V MUOTOINEN PERHOSANTENNI

Ajdin Beharic V MUOTOINEN PERHOSANTENNI Opinnäytetyö Tietotekniikan koulutusohjelma Toukokuu 2008

KUVAILULEHTI Opinnäytetyön päivämäärä 26.04.2008 Tekijä(t) Ajdin Beharic Nimeke Koulutusohjelma ja suuntautuminen Tietotekniikan koulutusohjelma media ja verkkotekniikka V-muotoinen perhosantenni Tiivistelmä Tämän opinnäytetyön tarkoituksena oli valmistaa v- muotoinen perhosantenni digitaalista televisiolähetystä varten, sekä tutkia ja testata sitä erilaisilla mittauslaitteilla. Työssä oli myös tarkoituksena mitata oppilaitoksen käytössä olevaa logaritmisperiodista antennia ja vertailla sitä valmistamaani perhosantenniin. Työn teoriaosassa kerrotaan aluksi radioaalloista ja niiden etenemistavoista. Seuraavaksi käydään lävitse digitaalisen television perusteita. Tämän jälkeen työssä on kerrottu yleisimpien vastaanottoantennien ominaisuuksista ja niihin liittyvistä käsitteistä. Käytännön osassa perehdyttiin yksityiskohtaisesti perhosantennin valmistukseen. V- muotoisen perhosantennin toimivuutta tutkittiin eri mittalaitteilla. Lisäksi mitattiin logaritmisperiodisen antennin toimivuutta. Lopuksi pohdittiin perhosantennin toimivuutta ja vertaillaan antenneja keskenään. Edellä mainittujen asioiden perusteella tulin johtopäätökseen, että molemmat antennit ovat hyviä ja toimivat melko tasaisesti laajalla taajuusalueella. Tutkimuksessa selvisi myös se, että perhosantenni on hieman tehokkaampi, vaikka ei ollut mahdollisuutta testata antennia paikassa, jossa lähetysasema olisi kaukana. Rakentamisen kannattavuus ja helppous on jokaisen lukijan päätettävissä, haluaako ostaa valmiin kalliilla vai rakentaa itse halvemmalla. Asiasanat (avainsanat) antennit, digitaalitelevisio, radiotekniikka, logperiodinen antennin, perhosantenni, yagi-antenni, dipoliantenni Sivumäärä Kieli URN 47 s. + liit. 9 s Suomi URN:NBN:fi:mamkopinn200827204 Huomautus (huomautukset liitteistä) Ohjaavan opettajan nimi Martti Susitaival Opinnäytetyön toimeksiantaja Mikkelin ammattikorkeakoulu

DESCRIPTION Date of the bachelor's thesis 27.4.2008 Author(s) Ajdin Beharic Degree programme and option Information technology Name of the bachelor's thesis V- shaped butterflyantenna Abstract The main goal in this thesis was to build v- shaped butterflyantenna for terrestrial use for digital broadcasting. In the begining of this work is theory part which consists of basics of radiowaves and their propagation methods, digital television, diffrent types of antennas and of theirs characteristics. The practical part of this work consists of making v- shaped butterflyantenna, examining it with different kind of measuring equmpent and also testing logperiodic antenna. After this i discuss the operation of butterflyantenna and compare it with logperiodic antenna. The conclusion of measuring and testing two antennas was that the both antennas works smoothly in wide frequency range. My opinion is that the butterflyantenna is more efficient than logperiodic antenna and it probably works better than logperiodic antenna if broadcasting station is far away from a receiving point. Subject headings, (keywords) antennas, digital television, radiotechnics, logperiodic antenna, butterflyantenna, dipole antenna, wideband antenna Pages Language URN 47+9 Finnish URN:NBN:fi:mamk-opinn200827204 Remarks, notes on appendices Tutor Martti Susitaival Bachelor s thesis assigned by Mikkeli University of Applied Sciences

1 SISÄLTÖ 1 JOHDANTO... 2 2 RADIOAALLOT... 3 2.1 Sähkömagneettinen säteily... 4 2.2 Siirtojohdot... 5 2.3 Sovitus siirtojohtoon... 7 2.4 Radioaaltojen eteneminen... 9 2.4.1 Maanpinta-aalto... 10 2.4.2 Ionosfäärieteneminen... 10 2.4.3 Troposfäärieteneminen... 12 3 DIGITAALINEN TELEVISIO... 13 3.1 Digitaaliset televisiolähetysjärjestelmät... 14 3.2 Videopakkaus... 16 3.3 Multipleksi... 18 4 ANTENNIT VASTAANOTOSSA... 19 4.1 Käsitteitä, määritelmiä ja ominaisuuksia... 20 4.2 Yleisimmät vastaanoton antennit... 23 5 ANTENNIN VALMISTUS... 25 5.1 V muotoinen perhosantenni... 25 5.2 V muotoisen perhosantennin toimintaperiaate... 27 5.3 V muotoisen perhosantennin rakentaminen... 29 6 MITTAUKSET... 32 6.1 V muotoinen perhosantenni... 33 6.1.1 Kanavanippu A... 35 6.1.2 Kanavanippu B... 38 6.1.3 Kanavanippu C... 41 6.2 Logaritmisperiodinen antenni... 44 7 LOPPUPÄÄTELMÄT... 46 LÄHDELUETTELO... 47 LIITTEET... 49

2 1 JOHDANTO Opinnäytetyön aiheena on rakentaa ulkokäyttöinen V- muotoinen perhosantenni sekä vertailla sitä oppilaitoksen käytössä olevaan logaritmisperiodiseen antenniin. Rakentamani antenni soveltuu sekä analogisten että digitaalisten kanavien vastaanottoon maanpäällisessä lähetyksessä. Nyt kun Suomi on ainoana maana siirtynyt täysin digitaalisiin televisiolähetyksiin, tarvitaan antenni, jonka minimivahvistus ei saa alittaa 12 desibelin rajaa, varsinkin silloin, kun lähetysasema on kaukana. Työn tavoitteena on rakentaa ja tutkia sitä, voiko nykypäivänä itse rakentaa yllämainitut ominaisuudet omaava antenni ja onko se edes kannattavaa. Tutkimuksen alussa tutustutaan radioaaltoihin ja niiden etenemiseen ilmakehässä, sekä siihen, miten maastojen epätasaisuudet vaikuttavat radioaaltojen käyttäytymiseen. Sen jälkeen tutustutaan digitaalisiin televisiolähetyksiin, eli miten ne eroavat vanhasta analogisesta televisiolähetyksestä, niiden toimintaan sekä ominaisuuksiin. Tämän jälkeen tutustutaan antennien peruskäsitteisiin ja niiden ominaisuuksiin. Teoriaosion jälkeen on rakentamani antennin esittely, eli vaiheittain kerron sen valmistuksesta, sovituksesta, materiaaleista sekä käyttämistäni työkaluista. Luvussa Mittaukset tarkastellaan rakentamani antennin ja logaritmisperiodisen antennin tuloksia sekä tutustutaan niiden suuntakuvioihin, sovituksiin, seisovanaallonsuhteeseen ja heijastuskertoimiin eri taajuuksilla. Lopuksi kaikki mittaukset tutkitaan ja analysoidaan tarkasti, jotta saataisiin selville sen, onko rakentamani antenni parempi kuin logaritmisperiodinen antenni ja onko sen rakentaminen yleensäkään kannattavaa. Tietolähteinä tulen käyttämään elektroniikan kirjallisuutta, internetistä löytyviä lähteitä sekä aiheeseen liittyviä opinnäytetöitä.

2 RADIOAALLOT 3 Sähkömagneettiset aallot, jotka keskenään etenevät poikittain värähtelevinä sähkö- ja magneettikenttinä kutsutaan radioaalloiksi. Radioaallot etenevät valonopeudella eli 300 metriä mikrosekunnissa joka vastaa 300 000 kilometriä sekunnissa. Tämä kaikki sai alkunsa siitä, kun englantilainen fyysikko nimeltä James Clerk Maxwell vuonna 1865 kehitti sähkömagneettisen teorian yhtälöinä, jotka perustuivat Amperen virtalakiin, Faradayn induktiolakiin, Gaussin sähkövuolakiin ja siirrosvirtatermiin. Ensimmäisen kerran sähkömagneettisten aaltojen eli radioaaltojen olemassaolo todistettiin vasta vuonna 1888, jolloin heijastimen polttopisteessä näkyi sähkökipinä kahden metallipallon välillä, jotka taas olivat kytkettyinä kehäantenniin. Radioaaltojen havainnollistamiskokeen taajuutena saksalainen fyysikko nimeltä Heinrich Rudolph Hertz havainnollisti Maxwellin teorian. Kahden vastakkain asetetun metalliheijastimen avulla Hertz havainnollisti kokeen, jossa toisen heijastimen polttopisteeseen iski sähkökipinä, niin toisenkin käytettiin noin 50 megahertziä. Tämän jälkeen Hertzin radioaaltoja alettiin käyttää langattomaan sähkötykseen ja muihin viestintätehtäviin. [1, s. 13-14.] Neljän yhtälön kokoelma, jota kutsutaan Maxwellin yhtälöksi, on sanallisessa muodossa seuraavanlainen: 1. Sähkökenttä määritetään sähköisten varauksien jakaumasta. 2. Magneettisia varauksia ei ole, koska magneettivuoviivat ovat suljettuja. 3. Muuttuva magneettikenttä synnyttää sähkökentän. 4. Muuttuva sähkökenttä ja liikkuva varaus synnyttävät magneettikentän. [6.] Maxwellin yhtälö voidaan kirjoittaa myös differentiaalimuodossa [6]: 1. D ρ = ρ ρ 2. B = 0 ρ ρ B 3. E = t ρ 4. H = ρ J + ρ D t

2.1 Sähkömagneettinen säteily 4 Sähkömagneettisen kentän poikittaista aaltoliikettä, jossa sähkö- ja magneettikentät ovat samanvaiheisia, kutsutaan sähkömagneettiseksi säteilyksi. Vaikka sähkö- ja magneettikentät ovat samanvaiheisia, värähtelyssä ne ovat toisiaan ja etenemissuuntaa vastaan kohtisuorassa. Edetäkseen suurimmalla mahdollisella nopeudella eli valon nopeudella, aaltoliike ei tarvitse väliainetta. [5.] Kuva 1. Sähkömagneettisen säteilyn eteneminen [3] Kuvassa 1 nähdään, että muuttuva magneettikenttä aiheuttaa muuttuvan sähkökentän ja muuttuva sähkökenttä aiheuttaa taas muuttuvan magneettikentän, sama prosessi jatkuu aallon etenemissuuntaa pitkin. Voidaan todeta se, että muuttuva magneettikenttä ja muuttuva sähkökenttä etääntyvät virtajohtimesta, sekä se miten molemmat kentät liittyvät toisiinsa. [1, s. 13.] Sähkömagneettinen säteily koostuu massattomista ja varauksettomista fotoneista, joilla on tietty aallonpituus ja taajuus. Aallonpituus ja taajuus määrittävät fotoneitten energian, sillä mitä suurempi on taajuus, sitä suurempi on energia eli mitä lyhyempi on aallonpituus, sitä suurempi on energia. Säteily on jaettu eri aallonpituusalueisiin, jota kutsutaan sähkömagneettiseksi spektriksi (kuva 2). [7.]

5 Kuva 2. Sähkömagneettinen spektri [7.] Kuvassa näemme sen, että gammasäteily on lyhytaaltoisinta säteilyä eikä sitä ihmisen silmä pysty havaitsemaan, koska se on näkyvää valoa lyhytaaltoisempi säteily. Näkyvän valon aallonpituus on suunnilleen 400-700 nanometriä, joten suurin osa sen alle olevista aallonpituusalueista eivät läpäise ilmakehää, vaan ne absorboituvat siihen. [7.] 2.2 Siirtojohdot Sähkömagneettisia aaltoja käytetään informaation siirtämiseen, mutta vapaasti liikkuvina ne eivät ole turvallisia, koska kuka vaan pystyy halutessaan sieppaamaan niistä tietyn informaation. Jos halutaan siirtää informaatiota turvallisesti paikasta A paikkaan B, silloin käytetään siirtojohtoja eli aaltojohtoja tai aaltoputkea. Siirtojohdot ovat rakenteita joissa sähkömagneettinen teho kulkee aaltoina tiettyyn suuntaan, jota vastaan kohtisuorassa tasossa energia on keskittynyt rakenteen sisään tai sen läheisyyteen. Siirtojohdot määritellään kriteereitten mukaan eritasoisiin luokkiin, sillä on siirtojohtoja joissa etenevällä aallolla on poikittaissuuntainen sähkökentän komponentti eli se on TE aalto. TE aallon toimintaa havainnollistetaan kuvassa 3, jossa nähdään että sähkökenttä on poikittainen ja magneettikenttä taas sekä pitkittäinen että poikittainen. Kyseiset aaltojohdot etenevät parhaiten metallireunaisessa aaltoputkessa. [11; 2, s. 9.]

6 Kuva 3. TE aaltojohto [10]. Siirtojohto, jossa magneettikenttä on kaikkialla poikittainen ja sähkökenttä sekä pitkittäinen että poikittainen, on TM aalto. Sen toiminta on havainnollistettu kuvassa 4, jossa voidaan todeta edellä mainitut ominaisuudet. Kyseinen aaltomuoto etenee parhaiten aaltoputkessa, kuten TE aaltomuoto, sillä molempien sähkö- ja magneettikenttien suhde ei ole vakio, kuten tasoaallossa ja TEM aaltojohdoissa. TE ja TM aaltojohtojen etenemiskerroin ei ole materiaparametrien määräämä, joten eteneminen on dispersiivistä, toisin sanoin etenemiskerroin on taajuudesta riippuvainen epälineaarisesti. Katkotaajuudet ovat myös kyseisten aaltojohtojen erityinen piirre eli tietyn alarajataajuuden pienemmillä taajuuksilla eteneminen ei ole mahdollista. [10; 11.] Kuva 4. TM aaltojohto [10].

7 Yleisimmin käytössä olevat siirtojohdot ovat TEM aaltojohtoja, joissa sekä sähköettä magneettikentät ovat poikittaisia. Ne ovat toiminnaltaan yksinkertaisempia, kuin edellä mainitut aaltojohdot, eikä niissä ole katkotaajuuksia. TEM aallon etenemiskerroin riippuu ainoastaan eristemateriaalista, josta siirtojohto on valmistettu. Niiden suurin haitta on, että ne eivät toimi oikein suurilla taajuuksilla, sillä tehohäviöt nousevat liian suuriksi. Kuva 5 havainnollistaa TEM aaltojohtojen toiminnan, jossa sähkö- ja magneettikenttä ovat kohtisuorassa toisiaan ja etenemissuuntaa vastaan. Tunnetuimmat TEM aaltojohdot ovat koaksiaalikaapeli ja parikaapeli. [10; 11.] Kuva 5. TEM aaltojohto [10]. 2.3 Sovitus siirtojohtoon Jos halutaan siirtää signaalia pitkin siirtolinjaa siten, että tehohäviöt ovat mahdollisimman pienet, tarvitaan kuorman täydellinen sovitus. Täydellisessä sovituksessa signaali vaimenee hieman edetessään kaapelista toiseen ilman suurempia häviöitä ja päätyy lopulta kuormitukseen. Jos jossain siirtojohdossa esimerkiksi koaksiaalikaapelissa on epäjatkuvuuksia, jossa sähkö- ja magneettikentät häiriintyvät, silloin impedanssiin tulee muutoksia ja syntyy heijastus. Impedanssi on johdossa etenevän jänniteaallon ja sen mukana kulkevan virta-aallon suhde. Se ei riipu johdon pituudesta, vaan se on puhtaasti rakennevakio. Suurin ongelma tiedonsiirrossa ovat poikkeamat ominaisimpedansseissa esimerkiksi komponenttien ja kaapelin välissä. Ongelma on ratkaistavissa tekemällä oikeanlainen sovitus, jolloin eliminoidaan heijastunut aalto, jolloin kaikki teho absorboituu kuormaan. [11; 2, s.14-17.]

8 Oikean sovituksen tekemisessä yleisin työkalu on Smithin kartta, joka on nykyaikaisten tietokoneohjelmien rinnalla säilyttänyt asemansa. Kuva 6 havainnollistaa pelkistetyn version Smithin kartasta. Kuva 6. Smithin kartta [11.] Kartassa kompleksitaso on muutettu konformikuvauksella ympyrän sisälle siten, että reaaliakseli on kuvan vaakasuora viiva. Pistettä, sivuavien, resistanssiakselin puolittamien ympyröiden parvi kuvaa resistanssiarvoja. Viuhkamaisesti em. pisteestä lähtevät ympyränkaaret puolestaan kuvaavat reaktanssiarvoja. Näiden avulla haetaan kuorman induktiivinen tai kapasitiivinen komponentti. Keskipiste kuvaa täydellistä sovitusta ja viuhkojen alkupiste katkosta eli ääretöntä impedanssia. Kartan vastakkaisella reunalla oleva piste kuvaa oikosulkua eli impedanssia 0 + j0. Ennen sovituksen aloittamista on selvitettävä siirtojohdon ominaisimpedanssi, esimerkiksi koaksiaalikaapelilla se on 75 ohmia, joka on samalla systeemin impedanssi. Sovitettavan kuorman impedanssi muutetaan käsittelyyn sopivaan muotoon jakamalla sekä impedanssin reaaliosa että imaginaariosa kyseisellä systeemi-impedanssilla. Kartan ulkokehässä on matka-asteikko, jossa täysi kierros on puoli aallonpituutta. Jos kartan keskipisteestä liikutaan myötäpäivään, silloin kuljetaan kohti lähetintä. Jos taas liikutaan vastapäivään, kuljetaan kohti antennia. [11.]

2.4 Radioaaltojen eteneminen 9 Antennien välinen tiedonsiirto on monimutkaista, sillä radioaaltojen etenemiseen ilmakehässä vaikuttavat troposfäärin, ionosfäärin ja maaston ominaisuudet. Troposfääri (kuva 7) ilmakehän ali kerros ja sen ominaisuuksiin kuuluu jatkuva muutos. Muutokset johtuvat lämpötilasta, paineesta, kosteudesta, sateesta jne, jotka radioaalloille aiheuttavat vaimennusta, sirontaa, kaareutumista ja heijastumista. Vastaanotetussa signaalissa voi olla amplitudi ja vaihe-eroja sekä signaalin polarisaatio saattaa muuttua pystypolarisaatiosta vaakapolarisaatioksi tai päinvastoin ja ilmakehässä saattaa syntyä myös kohinaa. Troposfääri ulottuu pohjois- ja etelänavalla 9 km:n korkeuteen ja päiväntasaajalla aina jopa 17 km:n korkeuteen. [8.] Ionosfääri (kuva 7) on alue, joka sijaitsee n. 60 1000 km korkeudessa. Siellä on vapaita ioneja ja elektroneja, jotka syntyvät auringon ultravioletti- ja hiukkassäteilyn ionisoimasta plasmasta. Kaikki aallot, jotka ovat alle 10 MHz:n, eivät pysty läpäisemään ionosfäärikerrosta vaan heijastuvat siitä. [8.] Maaston epätasaisuudet sekä rakennukset kaupungeissa aiheuttavat radioaaltoon sirontaa, vaimennusta sekä diffraktiota eli aallon taipumista. Matalalla etenevien matalien taajuuksien vaimennus riippuu maanpinnan sähköisestä ominaisuudesta. [8.] Kuva 7. Ilmakehän rakenne [9].

2.4.1 Maanpinta-aalto 10 Maan pinnan läheisyydessä etenevä matala taajuus (100 khz 1 MHz), jonka sähkökenttä on kohtisuorassa johtavaan tasoon nähden, on maanpinta-aalto. Kyseinen aallon etenemismuoto on erityisen paljon käytössä ilmailun ja merenkulun suuntaamattomissa radiomajakoissa. Taajuuden kasvaessa, lisääntyy ionosfäärietenemisen merkitys siten, että n. 30 MHz taajuudella maanpinta-aalto on käyttökelpoinen vain erittäin lyhyillä yhteysväleillä (esimerkiksi PR-27 radiopuhelimet, radioohjauslaitteet). Jos maanpinta-aallon voimakkuus lähestyy ionosfääriaallon voimakkuutta, saattaa vaihekulmien eroista aiheutua haitallinen häipymisefekti. Tästä voimme päätellä sen, että maanpinta-aalto toimii parhaiten alle 10 MHz:n taajuuksilla, sillä taajuuden kasvaessa, vaimennuskin kasvaa. Lisäksi aalto etenee parhaiten merien ja järvien yllä, jossa se vaimenee huomattavasti vähemmän kuin kuivan maaperän yläpuolella, jolloin se voi edetä jopa tuhansien kilometrien päähän tyydyttävällä voimakkuudella. [1, s. 32.][8.] 2.4.2 Ionosfäärieteneminen Ilmakehä on maasta avaruuteen päin harveneva kaasuseos. Sen alin kerros maasta on n. 10 km:n korkeudessa, noustessa ylöspäin seuraaville kerroksille, ilmakehän paine putoaa noin puoleen jokaisen 5 km:n matkalla. Kaikkien alle 30 MHz:n taajuudella eteneville radioaalloille tärkeintä ilmakehän kerrosta kutsutaan Ionosfääriksi. Alue sijaitsee n. 60 1000 km:n korkeudella, jossa elektroneja on niin paljon, että niillä on vaikutus radioaaltojen etenemiseen. Radioaaltojen eteneminen on melko riippuvainen vuorokaudenajasta, sillä ionisoituneita kerroksia on päiväsaikaan neljä ja yöaikaan niitä on vain kaksi. Ionosfääri kerrokset (kuva 8) eivät vastaa peilejä, vaan radioaallot kaartuvat kerroksista takaisin maanpinnalle. Ionosfääri jakautuu siis neljään kerrokseen; D-, E-, F1- ja F2 kerrokseen. Kerrosten elektronitiheys riippuu auringon aktiivisuudesta, vuorokauden- ja vuodenajasta sekä maantieteellisestä sijainnista. Niiden korkeus vaihtelee vuorokauden eri aikoina. Yöaikaan kerroksista on vain kaksi jäljellä, koska D- kerros häviää auringon laskiessa ja F1 ja F2 yhtyvät yhdeksi, eli jäljelle jää E- ja F- kerros. Heijastuakseen radioaaltojen on kohdattava kerrokset melko loivassa kulmassa. [1, s. 33; 10.]

11 Kuva 8. Ionisoituneet kerrokset päivällä ja yöllä [10]. Koska D- kerros häviää auringon laskiessa, samalla paranee keski- ja pitkäaaltolähetysten yhteyksiä, mutta se aiheuttaa ongelmia ilma-alusten radiokompassitoiminnoissa. Päiväsaikaan D- kerroksesta heijastuvat takaisin vain pitkäaaltoiset radioaallot. E- kerroksesta heijastuvat takaisin pitkä- ja keskipitkät radiolähetykset. Lyhytaaltoiset radioaallot läpäisevät kerroksen hieman vaimentuen. Yöllä E- kerroksen noustessa hieman, paranee keskipitkäaallon kuuluvuus eli radioaallon hypyn pituus kasvaa. Hypyksi kutsutaan matkaa antennista ionosfäärin kautta takaisin maahan. Kaksi ylintä kerrosta eli F1 ja F2 heijastavat takaisin vain HF- taajuuksia. Näiden alueiden käyttöön perustuu lyhytaaltoyhteyksien luominen maapallolla. HF- taajuuksilla on erikoinen kyky heijastua ionosfääristä maanpinnalle ja edelleen maanpinnalta ionosfääriin jne., mikä mahdollistaa pitkät yhteysetäisyydet. Valoisaan aikaan käytetään HF- suurempia taajuuksia ja pimeään aikaan matalia taajuuksia. Koska valoisaan aikaan D- kerros vaimentaa voimakkaammin matalia taajuuksia, kun taas pimeään aikaan matalilla taajuuksilla estetään, ettei vasta-asema jää alakatveeseen. [1, s. 33; 10.]

2.4.3 Troposfäärieteneminen 12 Kun taajuus on yli 30 MHz, maan tai muun johtavan pinnan läheisyydessä esiintyy vähintään kaksi aaltokomponenttia: suoraan edennyt ja tasosta heijastunut säde eli kenttä noudattaa geometrista optiikkaa. Heijastumiset eivät siis tapahdu ionosfääristä, mutta erikoistapauksina voidaan mainita heijastumiset revontulista ja erityissääolosuhteiden luomat kanavoitumisilmiöt. Kanavoitumisilmiö tarkoittaa sitä, että radioaalto voi edetä kahden maapallon pinnasta eri etäisyydellä olevan ilmakehän kerroksen välissä. Samalla periaatteella toimii aaltoputki, jossa on vain kaksi seinää. Ilmiö on selkein VHF- taajuuksilla (1 1000 MHz), jolloin esim. Keski-Euroopasta saadaan tv- kuvia Suomeen. Kanavoitumiselle on tyypillistä pieni vaimennus (yhteysvälin pituuteen nähden) ja voimakas aika- ja paikkariippuvuus. Vaikka revontulet ovat lähiavaruudessa ionisoituneet täysin, jostain syystä niistä tapahtuvat heijastumiset ovat voimakkaasti säröytyneitä, mikä taas heikentää signaalia liikaa. [1, s. 34; 10; 2, s. 5 7.] Eniten hyväksikäytetty radioaaltojen etenemismekanismi on troposfäärisironta. Troposfääri sironta johtuu troposfäärissä olevista ilmapyörteistä, jossa osa tasoaallosta säteilee laajaan avaruuskulmaan. Normaalisti sironta heikentää radioyhteyttä, mutta sitä käytetään hyödyksi. Troposfäärisironnan avulla saadaan mikroaaltoalueella jopa 500 km:n välinen yhteys. [10.] Jos etenemismekanismina käytetään ns. monitie- etenemistä, jolloin suoraan etenevät radioaallot heijastuvat esim. maasta ja rakennusten seinistä. Monitie- etenemisestä voi olla sekä hyötyä että haittaa. Jos signaalit ovat samanvaiheisia ne vahvistavat toisiaan, jos ne ovat eri vaiheessa, ne heikentävät vastaanotettua signaalia. Pahin mahdollinen tilanne on, jos saapuvat aallot vastakkaisvaiheiset, jolloin ne kumoaisivat toisensa ja signaalin taso olisi yhtä kuin 0. Tällaista ilmiötä kutsutaan häipymiseksi. Vastakkaisvaiheisuus voi aiheuttaa radioyhteydessä katko tai synnyttää voimakasta haamukuvaa televisiokuvaan tai säröytymistä stereovastaanottoon. Edellä mainitut ilmiöt on otettava huomioon kiinteitä linkkiyhteyksiä suunniteltaessa. Linkkipeilit asennetaan laskelmallisesti sellaisille etäisyyksille ja korkeuksille, että maasta heijastunut radioaalto saapuu toiseen peiliin samanvaiheisena kuin suoraan edennyt radioaalto. [10.]

3 DIGITAALINEN TELEVISIO 13 Tämän vuoden (2008) Helmikuun 29. päivä Suomessa siirrytään ainoastaan digitaalisiin televisio lähetyksiin, sillä kaapelitelevision analogiset lähetykset lopetetaan. Tämä tarkoittaa sitä, että kuluttajat joutuvat ostamaan digitaalisen vastaanottimen kotiinsa, jos mieli tekee katsoa televisiolähetyksiä. Vastaanottoantennia ei tarvitse vaihtaa, mikäli se kattaa UHF alueen kanavat 21-69, joilla digitaaliset lähetykset lähetetään. Vanhoja VHF (5-12) alueen antenneja ei kannata hävittää, koska tulevaisuudessa kanavavalikoiman kasvaessa voidaan alueella lähettää digitaalikanavia. Uutta televisiota ei tarvitse vielä ostaa, sillä vanha toimii analogisten lähetysten loputtuakin, kunhan lisälaite eli digitaalinen vastaanotin on ostettu. Televisiolähetysten digitalisointi tarkoittaa sitä, että ääni ja kuva pakataan entistä tiiviimpään muotoon, jolloin jakeluverkossa voidaan lähettää huomattavasti enemmän ohjelmia ja kuluttajien kanavavalikoima kasvaa. Tämä tarkoittaa sitä, että yhden analogisen kanavan tilaan mahtuu neljästä kuuteen digitaalikanavaa. [12.] Digitaalinen lähetys on vähemmän altis sääolosuhteille, sillä se käyttää radioaaltojen taajuuksia voimakkaammin kuin vanhat analogiset lähetykset. Samalla säästytään heijastusten aiheuttamilta haamukuvilta, koska digitaalitekniikka poistaa ne. Tekniikka mahdollistaa myös laajakuvalähetykset, jolloin kuvasuhde voi olla 16:9 vanhan 4:3 sijasta. [14.] Vaikka digitaaliset lähetykset kasvattavat kanavavalikoimaa ja muita antavat kuluttajille lisäpalveluja, ei ne kaikki ilmaisia ole. Palvelujen tarjoajat voivat entistä helpommin rahastaa palveluistaan, koska joutuu hankkimaan maksulliset kortit, joilla saadaan ns. lukittu kanava auki. Lähetyksissä saattaa esiintyä ongelmia, jolloin ääni ja kuva eivät ole synkronissa, sekä ohjelman kuvaustekstit saatavat joskus loppua kesken. Tällaisia ongelmia ei analogisessa lähetyksessä esiintynyt, osittain se palvelun puutteen takia ja osittain erilaisen siirtomenetelmän takia. [14] Digitaaliset lähetykset ovat vastaanotettavissa lähes koko Suomessa. Ohjelma tarjonta toki vaihtelee paikoittain.

3.1 Digitaaliset televisiolähetysjärjestelmät 14 Digital video broadcasting (DVB) eli digitaalinen video/televisiolähetysjärjestelmä on yleisimmin Euroopassa käytössä oleva digitaalitelevision standardi. Suomessakin käytetään samaa standardia. Standardit vaihtelevat maittain, Suomessa niitä on neljä maanpäällinen DVB - T, kaapelitelevision DVB C, satelliitti DVB S ja mobiiliverkon DVB H. Jokaista standardia kohti on oma vastaanotin, jolloin samalla vastaanottimella ei voi käyttää eri standardien tarjoamia palveluja. Tämä saattaa aiheuttaa kuluttajalle päänvaivaa digitaalista vastaanotinta hankkiessa, jos ei ole tietoa, mikä standardi on käytössä. [14.] DVB T (digital video broadcasting terrestrial) on maanpäällinen digitaalinen televisiolähetysjärjestelmä, joka toimii vapaasti etenevillä radioaalloilla. Sillä on hyvä ulkoisten häiriöiden ja maastosta heijastuvien signaalien sietokyky, hyvä taajuustehokkuus 8 MHz:n UHF kanavalla sekä optimoitu modulaatiotekniikka kaistanleveyden ja bittinopeuden suhteen. Sen vastaanotto on kiinteä, ja se on yleisimmin käytössä oleva digitaalitelevision standardi. Kantoaallon mukana kulkevan datan koko on todella pieni osa sen lähetystä, sillä Suomessa käytetään 8k järjestelmää. 8k järjestelmä sisältää 6817 kantoaaltoa, joiden keskinäinen etäisyys on 1116 khz. Modulaationa käytetään COFDM (coded orthogonal frequency division multiplex) monikantoaaltomodulaatiota, jossa on useita kantoaaltoja. Lähetyksen aikaiset virheet ovat helposti korjattavissa. [4, s. 35 36.] DVB S (digital video broadcasting satellite) on satelliittien välityksellä tapahtuvan tiedonsiirron standardi. Modulaatiomenetelmänä käytetään QPSK (quaternary phase shift keying) modulaatiota, joka käyttää paljon taajuuskaistaa, mutta tällöin vaadittava kantoaaltokohinaetäisyys C/N on pieni. Lähetettäessä kuvaa, ääntä ja dataa ovat ne samassa datapaketissa eli Trasnport Stream:ssä (TS). Satelliittilähetyksillä on suuri taajuuskaista, mutta niiden lähetystehot ovat pienet. Niitten siirtonopeus riippuu käytettävästä lähetystehosta ja suojaustasosta. Standardi sisältää virheenkorjauksen ja signaalinkoodauksen, kuten edellä mainittu DVB - T standardi. Kanavan koko voi vaihdella, sillä yhdessä kanavassa voidaan lähettää 5 10 ohjelmaa. [4, s. 35 36.]

15 DVB C (digital video broadcasting cabel) on digitaalitelevisiostandardi, jota käytetään kaapeliverkoissa. Sen modulaatiomenetelmä on QAM (quadrature amplitude modulation), jossa on yksi kantoaalto ja moduloiva signaali TS (trensport stream). Standardille on omaista se, että se ei salli pitkiä heijastuksia sekä suuria vaimennuksia, mutta sen siirtonopeus on melko suuri. Jos maanpäällinen tai satelliitti signaali moduloidaan DVB C:ksi, se voidaan välittää 33 MHz:n siirtonopeudella. [4, s. 35 36.] DVB H (digital video broadcasting handhelds) on digitaalitelevision standardi, jota käytetään matkapuhelintyyppisiä päätelaitteita varten. Se perustuu vahvasti DVB T standardiin, johon on lisätty aikaviipalointitekniikka (time - slicing). Tekniikka mahdollistaa pienemmän sähkönkulutuksen päätelaitteessa, koska se sammuttaa sen, jos ohjelmavirtaa ei ole käytettävissä. Standardin vie vain vähän radiokaistaa, koska kuvan resoluutio on heikko (320x240), mutta se toimii nopeasti liikkuvissa ympäristöissä esim. junissa. [4, s. 35 36.] Multimedia Home Platform (MHP) on ns. ohjelmistorajapinta, joka on määritelty vuonna 2000. Sitä on kehitetty DVB projektin yhteydessä ja se on ensimmäinen digitaalisille tv-vastaanottimille kehitetty rajapinta. Se mahdollistaa mahdollisimman monen vuorovaikutteisen lisäpalvelun toiminnan. Lisäpalvelut voivat olla joko ohjelmiin liittyviä tai täysin itsenäisiä. Lähes kaikki lisäpalvelusovellukset ovat tietokoneohjelmia ja ne on suunniteltu digitaalitelevisiossa toimiviksi. Mikäli sovellukset ovat aidosti vuorovaikutteisia, digitaalisella vastaanottimella on mahdollista muodostaa paluukanava, mutta sen muodostamiseksi tarvitaan internet yhteys. MHP standardi perustuu avoimiin standardeihin, kuten esim. Java ohjelmointikieleen ja Hypertext Markup Language (HTML). Standardin mahdollistamia palveluja ovat muun muassa: EPG (electronic program guide) eli ohjelmaopas, ns. superteksti - tv, joka on perinteisen teksti tv:n monipuolisempi versio sekä muita interaktiivisia palveluja, kuten pankkipalvelut, veikkaus, pelit ja tms. [4, s. 35 36; 14.]

3.2 Videopakkaus 16 Digitaalisen television lähetyksissä oleva videopakkaus standardi on vuonna 1997 kehitetty MPEG 2 standardi. Sitä käytetään digitaalisen television ohella myös DVD levyissä, Super VCD levyissä, kaapeli ja satelliittitelevisiossa. MPEG-2 on häviöllinen digitaalinen koodausjärjestelmä. Häviöllisyys merkitsee, ettei kerran koodattua signaalia voi enää palauttaa alkuperäiseksi. Tällöin voi muodostua häiriötekijöitä, kuten kuvan sekavuutta. Eniten häiriötekijöitä voi ilmestyä jos video on monimutkainen tai siinä olevat kuvat vaihtuvat nopeasti, mikä taas riippuu tekemisen laadusta ja pakkauksen määrästä. Normaalissa 3,5 Mb/s määrässä saattavat jotkut häiriötekijät esiintyä. [13.] Häviöttömästi digitoidun kuvasignaalin ja MPEG - 2:n suhde on samantapainen kuin CD-levyn suhde MiniDisc:iin. Sekä MPEGissä että MD:ssä (MiniDisc) muokataan rohkeasti signaalia oletuksella, että lopputulos on vielä prosessin jälkeen kelvollista. Jos pakkausta ei tehtäisi, järjestelmien toteuttaminen olisi kaupallisesti mahdotonta. Pakkauksen rajuus hämmästyttää numeroarvoina. [13.] Digitaalisen kuvasignaalin häviöttömänä siirtonopeutena pidetään ammattipiireissä arvoa 270 Mb/s, mutta DVD - kuvasignaalin keskimääräinen datavirta on vain 3,5 Mb/s eli n. 1/80.[13] MPEG 2 kykenee 2 20Mb/s siirtonopeuteen pakatessaan video- ja äänisignaalia. Digitaalitelevision kuvan tarkkuudeksi eli resoluutioksi on sovittu 720 x 576 pikseliä, vaikka MPEG 2 koodatun kuvan maksimikoko on 1920 x 1152, joka vastaa HDTV:n tason kuvanlaatua. Ääniformaattina voidaan käyttää jotain seuraavista: MPEG audio layer 1 MPEG audio layer 2 Dolby AC-3 PCM DTS.

17 Näistä PCM ja DTS ovat pakkaamattomia muotoja. DVD-levyt käyttävät useimmiten AC-3:a eli Dolby Digitalia. Digitaalitelevision lähetyksissä käytetään pienempää bittinopeutta ja kaksikanavaista MPEG layer 2 ääntä, tulevaisuudessa siirryttäneen DVD:n tapaan AC-3-ääneen. [13.] Yksinkertaistettuna MPEG 2 pakkaus tapahtuu niin, että osa kuvien passiivisista kohdista jätetään pois ja keskitytään vain niihin kuvajaksoihin, joissa tapahtuu liikettä. Wikipediassa MPEG 2 pakkauksen perusteet on jaettu neljään vaiheeseen: Pakatusta datasta etsitään samanlaisia osia, kaikki merkityksettömät poistetaan. Kuvasta voidaan poistaa pieniä yksityiskohtia, koska ihmissilmä ei huomaa helposti korkeataajuista kohinaa. Perättäisistä ja toisistaan lähes poikkeamattomista kuvista otetaan mukaan ainoastaan näiden kuvien eroa kuvaava tieto. Menetelmällä saadaan datamäärän huomattavasti pienemmäksi. Siirtymistä kuvailevilla liikevektoreilla ennustetaan perättäisissä kuvissa tapahtuvia muutoksia. [13.]

18 3.3 Multipleksi Multipleksi on digitaalisen lähetysjärjestelmän signaali, jolla ohjelmakanavat lähetetään katsojalle yhtenä nippuna. Normaalisti nippu sisältää useita ohjelmia ja palveluja sekä niihin liittyvän ääni- ja kuvamateriaalin, kuin myös oheispalvelujen datan. Suomessa on käytössä viisi eri multipleksia, joista yksi on tarkoitettu mobiili tv:lle. Multipleksia sanotaan myös kanavanipuksi, joka on yleisimmin käytössä. Jokainen kanavanippu sisältää tietyn määrän kanavia ja monin paikoin tarjonta vaihtelee. Alla oleva taulukko 1 havainnollistaa hieman tämänhetkisen kanavatarjonnan. Taulukko 1. Kanavanippujen sisältö. Kanavanippu A: YLE TV1 YLE TV2 YLE FST5 YLE Teema YLE TV1+ Kanavanippu B: MTV3 Sub Nelonen JIM Subtv Juniori Subtv Leffa MobiiliTV-kanavat MT3 MAX Kanavanippu C: Klubi.tv Urheilukanava The Voice Turku TV (Turun alueella) ISKELMÄ (näköradio) IskelmäTV Harju & Pöntinen (näköradio) Canal+ First Canal+ Hits Canal+ Sport1 Canal+ Sport2 Canal 69 Disney Channel URHEILU+KANAVA DIGIVIIHDE Kanavanippu E: Discovery Channel Eurosport Kanava 23 KinoTV MTV3 Fakta Music Television MTV Nickelodeon SVT Europa TV-kanavat: MTV3 Nelonen The Voice Radiokanavat: The Voice

19 4 ANTENNIT VASTAANOTOSSA Antennia voidaan käyttää sekä vastaanottamaan että lähettämään sähkömagneettista energiaa ympäröivää avaruutta hyödyntäen. Se on laite, joka muuntaa vastaanotetut vapaasti etenevät sähkömagneettiset aallot siirtojohdossa eteneviksi suurtaajuisiksi virroiksi ja kentiksi, jotka taas muodostavat syöttöjohdossa etenevän signaalin. Tällaisia ominaisuuksia omaavaa antennia käytetään vastaanottoantennina. Antennin ulkomuoto voi vaihdella käyttötaajuudesta ja sen käyttötarkoituksesta riippuen, sillä sen pitäisi toimia luotettavasti äärimmäisissä olosuhteissa, kuten helteellä, myrskyssä ja jään peitossa. Monet muut sääilmiö, kuten tuulet, lumi- ja kuormitukset tai isot lintuparvet, voivat rasittaa antennien elementtejä, jotka ovat olennainen osa antennitoiminnassa. Antennien valmistusmateriaalina yleensä käytetään alumiinia, jonka pinta käsitellään eloksoimalla. Kaikki kiinnitystarvikkeet ovat jotain muita korroosion estämiseksi pintakäsiteltyjä materiaaleja, tai ne ovat haastavia sääolosuhteita kestäviä muoviosia. [4, s. 52 61.] Pohjolan vaativissa olosuhteissa on erityisesti huomioitava antennin jäätymisen vaikutus kaistanleveyteen. Tietyntyyppisissä antenneissa elementtien paksuus ja niiden keskinäiset välit on tarkasti mitoitettu, jota lumi ja erityisesti jää saattavat muuttaa, jolloin antennin toiminta voi seota kokonaan. Tällöin antennin suuntakuvio saattaa kääntyä takaperin, jolloin kaistanleveys siirtyy pienemmille taajuuksille. Tämä taas aiheuttaa vastaanotettavan kanavan yläosassa sijaitsevien väri-, ääni- ja nicammoniäänisignaalin toiston häirintää. Pahimmassa tapauksessa antennin vahvistus pienenee nopeasti ilmoitetun kaistanleveyden yläpuolella, joten vaikutukset ovat suurimmat kaistan ylemmillä kanavilla. [4, s. 52 61.] Antennin valinnassa on otettava huomioon monia seikkoja. Kannattaa pitää mielessä ainakin joku seuraavista ominaisuuksista antennin ostoa harkitessa: suuri vahvistus, hyvä etu-takasuhde, pieni keilanleveys, pieni tullikuorma, pieni koko, selektiivisyys, laajakaistaisuus, kestävä rakenne ja mahdollisesti halpa hinta. Yleensä valittu antenni on edellä mainittujen ominaisuuksien kompromissi, sillä tiedetään, että halpa ja hyvä ovat lähes mahdoton yhtälö. [4, s. 52 61.]

20 4.1 Käsitteitä, määritelmiä ja ominaisuuksia Koska antennin toiminta on tarkoituksenmukaista, se edellyttää suunnittelua, joka taas vaatii tietyn määrän teoriaa tuekseen. Hyvän vastaanottosignaalin aikaansaamiseksi antennilta vaaditaan tiettyjä ominaisuuksia, kuten vahvistus, etu-takasuhde, heijastusvaimennus, impedanssi, kaistanleveys, keilanleveys, sivukeilavaimennus, suuntakuvio ja tuulikuormitus. Antennin vahvistus ilmaisee sen kykyä siepata signaalia vapaasti etenevästä sähkömagneettisesta kentästä. Vahvistuksen yksikkönä yleensä käytetään desibeliä (db), mutta jossain tapauksessa db yksikköön liitetään alaindeksi esimerkiksi db d. Yksikössä käytettävä alaindeksi osoittaa vertailuantennia, jonka vahvistusta parhaillaan käsitellään. [4, s. 52.] Etu-takasuhde on antennin pääkeilan suunasta 90-270 asetta olevan suurimman takakeilan ja pääkeilan erotus desibeleissä. Mitä suurempi on etu-takasuhde, sitä paremmin antenni vaimentaa takaa tulevia heijastumia ja häiriöitä. Alla oleva kuva (kuva 9) havainnollistaa etu-takasuhdetta. [4, s. 52.] Kuva 9. Antennin etu-takasuhde [4, s. 53.]. Heijastusvaimennus on etenevän ja heijastuvan jännitetason suhde desibeleissä antennin liitännässä. Mitä suurempi on lukuarvo, sen parempi on antennin sovitus syöttöjohtoon. [4, s. 52.]

21 Antennin impedanssi Z a on se impedanssi, joka näkyy antennin syöttönavoista esimerkiksi seuraavasti: 300/75 Ω. Impedanssilla on kaksi osaa, resistiivinen ja reaktiivinen osa. Resistiivinen osa liittyy antennin säteilemään tehoon ja antennirakenteen ohmisiin häviöihin. Reaktiivinen osa syntyy antennin lähikentän energiaa varastoivasta ominaisuudesta. [4, s. 52.] Kaistanleveys on yhtenäinen taajuusalue, jolla antennin suoritusarvot ja ominaisuudet vastaavat ilmoitettuja arvoja. Esimerkiksi kanavilla 21 37 (470 606 MHz) vahvistus on 11 13 db. [4, s. 53.] Keilanleveys tarkoittaa pääkeilan leveyttä asteina niiden pisteiden välillä, joissa vahvistus on 3 db maksimiarvoa pienempi. Se ilmoitetaan erikseen vaaka- ja pystytasossa. Mitä pitempi on antennin puomi ja mitä enemmän siinä on elementtejä, sitä pienempi on keilanleveys. Välttyäkseen häiriöiltä ja heijastumilta on valittava antenni, jossa keilanleveys on mahdollisimman pieni. Tilanteissa, joissa heijastumia tulee maanpinnasta, on edullista käyttää antennia, jossa keilanleveys erityisesti pystysuorassa on pieni. Alla oleva kuvaa (kuva 10) havainnollistaa hieman paremmin keilanleveyttä. [4, s. 53.] Kuva 10. Antennin keilanleveys [4, s. 54]. Sivukeilavaimennus on pääkeilan suuntaisen vahvistuksen ja suurimman sivukeilan vahvistuksen erotus desibeleinä. Se kuvaa antennin suuntaavuutta eli sitä, kuinka hyvin antenni vaimentaa pääkeilan ulkopuolelta tulevia heijastumia ja häiriöitä.

22 Suuntakuvio on graafinen esitys antennin suuntaavuudesta, joka saadaan pyörittämällä antennia 360 astetta. Parhaiten onnistuu avaruudessa tai mahdollisimman avoimella ja tasaisella paikalla, jossa maanpinnan heijastumat ovat minimissään. Se voidaan esittää monella eri tavalla, mutta yleisimmät ovat napakoordinaatisto (kuva 11) ja suorakulmainen koordinaatioesitys (kuva 12). Suuntakuviosta voidaan havainnollisesti nähdä myös keilanleveys, sivukeilavaimennus ja etu-takasuhde. [4, s. 53.] Kuva 11. Suuntakuvio napakoordinaatistossa. [4, s. 54.] Kuva 12. Suuntakuvio suorakulmaisessa koordinaatistossa. [4, s. 55.] Tuulikuormitus on vaakasuora voima, joka vaikuttaa antennin kiinnityspisteeseen antenniin kohdistuvan tuulenpaineen vaikutuksesta. Valmistajat ilmoittavat tuulikuormituksen yleensä tuulenpaineella 800 N/m 2. Suomessa antennien tuulikuormituksena käytetään tuulenpaineen arvoa 700 N/m 2. [4, s. 55.]

4.2 Yleisimmät vastaanoton antennit 23 Maanpäällisissä vastaanotoissa yleisimmin käytetään ns. yagi-tyyppisiä antenneja. Niiden rakenne koostuu syöttöelementistä, dipolista ja sen edessä vastaanottosuunnassa olevista suuntainelementeistä sekä takana olevista heijastinelementeistä. Antennin käyttötarpeesta riippuen, elementit voivat olla muodoltaan X malliset. Yagi antennin vahvistus on helppo määritellä, sillä se on suoraan verrannollinen sen kokoon: mitä suurempi antenni ja mitä enemmän siinä on elementtejä, sitä suurempi on sen vahvistus. Elementtien kaksinkertaistaminen ei nosta saman verran antennin vahvistusta, vaan parantaa sitä noin 3 db. Alla olevassa kuvassa (kuva 13) näemme yleisimmät mallit yagi tyyppisistä antenneista. [4, s. 55.] Kuva 13. Yagi tyyppiset antennit. [4, s. 55.] Kovan suosion saanut melko edullinen antenni on logaritmisperiodisantenni. Sen erottaa helposti yagi antennista, sillä sen elementit kapenevat vastaanottosuuntaan selvästi enemmän., joten se näyttää enemmän kolmion muotoiselta. Logaritmisperiodisen antennin vahvistus on melko tasainen koko kaistanleveydellä. Kuvassa numero 14 näemme miltä antenni oikeasti näyttää. [4, s. 56.]

24 Kuva 14. Logaritmisperiodinen antenni. [4, s. 57.] Jos talon katolla olevaan mastoon ei haluta laittaa kahta eri antennia eli UHF ja VHF alueelle oma (analogisten lähetysten aikana), voidaan silloin käyttää yhdistelmäantennia. Tämän tyyppisten antennien käyttö on suotavaa erittäin hyvissä vastaanottoolosuhteissa, joissa pienilläkin antennin vahvistuksella saadaan tv-vastaanottimeen tarvittava jännitetaso. Se koostuu yagi- ja X-elementtisistä antenneista. Alla olevassa kuvassa (kuva 15) näemme kyseisen antennin. [4, s. 58.] Kuva 15. Yhdistelmäantenni. [4, s. 58.]

5 ANTENNIN VALMISTUS 25 Tämä on työn käytännönläheinen osuus, joka painottuu v - muotoisen perhosantennin valmistamiseen, tutkimiseen sekä vertailuun logaritmisperiodiseen antenniin. Tässä osiossa käyn lävitse antennin valmistuksen eri vaiheet sekä tutkin sen ominaisuuksia. Kappaleessa mittaukset analysoin perhosantennista ja logaritmiperiodisesta antennista saadut tulokset sekä vertailen niitä toisiinsa. 5.1 V muotoinen perhosantenni Tämä antenni muodostuu kahdesta symmetrisestä heijastinelementistä, jotka on yhdistetty puukehikolla V - muotoon. Heijastinelementit ovat tasasivuisen kolmion muotoisia, jotka taas muodostuvat punotusta alumiiniverkosta ja L profiilin alumiinilistasta. Antennin historiasta ei ole minkäänlaista tietoa, ei sen kehittäjästä, paikasta tai ajasta milloin se on mahdollisesti keksitty. Ainoa tieto jonka tunnen kyseisestä antennista, ovat sen mitat, ulkonäkö ja että se on periaatteessa taajuudesta riippumaton laajakaistainen antenni. Taajuudesta riippumattoman antennin on oltava samanlainen kaikilla aallonpituuksilla mitattuna, sillä jos taajuus muuttuu vaikkapa kertoimella T, aallonpituus muuttuu kertoimella 1/T. Koska taajuudesta täysin riippumatonta antennia on mahdotonta toteuttaa äärellisen kokoisella rakenteella, on rakentamaani antennin taajuusaluetta rajoitettu siten, että sen pienin ja suurin toiminta taajuus on noin 60 MHz ja 6000 MHz. Pienin toimintataajuus perustuu heijastinelementin pituuteen, sillä kolmiomaisen elementin pituus on 120 cm. Kun heijastinelementtejä on kaksi, yhdessä elementissä on silloin 2 vaikuttavaa tekijää, joiden pituus on 120 cm. V muotoisen antennilla on yhteensä siis 4 toimintataajuuteen vaikuttavaa tekijää. Pienin toiminta taajuus voidaan laskea kaavan 5.1 avulla, jossa valonopeus C on 2,99*10 8 m*s -1, ja taajuuteen vaikuttavat tekijät 4*120 = 480. Jotta laskutoimitus menisi oikein, on taajuuteen vaikuttavat tekijät (480 cm) muutettava metreiksi, jolloin arvoksi saadaan 4,8 metriä. f = C 4,8m (5.1)

26 Sijoittamalla yllämainitut arvot kaavaan, taajuuden arvoksi saadaan likimäin f = 2,99108 ms 1 = 62,29 MHz, joka on antennin pienin toimintataajuus. Tämä 4,8 m taajuus vastaa VHF 1 alueen (47 68 MHz) kanavaa numero 4, joka oli analogisten lähetysten aikana käytössä oleva taajuus. Digitaalisten lähetysten aikana antennilta ei ainakaan vielä vaadita tällaista ominaisuutta, sillä maanpäälliset televisiolähetykset tapahtuvat UHF IV ja V alueella (470 862 MHz). Suurimman toimintataajuuden määrää heijastinelementeissä oleva alumiiniverkko, jonka silmäkoko on 5 cm. Kun kyseessä on verkkoantenni, jokaisen reiän pitää olla samankokoinen ja tarkasti suunniteltu, jotta sähkömagneettiset aallot eivät niin sanotusti läpäisisi reikää. Vaikka heijastinelementtinä käytetäänkin verkkoa, se toimii ikään kuin yhtenä kokonaisena levynä, joten ehtona on reikien oikea mitoitus. Tässäkin tapauksessa aallonpituus määrää reiän koon, sillä sen pitäisi olla paljon suurempi kuin reiän koko eli taajuuden pitää olla paljon pienempi. Suurin toimintataajuus voidaan laskea kaavaa 5.2 hyväksi käyttäen. f = C 0,05 m missä: C = 2,99*10 8 m*s -1 0,05 = silmäkoko (5.2) Sijoittamalla arvot kaavaan taajuudeksi saadaan f = 2,99108ms 1 = 5980MHz. 0,05m Tämä tarkoittaa sitä, jos sähkömagneettinen aalto ylittää tämän rajan, se läpäisee reiän, jolloin vastaanotettu signaali kärsii tehohäviöitä. Koska noin korkeata taajuutta ei käytetä maanpäällisten televisiokanavien lähettämiseen, voidaan antennille ottaa ylärajaksi 800 MHz tai 1 GHz. Perhosantennin suunnittelussa on todennäköisesti toimintataajuudelle laitettu joku yläraja, jolloin silmäkoko olisi ehkä pienempi tai isompi kuin 5 cm:ä, mutta käyttämällä 5 cm:n silmäkokoa on ehkä haluttu jättää pelivaraa, jotta sähkömagneettiset aallot eivät läpäisisi reikiä.

5.2 V muotoisen perhosantennin toimintaperiaate 27 Perhosantennin toimintaa voidaan verrata sekä seisovan aallon antenneihin että myös kulkuaaltoantenneihin. Seisovan aallon antenneissa virta kulkee antennin päähän ja sitten takaisin. Yksinkertaisin esimerkki seisovan aallon antenneista on tavallinen dipoli. Yleisin dipoliantennin on puolen aallon pituinen, jolloin sen yksittäinen elementti on neljännes aallon pituinen. Jos dipoli on lyhyempi kuin puoliaalto, on kyseinen reaktanssi kapasitiivinen. Jos se on taas isompi kuin puoliaalto, on sen reaktanssi induktiivinen. Kun dipoli on selvästi lyhyempi kuin neljännesaalto, se on hyvin tehoton säteilijä. Matemaattisten kaavojen avulla se näkyy siten, että lyhyen dipolin säteilyresistanssi on hyvin pieni. Jos dipoli on selvästi pitempi kuin puoli aallonpituutta, sen eri kohdissa virta on vastakkaisessa vaiheessa, mikä huonontaa tehokkuutta ja aiheuttaa suuntakuvioon vuorotellen vahvistavia keiloja ja heikkoja nollakohtia. Tästä voidaan päätellä, että neljännesaalto on dipolin elementeille sopivin mitta, koska silloin säteilyteho on hyvä, säteilykuvio on laaja ja tasainen ja lisäksi antennin induktanssi ja kapasitanssi menevät resonanssiin, jolloin antenniin on helppo syöttää tehoa. Alla oleva kuva (kuva 16) havainnollistaa hieman puoliaaltodipolin toimintaa, jossa se muuttaa sähkölähteestä saatavaa sähköenergiaa sähkömagneettiseksi säteilyksi. Puoliaaltodipolin virta on suurin sen ja siirtojohdon liitännässä eli syöttöpisteessä. λ/2 Kuva 16. Puoliaaltodipoli.

28 Koska rakentamani v muotoinen perhosantenni muodostuu kahdesta heijastinelementistä, voidaan olettaa, että sen pituus on puoli aallonpituutta, jolloin yksittäinen elementti on neljännesaallon mittainen. Sen toiminta poikkeaa hieman perinteiseen puoliaaltodipoliin verrattuna, sillä se muistuttaa enemmän kulkuaaltoantennin toimintaa. Kulkuantennissa virta kulkee vain yhteen suuntaan, jolloin vastakkaiseen suuntaan palaava virta ei aiheuta pitkässäkään antennielementissä ongelmia, eikä pituuden tarvitse myöskään olla sellainen, että antennin kapasitanssi ja induktanssi menisivät resonanssiin. Tällä tavalla antennista saadaan laajakaistainen, mitä v muotoinen perhosantenni onkin. Läheisin sukulainen perhosantennille voisi olla v lanka-antenni, vaikka ne eivät toimikaan täysin samalla tavalla. V muotoisen perhosantennin päässä ei ole vastusta, johon virta lopuksi menisi, mutta perhosantenni levenee koko ajan, jolloin kuormana toimii antennielementtien välinen kapasitanssi, joka saadaan paljon suuremmaksi kuin lanka antennissa. Alla oleva kuva (kuva 17) paljastaa miltä vee lanka antenni näyttää. Kuva 17.V lanka-antenni.

29 5.3 V muotoisen perhosantennin rakentaminen V muotoisen perhosantennin valmistuksen aloitin rakentamalla heijastinelementtien rungot. Niiden valmistuksessa käytetään L profiilin alumiinilistaa, josta leikataan 6 kappaletta 120 cm:n pituisia pätkiä. Koska heijastinelementti on tasasivuisen kolmion muotoinen, on yhdistettävä nämä 120 cm pituiset pätkät keskenään yhdeksi kolmioksi. Käyttämällä akkuporakonetta ja bob niittejä hyväkseni suoriuduin tästä osiosta melko helposti. Kasattuani rungot oli alumiiniverkon asentamisen vuoro. Tämä osio oli kaikista vaiheista haastavin, sillä en mistään löytänyt hitsattua alumiiniverkkoa, jonka paksuus on 2-3 mm ja silmäkoko 5 x 5 cm. Koska verkko oli punottu, oli sen laittaminen ja sovittaminen runkoon melko työlästä. Suoriuduttuani kaikista vaiheista heijastinelementti on alla olevan kuvan 18 näköinen. Kuva 18. Heijastinelementti. Seuraava vaihe oli heijastinelementtien yhdistäminen sekä mastokiinnikkeiden laittaminen. Välikappaleen pitäisi olla sähköä johtamatonta materiaalia, kuten polykarbonaattia (pleksi), muovi, kuiva puu jne. Itse käytin puuta, jonka paksuus oli 5 x 5 cm. Siitä leikkasin neljä 50 cm:n pituista pätkää, joista kasasin neliömuotoisen kehikon. Puukehikko asennetaan heijastinelementtien väliin siten, että elementtien etuosien väli on 120 cm ja takaosassa on 5 cm:n rako. Porattuani muutaman reiän puukehikkoon sain laitettua mastokiinnikkeet paikoilleen.

30 Antennin valmistuksen viimeinen vaihe oli sen sovittaminen. Koska nykyään lähes kaikki järjestelmät ovat 75 Ω, on perhosantennin 300 Ω impedanssi sovitettava järjestelmään sopivaksi. Perhosantennin sovituksessa käytin vanhasta arkistosta löytynyttä impedanssimuuntajaa, jota oli käytetty jossain vanhassa yagi antennissa. Impedanssimuuntajan piirikaavio olisi alla olevan kuvan 19 mukainen. Kuva 19. Impedanssinmuuntajan piirikaavio. Impedanssimuuntajan piirikaaviosta selviää, miten se pitäisi kytkeä järjestelmään. Kuvassa olevaan e1 nastaan kytketään tässä tapauksessa oikeapuoleinen heijastinelementti. Nastaan e2 kytketään vastaavasti vasemmanpuoleinen heijastinelementti. Sinänsä tällä ei ole merkitystä kummin päin elementit kytketään, koska minä sijoitin impedanssimuuntajan heijastinelementtien päälle, jolloin oikeanpuoleinen on loogisesti numero 1. Koaksiaalikaapelin negatiivinen johdin eli kupariverkko kytketään GROUND (GND) nastaan, ja sen positiivinen johdin eli sydänlanka kytketään nastaan HOT. Kaikki vaiheet on helppo kytkeä, sillä ne yksinkertaisesti ruuvataan kiinni sopivan kokoisella ruuvimeisselillä. Piirikaaviossa esiintyvät symbolit n1 ja n2 kuvaavat impedanssimuuntajan keloja, jotka toimivat kuormana, jolloin antennin impedanssi saadaan sovitettua järjestelmään sopivaksi.

Valmiin v muotoisen perhosantennin pitäisi olla alla olevan kuvan (kuva 20) näköinen. 31 Kuva 20. V-muotoinen perhosantenni.

6 MITTAUKSET 32 Tässä kappaleessa tutustumme antenneista saatuihin mittaustuloksiin. Mitattavia käsitteitä ovat seisovanaallonsuhde (SWR), heijastuskerroin, Smithin kartta, jotka liittyvät antennin sovitukseen. Muita mitattavia käsitteitä ovat kanavateho, kanavan tilatieto, bittivirhesuhde ennen ja jälkeen korjauksen, signaali kohina etäisyys, monikantoaaltojärjestelmä, suuntakuvio sekä MER arvo. Kaikki mittaukset on tehty jokaiselle kanavanipulle erikseen, jotta saisimme selville antennin käyttäytymisen eri taajuuksilla. Lopuksi kaikki mittaukset analysoidaan tarkasti. Työkaluina käytin HP 8714C piirianalysaattoria sekä PROLINK 4 tasomittaria. SWR, eli seisovanaallonsuhde (Standing Wave Ratio) kuvaa impedanssisovitusta, minimi ja paras arvo on 1/1. Heijastuskerroin on tulevan ja heijastuneen paineaallon suhde. Sen suurin impedanssisovituksessa hyväksytty arvo on 0,5. Jos arvo mene sen yli, antennin vastaanottama teho heikkenee huomattavasti. Smithin kartan avulla nähdään millainen on antennin impedanssisovitus. CSI, eli kanavan tilatieto (Channel state information) kuvaa signaalin toimintavarmuutta prosentuaalisesti. Mitä isommat prosentti luvut, sitä heikompi on toimintavarmuus. Channel Power, eli kanavateho ilmoittaa antennin vastaanottaman tehon desibelimikrovolteissa dbμv. Raja arvona kiinteässä vastaanotossa voidaan pitää 45 dbμv C/N, signaali kohina etäisyys,,mitataan suoraan tasojen erona. DVB T järjestelmän teoreettinen C/N - vaatimus on noin 17 db, mutta vastaanotettavassa signaalissa tulee olla noin 8 db:n vara, joten käytännössä C/N - vaatimus on noin 25 db. COFDM, modulaatiossa käytetään monikantoaaltojärjestelmää (Coded orthogonal frequency division multiplex). Kukin kantoaalto on moduloitu 64 QAM menetel-