M6T_v3


Egy autópálya szakasz URH átjátszó-pontjainak hatásosság-növelése

A feladat

Az itt ismertetésre kerülő fejlesztés a három átjátszóállomás által hellyel-közzel besugárzott, UHF sávot használó analóg rádióhálózat átalakítását célozta meg. A cél alapvetően a bázisállomásokkal kapcsolatos ellátási, lefedettségi hiányok mérséklése volt.

A kiindulási feltételek

Távközlési oszlop-árbóc
URH átjátszóállomás távközlési faoszlopos antennatartóval
Autópálya mérnökségi antennaoszlop panelantennákkal
Autópálya mérnökségi antennaoszlop két darab UHF panelantennával.

Az első, közbeszerzéses beruházásnál a döntéshozó az olcsót és gyorsat választotta, a jó terv nálunk maradt. Az osztrák vállalkozásban megvalósult URH rendszer használati idejének lejártakor, az infrastruktúra cseréjekor ebből az örökségből kellett kihozni valami jobbat. Eredetileg a fizikai törvényszerűségek által megköveteltnél kevesebb számú átjátszó-bázisállomás épült, és ezek magassága, állékonysága sem támogatta az utólagos nagy beavatkozásokat.

Mitől lehet jobb a lefedettség?

A bázispontok nem változtathatók, nem sűríthetők, mert nincs energiaellátási lehetőség. Az oszlopok magasabb tornyokra cserélésének költségét nem vállalta a megrendelő. Az antennák hatásfokának lényeges növelése sem járható, mert a súly- és szélterhelés megnő, és látványelemként sem előnyös a változás.

A frekvenciasáv váltás hatása

Ismert a Bullington módszer a rádióhullámok hatótávolságának becslésére, és tapasztalatból is tudjuk, hogy az alacsonyabb frekvenciák terjedése jobb.

Az 1. bázisállomás által létrehozott vételi jelszint a szakaszhatáron, feltételezett hardverparaméterek mellett, 460 MHz-en -96,4 dBm. Ugyanezekkel a műszaki paraméterekkel (antennanyereség, magasság, stb.) 160 MHz-en -85,2 dBm, tehát több mint 10 dB a nyereség a frekvenciasáv váltással.
A rádió-vevőfokozatok bemeneti érzékenysége a VHF sávban jobb, mint az UHF-ben, ezért további nyereség keletkezik a vevőoldalon.
Az átjátszóállomások antennakábeleinek csillapítása, vesztesége kedvezően kisebb az alacsonyabb frekvenciákon.
A több mint tízszeres relatív teljesítmény-emelkedés már érdemi javulást kell, hogy eredményezzen az áttérés során.

Az antennamagasság növelésének várható eredménye

Az antennamagasságok az adott körülmények között lényegesen nem változtathatók, ennek ellenére megvizsgáljuk egy beavatkozás hatását:
A fenti példában a számításban beállított, a valósághoz hasonló 13 méteres antenna magasság környezetében a pozíció emelés méterenként 0,5 dB javulást eredményez. Tehát egy magasabb sugárzási súlypontú antenna, vagy néhány méteres telepítési-magasság növelés is érezhető változást okoz.

Az antennarendszer átértelmezése

Az eredeti UHF antennacsoportok nyeresége

  1. átjátszóállomás
    2 db Kathrein 800 10252 típusú panelantenna
    9,8 dBd egyedi nyereséggel rendelkező két antennából összeállított antennacsoport. Mivel a két antenna egymásnak háttal áll, egy-egy rádiókapcsolat alatt csak egy antenna érvényesül, a másik antenna fogyasztóként viselkedik, így az össznyereség főirányonként kb. 6,5 dB.
  2. átjátszóállomás
    2 db Sirio WY400-6N Yagi antenna
    A 8,8 dBd egyedi nyereséggel rendelkező, ellenkezőleg irányított két antenna össznyeresége a főirányokban kb. 5,5 dB.
  3. átjátszóállomás
    1db Procom CXL 70-3C  0 dBd körsugárzó antenna

A lecserélendő UHF rádiórendszer két meghatározó átjátszóállomása az alkalmazott antennákkal 5,5 dB, illetve 6,5 dB főirányú antennanyereséggel rendelkezik. A VHF sávban ezt az értéket csak úgy lehetne elérni, ha átjátszóállomásonként 2 pár, azaz 4 db, egyedenként kb. 6 dB nyereségű antenna lenne kiépítve, ami a 4 elemes Yagi-antennák átlagos paramétere. Ez a robusztus építmény azonban a súly- és szélterhelés (valamint a látványkép) miatt nem kívánatos. Elfogadhatóbb megoldás lehetett volna csak egy-egy antenna alkalmazása a két irányban, az antenna-közösítés helyett külön levezetett kábelekkel és egy-egy átjátszó berendezéssel, tehát 2-2 db ellátási cella kiépítésével a két bázisponton. A műszakilag korrekt megoldás azonban a költségvonzat miatt nem kapott zöld utat.


A megoldásunk

A pénzügyi korlát betartása és a robusztus antennaszerkezet elkerülése határai között a kiutat a szakmában viszonylag ritkán alkalmazott, fázistolt antennákból kialakított sugárzórendszereknek (phased array antenna) az átjátszóállomásokon történő alkalmazásában láttuk meg.

Előnyei:

  • Jellemző egyedi antennanyereség a VHF sávban, a collinear kategóriában 3 dBd. Kettő db antenna megfelelő összekapcsolásával az eredő nyereség közel 6 dB, mivel mindkét antenna aktív térben van, és mindkettő „generátor”, fázishelyes összegzéssel a teljesítmények összeadódnak.
  • Míg a Yagi antennáknál a sugárzási súlypont a mechanikai rögzítés magasságában van, a rúdantennáknál ez a felfogatástól akár 2 méterrel magasabbra is kerülhet.
  • A körsugárzó-jelleg csak egytengelyű egymás fölé szereléssel marad meg. A két antenna egy horizontális síkba helyezésével, megfelelő pozícionálásával, valamint kábelhosszakkal beállított fázistolásos összegzéssel a kívánt (nyolcas, kardioid, vese, stb.) iránykarakterisztika beállítható.
  • Az antennarendszer súly- és szélterhelése csekély a tartószerkezetre nézve.
  • Az antennacsoport vizuális megjelenése elfogadható.
1. átjátszóállomás antenna karakterisztika
2. átjátszóállomás antenna karakterisztika
3. átjátszóállomás antenna karakterisztika

Az antennacsoportok modellezése

– 1. átjátszóállomás antennacsoportja

Antenna: 2 db Sirio SPO 145-5 antenna
Vízszintes távolság a két antenna szimmetriatengelyei között: 987 mm
Sugárzási karakterisztika:

T1pattern
T1kar
1. átjátszóállomás

– 2. átjátszóállomás antennacsoportja

Antenna: 2 db Sirio SPO 145-5 antenna
Vízszintes távolság a két antenna szimmetriatengelyei között: ½ λ, azaz félhullámhossz.
A szükséges fősugárzási irányok: 2° és 211°. (A fősugarak közti térszög 209° és 151°)

A koncepció lényege az, hogy az „A” antenna kábelét a fáziskésés és a futásidő (rövidülési tényező) figyelembe vételével számolt mértékben hosszabbra állítjuk be a „B” antenna kábeléhez képest, ezáltal (a vételi irányt alapul véve) az „A” antennát időben előbb elérő hullámfront indukált jelét a kábelen késleltetve fázishelyesen összegezzük a „B” antenna jelével. A teória természetesen az adás-irányban is igaz, kialakul az aszimmetrikus, megtört sugárzási karakterisztika. A vizsgált frekvencián a két antenna fizikai távolságának nem feltétlenül kell félhullámhossznak lennie, a fenti képlet a főirányokra megfelelő korrekciókkal igaz lehet más mechanikai méretadatokkal is.
Az elnyomott irányok felől vizsgálva a helyzetet, látszik, hogy az elvárt minimális, közel nulla térerő feltételei félhullámhossznyi antennatávolság esetén nem teljesülnek, mert a két antenna nem ellenfázisú jelet ad a vizsgált ponton az eltérő kábelhosszak miatt. Ezért a sugárzási karakterisztikában melléknyaláb alakul ki:

T2pattern

Paraméterek:
Frekvencia: 152 MHz

Az antennák távolsága: 987 mm

Fázistolás a kábelen: 45°
(ez a 247 mm szabadtéri távolság fáziskésése)

Így egy felesleges irányban az átjátszóállomás egyéb paramétereivel számolva 2,45 dBW sugárzás jelenik meg.

A melléknyaláb csillapítása érdekében az antennák közti távolságot csökkenteni kell, ezzel – az elnyomott irányból vizsgálva – a fáziseltérést közelítjük a 180°-hoz, ami a teljes kioltás feltétele.
A távolság csökkenése miatt a vetület mértékében a főirányból tekintve is csökken az antennák közti fáziseltérés, ami a kábeles korrekció módosítását igényli. A szükséges-kábelhossz változtatása ismét visszahat a keresztirányú melléknyalábra.
Az optimalizálási folyamat a következő végeredménnyel zárul:

Az antennák közti távolság 795 mm, késleltetés az antennák között: 35°.

T2 kar
2. átjátszóállomás

A melléknyaláb-sugárzás az előbbi nem kívánt irányban gyakorlatilag nulla. Az antennacsoport normalizált (0 dBd antennára vonatkozó) nyeresége 2,27 dB, míg 3 decibel nyereségű antennákból összeállítva ≿ 5 dB. A nyolcas karakterisztikájú antennacsoporthoz képest 0,73 dB veszteség keletkezik. A megoldás „szépsége” érdekében ez a minimális veszteség felvállalható.

– 3. átjátszóállomás antennacsoportja:

Antenna: 2 db Sirio SPO 145-5 antenna

T3 pattern
3. átjátszóállomás

A negyedhullám távolságra szerelt, és az egyik ágon negyedhullám (90°) fáziskésleltetéssel táplált antennák karakterisztikája mutatja, hogy a fősugár direkciója – ellentétben az előző összeállításokkal – az antennákat összekötő egyenes irányába esik.
Kialakul a “kardioid” karakterisztika, az előre-hátra antennanyereség-viszony nagyobb, mint 60 dB. Ennek hatására a szakaszhatár közelében telepített átjátszóállomás antennája minimális teljesítménnyel sugároz ki a működési területről.
A főirányban 3 dB nyereséget mutat az elődje 0 dB paraméterével szemben, ami kétszeres relatív teljesítmény viszonyt jelent.

NMHH engedélyeztetés

A nem szokásos sugárzási karakterisztikájú antennák az NMHH adatbázisában egyedi antennaként jelennek meg. A részletes iránykarakterisztikákat ebben az esetben is elektronikus adatszolgáltatással a Hatóság rendelkezésére bocsátottuk az engedélyeztetéshez elkészített rendszertechnikai terv mellékleteként.

A két domináns átjátszóállomás végső megjelenése:

1. átjátszóállomás antenna és tartószerkezet csere után
Egységes elrendezés az 1. és 2. átjátszóállomás antennáiról
Autópálya URH átjátszóállomás, átalakítás után

Hasonlóan körültekintő terveinkre és munkánkra számíthatnak Tisztelt Megrendelőink!