Antény a anténní soustavy pro příjem digitální televize

Smysl budování anténních soustav spočívá především v jejich větším zisku v porovnání s jednotlivou anténou. Každým zdvojnásobením počtu antén v anténní soustavě stoupá její zisk teoreticky až o 3dB. Praktický nárůst zisku je o něco málo menší a závisí na několika okolnostech.

Problém s vestavěným zesilovačem

Pro příjem televizního vysílání se nejčastěji používají různé modifikace Yagiho antén. V menší míře se také používají logaritmicko-periodické antény (LP), a v poslední době se velmi rozšířily buzené patrové soustavy (matrace). Všechny tyto antény mají své výhody i nevýhody a jejich používání je mnohdy ovlivněno „módními trendy“. Snad nejčastěji dnes používanou anténou je buzená čtyřpatrová soustava s vestavěným zesilovačem. O nevhodnosti kombinace takovéto antény s vestavěným zesilovačem jsem se zmiňoval již dříve. Neuškodí však připomenout alespoň fakt, že jsou jedním z nejčastějších zdrojů rušení televizního příjmu.

V dnešní době se objevuje nový marketingový tah prodejců elektroniky, který spočívá v označování některých typů antén za zvlášť vhodné pro DVB-T. Především v případě logaritmicko-periodických antén (tzv. „rybích kostí“) je toto označení velmi časté. Rád bych na tomto místě upozornil, že A-TV i DVB-T se šíří na stejném principu a ve stejných pásmech. Označovat proto některé druhy antén jako vhodné pro A-TV a jiné jako vhodné pro DVB-T, je přinejmenším odvážné. Spíš bych si dovolil říct, že je to neseriózní a zavádějící.

Volba vhodné antény je mnohdy dost složitá věc, kdy je potřeba řešit i několik protichůdných požadavků současně. Z tohoto důvodu se často, pro zajištění kvalitního příjmu, používá několik antén sloučených do jednoho svodu. Každá z těchto antén má za úkol přijímat konkrétní signál z konkrétního směru. Slučování pak probíhá pomocí laděných slučovačů. V tomto místě dělá velmi mnoho lidí jednu zásadní chybu: pro příjem různých programů z více směrů používají širokopásmové antény a slučují je pomocí širokopásmového slučovače. Takovéto řešení je naprosto nesmyslné, neboť se z takto propojených antén stává anténa „všesměrová“, která přijímá obrovské množství odrazů a na televizoru způsobuje vznik duchů. Na základě tohoto příkladu je možné usoudit, že výběr antén pro kvalitní televizní příjem si opravdu zaslouží pozornost a vyžaduje nemalé zkušenosti a znalosti. Rozhodně si nemyslím, že nástup DVB-T tuto situaci nějak změní.

Příjem DVB-T je nutný z více směrů

V současné době existují tři provozovatelé multiplexů. V budoucnu může těchto provozovatelů být mnohem víc. Předpokládat, že všichni umístí svá zařízení na stávající věže televizních vysílačů, patřících Českým radiokomunikacím, je omyl. Osobně si myslím, že dojde k podobné situaci jako v oblasti mobilních telefonů, kdy každý operátor buduje svoji vlastní síť vysílačů. Jen výjimečně se všichni operátoři sejdou na jednom stožáru. Je sice možné předpokládat, že základní síť vysílačů budou tvořit stávající věže ČRa, ovšem lokální vysílače zcela jistě nebudou na společných stožárech. Tento fakt dává tušit, že i příjem těchto multiplexů bude nutný z více směrů, s potřebou slučování různých frekvencí z několika antén. Volání diváků po umísťování všech multiplexů na společné vysílací body bude jen stěží vyslyšeno.

Jak je vidět, tak situace kolem DVB-T bude v budoucnu zcela odlišná od té dnešní. V současné době jsou multiplexy většinou vysílané z jednoho místa a snahou diváků je zachytit jejich signál na co možná největší vzdálenost. Současné výkony vysílačů DVB-T nejsou příliš velké a jejich reálný dosah se pohybuje v desítkách kilometrů. Za ideálních podmínek je možné takovýto signál zachytit i na vzdálenost přes 100 km. Právě pro tyto účely se staví anténní soustavy.

Správným propojením dvou optimálně umístěných stejných antén je možné zdvojnásobit zisk takovéto „super antény“ v porovnání s jedinou anténou. Dalším zdvojnásobením počtu antén stoupne zisk takovéto soustavy o další 3dB. Mohlo by se tedy zdát, že vytvořením anténní soustavy s velkým počtem dílčích antén, získáme „super anténu“, se kterou dokážeme přijímat signál na téměř libovolnou vzdálenost. To je ovšem omyl. Zvyšování počtu antén v soustavě má smysl jen do určité míry. Od určitého počtu dílčích antén se již zisk zvyšuje nepatrně, v některých případech může začít i klesat. Příčiny poklesu zisku spočívají v nehomogenitě elektromagnetického pole v místě příjmu a také v délce propojovacích kabelů a ztrátách při slučování. Podrobný popis závislosti zisku anténní soustavy a homogenity elektromagnetického pole by zabral velký prostor, a byl by mimo téma tohoto článku.

Z praktických realizací se nejvíce osvědčily čtyřčlenné anténní soustavy. Tento počet antén v soustavě má několik výhod. Soustava je celkem snadno zhotovitelná mechanicky i elektricky. Z hlediska mechanického postačí kříž patřičných rozměrů a dostatečné pevnosti. Z hlediska elektrického je výhodou snadné zachování výstupní impedance celé soustavy, které se dosáhne serioparalelním zapojením.

Sestavit anténní soustavu je možné téměř ze všech druhů televizních antén. Některé soustavy je však velmi problematické naladit, a proto nejsou vhodné pro amatérskou stavbu. Některé antény jsou naopak velmi vhodné pro stavbu soustavy a poskytují výborné výsledky i při amatérské stavbě. Takovou soustavou je právě již zmíněná 4×TVA 21–60, jejíž stavba bude dále popsána.

Anténní soustava 4×TVA 21–60

Jak již z názvu vyplývá, jedná se o čtyřčlennou soustavu tvořenou anténami TVA 21–60. Záměrně neuvádím, jestli se jedná o antény čtyřpatrové nebo dvoupatrové. Soustavu lze sestavit z obou verzí antén, přičemž varianta s dvoupatrovými anténami má samozřejmě menší zisk a širší vyzařovací diagram.

O vyzařovacím diagramu anténních soustav platí pravidlo, že každé zdvojnásobení počtu antén v soustavě v dané rovině zmenšuje vyzařovací úhel v této rovině na polovinu. Pokud má tedy jedna anténa vyzařovací úhel v horizontální rovině 34st., pak dvojice takovýchto antén umístěných vedle sebe bude mít vyzařovací úhel pouze 17st. Umístěním čtyř antén vedle sebe by se úhel zmenšil až na 7,5st.

Vzhledem k riziku snížení zisku soustavy způsobeném nehomogenitou pole je potřeba minimalizovat vzdálenosti mezi krajními prvky antén. Z tohoto hlediska je nejvhodnější kosočtverečné uspořádání antén v soustavě. Takovéto uspořádání poskytuje nejlepší výsledky při zachování jednoduché konstrukce. Praktický zisk takovéto soustavy se pohybuje od 14dB na 470MHz do 18dB na 780MHz. Předsazením přídavných direktorů k anténám je možné dosáhnout zisku až 21dB.

Pro stavbu takovéto soustavy je potřeba použít také kvalitní antény. V žádném případě nemá smysl stavět soustavu z levných antén s řídkým pletivem. Tyto antény mají nevyhovující mechanické i elektrické vlastnosti, výsledek by neodpovídal vynaložené námaze.

Mechanická konstrukce

Veškeré rozměry soustavy jsou dány použitými anténami, jsou tzv. „nadoraz“. Pro vytvoření nosné konstrukce je možné použít hliníkové profily a komponenty ze starších antén. Rám je samozřejmě možné také svařit z tenkostěnných trubek nebo jeklů. Uvádět konkrétní rozměry by nemělo smysl, protože antény různých výrobců se svými rozměry mírně liší. Rozměry nosného rámu je nutné odvodit od konkrétních rozměrů použitých antén. Z tohoto důvodu přikládám několik obrázků, z nichž je konstrukce soustavy naprosto zřejmá.

Elektrické zapojení

Elektrické propojení antén je velmi důležité, je potřeba mu věnovat náležitou pozornost. Správné propojení a sfázování antén má přímý vliv na zisk soustavy.

Soustavu lze propojit několika způsoby. Především je možné každou soustavu propojit buď jako laděnou, a nebo jako širokopásmovou. Oba druhy propojení je možné zvolit bez ohledu na širokopásmovost antén. I kanálové antény je možné propojit širokopásmově, pásmové antény je zase možné propojit naladěné na jeden kanál. Pro amatérskou stavbu je však nejvhodnější širokopásmové propojení. Nevyžaduje totiž použití měřících přístrojů pro správné naladění.

Pro čtyřčlennou soustavu je nejvhodnější serioparalelní slučování, kdy výsledná impedance soustavy zůstane 75 Ohmů nesymetrických.

Samotný slučovač je vhodné vyrobit do plechové krabičky opatřené 5ti eF konektory, podle obrázku:

Základem úspěchu je v tomto případě pečlivost a přesnost. Kabely od jednotlivých antén musejí být všechny stejně dlouhé s přesností na cm. Přesněji řečeno: jakákoliv odchylka snižuje dosažitelný zisk. Rozdíl v délce kabelů bude mít jiný vliv na k21 a jiný na k60. Čím vyšší kanál, tím větší nároky na přesnost. Důležité je nezapomenout správně připojit antény. Vždy dvě a dvě se zapojují se stejnou polaritou. Kabely by měly být co možná nejkratší a hlavně kvalitní. Ztráty způsobené stárnutím kabelu můžou v budoucnu způsobovat potíže s příjmem a významně snižovat zisk soustavy. Symetrizační člen v krabičce antény je připojen k zářičům pomocí dvou šroubků. V krabičce je také třmen pro přichycení pláště kabelu. Pod tento třmen se připojuje stínění kabelu, a pod jeden ze šroubků pak střední vodič kabelu. V jedné dvojici antén musí být tedy kabel připojen pod levý šroub (obrázek vlevo), v druhé dvojici pod pravý šroub (obrázek vpravo) symetrizačního členu. Jak budou tyto dvojice antén vzájemně umístěné na nosné konstrukci je víceméně lhostejné.

Připojení symerizačního člena k zářičům anténní soustavy 4×TVA 21–60

Schématické zapojení celé soustavy včetně slučovače je na následujícím obrázku. Pro správnou funkci soustavy je nutné dodržet správné zapojení antén do dvojic. Balun 75/75 je vyroben na mostenovém jádře. V nouzi lze použít 8mm ferit. Vinutí je vyrobené z izolovaného drátu průřezu 0,35mm2. Nejvhodnější by však byla dvoulinka s vlnovou impedancí 150 Ohmů. Z této dvoulinky se běžně vyrábějí symetrizační členy, ty jsou však zapojeny 300 sym/75 nesym, takže je bez úpravy nelze pro tento účel použít.

Soustavu je vhodné provozovat s kvalitním nízkošumovým zesilovačem připojeným těsně za slučovač. Vzdálenost mezi slučovačem a zesilovačem je vhodné omezit na několik desítek centimetrů. Sníží se tak případné ztráty vlivem impedančního nepřizpůsobení soustavy.

Při samotné instalaci soustavy a jejím směrování na vysílač je potřeba si uvědomit, že její vyzařovací diagram je mnohem užší než v případě samotné antény, a proto i malá odchylka od správného směru vyvolá značný pokles výstupního signálu.

Na závěr je možné se podívat na konkrétní instalaci kosočtverečné soustavy 4×TVA 21–60. Soustava je nainstalována na 24 metrů vysokém stožáru a je určena pro příjem ČT 1, ČT 2 a televize Prima z vysílače Kamenná Horka u Svitav. Příjem je realizován ve velmi členitém terénu na vzdálenost cca 40 km. Soustava spolehlivě slouží od roku 2000.

Ukázka anténní soustavy 4×TVA 21–60 ze Svitavska

Případným zájemcům o podrobné informace z oboru anténní techniky a dálkového příjmu, doporučuji časopisy Amatérské rádio řady B č.5/79, 6/81, 1/82, 1/84, 2/86, 1/87, 3/88. Celé ročníky tohoto časopisu je možné si objednat na CD, na adrese: pe@aradio.cz.