Про «посилення» антен, діаграмах спрямованості і видах зв'язку

1. Дивіться також
2. Залиште свою думку

Щоб вже відразу отримати купу шишок на свою голову і від безлічі доморощених «антенних експертів» (віддамо їм данину поваги: ​​це - захоплені люди), і від тих, чий бізнес - продавати антени, частенько апелюючи до параметру їх «коефіцієнта посилення», скажу страшну крамолу: жодна антена нічого не підсилює.

Як так??? Автор марить?

Зовсім ні.

Тому що будь-яка пасивна антена не порушує основоположного закону збереження енергії: більше, ніж в неї енергії зайшло, з неї вийти не може; тобто ніякого посилення рівня енергії не відбудеться. Мало того: кожна антена має цілком певним коефіцієнтом корисної дії, меншим одиниці і визначаються співвідношенням опору випромінювання (чим більше, тим краще) і опору втрат (чим менше, тим краще). Але про це - як-небудь іншим разом. Повернемося до теми, вказаній у заголовку.

Оскільки такий захід не абстрактно децибельних, а щодо саме изотропного (равнонаправленних) випромінювача, ця одиниця отримала назву дБи (dBi).

Є і ще одна споріднена одиниця, звана ДБД (dBd), яка показує, у скільки разів в децибельних міру менше кутовий простір випромінювання деякої реальної антени щодо обсягу випромінювання найпростішої з «класичних» антен: півхвильового диполя. І оскільки диполь сам по собі має «посиленням» 2,15 дБи, співвідношення між одиницями дБи і ДБД буде наступними (G - значення посилення):

G дБи = G ДБД + 2,15
G ДБД = G дБи - 2,15

Тепер про те, чому нас абсолютно не цікавитиме «абстрактне» значення коефіцієнта посилення.

Відповідь проста: якщо антена має високий коефіцієнт посилення (концентрації енергії у вузькому вугіллі випромінювання), але «світить» цим кутом зовсім не туди, куди нам треба, користі від неї - нуль.

Ось тут-то виходить на сцену поняття діаграми спрямованості, з яким нерозривно пов'язаний весь «зоопарк» видів радіозв'язку і радиотрасс.

Про нього цілком достатньо знати наступне.

З точки зору геометрії радіозв'язку, нас може цікавити спрямоване (уздовж одного або декількох променів) або всеспрямоване (в площині поверхні землі або під кутом до неї) випромінювання.

З точки зору видів радіоканалів, можна розглядати:

1. Ближню зв'язок на приземному рівні (від нуля до десятків кілометрів);
2. Так звану «тактичну» зв'язок (від нуля до декількох сотень кілометрів);
3. Далекий зв'язок (до десятків тисяч кілометрів; з мертвою зоною від кордону приземного поширення до декількох або багатьох сотень кілометрів від радіостанції).

До речі, не плутаємо далекий зв'язок і DX-інг. DX - це «рідкий» кореспондент, який може знаходитися зовсім не за тридев'ять земель, а, скажімо, в сусідньому, завжди безлюдному і тому ніким не закритому квадраті (ну хіба мало у нас, наприклад, непрохідних лісів площею з європейську країну, куди , нарешті, хтось забрався з похідним трансівером?).

Стабільна тактична і далека радіозв'язок конфігурації «точка - точка», без опори на допоміжні засоби - єпархія в основному коротких хвиль, бо можливість її організації грунтується на стабільному ж відображенні від іоносфери. Цього позбавлені УКХ-діапазон, змушені очікувати тих чи інших коротких проходжень, або використовувати висотні ретранслятори: від такої екзотики, як тимчасово зависающие на многосотметрових висотах дрони, до, втім, стали буденними низькоорбітальних супутників, проте, обмежують час сеансу зв'язку часом свого прольоту.

У той же час, на КВ є свої обмеження, які накладають певний відбиток на параметри спрямованості застосовуваних антен.

Для тактичної зв'язку використовують антени зенітного випромінювання (Азі; по-імпортному - NVIS), які в найпростішому випадку є горизонтальні напівхвильового диполів, що висять на висоті 0,1 ... 0,15 довжини хвилі над землею, на поверхні якої паралельно диполю просто валяється провід рефлектора з довжиною трохи більше напівхвилі (рис.3).

Причому надійний зв'язок за допомогою зенітного випромінювання можлива лише на частотах 2 ... 4 МГц (ніч) і 5 ... 8 МГц (день). Тобто для цілодобової роботи повинно бути дві антени з резонансами на «нічний» і «денний» частоті (в аматорських умовах це діапазони 3,5 і 7 МГц).

«Посилення» такої антени - до 4 дБі, але випромінювання - виключно в зеніт; в горизонт вона практично не «стріляє», і нічого від неї чекати далеких зв'язків.

Але от якщо той же диполь підняти до висоти хоча б трохи вище чверті довжини хвилі і прибрати провід рефлектора, з'явиться сильна двунаправленная складова випромінювання під низьким кутом до горизонту, що при посиленні диполя всього 2,15 дБи, проте ж, без проблем дає можливість здійснення далеких зв'язків (ріс.3б). Зенітна ж складова буде ослаблена (тим більше, ніж менш електропровідний грунт під антеною), що для здійснення тактичної зв'язку зажадає більш потужного передавача.

Якщо ж потрібна і ближня, і тактична (зенітна) зв'язок, і щодо далека (на одиничний «відскік» від іоносфери), але в переважних напрямках, то з єдиною щогли (висотою максимум в 0,35 від довжини хвилі) спускаємо один кінець нашого диполя до землі. Отримали старий добрий «похилий промінь» (рис.4) з цілим «віялом» робочих напрямків при різних видах зв'язку.

Його посилення також близько до посилення диполя, але характеристика випромінювання у вигляді діаграми спрямованості адже зовсім інша!

Тільки не забувайте: вище 8 МГц (і максимум до 10 ... 12) тактична зв'язок може бути тільки денної та епізодичні, підпорядкованої закону періодичності активності Сонця, а ще точніше - «висипання» на його поверхні плям.

Якщо потрібна далека всенаправленная зв'язок - в найпростішому випадку до наших послуг антена Ground Plane з посиленням, приблизно відповідним посилення диполя. Але - у GP є один незаперечний плюс: вона взагалі «не стріляє» в зеніт, і ви перестаєте чути «тактичні» станції, «сильні» від природи тому, що довжина їх трас з відображенням навіть від верхнього іоносферного шару ненабагато перевершує півтисячі кілометрів проти десятків тисяч кілометрів для трас далеких зв'язків (рис.5).

На УКХ - свої «фічі».

Наприклад, для зв'язку з низколетящими супутниками, в конструкції спрямованої антени повинен бути дотриманий якийсь баланс між її посиленням (щоб сигнал був впевнено вище шумів приймача) і достатньою шириною її діаграми (щоб напевно зловити і по можливості довго тримати супутник без перенаправлення антени). Як бачимо, «посилення» - і тут не головний параметр.

Чимало сезонів попрацювавши на розгортанні професійних систем УКХ-зв'язку в горах, автор не раз спостерігав здивування на обличчях «кабінетних» планувальників радіомереж, коли, поставивши станцію на вершині гори і застосувавши штиркової (читай - всеспрямовану) антену з великим посиленням (менеджери в замовлення підсунули : вона ж дорожче!), вони з подивом виявляли відсутність зв'язку в нижній частині гірського схилу на дистанції всього в кілометр за мінімальним перешкодою, зате сигнал «на ура» виявлявся в сотні з гаком кілометрів, заважаючи «тамтешнім» засобам зв'язку, що працюють на тих же частотах.

Опосередковано винувато саме високе посилення штиря, яке дає дуже вузький «млинець» діаграми в горизонтальній площині, природним чином не даючи енергетики під кутом 20 ... 40 градусів вниз по схилу, зате - з дикою силою стріляючи «в горизонт». Заміна такого штиря (як правило, це колінеарна антена) на звичайний вертикально розташований одиночний полуволновой диполь або вібратор Пістолькорса (з широкою діаграмою спрямованості, в тому числі - у вертикальній площині) негайно усували названі негативні феномени: і схил накритий, і співвідношення сигнал / шум у віддалених абонентів ставало в багато разів краще.

Висока ж посилення потрібно ось коли.

Власне, не тільки воно саме по собі; частіше - вузька діаграма (а вона просто пов'язана з високим посиленням) і наявність значного провалу в першому мінімумі діаграми багатоелементних антен (Нпрімер, хвильовому каналі, вона ж «в просторіччі» Yagi, хоча, по правді сказати, це не зовсім вірно).

Якщо у вас є спрямований канал зв'язку, а близько у напрямку - потужне джерело перешкод, то значно відбудуватися від нього можна так, як показано на рис.6

Ціною втрати посилення корисного сигналу всього 4 дБ (що потрібно враховувати при розрахунку енергетики радіоканалу) ми отримали аж 26 (!) ДБ відбудови від сигналу перешкоди.

А ось на СВЧ з вибором посилення парабол будьте обачні, оскільки воно доходить до багатьох десятків децибел і, відповідно, ширина діаграми зменшується до одиниць градусів. Що буде, коли цей «лопух», недостатньо міцно закріплений (або просто з невдалою конструкцією) починає базікати поривчастим вітром? Так ось що (рис.7):

Тобто при дуже вузькій діаграмі (читай - дуже високому посиленні) і хисткою конструкції ми отримуємо значні хаотично-періодичні наднизькочастотних завмирання (так званий «вітрової федінга») які можуть досягати десятка і більше дБ. Якщо енергетика радіоканалу ледь-ледь має такий запас, в цифровому каналі неминуче виникнуть явища кардинального зменшення швидкості передачі даних (що критично, скажімо, при передачі медіа).

Зазначений ефект в аматорській практиці може, наприклад, проявитися в експериментах по організації наддалеких спрямованих радіоканалів WiFi діапазону 5 ГГц із застосуванням не самих маленьких супутникових «тарілок», якщо вони виявляються закріплені на кронштейнах, тонких або довгих трубостойки, що не володіють достатньою жорсткістю до геометричної деформації або осьового повороту, а траверса, що несе опромінювач, що не Распертов в боки параболи (рис.8).

Тим більше варто пам'ятати про вітрової федінга, експериментуючи з параболічними антенами в аматорських діапазонах від 10 ГГц і вище.

Для орієнтиру: в діапазоні 5 ГГц метрова параболічна антена, при відхиленні її від осі радіоканалу близько 3 градусів, втратить в посиленні близько 10 дБ. Якщо радіоканал побудований на двох таких парабол і в результаті впливу вітру вони обидві в якісь моменти відхиляться на ті ж 3 градуси, енергетика каналу в ці моменти втратить 20 дБ.

Щось забули ми про «ближню» персональну радіозв'язок, в тому числі і «громадянську».

Подивіться, що написано про коефіцієнт посилення антен портативних радіостанцій VHF (136 ... 174 МГц) і UHF (403 ... 470 МГц) діапазонів. Пишуть чесно: 0 дБи. При цьому на VHF-раціях стоять антени довжиною приблизно 15 см (30% довжини від чверті середньої довжини хвилі), а на «непрофесійних» UHF - здебільшого сантиметрів до 5 ... 6-ти (ті ж 30 ... 35% від чверті середньої довжини хвилі).

Ну, на VHF - зрозуміло: з довшими антенами портативними раціями користуватися буде незручно. Але на UHF (включаючи LPD і PMR-діапазони, а заодно - і деяку кількість професійної техніки, наприклад, стандарту TETRA) чому вельми масово такі спіральні «обрубки» ставлять? Адже «чесна» чверть хвилі, об'єднана з пристойним противагою з підкладки загального проводу плати рації (а то і з металевою рамою корпусу), володіє в рази більшою енергетикою і цілком «комфортними» 16 см довжини.

Автор довго ламав голову, поки не побачив такі ось «призначені для користувача» картинки (рис.9):

І все відразу стало ясно. Адже рації проектуються з урахуванням їх користування «нерадістамі», які можуть тримати їх як попало; причому дійсно повально модно - чомусь горизонтально, а не «як правильно» (рис.10). Мабуть, вони вважають, що так у них вид «крутіше» ...

Та й на стіл рації зазвичай кладуть, а не ставлять, хоча все «пристойні» моделі мають досить значну нижню площину опори.

Якщо у радіостанції сильно укорочена антена, її діаграма спрямованості прагне до ізотропної (про що і підказують її 0 дБи). Радіус зв'язку зменшується, але зате положення рації в просторі - абсолютно байдуже.

Ну, а якщо у нас вийшов - укупі з самої рацією - цілком «чесний» полуволновой диполь зі своїми 2,15 дБи, то на кордоні стійкого зв'язку (з безлічі тестів - мінімум вдвічі далі, ніж зі спіральним «обрубком») при положенні антени однією рації вертикально (вертикальна поляризація), а другий - у горизонтальному положенні (горизонтальна поляризація) канал зв'язку у нас тупо обірветься, хоча принципово може існувати: адже рівень втрат (на відкритій місцевості) при вийшла крос-поляризації складає мінімум 10 ... 12 дБ! До того ж, «лежачий» диполь не випромінює ще й уздовж своєї осі. Ось від прояву подібних явищ, які можуть поставити «нерадіста» в глухий кут, мабуть, і йдуть розробники.

Такі справи ... «безграмотність» - все, а «грамотним» - морока з переробкою антен :-)

Дивіться також

Коментарі

Обговорення цієї статті - Скажіть свою думку!

Залиште свою думку

8756 8733 8731 8730 8729 8718 8717 8713 8712 8710

Обговорення цієї статті - Скажіть свою думку!