V předchozích dílech tohoto nepravidelného seriálu jsme si už popsali, jak se počítají decibely, výkony vysílačů, napětí a podobně. Dnes se zaměříme šíření signálu a intenzitu jeho pole, ovšem pouze u vysílačů určených pro televizní a rozhlasové vysílání. Konkrétně se pak podíváme na ten úsek vysílacího pásma, který se označuje zkratkou UHF, případně i na pásmo VHF3.
Z minulých článků již víme, že vysílač posílá do svého okolí signál s určitým vyzářeným výkonem. Ten se může lišit v různých směrech, v různých tabulkách a přehledech vysílačů je ale udáván většinou jen maximální možný dosažený výkon. Budeme tedy pro jednoduchost předpokládat stav, kdy je použita vysílací anténa s ideálně kruhovým vyzařovacím diagramem, případně, že jsme ve směru maximálního zisku směrové vysílací antény.
Vyzářený výkon ERP vs. EIRP
Takzvaný instalovaný nebo výstupní výkon vysílače je snížen o ztráty na vedení k anténě, případně na dalších prvcích po cestě. Za předpokladu použití ideálně přizpůsobené bezeztrátové antény, tato vyzáří veškerý výkon, který k ní dorazil po vedení. Pokud jde o anténu izotropní, tj. bodovou s vyzařovací charakteristikou stejnou do všech směrů, bude ekvivalentní vyzářený výkon v jakémkoli směru vztažený k izotropnímu zářiči EIRP (Equivalent Isotropically Radiated Power) odpovídat instalovanému výkonu vysílače, snížený o ztráty na vedení k této anténě. Jelikož taková anténa je pouze teoretická (v praxi je každá anténa nějak směrová) je nutné při přechodu od úvahy k reálné směrové anténě tento výkon násobit ještě činitelem směrovosti této reálné antény. V podstatě je tento výkon povýšen o zisk antény v daném směru, vztažený k izotropnímu zářiči. Tím dostaneme skutečný efektivní vyzářený výkon ERP (Effective Radiated Power). A to už je číslo běžně používané, s nímž se dá dále pracovat.
Izotropní zářič
Tento výkon je tedy vyzařován ve směru maximálního zisku vysílací antény, pokud bychom uvažovali směr jiný než hlavní, musíme ERP úměrně snížit podle zisku v tom daném směru. V praxi je za hlavní směr vyzařování považován většinou úsek vymezený úhlem ve směrovém diagramu, v němž zisk antény klesne maximálně o 3dB, tj. na poloviční vyzářený výkon.
Diagram záření směrové antény. Vyznačen vyzařovací úhel definovaný poklesem vyzářeného výkonu o 3dB.
Intenzita elektromagnetického pole
Ve chvíli, kdy známe efektivní vyzářený výkon do daného směru, můžeme už podle vzorce spočítat intenzitu elektrické složky elektromagnetického pole v konkrétní vzdálenosti od vysílací antény. Tato vzdálenost však musí splňovat jistou minimální hodnotu, protože do určité dálky od antény je definována tzv. blízká zářivá oblast antény neboli Fresnelova oblast (neplést s Fresnelovou zónou). V ní bychom byli k anténě příliš blízko, a tak zde platí speciální vztahy, rozdílné od vztahů v oblasti nacházející se dále, v níž budeme realizovat příjem televize nebo rádia. Tuto „vzdálenější“oblast nazýváme Fraunhoferova oblast a v ní je již počítání veličin, které nás zajímají, značně jednodušší. V praxi však nemusíte mít obavy: v pásmech, o kterých se bavíme, je Fresnelova oblast opravdu v bezprostřední blízkosti samotných antén.
Vyzařovací charakteristiky vysílacích antén
V této souvislosti je třeba si uvědomit ještě další skutečnost, a to, že zisk vysílacích antén a tedy i vyzářený výkon se mění nejen v horizontální rovině (okolo vysílače), ale i ve vertikální (směrem od a k zemskému povrchu). To se pak dá promítnout do přijímacích míst různě vzdálených od vysílače. V jednom z předchozích článků tohoto seriálu jsem to zmínil v souvislosti s tzv. „vyplněním nul“, neboli vyplněním míst, jejichž směrem by vysílací anténa na zemském povrchu v některých vzdálenostech od vysílače vyzářila minimální nebo žádný výkon. Může tak nastat situace, že v určité vzdálenosti od vysílače bude vyšší intenzita pole, než ve vzdálenosti např. poloviční.
Klasická laická úvaha by však napovídala opak: „čím blíže, tím lépe“, uvažujeme-li přímou viditelnost. Extrémem je tzv. stín pod vysílačem, jako pod svíčkou, kde může být intenzita pole mizivá. Se vzrůstající vzdáleností od vysílače může tedy intenzita pole střídavě narůstat a klesat. Jak se to kde projeví, vždy závisí na tom, jak je navržena vysílací anténa a tedy přeneseně na konstruktérovi, do jaké míry se mu podaří ty tzv. „nuly“ vyplnit.
Vyplnění nul ve vyzařovacím diagramu (převzato z katalogu Kathrein)
Dalším problémem je oblast v blízké vzdálenosti asi 10 až 15 km od vysílače (v pásmech UHF). Zde může vlivem sčítání přímé a od zemského povrchu odražené vlny (která může být blízko vysílače ještě dosti silná) vznikat tzv. „oscilační pole“. Velmi ostře se tak střídají minima a maxima intenzity signálu (řádově v metrech) a je tak nutné doslova hledat nejsilnější signál, například v rozsahu celé střechy nebo pozemku.
Nákres oscilačního pole v blízkosti vysílače
Teoretické výpočty pokrytí vysílače
Za podmínky znalosti efektivního vyzářeného výkonu (ERP) směrem k místu příjmu, případně znalosti maximálního ERP a jeho poklesu směrem do místa příjmu, můžeme dle vzorce spočítat intenzitu elektrické složky elektromagnetického pole. Právě tato složka se indukuje do vodiče antény, magnetická složka se neuplatňuje (existují však typy antén pro krátkovlnná a nižší pásma, využívající naopak indukci magnetické složky).
Podle tohoto vzorce tedy zjistíme teoretickou hodnotu pole „E“ v místě příjmu, vzdáleném od vysílače „r“ při efektivním vyzářeném výkonu „P“. To však za předpokladu příjmu pouze přímé vlny, v ideálních podmínkách bez odrazů, lomu, případně zanedbání útlumu atmosféry. Tato „intenzita elektrického pole“ se značí E a je udávána ve Voltech na metr (V/m). Kdybychom to znázornili obrazně, jde v mapách pokrytí (např. od Jakuba Melína) právě o ty různě zbarvené plochy. V mapách Českých Radiokomunikací, kde je použita jen jedna barva, tato vyjadřuje minimální a vyšší hodnotu intenzity pole, při kterém se na jimi definovanou měřící anténu, naindukuje signál dostatečný pro zpracování přijímačem.
kde „lambda“ je vlnová délka. Napětí spočítané dle tohoto vzorce odpovídá napětí naindukovanému na jednoduchý (ne skládaný) půlvlnný dipól. Při použití ziskovější antény (za podmínky homogenního pole), povýšíme toto napětí o zisk této antény. Samozřejmě musíme brát v úvahu její nasměrování na zdroj vysílání. Výsledná hodnota je tedy napětí, které už máme k dispozici ke zpracování. To ale musíme nějak dopravit k přijímači, takže ještě nastane útlum na kabelu, případně jiných prvcích rozvodu. Nesmíme také zapomenout na přepočet napětí při změně impedance. Drtivá většina antén má impedanci 300 ohmů, tedy se na nich naindukuje dvojnásobné napětí proti jednoduchému dipólu, který má 75 ohmů.
Připojení kabelu, symetrizace a transformace
Kabely však mají také 75 ohmů. Dle přepočtu je napětí naindukované na svorkách antény s impedancí 300 ohmů dvojnásobné proti napětí na začátku kabelu, který má 75ohmů. Tato transformace je provedena prvkem lidově nazývaným „symetrizační člen“. To je však značně nepřesné, jelikož uvedený prvek nejenže symetrizuje nesymetrický proud v koaxiálním kabelu na symetrický na svorkách antény, ale také transformuje impedanci z 75 na 300 ohmů. To jsou dvě rozdílné funkce, které spolu nejsou přímo spjaty, i když je v tomto případě vykonává jeden prvek. V praxi existují i případy, kdy se vyskytuje jen symetrizační člen (tzv. balun) nebo jen transformační člen (transformátor impedance).
V tuto chvíli už jsme tedy docílili konečného přizpůsobení a přivedení indukovaného napětí na vstupní svorky přijímače. Pokud má tedy dostatečnou úroveň a neuplatňují se nějaké rušivé vlivy, přijímači už nic nebrání tento signál zpracovat a předložit nám hrající zvuk a hýbající se obrázek.
V demonstraci, jak funguje určování intenzity pole signálu, jsem pro jednoduchost zanedbal více faktorů, jako je rozptyl, lom, útlum vlny vlivem počasí, vliv odražených signálů, atd. Zcela jiná situace nastane třeba při příjmu televizního nebo rozhlasového vysílání bez přímé viditelnosti na vysílač, nebo odrazem signálu např. od kopce nebo jiné překážky, která má tento přímý výhled na vysílač, zatímco my ne. Takové popisy však přesahují možnosti jednoduché interpretace nastíněné v tomto článku.
ČLÁNKY DO MAILU