Πίσω από την τεχνολογία της επίγειας κεραίας

Είναι οικείο σαν θέαμα στις μεγαλουπόλεις, αλλά ακόμη και σε ορισμένες επαρχιακές πόλεις ή χωριά,  το πλήθος κεραιών που βρίσκονται εγκαταστημένες στις ταράτσες, στα μπαλκόνια, στις οροφές , τα κεραμίδια, καθώς και σε διάφορα άλλα σημεία.

Το μεγαλύτερο μέρος από αυτές, αποτελείται από κεραίες λήψης επίγειου τηλεοπτικού σήματος, ενώ ακολουθούν σε αριθμό τα δορυφορικά κάτοπτρα και έπειτα, με τεραστία διάφορα, κάποιες κεραίες ειδικών εφαρμογών, όπως αυτές που προορίζονται για ζεύξεις (link) π.χ. στους 2,4GHz ή για λειτουργία στις ραδιοερασιτεχνικές συχνότητες βραχέων, μεσαίων ή V-U.

Πίσω όμως από αυτά τα σίδερα που βλέπετε στις ταράτσες, που ενδεχομένως να σας φαίνονται αντιαισθητικά, υπάρχει μια ολόκληρη επιστήμη όσον αφορά την θεωρία, αλλά και μια τεράστια τεχνογνωσία όσον αφορά την πράξη. Για αυτό πήραμε το θάρρος να σας παρουσιάσουμε τα βασικά στοιχεία της θεωρίας των κεραιών λήψης επίγειου τηλεοπτικού σήματος VHF-UHF, κάτι που θα σας επιτρέψει να κατανοήσετε όχι μόνο τον σχεδιασμό τους και τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά τους, αλλά και να καταλάβετε τους λόγους που παρατηρούνται διαφορές και ομοιότητες. Φυσικά, ένα μεγάλο σύνολο του άρθρου αυτού απευθύνεται σε οποιαδήποτε κεραία και όχι αναγκαστικά μόνο σε αυτές που προορίζονται για λήψη τηλεοπτικού σήματος στα VHF -UHF.

 

Οι πιο συνηθισμένες κεραίες λήψης τηλεοπτικού σήματος είναι τύπου Yagi (σχήμα 1). Kατασκευαστικά θα παρατηρησετε ότι αυτές αποτελούνται από το δίπολο, τους ανακλαστήρες και τους κατευθυντήρες. Το δίπολο είναι το μόνο στοιχείο που βρίσκεται σε ηλεκτρική σύνδεση με την γραμμή μεταφοράς (καλώδιο). Πίσω από το δίπολο βρίσκονται οι ανακλαστήρες, οι οποίοι ανακλούν τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα προς το δίπολο, ενώ μπροστά βρίσκονται οι κατευθυντήρες που ουσιαστικά αυξάνουν την ικανότητα της κεραίας να λάβει σήματα από μια ορισμένη κατεύθυνση.

 

Η αρχή λειτουργίας των επίγειων κεραιών βασίζεται στο φαινόμενο της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής. Το ηλεκτρομαγνητικό κύμα που μεταφέρει το τηλεοπτικό σήμα, φτάνει στην περιοχή της κεραίας και δημιουργεί επαγωγικό ρεύμα στα στοιχεία της. Στην ουσία η κεραία δεν κάνει τίποτε περισσότερο, από το να μετατρέπει το ηλεκτρομαγνητικό κύμα που λαμβάνει σε ρεύμα, διατηρώντας όσο τον δυνατόν αναλλοίωτη την πληροφορία εικόνας και ήχου που μεταφέρεται.

Το σχήμα και το μέγεθος της κεραίας, αλλά και το μήκος των στοιχείων της, έχουν άμεση σχέση με την συχνότητα του εκπεμπόμενου ηλεκτρομαγνητικού κύματος, που καλείται να συλλέξει. Για αυτό ανάλογα με την συχνότητα ή την περιοχή συχνοτήτων που επιθυμούμε να συλλέξουμε, πρέπει να προβούμε κατά αρχήν και στον ανάλογο σχεδιασμό της κεραίας.

 

Το βασικότερο ηλεκτρικό χαρακτηριστικό μιας κεραίας είναι η απολαβή της. Η άποψη ότι όσο μεγαλύτερη είναι αυτή τόσο καλύτερη λήψη έχουμε είναι σωστή εν μέρει, μιας και δεν ισχύει σε όλες τις περιπτώσεις αλλά εξαρτάται και από τις συνθήκες λήψης της κάθε περιοχής. Μάλιστα σε κάποιες περιπτώσεις μια κεραία υψηλής απολαβής μπορεί να φέρει αντίθετα αποτελέσματα από τα προσδοκώμενα, αφού μπορεί να υπεροδογήσει (μπουκώσει) το τηλεοπτικό σήμα.

Η απολαβή της κεραίας που ονομάζεται και κέρδος ισχύος (Gain), μετριέται σε dB(decibel) και δίνεται από τον τύπο Α (db)=10log(P2/P1), όπου P2  η λαμβανόμενη ισχύς της ισοτροπικής κεραίας και P1 η ισχύς της  μονοκατευθυντικής. Ο παραπάνω τύπος μας δίνει ένα μέτρο σύγκρισης της ισχύος εισόδου μιας συγκεκριμένης κεραίας σε σχέση με μια ισοτροπική που θεωρείται κεραία αναφοράς.

Σαν κεραία  αναφοράς χρησιμοποιούμε  ένα ισοτροπικό δίπολο, όπου θεωρητικά το κέρδος του είναι μηδέν, δηλαδή έχει ακριβώς την ίδια απολαβή σε όλες τις κατευθύνσεις. Στην πράξη κάτι τέτοιο δεν μπορεί να κατασκευαστεί, αλλά βοηθάει στο να κατανοήσουμε την σημασία της απολαβής μιας κεραίας. Διπλάσια ισχύς αντιστοιχεί σε 3dΒ, ενώ τετραπλασιασμός ισχύος αντιστοιχεί σε 6dΒ κλπ. Δηλαδή κάθε φορά που η ισχύς του σήματος διπλασιάζεται, η απολαβή αυξάνεται κατά 3dB.

Η πόλωση της κεραίας μπορεί να είναι οριζόντια ή κάθετη ανάλογα με την πόλωση που έχουν τα υπό λήψη κύματα. Επειδή όμως τα τηλεοπτικά σήματα στη χώρα μας χρησιμοποιούν οριζόντια πόλωση, με κάποιες εξαιρέσεις, θα προσέξετε πως σχεδόν όλες οι εγκατεστημένες κεραίες έχουν τα στοιχεία τους παρατεταγμένα σε οριζόντια διάταξη.

Κάθε κεραία χαρακτηρίζεται από ένα πολικό διάγραμμα. Αυτό δείχνει την ικανότητα της κεραίας να λαμβάνει ηλεκτρομαγνητικά κύματα, από τις διάφορες κατευθύνσεις γύρω της. Δηλαδή δείχνει την ευαισθησία της κεραίας, σε σχέση με τις διάφορες κατευθύνσεις που μπορεί να έρχεται το τηλεοπτικό σήμα. Κανονικά για το διάγραμμα ακτινοβολίας απαιτείται τρισδιάστατη απεικόνιση, αλλά η σημασία του μπορεί να αποδοθεί και στις δυο διαστάσεις, μιας και στην τρίτη δεν έχουμε ιδιαίτερες μεταβολές. Όπως θα παρατηρησετε στο σχήμα 2, υπάρχει ένας ισχυρός λοβός και γύρω του άλλοι μικρότεροι πλευρικοί λοβοί. Πρόκειται για τον λοβό που μας ενδιαφέρει, καθώς περιγράφει σχηματικά την δυνατότητα λήψης της κεραίας μας.

Η κατευθυντικότητα μιας κεραίας, καθορίζει την δυνατότητά της να λαμβάνει τηλεοπτικά σήματα, από μια περιοχή λήψης και όχι από ένα σημείο. Αυτό και πάλι ορίζεται από τον κεντρικό λοβό απολαβής. Όσο μεγαλύτερο είναι το άνοιγμά του, τόσο μικρότερη είναι η κατευθυντικότητα της κεραίας και αντίστροφα. Έτσι, εάν έχουμε δυο κοντινές πήγες εκπεμπόμενων ραδιοκυμάτων, με στενότερο λοβό έχουμε μεγαλύτερη ικανότητα διαχωρισμού τους.

Μια άλλη σημαντική παράμετρος που χαρακτηρίζει μια κεραία είναι το front to back ratio ή αλλιώς λόγος F/B. Ο λόγος αυτός είναι ιδιαίτερα σημαντικός, καθώς δείχνει το ποσοστό απόρριψης των ανεπιθύμητων σημάτων, που προέρχονται από την αντίθετη κατεύθυνση. Όσο μεγαλύτερος είναι ο λόγος F/B, τόσο καλύτερο και καθαρότερο σήμα, χωρίς παρεμβολές (που μπορεί να προέρχονται και από μεταδόσεις πίσω από την κεραία), φτάνει στην TV μας.

 

Οι φυσικές διαστάσεις μιας κεραίας έχουν άμεση σχέση με την απολαβή της. Γενικά όσο μεγαλύτερη είναι μια κεραία, τόσο μεγαλύτερο είναι το κέρδος της, εφόσον βέβαια μιλάμε για δύο κατά τα άλλα ολόιδιες κεραίες.

Το σχήμα, καθώς και το μήκος των στοιχείων μιας κεραίας, σχετίζονται άμεσα με το μήκος κύματος  του σήματος εκπομπής και το εύρος συχνοτήτων που θέλουμε να καλύψουμε. Κάθε στοιχείο ή δίπολο, θα πρέπει να έχει μήκος ίσο, με το μισό του μήκους κύματος της ακτινοβολίας που θέλει να συλλάβει, δηλαδή το μήκος του διπόλου θα πρέπει να είναι λ/2.

Εκτός όμως από το μήκος, σημαντικό ρόλο παίζει και το πάχος του διπόλου, δηλαδή η διάμετρός του. Όσο μεγαλύτερη  είναι η περιοχή λήψης που επιθυμούμε να καλύψουμε με την κεραία μας, τόσο μεγαλύτερη πρέπει να είναι η διάμετρος του διπόλου.

Επίσης, υπάρχουν κεραίες ανοιχτού και κλειστού ή αναδιπλωμένου δίπολου (σχήμα 3). Παρότι τα πολικά διαγράμματα δύο τέτοιων κεραιών είναι ίδια, υπάρχει σημαντική διαφορά στην σύνθετη αντίσταση. Το ανοιχτό δίπολο έχει σύνθετη αντίσταση 75Ω, ενώ το κλειστό  300Ω.

Στην πράξη οι τιμές αυτές διαφοροποιούνται ανάλογα με την συχνότητα του λαμβανόμενου σήματος. Στην περίπτωση του κλειστού διπόλου, χρησιμοποιείται προσαρμογέας σύνθετης αντίστασης από τα 300Ω στα 75Ω για προσαρμογή με τη γραμμή μεταφοράς (ομοαξονικό καλώδιο).

Αντί για ένα δίπολο, πολλές κεραίες έρχονται με συστοιχία διπόλων, κάτι που αυξάνει την απολαβή της κεραίας. Εννοείται βέβαια ότι κατά την κατασκευή υπολογίζεται η απόσταση των διπόλων, ώστε τα σήματα που λαμβάνουν να είναι συμφασικά.

Η διάταξη των διπόλων μπορεί να ποικίλει. Υπάρχουν κεραίες με τα δίπολά τους να είναι τοποθετημένα κατακόρυφα, οριζόντια ή το ένα πίσω από το άλλο (σχήμα 4). Όπως θα συμπεράνατε η διαφορετική διάταξη των διπόλων, προσδιορίζει και ένα διαφορετικό πολικό διάγραμμα .Έτσι, σε συνδυασμό και με κάποια αλλά χαρακτηριστικά κάθε κεραία γίνεται ιδανική για μια συγκεκριμένη εφαρμογή.

Μια κλασσική εφαρμογή διάταξης διπόλων ενός πίσω από το άλλο, είναι η γνωστή σε όλους λογαριθμική κεραία (σχήμα 5). Πρόκειται για μια κεραία ευρείας ζώνης, που καλύπτει δηλαδή μεγάλο αριθμό συχνοτήτων, κάτι που σημαίνει ότι με την ίδια κεραία μπορείτε να κατεβάζετε και τις δύο τηλεοπτικές μπάντες VHF και UHF. Αυτό οφείλεται κυρίως στο γεγονός ότι τα δίπολα έχουν διαφορετικές φυσικές διαστάσεις μεταξύ τους, κάτι που επιτρέπει τον συντονισμό συχνοτήτων και στις δυο μπάντες.

Επίσης θα πρέπει να γνωρίζετε πως για κάθε συχνότητα που θέλουμε να λάβουμε, μόνο τρία περίπου δίπολα (λόγω διαστάσεων σε σχέση με το λ/2) διεγείρονται, ενώ τα υπόλοιπα μένουν ανενεργά. Αυτό βέβαια έχει άμεση επίπτωση στην απολαβή της κεραίας, την οποία θα χαρακτηρίζαμε χαμηλή. Έτσι μια τέτοια κεραία προτείνεται για περιοχές όπου υπάρχει άφθονο σήμα, χωρίς δυσκολίες στην λήψη.

Αν στην περιοχή σας αντιμετωπίζεται προβλήματα με παρουσία ειδώλου σε ορισμένα κανάλια, τότε προτιμήστε την περίπτωση διάταξης, που θέλει τα δίπολα το ένα πίσω από το άλλο. Αν όμως στην περιοχή σας λαμβάνεται τα τηλεοπτικά σήματα, από αναμεταδότες που δεν βρίσκονται ακριβώς στο ίδιο σημείο (εννοείται ότι τα σήματα έρχονται περίπου από την ίδια κατεύθυνση), αλλά διάσπαρτοι σε μια περιοχή, τότε θα πρέπει να χρησιμοποιήσετε μια κεραία που έχει τα δίπολά της σε κάθετη διάταξη (κεραία τύπου πάνελ).

Ο ανακλαστήρας μιας κεραίας που έχει τα στοιχεία της κατακόρυφα, για να λειτουργεί εξίσου αποδοτικά για όλα τα στοιχεία, θα πρέπει να είναι επίπεδος. Στην περίπτωση βέβαια που η κεραία μας αποτελείτε από ένα μόνο στοιχείο λήψης, το ιδανικό θα είναι να έχουμε παραβολικό ή γωνιακό ανακλαστήρα, με τον παραβολικό να παρέχει λίγο μεγαλύτερη απολαβή. Όμως η χρήση γωνιακού ανακλαστήρα αυξάνει το εύρος ζώνης, καθώς και την κατευθυντικότητα της κεραίας.