DIPLEXER FOR CONTEMPORARY OPERATION OF TWO MEDIUM-WAVE TRANSMITTERS INTO THE SHARED ANTENNAE Marek DVORSKÝ, Master Degree Programme (5) VŠB TU Ostrava E-mail: cbzkrat@centrum.cz Supervised by: Ing. Zdeněk Tesař ABSTRACT Work is intent on a calculation and optimalisation an aerial filter, which charge a function of a bazooka and a coupler of two medium-wave digital transmitters working into the shared antennae. The aim is to find an optimal configuration filter, so as to satisfy set of criterions, which are necessary for its correct function. 1 ÚVOD Vývoj sdělovacích prostředků a technologie zařízení pro vysílání rozhlasu se stále ubírá k vyšším kmitočtům. Zatímco po desítky let byla doménou rozhlasu pásma dlouhých, středních a krátkých vln, přesunulo se v poslední době těžiště do pásma VKV a zavádí se digitální vysílání systémem T-DAB (Terrestrial Digital Audio Broadcasting) v pásmu 1,5 GHz. Pozemní rádiové vysílače s amplitudovou modulací, pracující v oblasti dlouhých a středních vln, jsou postupně vypínány a vysílací střediska rušeny. Přitom vysílání na středních a především na dlouhých vlnách má své nesporné klady. Proto se uvažuje o spuštění digitálního rozhlasového vysílání na těchto, dnes již utichajících, pásmech. Digitální technologie, které pracují v pásmech středních a dlouhých vln se nazývají DRM (Digital Radio Mondiale). Je pochopitelné, že se již nejedná o vysílání s klasickou amplitudovou modulací, nýbrž o moderní digitální vysílání. K tomu, aby bylo možno co nejefektivněji využít stávající vysílací střediska, je nutno upravit vysílací řetězec. Jedním z problémů je navázání samotného vysílače na anténní stožár. Při analogovém vysílání k tomu stačil klasický PÍ či T -článek. DRM vyžaduje náročnější řešení. Je nutno dbát na dokonalé přizpůsobení, šířku pásma a fázovou linearitu. Dalším technickým prostředkem, jak efektivně využít stávajícího technického zázemí, je využití jednoho anténního stožáru pro více vysílačů. V takovém případě je nutno vysílače impedančně přizpůsobit a co možno nejlépe je od sebe oddělit. Jedná se o to, aby jeden z vysílačů svou činností nenarušoval funkčnost ostatních vysílačů. K tomu slouží zařízení,
které se nazývá Slučovač. V technické praxi bývá toto zařízení též nazýváno diplexer. Diplexer je jednou ze součástí stávajícího analogového přenosového řetězce, který je nutno při zavedení DRM zcela přepracovat. 2 ZADANÉ TECHNICKÉ PARAMETRY Zadaný anténní slučovač má být použit na vysílacím středisku Českých radiokomunikací VS Jihlava. Jedná se o dva středovlnné vysílače pracující se standardem DRM, které jsou popsány následujícími parametry: Parametry vysílačů: Vysílač A: f 01 = 981 khz P = 10 kw Z 0 = 50 Ω Vysílač B: f 02 = 1233 khz P = 10 kw Z 0 = 50 Ω Elektrické parametry vysílacího stožáru: Anténní stožár byl proměřen v okolí obou vysílacích kmitočtů v rozsahu f 0 ± 15 khz s krokem 5 khz. Pro další výpočty je třeba znát hodnoty paralelní vodivosti G P [ms] a svodu C P [pf] antény. Naměřené hodnoty jsou uvedeny v následující tabulce: Tab. 1: Kmitočet Gp Cp [khz] [ms] [pf] 966 3,6-2160 971 3,9-2180 976 4,1-2200 981 4,4-2250 986 4,6-2300 991 4,9-2320 996 5,3-2370 1218 21 1380 1223 19,4 1390 1228 18,6 1400 1233 17,8 1400 1238 16,9 1400 1243 16,5 1400 1248 15,7 1370 Naměřené anténní parametry 3 STRUKTURA SLUČOVAČE Slučovač je blok vysílacího řetězce, který umožní současný provoz dvou vysílacích stanic do společného anténního stožáru. Jelikož impedance samotné antény může nabývat libovolných hodnot, je nutno, anténní stožár impedančně přizpůsobit s vysílačem. Tudíž
slučovač musí zároveň plnit funkci impedančního přizpůsobovacího členu. Další podmínkou, která vychází ze standardu DRM, je fázová linearita celého obvodu. Aby byl slučovač vůči vysílanému signálu fázově transparentní, musíme při výpočtu celého obvodu postupovat jako při návrhu fázovacího článku. Zadané vysílače pracují s poměrně vysokými výkony P = 10 kw, proto je nutno aby se obě stanice vzájemně neovlivňovaly. Slučovač musí zajistit oddělení obou vysílacích stanic a účinně odfiltrovat energii sousedního vysílače. Do obvodu jsou zařazeny odlaďovací členy, které tenhle problém pomáhají řešit. 4 STRUKTURA SLUČOVAČE Fig. 1 blokově znázorňuje jedno z vhodných řešení struktury obvodu slučovače. Fig. 1: Obvodová struktura slučovače 4.1 ODLAĎOVAČE Odlaďovačem se rozumí rezonanční obvod, filtr, sloužící k vzájemnému oddělení obou vysílačů. Při dodržení zadaných parametrů již není možno odlaďovač realizovat prostým paralelním rezonančním obvodem, který je zapojen jako pásmová zádrž a to z důvodu obtížné linearizace fáze vysílacího signálu. Proto při návrhu pásmové zádrže (složené z prvků Z 1 a Z 2+3 ) využijeme sériového rezonančního obvodu (Z 2 +Z 3 ), který je naladěn na propustný kmitočet. Uspořádání obvodu je patrno z Fig. 2. Sériový rezonanční obvod posune průběh frekvenční fázové charakteristiky při kmitočtu f 0 do nuly. Fig. 2: Odlaďovač obecně
4.2 PŘIZPŮSOBOVACÍ LC REAKTANČNÍ ČLÁNKY Přizpůsobení impedance zdroje k impedanci zátěže ve výkonové radioelektronice je důležité zejména z důvodu docílení maximální energetické účinnosti daného vysílacího zařízení. Ve sdělovacích soustavách k tomuto přistupuje dále nutnost potlačení vf odrazů v přenosové cestě. Gama článek: Základním přizpůsobovacím dvojbranem je Γ článek (někdy také L článek ) který má v příčné a podélné větvi reaktance X 1 a X 2 obráceného charakteru (Fig. 3). Kombinací dvou Γ článků můžeme vytvořit π nebo T článek. Uvedené články mohou být modifikované zařazením přídavných (filtračních) kmitavých obvodů do podélné či příčné větve článku. Tímto způsobem může být docíleno příznivějších přenosových parametrů jako např. strmosti boků přenosové křivky, jejího zvlnění v přenášeném kmitočtovém pásmu či fázového a skupinového zpoždění. Γ článek lze realizovat dvěma způsoby z hlediska transformace odporů R 1 a R a rovnocennými. Téměř výhradně se však dává přednost zapojeni s kapacitou v příčné větvi, chovajícímu se jako dolnofrekvenční propust, pomocí které se dosahuje účinnějšího potlačení harmonických frekvencí. V našem případě je použito i druhého zapojení s indukčností v příčné větvi. O potlačení vyšších harmonických se postarají odlaďovací obvody. Fig. 3: Γ článek T článek: T článek vznikl kombinací dvou Γ článků a je díky svým praktickým přednostem masivně rozšířen. Bezezbytku splňuje požadavek na vzájemné přizpůsobení obou rozdílných reaktancí (R N a R a ) jako podmínkou pro maximální energetickou účinnost. Ve vyladěném stavu dochází k úplnému vykompenzování všech reaktancí na principu paralelní rezonance. Fig. 4 popisuje klasické uspořádání T článku.
Fig. 4: T článek Matematický aparát k výpočtu hodnot dílčích prvků T článku je podrobně popsán v [1], [2], [4], [6]. 4.3 SACÍ OBVODY Jsou obvody umístěné na vstupech slučovače, před obvody impedančního přizpůsobení. Slouží k potlačení signálu ze sousedního vysílače stejně jako odlaďovací obvody. Dalo by se říci, že svým způsobem jsou doplňkem odlaďovačů. Mají za úkol zvýšit selektivitu dané vysílací větve. Jsou realizovány jako sériový rezonanční obvod, který je umístěn v příčné větvi, nebo paralelním rezonančním obvodem v podélné větvi tak, aby plnil funkci pásmové zádrže. Rezonančním kmitočtem je pracovní kmitočet f 0 sousedního vysílače. 5 NÁVRH SLUČOVAČE Navrhované zapojení vychází z přísnějších požadavků, které jsou kladeny na slučovač při použití vysílače pracující se standardem DRM. Hodnoty jalové složky impedance jsou v oblasti kmitočtu 1 233 khz menší než u kmitočtu 981 khz, tudíž je snazší anténu impedančně přizpůsobit na kmitočtu 1 233 khz. S využitím programů SNAP a SMITH bude ověřeno, zda navrhnuté zapojení (Fig. 5 a Fig. 7) splňuje zadaná kritéria (činitel stojatých vln a fázovou linearitu). Fig. 6 a Fig. 8 jsou důkazem správnosti navrhnutého řešení. Postup výpočtu je detailně popsán v [1]. Fig. 5: Výsledná podoba slučovače pro kmitočet 1 233kHz
-5-10 -15-20 -25-30 -35-40 -45-55 -60-63.1 mag. in db 180 150 100 50 0-100 -150-180 phase a) b) Fig. 6: a) Amplitudová; b)fázová kmitočtová charakteristika (1 233 khz) Fig. 7: Výsledná podoba slučovače pro kmitočet 981 khz 180 150 100 50 0-100 -150 0-10 -20-30 -40-60 -70-80 -90-100 -110-180 phase Fig. 8: -120 mag. in db a) b) a) Amplitudová; b) fázová kmitočtová charakteristika (981 khz)
6 ZÁVĚR Práce [1] je věnována obecnému popisu anténního slučovače, jakožto prvku vysílacího přenosového řetězce. Postupně je rozebrána funkce odlaďovacích obvodů, reaktančních přizpůsobovacích gama a T článku a sacích obvodů. To takovým způsobem, aby bylo možno na základě této teorie vše dále aplikovat při konkrétním řešení. Navrhnuté řešení vychází z projektu, který byl realizován v laboratořích KINTRONIC [8]. Publikované zapojení vykazovalo vzájemný útlum (-30-40) db. V mém návrhu je teoreticky dosaženo vzájemného útlumu až db. Veškeré výpočty jsou provedeny s použitím základních vzorců. Konečná podoba slučovače je výsledkem experimentálních návrhů, jejichž cílem bylo najít vhodné řešení za podmínky dodržet zadané parametry. Důraz je spíše kladen na hledání nejoptimálnější konfigurace celého obvodu slučovače. Proto byl celý návrh pojat metodou postupného zjednodušování. V první fázi byly postupně spočítány jednotlivé bloky slučovače (odlaďovače, impedančního přizpůsobení a sacího obvodu) a to tak, aby vykazovaly co možná nejlepší parametry. V další fázi byl zkoumán vzájemný vliv vypočítaných bloků. Poslední fáze návrhu spočívá v korekci hodnot jednotlivých prvků tak, by při vzájemném spojení bloků, nedošlo k změně obvodových parametrů. Celý obvod je podroben kmitočtové analýze. Výsledné průběhy jsou uvedeny v závěru příslušných kapitol. Při návrhu byl brán ohled i na ekonomickou stránku problému. Hodnoty navržených prvků jsou běžně dostupné a jejich realizace by neměla činit problémy. LITERATURA [1] Marek Dvorský; Diplomová práce; VŠB TU Ostrava, Katedra Elektroniky a sdělovací techniky [2] doc. Ing. Břetislav Syrovátka, CSc.; Ing.Jaroslava Horevajová,CSc.: Výkonová radioelektronika; skryptum ČVUT 1993 [3] Robert Láníček: Elektronika; BEN Praha 2001 [4] B.A.Smirenin: Radiotechnická příručka; Státní nakladatelství technické literatury Praha 1955 [5] Katedra radioelektroniky FEL ČVUT Praha; Sborník přednášek specializovaného vzdělávacího kurzu RADIOKOMUNIKACE 2000 [6] Josef Novák: Jak pracují přizpůsobovací LC reaktanční (anténní) články [7] Václav Žalud: Moderní radioelektronika; BEN Praha 2000 [8] Kintronic Laboratories:AM ANTENNA SYSTEM CASE STUDIES FOR DRM AND IBOC DAB; http://www.kintronic.com/ [9] Digital Radio Mondaible; http://www.drm.org/