Разработка алгоритма и программных средств проектирования антенно-согласующих цепей цифровых радиовещательных передатчиков стандарта drm

Разработка алгоритма и программных средств проектирования антенно-согласующих цепей цифровых радиовещательных передатчиков стандарта РкМ

Ключевые слова: цифровое радиовещание, DRM, длинные волны, передающая антенна, согласующая цепь.

Для выполнения требований ЭМС современным высокоэффективным радиовещательным передатчикам, работающим в цифровом режиме стандарта РИМ, требуется хорошее согласование с нагрузкой (КСВ<1,05) во всей полосе частот передаваемого сигнала. Существующие на сети вещания антенные системы диапазона ДВ и, частично, СВ не обеспечивают требуемого значения КСВ и не могут быть согласованы до нужных параметров традиционными методами. Для решения этой задачи целесообразно использовать частотно-расширительные цепи (ЧРЦ), построенные на основе класса цепей с постоянным резистивным сопротивлением, позволяющие обеспечить работу современных вещательных передатчиков ДВ и СВ диапазонов в режиме РИМ на узкополосную антенну. Разрабатывается алгоритм синтеза антенно-согласующих цепей, включающий в себя определение добротности антенны, структуры ЧРЦ и ее параметров. Приводится описание разработанных программных средств инженерного проектирования основных узлов ЧРЦ, позволяющих определить номиналы компонентов, реактивные мощности и величину потерь в балластной нагрузке. Применение обсуждаемых решений дает возможность построения сети цифрового радиовещания стандарта РИМ в ДВ и СВ диапазонах частот с использованием существующих в РТРС антенно-мачтовых сооружений.

Варламов О.В.,

Старший научный сотрудник НИЛ-6 МТУСИ, к.т.н, vov@mtuci.ru

Для выполнения требований ЭМС современным высокоэффективным радиовещательным передатчикам, работающим в цифровом режиме стандарта Р1^М, требуется хорошее согласование с нагрузкой (КСВ<1,05) во всей полосе частот передаваемого сигнала [1]. Существующие на сети вещания антенные системы диапазона ДВ и, частично, СВ не обеспечивают требуемого значения КСВ и не могут быть согласованы до нужньх параметров традиционными методами. Для решения этой задачи автором предложено использовать частотно-расширительные цепи (ЧРЦ) [2], построенные на основе класса цепей с постоянным резистивным сопротивлением, позволяющие обеспечить работу современных вещательных передатчиков ДВ и СВ диапазонов в режиме Р1^М на узкополосную антенну.

Далее приводятся результаты расчетов потерь в ЧРЦ в зависимости от полосы пропускания антенны для различных режимов работы передатчика, и разрабатывается алгоритм синтеза антенно-согласующих цепей (АСЦ), включающий в себя определение добротности антенны, структуры ЧРЦ и ее параметров. Приводится описание разработанных программных средств инженерного проектирования основных узлов ЧРЦ, позволяющих определить номи-

налы компонентов, реактивные мощности и величину потерь в балластной нагрузке.

Потери в ЧРЦ в различных режимах работы передатчика

Результаты проведенных расчетов потерь в ЧРЦ при различных исходных полосах пропускания антенны для полос сигнала DRM 9 кГц и 10 кГц, а также для режима одновременной передачи аналогового и цифрового сигналов Simulcast с суммарными полосами частот 18 кГц и 20 кГц приведены на рис. 1. Там же показана неравномерность АЧХ в полосе сигнала DRM в режиме Simulcast. Следует отметить, что при работе в режиме Simulcast ЧРЦ настраивается на

частоту несущей АМ сигнала, и потери, вносимые ЧРЦ в сигнал АМ, пренебрежимо малы. Как видно из рис. 1, при исходной полосе пропускания антенны более 10 кГц для сигнала DRM потери в ЧРЦ не превышают 1 дБ, и ЧРЦ можно использовать. При исходной полосе пропускания антенны более 34 кГц возможно использование режима Simulcast, при этом потери в ЧРЦ также не превышают 1 дБ, а неравномерность АЧХ — 2 дБ.

Алгоритм проектирования антенно-согласующих цепей

Для проектирования АСЦ необходимо провести измерения входного импеданса соб-

Рис. 1. Потери в ЧРЦ в различных режимах работы передатчика в зависимости от исходной полосы пропускания антенны

РАСЧЕТ ФНЧ -ТРАНСФОРМАТОРА (

Ввод данных Примечание

Rbx, Ом 16

RBbix, Ом 60 Пявых > Rbx

Fhhjkh, МГц 0.161

Рверхн. МГц 0.181 Fb«pxh > Рнижи

КСВ 1.01

Q (L1, L3) 200

Максимально гладкая АЧХ (Smooth):

Количество I-С элементов Msm = 6 t.

Deta_sm= 126439Е06

Резупьтмруюи»** КСВ

КСВ sm = 1.002251

9 согласование. Rebix > Rex) L1

L3

Явых

расчета P Равноколебательная АЧХ (Equal-ripple):

Количество L C3neMeHT08 *

Мег = 4

Delta _ef = 2 358E-05

Реіупьтмруюи**» КСВ КСВ ег= 1.00976

Fmcxm Fmux F«*o«h

А1 sm = 0 L1, uHn = 0 1 А1_«г > 0 3176988 L1, uHn = 16.76132831

А2 sm = 0 С2. uF = 0 1 А2_«» 30199342 С2, UF = 0.044257592

A3_sm = 0 L3, uHn = 0 1 A3_ef > 08053158 L3, иНп = 42.48728853

А4 sm = 0 С4, uF = 0 А4 «< 1 1913706 С4, uF = 0.017459717

Eff. dB= 0 Eff, dB= -0.067896715

ПРИМЕЧАНк 1Е: М>4 не практично для мош ных устройств, попробуйте

ственно антенны в полосе частот ±10 кГц от значения рабочей частоты. Для проведения инженерных расчетов можно считать достаточным шаг измерений, равный 1 кГц.

По полученным значениям входного импеданса по выражениям, приведенным в [2] или с помощью описанного ниже калькулятора ЧРЦ, определяется добротность антенны и ее полоса пропускания на рабочей частоте. В соответствии с рис. 1 определяются потери в различных режимах работы передатчика и принимается решение либо об использовании ЧРЦ (потери менее 1 дБ) либо о строительстве новой антенны.

Имеющуюся на большом числе антенн схему согласования сопротивления антенны с сопротивлением питающего фидера с помощью шлейфов в большинстве случаев придется отключать, поскольку такое согласование дополнительно сужает полосу пропускания антенны. Реактивную составляющую входного сопротивления антенны на рабочей частоте компенсируют включением последовательной реактивности с обратным знаком. Далее необходимо трансформировать активное сопротивление антенны на центральной частоте в сопротивление питающего фидера. Для этого можно использовать Г- или П-цепочки, которые рассчитываются по общеизвестным методикам. Меньшее дополнительное рассогласование в требуемой полосе частот может быть обеспечено с помощью ФНЧ-трансформаторов, проектирование которых рассматривается в следующем разделе.

С целью обеспечения температурной стабильности параметров, требования к которой достаточно высоки [2], собственно ЧРЦ рекомендуется устанавливать в здании передатчика. Питающий фидер вносит дополнительный фазовый сдвиг, величина которого достаточно сложно поддается расчету с требуемой точностью — в основном, из-за сложности определения электрической длины и реального волнового сопротивления. Поэтому можно рекомендовать еще раз провести измерения импеданса антенны в точке входа в здание передатчика (вместе с питающим фидером и ФНЧ-транс-форматором). На основании этих измерений определяется требуемый сдвиг фаз, который необходим для приведения сопротивления антенны к эквиваленту последовательного либо параллельного контура. Напомним, что в соответствии с [2] более предпочтительной в большинстве практических случаев является параллельная конфигурация ЧРЦ, для которой входное сопротивление антенны должно быть приведено к эквиваленту последовательного контура.

Фазосдвигающие цепочки, выполненные в виде Т- или П-цепей рассчитываются по общеизвестным методикам [3].

Рис. 2. Калькулятор ФНЧ трансформаторов

Учитывая, что элементы согласования антенны с питающим фидером и фазосдвигающие цепочки, как и сам фидер протяженной длины [3], дополнительно ограничивают полосу пропускания антенной системы, рекомендуется еще раз провести измерения входного импеданса антенны в точке после фазосдвигающей цепи, и по этим измерениям окончательно рассчитать номиналы элементов ЧРЦ.

Проектирование ФНЧ-трансформаторов

ФНЧ-трансформаторы, также, как Г-, Т- или П-цепочки, обеспечивают трансформацию соответствующих сопротивлений, но в заданной полосе частот имеют нормированный КСВ.

Методика проектирования ФНЧ-трансформаторов приведена в [4, 5]. Для инженерного проектирования разработан калькулятор ФНЧ трансформаторов (рис. 2), позволяющий по заданным сопротивлениям 1^вх, Рвых в полосе частот от Fнижн до Fверхн проводить расчеты для

случаев максимально гладкой и равноколебательной АЧХ с заданным КСВ. Калькулятор определяет необходимое число элементов и их номиналы, а также потери при заданных добротностях индуктивностей О. Рассчитываемое количество элементов ограничено четырьмя, поскольку применение большего числа мощных реактивных элементов в рассматриваемом случае является непрактичным.

Калькулятор ЧРЦ

Ввиду сложной зависимости импеданса антенны от частоты (изменяется и активная, и реактивная компоненты, и, соответственно, эквивалентная добротность антенной системы), проектирование ЧРЦ с оптимальными параметрами рекомендуется проводить в достаточно

мощных программных средах (например, MWO), имеющих встроенные алгоритмы оптимизации по нескольким критериям.

Для инженерного проектирования и предварительной оценки возможных вариантов можно пользоваться разработанным калькулятором ЧРЦ.

Поскольку наиболее реализуемым на практике является вариант с параллельной конфигурацией ЧРЦ, в калькуляторе ЧРЦ проводится расчет именно параллельной конфигурации, причем одновременно как для включения ЧРЦ в тракте антенны, так и в тракте фидера.

Калькулятор ЧРЦ выполнен в виде расчетного листа программы Microsoft Office Excel 2003 (рис. 3), в котором предусмотрен ввод исходных данных для расчета, содержатся все необходимые формулы и средства для графического отображения исходного КСВ антенны и результирующего КСВ при применении ЧРЦ.

Базовыми исходными данными для ввода в программу являются:

• центральная частота;

• значения импеданса антенны Z (Ra, Xa) на центральной частоте;

• значения импеданса антенны на частотах, отстоящих на ± 10 кГц от центральной частоты;

• значение волнового сопротивления фидера.

Этих данных достаточно для определения параметров ЧРЦ и потерь в балластной нагрузке.

Дополнительно можно вводить значения мощности передатчика в режимах АМ и DRM, значение добротности катушки индуктивности и конденсаторов (тангенс угла потерь). Эти данные позволяют определить пиковые напряжения на конденсаторах ЧРЦ, их реактивную мощность, величину активных потерь в конденсаторах, катушке индуктивности и балластной

:А] Файл Омеге Вид Вставке Фооаат Сервис Денные Qkho Справка

ABC D Е F G Н і : J к L М N О 1

1 Расчет частотно-расширительной цепи для передатчиков ОКМ диапазонов ДВ и СВ

2 (для антенны в виде последовательного контура) для оценки параметров согласования и номиналов элементов

Ввод исходных данных

Щші-______________________I_____

J5 Пиковая мощность в DRM кВт Р<1_пик = ~16]

~17~[

1ІІ

J9 20 21 j 22!

1 (Центральная частота кГц Рраб = 171

2 2 антенны на частотах кГц 161 171 181

2а. 9 Ом 1 7.4 8 87

26 X Ом ОД •522 •42.0

3 Сопротивление фидера Ом Е? фид = 60

4 Мощность несущей в АМ кВт Рам = 500

5 Средняя мощность в 0ІЗМ кВт Р<1 = 300

5 Добротность индуктивности О = 400

7 Потери 8 конденсаторах 1д(ЬеМа) = 0.0001

Ввод исходных данных только в ячейки зеленого цвета Десятичный разделитель  точкаШ

Результаты расчета

Рекомендуется последующая оптимизация в MWO

Компенсирующая реактивность: 48.58 - Индуктивность. мкГн

Добротность антенны 0= 14 4 Полоса пропускания 11 9 кГц

Параллельная частотно-расширительная цепь

Номиналы при установке ЧРЦ В тракте антенны В тракте фидера

Сопротивление. Ом 8 60

Индуктивность. мкГн 0517125 3.878438

Емкость. пФ 1675145^^^^ 223352.7^^^^

омпонентов в режиме DRM Hi

Пиковое напряжение (действ) В 48990 134164

Реактивная мощность пик кВАР 43195 6 431956

Реактивная мощность средн кВАР 43196 43196

Потери в конденсаторах. Вт 432 0 4320

Потери в индуктивности Вт 10798 9 107989

Полоса сигнала 0RM кГц Мощность в балласте Вт Потери в балласте %

9

51157 3 17 05

10 57825 8 1928

18

110193 2 36 73

Сведения для выбора компонентов в режиме АМ

20 120831 4 40 28

Пиковое напряжение (действ ) 8 Реактивная мощность, пик. кВАР Реактивная мощность средн . кВАР Потери в конденсаторах Вт

24 Пиковая мощность в АМ квт Рам_пик = 2000

25 Средняя мощность = 1.2 от несущей. кВт 600 ~2Б|

27 Примечание

28 В режиме несущей мощность в балласте = 0.

29 Максимальные потери в балласте • при верхней частоте модуляции _Э01и т = 100% режим используется только при снятии характеристик

_31 Для построения графиков КСВ введите подробные данные о 1 антенны:

32 33'

35

36

37

1 «I 13

~аа1

45

48'

49 50'

51 '

я]

53:

40000

28797 1 8639 1 8639 21597 8

10954 5 28797.1 8639.1 8639 215978

Верхняя частота модуляции кГц 5 10

Максимальные потери в балласте Вт 103759 184912

F кГц R Ом X Ом

161 74 -63 8

162 74 -625

163 7.5 61.3

164 76 -60 1

165 76 -58 9

166 7.7 -57.8

167 7.7 -566

168 78 -55 5

169 79 -543

170 79 533

171 8 -52 2

172 8.1 -513

173 8 1 -502

174 82 •49 3

175 8.3 -483

176 8.4 -47.3

177 84 -46 4

178 85 -45 5

179 86 -44 5

180 8 7 •437

181 87 -428

6 5 се 4 *3 2 1 1«

S

Ю 1C .5 17 О 17* Чмютв, itfu 181 18

1 .—*

в 1 * 1Л 1 / \ r /

\ f V I —KC8 pel I

&

ГК \

\J

16 О 16S 170 17S 180 1

Рис.3. Калькулятор ЧРЦ

нагрузке как в режиме РІРМ, так и в режиме АМ (справочно, поскольку в АМ ЧРЦ можно отключать), что необходимо для выбора компонентов и оценки их стоимости.

Также можно ввести значения импеданса антенны Ъ (Ра, Ха) на центральной частоте и на частотах, отстоящих на ± 10 кГц от центральной

частоты с шагом 1 кГц, при этом будут построены графики исходного КСВ антенны и КСВ при применении ЧРЦ.

Приведенный на рис. 3 пример расчетов параметров ЧРЦ относится к одному из наиболее "сложных" случаев, когда антенна (ШАРРТ высотой 257 метров на частоту 171 кГц) имеет

полосу пропускания 11,9 кГц. Как видно из нижнего графика на рисунке 3, ЧРЦ обеспечивает результирующий КСВ не более 1,035 в полосе частот ±10 кГц при потерях в полосе сигнала DRM 9 кГц менее 1 дБ.

Возможность использования режима Simulcast в диапазоне ДВ

В настоящее время в диапазоне ДВ зарубежными вещателями используется только поочередное вещание в режимах АМ или DRM. На протяжении переходного периода актуальна одновременная передача аналоговых и цифровых сигналов, для чего потребуется удвоенная полоса частот и соответствующее согласование антенной системы в этой полосе. Как видно из рис. 1, использование режима Simulcast потенциально возможно при исходной полосе пропускания антенны более 34 кГц (по критерию допустимых потерь в ЧРЦ не более 1 дБ). Такие полосы пропускания имеют ряд находящихся в эксплуатации антенн высотой 257 метров, работающих в верхней половине диапазона ДВ, в частности, антенна ШАРРТ на частоту 234 кГц (п. Красный Бор). По описанному выше алгоритму проведено проектирование антенно-согласующей цепи, включающей в себя 4-х элементный ФНЧ-трансформатор с равноколебательной АЧХ для согласования с питающим фидером, Т- образную фазосдвигаюшую цепочку и собственно ЧРЦ в параллельной конфигурации

Антенна ШАРРТ 257 м

Литература

1. Jochen Huber. DRM on MF and LF, coverage and technical requirements. EBU-DRM Conference. 26 Nov 2009 / Geneva (CH). URL: http://tech.ebu.ch/ docs/events/drm09/presentations/ebu_drm09_hube r.pdf (дата обращения: 12.12.2012).

2. Варламов О.В., Горегляд ВД Расширение полосы согласования передающих вещательных антенных систем диапазона ДВ для работы в режиме DRM // Т-Comm — Телекоммуникации и транспорт, 2013. — №1. — C. 18-22.

3. Белоусов СП., Гуревич Р.В., Клипер ГА, Кузнецов ВД Антенны для радиосвязи радиовещания. Часть 2 Средневолновые и длинноволновые антенны. — М.:Связь,1980. — 120 с.

4. Шумилин М.С., Козцрев В.Б., Власов ВА Проектирование транзисторных каскадов передатчиков. Учеб. пособие для техникумов. — М.: Радио и связь, 1987. — 320 с.

5. Шахгильдян В.В., Шумилин М.С., Попов ИА и др. Проектирование радиопередающих устройств: Учеб. пособие для вузов / Под ред. В.В. Шахгильдя-на. — М.: Радио и связь, 1984. — 424 с.

DEVELOPMENT OF ALGORITHM AND SOFTWARE TOOLS FOR ANTENNA-MATCHING CIRCUIT DESIGN OF DRM DIGITAL BROADCAST TRANSMITTERS

Oleg Varlamov, Moscow Technical University of Communications and Informatics, senior staff scientist, Ph.D., vov@mtuci.ru

Abstract

To fulfill the requirements on electromagnetic compatibility of modern high efficiency broadcast transmitters operating in digital DRM standard, a good matching with the load (VSWR<1.05) in the entire frequency band of the transmitted signal is required. Now existing on the nets antenna systems of LW band and partially in MW band do not maintain the required VSWR and can not be matched to the required parameters by traditional methods. To solve this problem it is advisable to use a frequency- extension network (FEN), constructed based on the class of circuits with constant resistive impedance, and that could provide the work of modern broadcast transmitters of LW and MW bands in DRM mode on narrowband antenna. In this paper we develop synthesis algorithm antenna-matching circuits, including a definition of antenna quality factor, FEN structure and its parameters. Describes the developed software for engineering design of main FEN units, allowing to define component values, reactive power and power loss in ballast load. The usage of those solutions gives it possible to make networks of digital broadcasting in DRM mode in LW and MW frequency bands with using the now existing in RTRN antenna-towers.

Keywords: digital broadcasting, DRM, long waves, transmitting antenna, matching circuit.

References

1. Jochen Huber. DRM on MF and LF, coverage and technical requirements. EBU-DRM Conference. 26 Nov 2009 / Geneva (CH). URL: http://tech.ebu.ch/docs/events/drm09/presentations/ebu_drm09_huber.pdf (дата обращения: 12.12.2012).

2. Varlamov O.V., Goregliad V.D.The increased bandwidth matching the transmission of broadcast antenna systems for a range of DV mode DRM // T-Comm — Telecommunications and Transport, 2013. Number 1. R18-22.

3. Belousov S.P., Gurevich R.V, Kliger G.A, Kuznetsov V.D. Antennas for radio broadcasting. Part 2: medium-and long-wave antenna. M.: Communications,1980. 120 p.

4. Shumilin M.S., Kozyrev V.B., Vlasov VA Design of transistor stages of transmitters. Textbook. aid for colleges. M.: Radio i svyaz, 1987. 320 p.

5. Shakhgildyan V. V., Shumilin M.S., PopovIA. Design of radio transmitters: textbook for high schools/ M.: Radio i svyaz, 1984. 424 p.

Рис. 5. Характеристики антенно-согласующей цепи для использования антенны ШАРРТ 234 кГц в режиме Simulcast

(рис. 4). Анализ спроектированной антенно-согласующей цепи (рис. 5) показал возможность получения КСВ не более 1,05 в полосе частот 20 кГц при настройке ЧРЦ на частоту несущей АМ сигнала (в качестве примера на 229 кГц). При этом неравномерность АЧХ в полосе сигнала Р1^М не превышает 1 дБ, а потери в полосе сигнала Р1^М составляют менее 0,5 дБ.

Заключение

Разработанный алгоритм и программные средства проектирования антенно-согласующих цепей цифровых радиовещательных передатчиков стандарта DRM позволяют использовать существующие антенные системы диапазона ДВ для создания сетей цифрового радиовещания стандарта DRM. В верхней половине диапазона ДВ просматривается потенциальная возможность применения режима Simulcast с двойной полосой частот.