SKENE

Autor: Eddy Bøgh Brixen | Redakcja: SKENE

Przewodnik po profesjonalnym bezprzewodowym audio – Część 6: Anteny, kable, sumatory i rozdzielacze.

6.01  Anteny

Wybór i obsługa anten mają kluczowe znaczenie dla działania systemów bezprzewodowych.
Antena musi mieć co najmniej 1/10 rzeczywistej długości fali, aby była skuteczna. Jednakże staje się naprawdę efektywna dopiero wtedy, gdy (w zależności od zasady działania) jej rozmiar jest nieco mniejszy – około 0,9–0,94 – od ćwierć lub połowy długości fali.
Pole elektromagnetyczne anteny nadawczej składa się z komponentu elektrycznego i magnetycznego. Komponent elektryczny jest ustawiony podobnie jak antena, natomiast komponent magnetyczny jest ustawiony prostopadle do anteny. Aby zapewnić optymalne przesyłanie pola bezpośredniego (pola bez odbić), anteny nadajnika i odbiornika muszą być ustawione w ten sam sposób.
W polu z wieloma odbiciami taka orientacja nie jest już tak istotna. Dlatego podczas korzystania z pasm UHF wewnątrz budynków nie ma decydującego znaczenia, czy anteny odbiorcze mają taką samą orientację lub czy są skierowane bezpośrednio w stronę nadajnika, ponieważ w większości przypadków odbierane jest pole odbite. Na zewnątrz (w polu bezpośrednim, bez odbić) różnica wynosi jedynie 3 dB przy kącie 90 stopni.

Rysunek 6.01. Prąd i napięcie anteny zależą od długości fali.

6.02   Impedancja anteny

Anteny – w zależności od tego, czy są antenami falowymi, półfalowymi czy ćwierćfalowymi – mają charakterystyczną impedancję dla częstotliwości, do których są dostrojone. Stopień wyjściowy nadajnika i antena nadawcza muszą być do siebie dopasowane, aby zapewnić optymalne rozpraszanie mocy.
Jeśli antena nie ma właściwej długości dla danej częstotliwości (najczęściej jest zbyt krótka), może być konieczne skompensowanie niedopasowania poprzez np. włączenie cewki szeregowo z anteną. Takie rozwiązanie jest szczególnie przydatne w bezprzewodowych mikrofonach ręcznych, gdzie antena o optymalnej długości mogłaby być niepraktycznie długa (więcej o tym później).
Zewnętrzne anteny do systemów bezprzewodowych zazwyczaj dążą do uzyskania impedancji 50 Ω.

6.03   Dipol, antena półfalowa

Półfalowa antena zaprojektowana jako dipol ma teoretycznie impedancję charakterystyczną (rezystancję promieniowania) 73,6 Ω w punkcie zasilania dla częstotliwości rezonansowej. Jednak – podobnie jak w przypadku innych anten – rzeczywista impedancja będzie różnić się, zazwyczaj rosnąc, ze względu na wpływ złączy, kabli, sposobu montażu itp.
Istotna jest także grubość samej anteny. Im grubsza antena, tym szersze jej pasmo (obejmujące większy zakres częstotliwości).

6.04  Dipol pętlowy (folded dipole), antena półfalowa

Półfalowa antena w formie złożonego dipola ma charakterystyczną impedancję około 300 Ω. Jeśli używany jest z nią niesymetryczny kabel, pomiędzy anteną a kablem typowo stosuje się transformator. Używa się transformatora o przełożeniu 2:1, co daje konwersję impedancji 4:1. W efekcie 300 Ω zostaje przekształcone na 75 Ω, czyli typową impedancję wejścia/wyjścia nadajnika lub odbiornika.

Rysunek 6.02. Dipol złożony, antena półfalowa z transformatorem.

6.05  Antena ćwierćfalowa

Antena ćwierćfalowa jest zazwyczaj zaprojektowana jako pół-dipol, tzn. z jednym końcem odniesionym do płaszczyzny masy. Może to być np. klasyczna antena typu ground-plane, (pol. antena z przeciwwagą) z jednym pionowym elementem (samą anteną) oraz trzema skośnymi elementami.

Płaszczyzna masy może być również tworzona przez powierzchnie metaliczne. Tak jest zazwyczaj w przypadku teleskopowych anten dołączanych do niektórych odbiorników. W takim układzie to sam odbiornik w mniejszym lub większym stopniu pełni rolę płaszczyzny masy.

Rysunek 6.06. Antena typu ground plane.

6.06  Cewka do dopasowania impedancji

Jak wspomniano wcześniej, w przypadku zbyt krótkiej anteny może być konieczne dodanie cewki, aby uzyskać odpowiednią impedancję, a tym samym optymalne przenoszenie mocy.

Anteny z cewką są zazwyczaj bardzo czułe na strojenie częstotliwościowe. Dlatego takie anteny powinno się zawsze zamawiać zgodnie z konkretną częstotliwością, na której będą używane.

Prawidłowy montaż — na przykład w bezprzewodowym mikrofonie ręcznym — również ma kluczowe znaczenie. Jeśli montaż zostanie wykonany nieprawidłowo, mogą pojawić się wstęgi boczne, czyli częstotliwości harmoniczne powyżej i poniżej częstotliwości nadawania, które mogą powodować zakłócenia na innych kanałach.

Należy unikać dotykania anteny, ponieważ zarówno ona, jak i generowane przez nią pole elektromagnetyczne, są podatne na uszkodzenia wskutek dotyku.

6.07   Antena Yagi

W niektórych przypadkach konieczne może być zastosowanie anten kierunkowych, na przykład przy nadawaniu lub odbiorze na dużych odległościach.

Antena Yagi to antena kierunkowa składająca się ze złożonego dipola, direktora i reflektora. Odległość pomiędzy dipolem a direktorem/reflektorem wynosi około 1/10 długości fali. Często anteny Yagi wyposażone są w wiele direktorów.

Zysk w osi anteny wynosi około 6 dB.

Rysunek 6.07. Antena Yagi.

6.08   Anteny typu „płetwa”, „shark fin” i podobne

Są to również anteny kierunkowe. Minimalny kąt promieniowania wynosi zazwyczaj 120–130°, przy czym czułość w tym zakresie jest około 12 dB niższa niż w osi anteny. Przy 180° czułość wynosi zwykle około –10 dB.
Anteny te mogą być strojone i używane zarówno jako anteny nadawcze, jak i odbiorcze.

Rysunek 6.08. Anteny kierunkowe: Wisycom Active Wideband oraz anteny typu „shark fin” i „płetwa”.

6.09  Strojenie anteny

Anteny nadawcze są zazwyczaj zoptymalizowane tak bardzo, jak to możliwe, aby były dostrojone do właściwych częstotliwości.
Anteny odbiorcze są zwykle projektowane jako bardziej szerokopasmowe, tak aby sygnał z tej samej anteny mógł być rozdzielany na wiele odbiorników za pomocą rozdzielaczy antenowych.

6.10  Umiejscowienie anteny

Zasadniczo anteny odbiorcze powinny być ustawione tak, aby miały bezpośrednią widoczność anten nadawczych oraz powinny być ustawione w tej samej orientacji (pionowo). Jednak w pomieszczeniach nie jest to bardzo krytyczne.
Anteny typu diversity powinny być umieszczone w odległości co najmniej 1/4 długości fali od siebie.

Anteny nadawcze i odbiorcze powinny być zawsze oddalone od siebie o minimum 4 metry. Podobnie, dwóch anten nadawczych nie należy umieszczać zbyt blisko siebie. W przeciwnym razie pojawią się zakłócenia, skutkujące słabą jakością dźwięku, szumami i zniekształceniami.

Anteny odbiorcze powinny być umieszczone tak, aby miały czystą linię widzenia na nadajniki. Na przykład, gdy nadajniki są używane w tłumie, anteny powinny być umieszczone powyżej wysokości głowy.

Zestaw anten dla odbioru diversity (i podobnych zastosowań) powinien być zamontowany tak, aby co najmniej jedna antena miała dobre warunki odbioru blisko miejsca, w którym zwykle znajduje się nadajnik. Jeśli antena odbiorcza jest zamontowana przed sceną, należy upewnić się, że nadajnik znajduje się zwykle przed aktorem/mówcą, np. w kieszeni zwróconej do przodu.

Anteny z przeciwwagą w studiach telewizyjnych i podobnych lokalizacjach nie powinny być umieszczane zbyt blisko kratownic oświetleniowych, które często są uziemione. W razie potrzeby antenę można zamontować do góry nogami, tak aby jej płaszczyzna masy była skierowana ku sufitowi.

Podczas montowania anten na ciele należy starać się zachować dystans 5 cm od skóry. Zbyt bliskie umieszczenie może spowodować utratę nawet 99% mocy nadawczej z powodu niedopasowania. Należy unikać także zamoczenia anteny potem. Sam nadajnik powinien być zamknięty w wodoodpornej torebce. Poza dopasowaniem, ciało ludzkie samo w sobie może tłumić pole elektromagnetyczne.
Anteny i kable powinny być zawsze podłączane zgodnie ze specyfikacją, tzn. z użyciem właściwych złączy i poprawnego montażu. W przeciwnym razie skuteczność systemu zostanie obniżona, ponieważ kabel może zacząć zachowywać się jak (niedopasowana) antena.

6.11  Wzmacniacze antenowe (boostery)

Booster to stopień wzmacniający sygnał z anteny. Booster nie rozróżnia, czy wzmacnia sygnał nadajnika, czy szum, dlatego nie ma żadnej korzyści z używania go, dopóki nie jest to absolutnie konieczne.

Boostery służą zazwyczaj wyłącznie do kompensacji strat w kablu i — jeśli to możliwe — powinny być ustawione na 0 dB.
W praktyce największe potrzebne wzmocnienie wynosi 18 dB.

6.12  Kable

Kable wybiera się w zależności od ich impedancji i tłumienia. Przewodnik i ekran tworzą kondensator, który w pewnym stopniu zwiera sygnał. Dlatego grubsze kable mają mniejsze tłumienie, choć mogą być trudniejsze do użycia w terenie. To może być powodem, aby unikać kabli dłuższych niż to konieczne.
Najlepiej jest umieścić odbiornik blisko anteny i prowadzić dłuższe kable sygnału audio, zamiast przedłużać kable antenowe.
Należy wybierać kabel o impedancji dopasowanej do anteny oraz nadajnika lub odbiornika, aby uzyskać optymalne przenoszenie sygnału.

Rysunek 6.09 Tłumienie w kablach 50-Ω na 100 metrów.

6.13  Rozdzielacz pasywny

Rozdzielacz to urządzenie, które może rozdzielać sygnał antenowy na kilka odbiorników. Ponieważ wymagane jest dopasowanie impedancji, w rozdzielaczu pasywnym występuje nieunikniona strata sygnału, zależna od liczby wyjść.
Straty wynoszą:
1:2 – 4 dB
1:3 – 6 dB
1:4 – 8 dB
1:6 – 10 dB

6.14  Rozdzielacze aktywne

Gdy potrzebna jest większa liczba kanałów, zwykle stosuje się rozdzielacz aktywny, aby zachować sygnał bez strat opisanych powyżej. Istnieje wiele dostępnych rozwiązań, jednak należy sprawdzić ich liniowość, ponieważ jest to parametr krytyczny przy pracy z sygnałami RF. Każda nieliniowość powoduje zniekształcenia, które mogą zakłócić odbiór sygnałów radiowych.

Trzeba także upewnić się, że rozdzielacz aktywny obejmuje wszystkie częstotliwości obsługiwane przez odbiorniki. Jeśli system bezprzewodowy może pracować poza zakresem obsługiwanym przez rozdzielacz, traci się dostęp do wielu potencjalnych kanałów transmisyjnych.

To samo dotyczy odbiorników wyższej klasy z wbudowaną możliwością kaskadowania anten. Należy sprawdzić, ile urządzeń producent zaleca łączyć w kaskadę (często tylko jedno) oraz jaki jest poziom sygnału na wyjściu, ponieważ może on zawierać dodatkowy szum lub mniejszą moc sygnału. Ponadto większość takich wyjść kaskadowych nie jest szerokopasmowa — ich zakres jest ograniczony do wąskopasmowej częstotliwości obsługiwanej przez dany odbiornik. Oznacza to, że nie można łączyć odbiorników z różnych pasm, ponieważ ich zakresy się nie pokrywają.

6.15  Kombinery/macierze RF

W większych instalacjach może zaistnieć potrzeba połączenia wielu anten rozmieszczonych w różnych lokalizacjach. Typowe zastosowania to centra produkcyjne, w których reżyserka współpracuje z kilkoma studiami jednocześnie, lub teatr, który okazjonalnie musi łączyć scenę główną, foyer i hol. Także wozy ENG lub OB mogą korzystać z możliwości zarządzania różnymi strefami RF. W tych sytuacjach pomocne jest rozwiązanie typu Combiner/Matrix. Jego elastyczność oraz możliwość pracy w paśmie szerokim ułatwiają wdrażanie infrastruktury audio bezprzewodowego i optymalizują całkowity koszt inwestycji (CAPEX), np. poprzez współdzielenie zasobów takich jak mikrofony bezprzewodowe.

6.16  RF over Fiber (RFoF)

Dystrybucja sygnału antenowego na duże odległości za pomocą konwencjonalnych kabli nie jest optymalna, ponieważ dochodzi do zbyt dużych strat sygnału. Do tego celu zaprojektowano technologię dystrybucji RF poprzez światłowód – RF over Fiber. Technika ta wykorzystuje Course Wavelength Division Multiplexing (CWDM). Powiązaną technologią jest Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM). Obie metody stosuje się w sieciach światłowodowych do przesyłania wielu sygnałów na różnych długościach fal światła poprzez jedno włókno.

6.17  Szumy

Istnieje wiele przyczyn występowania szumów w odbiorze. Po pierwsze, może to oznaczać, że odbierany sygnał jest zbyt słaby — np. gdy anteny nadajnika i odbiornika są zbyt daleko od siebie, nie mają wzajemnej widoczności lub występuje przesunięcie fazowe.

Jeśli w sygnale pojawiają się „ogony szumowe”, zwykle oznacza to, że nadajnik jest zbyt słabo modulowany. W takim przypadku należy zwiększyć wzmocnienie LF w samym nadajniku.

Szum może również wynikać z promieniowania elektromagnetycznego oddziałującego na kabel antenowy, np. gdy długi kabel przebiega w kanałach kablowych obok przewodów oświetleniowych, styczników lub innych instalacji generujących zakłócenia. To kolejny powód, aby unikać długich kabli antenowych. Jeśli jednak trzeba poprowadzić kabel przez takie środowisko, można umieścić go w metalowej rurze wodociągowej i uziemić jeden koniec rury. Ważne: nie może być elektrycznego połączenia między kablem a rurą.

We współczesnych środowiskach produkcyjnych częstym źródłem szumu są ekrany LED, oprawy oświetleniowe LED oraz inne urządzenia pracujące w tym samym paśmie.