Důležité postřehy ke konstrukci vysílače

Činitel stojatých vln

Činitel stojatých vln (ČSV), rovněž vyjadřovaný zlomkem jako poměr stojatého vlnění (PSV) nebo SWR (Standing Wave Ratio), je v konečném důsledku jedním z ukazatelů účinnosti celého vysílacího zařízení z pohledu vysokofrekvenční energie. V podstatě jde o to, že všechny součásti jako výstup vysílače, vf vedení a anténa musí být k sobě impedančně přizpůsobeny, jejich impedance na daném kmitočtu musí být shodná. V tom případě je ČSV rovno 1. Pokud jsou impedance např. vedení (koaxu) a antény odlišné, ČSV je rovno poměru obou impedancí, přičemž větší impedance je vždy v čitateli a menší ve jmenovateli pomyslného zlomku, tak aby ČSV bylo větší nebo rovno 1. Příklad: Připojí-li se skládaný dipól o impedanci 300 ohmů přímo na koaxiální kabel o impedanci 75 ohmů, ČSV bude 300/75=4 (zanedbáme-li problém se symetrizací).
Impedanční nepřizpůsobení je na závadu, protože v místě připojení dochází k odrazu vf energie zpět ke zdroji (a na vedení vlivem součtu přímého a odraženého signálu vzniká stojaté vlnění). To je také důvod, proč může dojít ke zničení vysílače, pokud je použita nepřizpůsobená nebo vůbec žádná anténa. Velké množství odražené energie putuje zpět do vysílače, jeho koncový stupeň se nadměrně zahřívá a nemusí vydržet. Pokud není k vf vedení přizpůsobena ani anténa ani výstup vysílače, vzniknou mnohonásobné odrazy ve vedení, které jsou postupně ztrátami ve vedení utlumeny.
Odraz energie pro nás samozřejmě znamená ztrátu výkonu, pro informaci uvádím tabulku, která znázorňuje, jaká část výkonu je při daném ČSV využita, zbytek jde vniveč a způsobuje jen problémy:

V praxi je běžné dolaďování antén a tím jejich přizpůsobování k vedení změnou délky některého jejich prvku. Situace se kontroluje na PSV metru. Pro naše účely lze použít měřák používaný na CB, nemusí sice ukazovat přesnou hodnotu, ale je poznat, jestli se PSV zhoršilo nebo zlepšilo a tak najít nejlepší stav.

Měření ČSV

Měření ČSV (PSV, SWR) je tak důležité, že si zaslouží zvláštní odstaveček. PSV metr asi každý zná, a každý, kdo to s vysíláním myslí vážně, by si měl nějaký opatřit. Má dva konektory, do jednoho se zapojí kabel od vysílače, do druhého kabel od antény. Zapne se vysílač a potenciometrem se nastaví maximální výchylka ručičky. V tomto okamžiku ukazuje výkon, který jde od vysílače k anténě, PSV metr se tak "zkalibruje". Pak se přepne přepínač a výchylka ručičky se zmenší. V tuto chvíli ukazuje výkon, který se odrazil od antény a jde zpět k vysílači. Cílem je nastavit anténu tak, aby se od ní odráželo co nejméně výkonu. Je však lepší zapojit PSV metr blíž u vysílače nebo u antény? Ukážeme si, že na tom dost záleží, hlavně při dlouhém kabelu s větším útlumem.

Při zapojení u vysílače nám PSV metr ukáže menší hodnotu PSV, než ve skutečnosti je. Anténa se nám tak může jevit přizpůsobená, ačkoli ve skutečnosti tomu může být úplně jinak (dokonce tam anténa ani nemusí být). Proč? Protože než se signál dostane k anténě a po odrazu zase zpět do PSV metru, musí urazit dlouhou cestu kabelem, kde se dost utlumí. Odražená vlna tedy dojde do PSV metru s útlumem, což se bude jevit tak, že se odrazilo málo energie a že anténa je v pořádku. Proto se při dlouhém kabelu měří PSV u antény. Nesmíme ale stát přímo u ní, aby nedošlo k ovlivnění naší ctěnou osobou. Nejlepší je napojit na anténu pár metrů kabelu a na něj pak PSV metr.

Výběr vysílací frekvence

Výběru vysílací frekvence je třeba věnovat velkou pozornost. Je samozřejmě vhodné, když nejsme rušeni jiným rádiem, ale my sami nikdy nesmíme rušit žádnou frekvenci, kterou ostatní poslouchají. Jinak nastanou problémy. Nemusí přitom jít jen o frekvence rozhlasového vysílání, ale i o televizi, záchranou službu, policii nebo leteckou navigaci. Netřeba zdůrazňovat, že tady končí sranda. Nejlepší obecné pravidlo je nepřehánět to s výkonem. Napříkad několikawattový vysílač neznamená při kvalitním provedení a rozumně zvolené frekvenci téměř žádné riziko, ale výkon nad 5 Wattů už je poměrně riskantní.
Z funkce rozhlasového vysílače vyplývá, že na jeho výstupu není čistě sinusový průběh, ale spíše zdeformovaný obdélníkový. Je to důsledek zapojení koncového stupně, který tak pracuje s větší účinností. Má to ale i nevýhodu - kromě základní frekvence se na výstup dostanou i její celistvé násobky, označované jako vyšší harmonické. Zdaleka sice nedosahují intenzity základní frekvence, ale mohou způsobit rušení. Například vysílač pracující na 100 MHz vysílá také na 200 MHz (druhá harmonická), 300 MHz (třetí harmonická), ale také 900 MHz a výše. Součástí vysílače proto většinou musí být výstupní filtr, který tyto vyšší harmonické potlačí na přijatelnou hodnotu. Z praktického hlediska mohou vyšší harmonické rušit prakticky jen televizi v bezprostřední blízkosti našeho vysílače, ale vysvětlujte sousedce, proč jí ta bedna zase nejde... Být bez televize, třebaže je to jen krabice produkující naprostou stoku, je pro některé lidi taková pohroma, že udělají všechno, aby viníka našli a pořádně si na něm smlsli. Snažte se tedy vybrat frekvenci tak, aby se její násobky netrefily do televizního kanálu přijímaného v daném místě, případně použijte vhodný filtr nebo snižte výkon.
Pro zamezení rušení jiné rozhlasové stanice je potřeba dodržet odstup aspoň 200, lépe však 300 kHz. Nejvíce místa je na konci pásma nad 107 MHz. Má to ale svůj důvod. Hned nad pásmem rozhlasu, nad 108 MHz, začíná pásmo letecké navigace. Bez přehánění lze říci, že rušení tohoto pásma může zabránit letadlům v bezpečném přistání. Přijímač v letadle, které se nachází ve velké výšce, je vystaven velké síle rozhlasových vysílačů. Přestože všechny vysílají pod pásmem letecké navigace, v přijímači se vlivem intermodulací může smíchat několik kmitočtů rozhlasových vysílačů a výsledný kmitočet může spadnout  do pásma letecké navigace a způsobit tak rušení a vážné problémy. Toto riziko je největší právě u vysílačů pracujících v horní části rozhlasového pásma. Zamezení rušení leteckého provozu je vždy prioritní při uvádění nových VKV vysílačů do provozu a při výběru jejich frekvencí. V praxi to tedy znamená, že nad 107 MHz by se nemělo bez povolení vůbec vysílat, nejen kvůli případnému rušení leteckého provozu, ale i kvůli tomu, že tyto frekvence se více hlídají.

Ochrana před atmosférickou elektřinou

Opatření se týkají hlavně stavby antény. Podle staré normy měla být anténa umístěna na uzemněném stožáru a s ním vodivě spojena, přičemž tento stožár je uzemněn v nejnižším místě.
Podle nové normy je vhodnější umístit anténu "do stínu" jiného, již uzemněného elementu (typicky tyč jímače) a tuto anténu ani stínění přívodního koaxu na střeše nikde vodivě nespojovat s uzemněním! Je nutné dodržet určitou minimální vzdálenost neuzemněné antény od uzemněných prvků, aby při úderu blesku nedošlo k přeskoku na anténu. Více o tom najdete zde.
Z různých zkušeností je známo, že i v případě maximálních opatření může dojít při úderu blesku k poškození přístrojů. Na povrchu Země neexistuje místo, kam blesk nikdy nemůže udeřit. Všude je pravděpodobnost vyšší než 0, jakkoli může být zanedbatelná. Čert nikdy nespí nebo jak se to říká. Proto je nejlepší, když je při bouřce anténa odpojena a vysílání přerušeno. Dělat hrdiny je zcela iracionální. Blesku je úplně jedno, jaký je kdo machr. Tisíckrát to práskne jinde, ale jednou - šlus! Sto tisíc Ampérů. To je jeden milion Voltů na odporu 10 ohmů, což je běžný odpor cesty anténa - zem. Chcete to doma?
Je vhodné propojit střední vodič koaxu a jeho stínění aspoň přes odpor 1k nebo vf tlumivku, pokud toto propojení není zaručeno např. konstrukcí antény. Funkce antény tím nebude výrazně narušena, odstraní se však škodlivý vliv statické elektřiny, která se vyskytuje i jindy než jen při bouřce.

Příklady značení elektronických součástek

Kondenzátory

15 = 15 pF
270 = 27.10⁰ pF = 27 pF
101 = 10.10¹ pF = 100 pF
223 = 22.10³ pF = 22000 pF = 22 nF
2n2 = 2,2 nF
33k = 33 nF
5M = 5 uF = 5000 nF
1G = 1m0 = 1000 uF

Odpory

2j7 = 2R7 = 2,7 ohmů
150 = 150 ohmů
2k2 = 2,2 k = 2,2 kiloohmů = 2200 ohmů
10M = 10 megaohmů = 10000 kiloohmů

Preemfáze a deemfáze

Preemfáze je zvýraznění vysokých kmitočtů ve vysílaném pořadu na straně vysílače. Deemfáze je naopak potlačení vysokých kmitočtů na straně přijímače. Oboje se u FM vždy využívá, a to pro potlačení šumu a nepříjemného rušení při poslechu.
Na vysílací straně se kmitočty od asi 3 kHz výše zvýrazňují, čím vyšší kmitočet, tím vyšší zvýraznění. V přijímači jsou vysoké kmitočty zase potlačeny, čímž se dostanou na původní úroveň. Spolu s nimi je ale potlačen i šum, který, jak vyplývá z principu demodulace FM, roste úměrně s kmitočtem.
Pro nás to znamená hlavně to, že musíme při vysílání vzít ohled na preemfázi, jinak se to na straně příjemce projeví velkým úbytkem vysokých frekvencí a tím i kvality zvuku. Pro preemfázi se používá paralelní spojení kondenzátoru a odporu, přes které prochází zvukový signál. Časová konstanta (součin hodnot použitého kondenzátoru a odporu) je 50 us.

Frekvenční zdvih, šířka pásma

Jak víme, při vysílání frekvenční modulací (FM) se mění nosná frekvence v rytmu přiváděného signálu. Při malé úrovni přiváděného signálu je i změna frekvence malá a naopak. Norma připouští maximální změnu 75 kHz na obě strany od nosné frekvence. Tedy např. pro nosnou frekvenci 100 MHz to znamená, že přiváděný nf signál může být maximálně tak silný, že vyvolá změny nosné frekvence v rozmezí max. 99.925-100.075 MHz. Změna frekvence se nazývá frekvenční zdvih a jeho největší přípustná hodnota je tedy 75 kHz.
Ale teď pozor! Produktem FM není jen jedna neustále se měnící frekvence, ale při pohledu na sketrum je to mnoho frekvencí, většina jich však není příliš vzdálena od nosné. Při FM se totiž v rytmu změn frekvence mění tvar vlny z původní ideální sinusovky. A pamatujte, že každý signál, který nemá sinusový průběh, je ve skutečnosti směs více frekvencí a každý takový signál lze teoreticky rozložit na více sinusovek, které pak představují onu směs frekvencí. Aby to bylo ještě složitější, tak nejsilnější z těchto vedlejších frekvencí je nutno také přenést k přijímači. Proto běžné hi-fi přijímače přijímají i frekvence vzdálené od původní nosné až o 140 kHz (přenést jen frekvence vzdálené nejvíce 75 kHz prostě pro dobrý stereo příjem nestačí, i když by se tam celá nosná zdánlivě "vešla"). V tomto případě říkáme, že přijímač má šířku pásma 2*140=280 kHz.
Pro nás je nejdůležitější to, abychom do vysílače nepouštěli příliš silný nf signál a nepřekročili tak největší zdvih. To by se zpočátku jevilo na přijímači jako stanice, která je výrazně hlasitější než ostatní. Při dalším zvýšení zdvihu již dochází v přijímači ke zkreslení a rušení sousedních stanic. Rovněž, ač se to nezdá, se tím výrazně snižuje dosah našeho vysílače. Nejlepší je to vyzkoušet na autorádiu, nebo na tuneru se zapnutou funkcí Narrow. Tehdy je totiž šířka přijímaného pásma kolem 150 kHz a případné zkreslení se snadno pozná.

Část pod čarou už je takzvaně "nepovinná". Pro ty, co si chtějí ve věcech udělat jasno, jsem udělal výtah z několika publikací a doplnil to příklady.

Decibely

Decibely (dB) se používají k vyjádření poměru. Je to mnohdy výhodné. Pro poměr dvou výkonů platí:

počet decibelů = 10 * log ( P1 / P2 )

Pro převod z decibelů zpět na poměr platí:

P1 / P2 = 10 ^{počet dB / 10}

Příklad:

Výkon se změnil z 0,5 W na 1 W. O kolik dB se změnil výkon?

10 * log ( P1 / P2 ) = 10 * log ( 1 / 0,5 ) = 3 dB

Zisk antény a vyzářený výkon, ERP, EIRP

Mějme dvě antény, jednu blbou a jednu dobrou. Do obou pustíme z vysílače 1 W výkonu. Se kterou anténou budeme mít větší dosah? Samozřejmě s tou dobrou. Je tedy vidět, že tzv. vyzářený výkon určující dosah pokrytí závisí hodně na konstrukci antény a že při stejném výkonu vysílače může být dost různý. Právě proto se vyzářený výkon uvádí mnohem častěji než výkon vysílače.

Výkonový zisk antény je poměr vyzářeného výkonu této antény a vyzářeného výkonu referenční antény při stejném výkonu vysílače. Jako referenční anténu lze použít dipól nebo izotropní zářič.

A teď si trochu započítáme...

Pro zisk platí vztah: G = P ant / P ref

Zisk se dá vyjádřit také v decibelech: G = 10 * log ( P ant / P ref )
Pokud je referenční anténou dipól, udává se pro přehlednost zisk G v jednotce dBd, pokud je referenční anténou izotropní zářič, udává se zisk Gi v dBi. Platí, že: dBi = 2,15 + dBd, což jinými slovy znamená, že zisk v decibelech udávaný proti izotropnímu zářiči bude číselně o 2,15 větší než zisk udávaný proti dipólu. A dále to znamená, že zisk dipólu je 2,15 dBi = 0 dBd.

A dostáváme se přímo k výpočtu vyzářeného výkonu, který závisí na zisku antény a výkonu vysílače. Může být udáván ve vztahu k dipólu: ERP = P * G
nebo ve vztahu k izotropnímu zářiči: EIRP = P * Gi

Poznámka:
Mám takový dojem, že rozdíl mezi ERP a EIRP bývá často opomíjen a dochází k záměně těchto označení. Přitom platí přibližně toto: EIRP = 1,6 * ERP, tedy výkon vyjádřený jako EIRP je 1,6 krát (o 2,15 dB) větší než ten samý výkon vyjádřený jako ERP.

Příklad 1:

Máme vysílač o výkonu 2 W a osmiprvkovou směrovou Yagiho anténu se ziskem 8 dBd. Jaký bude EIRP ve směru největšího vyzařování?

Zisk v dBd nejprve převedeme na zisk v dBi:
Gi = 2,15 + G = 2,15 + 8 = 10,15 dBi

Poté zisk Gi převedeme z vyjádření v decibelech přímo na poměr:
10 ^{Gi / 10} = 10 ^{10,15 / 10} = 10,35

A dosadíme do vzorce:
EIRP = P * Gi = 2 * 10,35 = 20,7 W

Příklad 2:

K vysílání byl použit vysílač s výkonem P1 = 2 W a anténa se ziskem 7 dBi. Jaký by musel být výkon P2 vysílače, aby se nezměnil dosah, pokud bychom použili jako anténu dipól se ziskem 2,15 dBi?

Tady trochu naznačím, v čem je kouzlo použití decibelů. V tomto případě totiž stačí odečíst: 7 - 2,15 = 4,85 dB
Z toho je vidět, že při použití dipólu musí být výkon P2 o 4,85 dB větší:

P2 = P1 * 10 ^{4,85 / 10} = 2 * 3,05 = 6,1 W

Tady je krásně vidět, že kvalitní anténa nám může dost ušetřit výkon vysílače.

Za případné chyby se omlouvám :-)