mm šířka. o Měděný drát (kulatina) o průřezu 6 mm (průměr 2,75 mm). o Polyamidová tyč (silon) o průměru 20 mm a délce 1000 mm. o Plastové víko ze sudu nařezané na malé podložky, využité pro galvanické oddělení dipólu od ráhna. o Montážní krabička určená pro zásuvky - jako anténní krabička. o Symetrizační člen Teroz T978, materiál jádra: mosten - útlum max. 0,5 db (z tohoto pohledu lepší než ferit) pro kanály UKV č. 21. až 69. o Podložky, matice, šrouby, hřeby různých velikostí. o Pozinkovaný plech nařezaný na rozměr 50x50 mm (zbroušen) pro podstavce na polyamidové tyče (spojení síto a měděný dipól). o 2ks šestihranný jekl (dutý) pro rám reflektorové stěny o rozměrech 650 mm délky a 30 mm průměr. o 2ks čtyřhranná hliníková tyč (dutá) o délce 830 mm délka strany 20 mm. o šestihranný jekl využit pro konstrukci ráhna o délce 660 mm, průměr 30 mm; jekl využit pro nosnou tyč (stožár) o libovolné délce s průměrem 30 mm. o Koaxiální kabel RG-6 U, impedance 75 Ω, průměr 6,8 mm, délka 6000 mm. o Konektor typu F 6,5 mm - šroubovací. o Cín, kalafuna, pájecí očka. 40

Praktická realizace Hovermanovy antény Obrázek 4.1: Část vybraného materiálu ke konstrukci HA Obrázek 4.2: Detail konstrukce dipólu (zářiče) antény Zig zak pár, neboli zářič (aktivní prvek) antény byl zhotoven, jak je vidět na obrázku 4.2, z měděného drátu, následně byl vytvarován do pravých úhlů o potřebné délce (viz rozměry podle obr. 3.4 a tab. 3.1) za pomocí náčrtku a natlučených hřebů do dřevěné desky. 41

Praktická realizace Hovermanovy antény Obrázek 4.3: Vyřezávaný šestihranný jekl Tento materiál, jenž byl vyřezán z vyhozené konstrukce altánku, plní funkci ráhna a nosných prvků celé antény. Vyřezávání potřebných délek proběhlo za pomoci úhlové brusky. Z víka sudu, vznikly vyřezáním pásky obdélníkových tvarů o délce cca 70 mm a výšce 40 mm. V těchto destičkách byly navrtány díry, jež slouží k přimontování šroubů, na které je uchycen zářič antény. Tato vzdálenost odpovídá simulaci, tzn. cca 40 mm. Pro uchycení ráhna a plastových destiček bylo nutné dodržet vzájemnou vzdálenost daných celovlnných pater dipólu. Výška celého zářiče odpovídá vzdálenosti 754 mm, takže jednotlivá patra zářiče jsou od sebe vzdálená zhruba 251 mm. Tyto nepatrné odchylky nejsou z hlediska funkce antény, žádným problémem. Prioritou, hlavní funkcí této antény, je totiž její širokopásmovost. Obrázek 4.4: Naskládané prvky antény připravené ke spojení Obrázek 4.5: Uchycení mezi ráhnem a nosnou konstrukcí (stožárem) 42

Praktická realizace Hovermanovy antény Obrázek 4.6: Reflektorová stěna Po přichycení reflektorové stěny k rámu a přidání úchytů k ráhnu byla z reflektorové stěny vystřihnuta část na provlečení úchytů k nosné konstrukci (stožáru). Toto uchycení je nastaveno za pomocí šroubu a železné tyče (podložka), která byla vyřezána stejně jako nosná tyč ve středu stěny. Dané spojení musí splňovat teoretický požadavek vzdálenosti zářiče od reflektorové stěny, který se pohybuje mezi délkou 0,2-0,25 λ. Vzdálenost odpovídá rozteči 125 mm, což po přepočtení vzorce 1.1 pro 502 MHz odpovídá teoretickým normám. Z hlediska pevnostního jsou mezi zářičem a reflektorovou stěnou nainstalovány distanční sloupky z alkamidu, které dodávají anténě potřebnou pevnost a slouží k ochraně ohnutí, poškození nepřiměřenou manipulací atd. Tyto sloupky jsou konstruovány na vzdálenost 125 mm. Obrázek 4.7: Vyhotovený model Hovermanovy Antény 43

Praktická realizace Hovermanovy antény Po sestavení konstrukce byla na ráhno antény přivrtána bílá montážní krabička (na zásuvky). Ta je přichycena k ráhnu na jednom šroubu. V krabičce je umístěn transformační článek Teroz, který transformuje impedanci v poměru 4 : 1 a zároveň plní funkci symetrizace. Jak již je psáno v teorii týkající se symetrizačních členů, mění (přizpůsobuje) symetrický výstup ze zářiče antény (celovlnný dipól) na nesymetrický vstup koaxiálního kabelu (vedení). Koaxiální kabel uzpůsobený k měření funkčnosti antény by měl mít délku zhruba 2,5 λ elektrických, to znamená, že reálná délka se musí vynásobit činitelem zkrácení, který je v tomto případě 0,85 (pro typ RG-6U), avšak vzdálenost zde není úplně přesná, protože se kabel ještě přizpůsoboval zapojení F konektorů atd. Z hlediska funkčnosti to opět nemá vliv, protože anténa není konstruovaná na jeden jediný kmitočet, ale je širokopásmová. Na obrázku 4.8 je znázorněn symetrizační člen uchycený na pájecích očkách a podložkami spojen s výstupy (vývody) ze středu zářiče. Reflektorová stěna je také konstruována s rozměrovou odchylkou, z teorie a ze simulací odvozené hodnoty jsou mířené spíše na kritické hodnoty, tím je dána rozteč (členitost síta), ta musí splňovat maximální vzdálenost 1/10 λ, což je v daném případě 429 mm, ale z hlediska odražené energie (reflexe) je nutné dbát na fakt, že čím členitější plocha (čím menší rozteč reflektorových pater), tím je výsledná reflexe energie účinnější. To, jak je ve výsledku síto vysoké, nehraje z pohledu funkčnosti roli v prakticky vyhotovené podobě je reflektor vysoký 880 mm a široký 680 mm. Z pohledu šířky, začíná dané televizní kmitočtové pásmo na 470 MHz, tzn. po přepočtu by šířka měla být minimálně 638 mm. Vyhotovená reflektorová stěna je širší. Z hlediska reflexe energie pokrývá i nižší kmitočty než je daný spodní mezní kmitočet antény např. začíná od hodnoty 450 MHz. Ve finále byla anténa stolní bruskou a ruční úhlovou bruskou za pomocí zahlazovacího kotouče, zbavená ostrých hran způsobených řezáním. Další obrázky a fotky z výroby se nacházejí v příloze. Obrázek 4.8: Detail krabičky se symetrizačním členem 4.1 Ověření správnosti návrhu a reálného vyhotovení antény měřením V této fázi byla zkontrolována správnost návrhu a konstruované antény. Měření probíhalo za pomoci vektorového obvodového analyzátoru značky Rohde Schwarz ZVB4. Měřicí přístroj je určen pro kmitočtový rozsah 300 khz až 4 GHz. Analyzátor se používá např. pro určení S-parametrů tj. přenosové koeficienty odrazu a grafické vyobrazení měřených anténních parametrů. V případě HA bylo měření omezeno striktně na měření S 11 (vstupní koeficient odrazu při výstupu zakončeném přizpůsobenou zátěží (Z L = Z 0 ), měření PSV a následně byl změřen zisk antény. 44

Praktická realizace Hovermanovy antény 4.2 Měření zisku antény substituční metodou Pro substituční metodu měření platí zákon reciprocity (anténa přijímací/vysílací). Měřená anténa se umístí do měřicího prostoru a je vystavena dopadu rovinné elektromagnetické vlny. Polarizace vlny musí odpovídat polarizaci měřené antény i antény referenční. Výstupní výkon antény, dopravený do zátěže, se srovnává s výkonem tzv. substituční referenční antény. Referenční anténa se vždy umístí do stejné polohy jako anténa měřená. Při měření je nutno znát zisk referenční antény, směrovost a polarizaci. Doporučuje se, aby se antény nelišily typově. Pokud je to možné, je třeba, aby fázové středy obou antén (měřené i referenční) byly při substituci ve stejné poloze. Z hlediska útlumu je kladen důraz na použití stejného spojovacího vedení pro referenční anténu a anténu měřenou. Vedení by mělo být pro účely měření krátké. Příklad zapojení měřicích přístrojů a antén je na obr. 4.9. Na generátoru vf. signálu nastavíme stejnou výkonovou úroveň signálu. Anténu (G a ) a jednak referenční anténu (G r ) připojíme na digitální analyzátor prostřednictvím, kterého naměříme dvě výsledné hodnoty, výkonovou úroveň dipólu a měřené antény v jednotkách dbm, jenž v tomto případě odpovídají jednotkám dbd. Výsledný zisk měřené antény je dán vztahem: [17] G = G r G a [dbd, dbi] (4.1) Obrázek 4.9: Schéma zapojení pro měření zisku antény (substituční met.) 4.3 Zhodnocení naměřených výsledků a srovnání se simulací Zisk antény v praxi byl měřen za pomoci generátoru vf. signálu značky Rohde & Schwarz SMB100A a digitálního vektorového analyzátoru Sefram 7825. Měření se vztahuje k referenčnímu půlvlnnému dipólu, který je konstruován pro kmitočtovou oblast kanálu č. 54 (738 MHz). Z důvodů obsazení a vysokého rušení (TV) signálu okolím na tomto kanálu, byl zvolen kompromisní volný kanál č. 55 (746 MHz). Měřicí přístroj Sefram ukazoval výkonovou úroveň oproti HA -25 dbm a oproti dipólu -40 dbm, jež byl ve stejné vzdálenosti se stejným příkonem a na stejné frekvenci. Zisk antény porovnávaný k referenčnímu dipólu se obvykle udává v jednotkách dbd, takže po vypočtení (vzorec 4.4) je výsledný zisk roven 15 dbd (k ref. dipólu) a 17,15 dbi (k izotropnímu zářiči). Prodejci/výrobci antén obvykle uvádí hodnotu zisku v dbi, protože je zdánlivě vyšší popř. uvedou nesmysl a to je nic neříkající jednotka db. Měření parametrů přizpůsobení proběhlo za pomoci, již zmíněných použitých přístrojů pro měření v kap. 4.1. Výsledky těchto měření jsou vyobrazeny níže prostřednictvím grafu PSV (obr. 4.10) a grafu S 11 (obr. 4.11) součástí dílčích grafů je komentář určený k porovnání rozdílů mezi naměřenými a simulovanými hodnotami HA. 45

Praktická realizace Hovermanovy antény PSV [-] Parametr PSV při Z0 = 75 Ω 4,8 4,6 4,4 4,2 4,0 3,8 3,6 3,4 3,2 3,0 2,8 2,6 2,4 2,2 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 450 470 490 510 530 550 570 590 610 630 650 670 690 710 730 750 770 790 f [MHz] PSV 75 ohm Obrázek 4.10: Graf parametru PSV v závislosti na kmitočtu Z grafu PSV lze vyvodit, že výsledky měření jsou daleko příznivější než výsledky simulace v celém zvoleném kmitočtovém pásmu. Parametr PSV splňuje v rozmezí kmitočtů 460-745 MHz hraniční hodnotu komerčních antén, jenž se uvádí jako PSV 3 : 1, v některých bodech grafu se dokonce blíží k poměru 1 : 1. Detailní graf PSV HA je součástí přílohy. S11 [db] Parametr S11 75 Ω f [MHz] 450 470 490 510 530 550 570 590 610 630 650 670 690 710 730 750 770 790 0-5 - 10-15 - 20-25 - 30-35 - 40-45 - 50-55 S11_[dB] pro 75 ohm - 60 Obrázek 4.11: Graf vstupního koeficientu odrazu při výstupu zakončeném zátěží (Z L = Z 0 ) Měření odražené energie od antény je opět velmi uspokojivé, hodnoty se také jeví jako příznivější, odrazy vykazují výborné výsledky zejména v oblasti nižších kmitočtů. Simulace vykazovala nejvyšší hodnotu odrazu pouze v přizpůsobené oblasti (502 MHz) a to -38 db. U reálně naměřeného modelu jsou hodnoty vyšší v oblastech 470-735 MHz, zejména na kmitočtech, kde parametr PSV vykazuje nejpříznivějších hodnot. Detailní graf parametru S 11 je součástí přílohy. 46

Závěr Závěr Hlavním cílem této bakalářské práce byl stručný úvod do anténní problematiky, teoretický popis a porovnání českého modelu s americkým modelem buzené patrové anténní soustavy, následně proběhlo porovnání v rámci vytvoření funkčních simulací těchto dvou antén. Dalším krok zahrnoval teoretický návrh a výrobu reálného modelu HA, který byl realizován pro kmitočty 470-698 MHz. Součástí praktické realizace práce bylo proměření funkčnosti a účinnosti antény. Práce je rozdělena do několika dílčích kapitol. Úvodní kapitola seznamuje čtenáře se základní anténní problematiku, jenž je pro objasnění, popsána několika stranami. Nachází se zde nejdůležitější základní pojmy, vlastnosti a parametry, u kterých jsou uvedeny vzorce, spolu s teoretické poznatky týkající se dané problematiky. Dále práce obsahuje rozbor soufázově buzených patrových anténních soustav. Tyto antény jsou směrové a vyznačují se vysokou širokopásmovostí. Širokopásmovost je vůbec jejich nejdůležitější základní vlastností, tzn. antény jsou navrhovány a konstruovány např. pro příjem 3. až 5. TV pásma. Nejprve jsou rozebrány základní vlastnosti a odlišnosti oproti anténním soustavám typu Yagi, jak z pohledu provedení konstrukce (půlvlnný vs. celovlnný dipól atd.), tak z pohledu výhod a nevýhod těchto systémů. Jsou zde rozebrány typy (druhy) patrových soustav, jenž se liší svým stylem provedení. Součástí kapitoly je praktický příklad dvou typů těchto antén (TVa) tzv. Polské síto a česká verze v podání Plzeňského síta. Jedna ze stěžejních částí bakalářské práce obsahuje představení zapomenutého modelu s názvem Hovermanova anténa (uvádíme ve zkratce i historii HA). Mezi hlavní přednosti této antény patří především nenáročná konstrukce. Celovlnná patra v případě HA jsou celistvá. Oproti provedení zářičů v případě TVa antény, jež se skládá z překřížených půlvlnných a středových čtvrtvlnných transformačních pater z důvodů připojení k napáječi. Tento problém je rozebrán v podkapitole (3.2), jež se týká symetrizačních členů, které řeší připojení nesymetrického souosého koaxiálního vedení k symetrickému vstupu antény. Symetrizační člen plní také funkci transformace impedance v daném poměru. V praxi byl ve středu antény připájen transformační člen Teroz 978. Simulační část obsahuje porovnání klasických českých modelů buzených patrových soustav (TVa) a modelu zahraničního (Hoverman). Komentáře k simulacím se nachází pod grafy s výsledky. Po řadě testů jsou hodnoty výstupů porovnaných antén téměř totožné. Po ověření správnosti simulací následovalo vyhotovení reálného modelu HA. Hovermanovu anténu lze zkonstruovat velmi jednoduchým způsobem, je ovšem nutno posoudit, pro jaký účel je anténa navrhována. V této praktické realizaci HA byl kladen důraz na odolnost a životnost. Celá konstrukce je vyrobena převážně z hliníku. Zářič společně s krabičkou, tedy i s připojeným koaxiálním kabelem antény byl galvanicky oddělen od elektricky vodivé konstrukce antény. HA je konstruována pro laboratorní účely (interiér), půda atd. Také z důvodu instalace krabičky a použití transformačního článku impedance Teroz se nedoporučuje venkovní využití. V případě venkovního umístění, musí být stožár uzemněn popř. spojen s hromosvodem, v případě zasažení bleskem, by bylo vhodné využít třeba jiskřiště, aby nedošlo k poškození spotřebičů. Výsledný výrobek byl zpevněn alkamidovými tyčemi (distanční sloupky), které jsou přivrtány na dva malé plechové čtverečky a připevněny k sítu antény. Rozměry a detaily návrhu lze vyhledat v kapitole č. 4. Celková váha antény je zhruba 3 kg a výsledný model je vystaven v příloze. 47

Závěr Ověření správnosti návrhu proběhlo nejprve ve formě pokusu, kdy byla anténa připojena k domácí TV (se zabudovaným DVB-T tunerem). Ladění televizních stanic proběhlo bez problémů. Kvalita obrazu a výčet naladěných programů značně převyšovaly možnosti antény používané v naší domácnosti (Polské síto). Poté se ověřování přesunulo do laboratoří VŠB, kde se za pomoci měřících vektorových analyzátorů značky Rohde Schwarz ZVB4, generátoru vf. signálu značky Rohde & Schwarz SMB100A a digitálního analyzátoru Sefram 7825 nejprve měřil parametr S 11 (Vstupní koeficient odrazu při výstupu zakončeném zátěží Z l = Z 0 ), PSV. Zisk antény se měřil vůči referenčnímu půlvlnnému dipólu. Z měření zisku je patrné, že zisk antény roste se zvyšujícím se kmitočtem. Výsledky měření dopadly velmi uspokojivě. Když se poohlédneme k simulacím v programu 4NEC2 a k reálnému měření, tak lze vidět krásný příznivý rozdíl (viz obr. 3.7 a obr. 4.10 a 4.11). Výsledný výrobek, ač svým vizuálním vzhledem napodobuje starší mašinku, nás svými výsledky velmi uspokojil. Závěrem můžeme konstatovat, že zhotovený model antény je plně schopen provozu pro příjem TV pásma (kanálů 21. - 60.) v kmitočtovém rozsahu 470-786 MHz. Oproti TVa anténě ale nedoporučujeme anténu využívat na vyšším než zde zmíněném kmitočtu (viz graf měření PSV). Anténa na vyšších kmitočtech vykazuje nepříznivé výsledky parametrů přizpůsobení (PSV, S 11 ). 48

Použitá literatura Použitá literatura [1] RAMBOUSEK, Antonín. Amatérská technika velmi krátkých vln. 1. vyd. Praha: Naše vojsko, 1961, 317 s. Knižnice Svazarmu (Naše vojsko). [online]. [cit. 2015-11- 22]. Dostupné na: http://www.ok2kkw.com/next/05_tech.pdf [2] Dvorský, Marek. Základy bezdrátových komunikací pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO, 2014, [cit. 2015-11-29]. [3] ČESKÝ, Tomáš. Antény pro příjem televize. 1. vyd. Praha: Státní nakladatelství technické literatury, 1985, 236 s. [cit. 2015-11-21]. [4] Pilný Roman, Teorie Zisk a směrová charakteristika [online]. [cit. 2015-11-29]. Dostupné na: http://www.rc-eagleeye.cz/rc-eagleeye/0/0/2/93 [5] Anonym. Anthenna theory, S-parameters, c2008-2015, [online]. [cit. 2016-04-07]. Dostupné na: http://www.antenna-theory.com/definitions/sparameters.php [6] PROCHÁZKA, Miroslav. Antény: encyklopedická příručka. 3., rozš. Vyd. Praha: BEN technická literatura, 2005, 383 s. ISBN 80-7300-166-7. [cit. 2015-11-16]. [7] Slezák, Pavel. Buzené patrové soustavy [online]. C2002, [cit. 2015-11-17]. Dostupné na: http://elmag.sps.sweb.cz/2.htm#2.4.5 [8] Jordan, Karel. Přednášky z amatérské radiotechniky antény. [online]. [cit. 2015-12-03]. Dostupné v pdf na: http://om6bb.bab.sk/files/ham%20kniznica/prednasky/gumickova/gumickova%202-4.pdf [9] Junášek, Vladimír. Výukový materiál SPŠ Hradec Králové, Elektronika pro 3. ročník Antény. [online]. [cit. 2015-12-06]. Dostupné na: http://moodle.hradebni.cz/course/view.php?id=120 [10] Javůrek, František. RADIOWORLD - OK2FJ, Kolineární anténa. [online]. [cit. 2015-12-03]. Dostupné na: http://www.radio-foto.eu/radio/kolinear.php [11] Anonym. Článek Sítové antény. [online]. [cit. 2015-11-17]. Dostupné na: http://www.digizone.cz/specialy/anteny/sitove-anteny/ [12] Anonym. Gray Hoverman antenna reception. [online]. c2008, [cit. 2015-11-15 ]. Dostupné na: http://www.digitalhome.ca/ota/superantenna/ [13] Davis, John E. Hoverman antenna. [online]. c2014, [cit. 2015-11-18]. Dostupné na: http://www.jedsoft.org/fun/antennas/dtv/gh.html [14] Horevaj, Michal. Symetrizace. [online]. [cit. 2016-02-07]. Dostupné v pdf na: http://horevaj.com/horevaj/k1_files/k1_24.pdf [15] Macoun, Jindra. Praktická elektronika A Radio (Český radioklub) - Baluny na KV pásma OK1VR díly 1-2. [online]. c2009, [cit. 2016-2-10]. Dostupné v pdf na: http://www.crk.cz/files/vr- ANT/18.%20Baluny%20na%20KV%20(1).pdf [16] Huggins, John. Hoverman antenna build. c2014, [online]. [cit. 2016-2-28]. Dostupné na: http://www.hamradio.me/antennas/superbowl-dtv-antenna.html

Použitá literatura [17] Procházka, Miroslav. Časopis Praktická elektronika Amatérské rádio. [online]. [cit. 2016-04- 07]. Dostupné na: http://om6bb.bab.sk/files/ham%20kniznica/magaziny/amaterske%20radio %20pro%20Konstruktery/1999-02a.pdf

Příloha Seznam příloh: Příloha A: Vyhotovení HA... I Příloha B: Technický náčrt HA... II Příloha C: Fotografie pracoviště, symetrizační člen, reflektor... III Příloha D: Simulace - Grafy PSV a koeficient odrazu HA před a po přizpůsobení RLC článkem.. IV Příloha E: Kontrolní měření HA - Graf parametru PSV... V Příloha F: Kontrolní měření HA - Graf parametru S11... VI Příloha G: Simulace - graf zisku a předozadní poměr (HA)... VII Příloha H: Směrová horizontální charakteristika (HA)... VIII Příloha I: Směrová vertikální charakteristika - elevace (HA)... IX Příloha J: Simulace - Grafy PSV a koeficient odrazu čtyřpatrového soufázového systému před a po přizpůsobení RLC článkem... X Příloha K: Simulace - Grafy zisku a předozadního poměru čtyřpatrového soufázového systému... XI Příloha L: Směrová horizontální charakteristika (čtyřpatrová soustava)... XII Příloha M: Směrová vertikální charakteristika (čtyřpatrová soustava)... XIII Součástí bakalářské práce je CD/DVD. Obsah přiloženého CD/DVD: 1. "CD-ROM":\Priloha_1\graf_psv_s11.zip 2. "CD-ROM":\Priloha_2\Fotodokumentace.zip 3. "CD-ROM":\Priloha_3\Simulace_4NEC2.zip 4. "CD-ROM":\Priloha_4\CHM0038_FEI_B2647_2612R059_2016.pdf

Příloha Příloha A: Vyhotovení HA I

Příloha Příloha B: Technický náčrt HA II

Příloha Příloha C: Fotografie pracoviště, symetrizační člen, reflektor III

Příloha Příloha D: Simulace - Grafy PSV a koeficient odrazu HA před a po přizpůsobení RLC článkem IV

Příloha Příloha E: Kontrolní měření HA - Graf parametru PSV PSV [-] Graf parametru PSV při Z0 = 75 Ω 4,8 4,6 4,4 4,2 4,0 3,8 3,6 3,4 3,2 3,0 2,8 2,6 2,4 2,2 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 450 465 480 495 510 525 540 555 570 585 600 615 630 645 660 675 690 705 720 735 750 765 780 795 f [MHz] PSV 75 ohm V

Příloha Příloha F: Kontrolní měření HA - Graf parametru S 11 S11 75 Ω S11 [db] 450 465 480 495 510 525 540 555 570 585 600 615 630 645 660 675 690 705 720 735 750 765 780 795 0 f [MHz] - 5-10 - 15-20 - 25-30 - 35-40 - 45-50 - 55-60 S11_[dB] pro 75 ohm VI

Příloha Příloha G: Simulace - graf zisku a předozadní poměr (HA) VII

Příloha Příloha H: Směrová horizontální charakteristika (HA) VIII

Příloha Příloha I: Směrová vertikální charakteristika - elevace (HA) IX

Příloha Příloha J: Simulace - Grafy PSV a koeficient odrazu čtyřpatrového soufázového systému před a po přizpůsobení RLC článkem X

Příloha Příloha K: Simulace - Grafy zisku a předozadního poměru čtyřpatrového soufázového systému XI

Příloha Příloha L: Směrová horizontální charakteristika (čtyřpatrová soustava) XII

Příloha Příloha M: Směrová vertikální charakteristika (čtyřpatrová soustava) XIII