Антенны. Фактор нестабильной связи.

Рация для парапланеристов – довольно существенная часть снаряжения. Хорошая связь, как элемент безопасности, важна на этапе обучения, на соревнованиях, да и при полетах FreeFly тоже будет не лишней, особенно в зонах – где не работает сотовая связь.

Идея написания этой заметки родилась из-за того, что я часто сталкивался с проблемами радиосвязи при полетах с друзьями. Казалось бы – у нас идеальные условия, мы в воздухе и мало препятствий, но не только шум ветра создает проблемы для комфортной связи, но и плохая модуляция микрофонов, слабая помехозащищенность при работе множества раций на  близких частотах и, да и само оборудование, которое мы выбираем по остаточному принципу.  Поэтому я решил купить антенный векторный анализатор и слегка посмотреть, какие проблемы можно решить не копая глубокоё.

Статья – ни в коей мере не является техническим документом и содержит много упрощений, это – информация к размышлению и к изучению специальных источников.

Итак, вначале давайте посмотрим чем традиционно пользуются парапланеристы.

Пилоты обычно выбирают 2-х диапазонные любительские рации VHF (2-х метровый) 136-174 МГц и  UHF (70 см) 420-480 МГц диапазонов. Хотя на этих частотах без регистрации и получения радиолюбительского позывного, разрешено использовать только маломощные рации – 0,01 Вт в диапазоне 433 МГц (LPD) и 0,5 Вт в диапазоне 446 МГц (PMR) – парапланеристы на это обычно закрывают глаза – связь важнее, поэтому наиболее популярны радиолюбительские рации мощностью 4-5 Вт. Однако, всем летающим полезно будет знать, что мощность радиопередатчика – это далеко не все, чтобы использовать весь потенциал рации для дальней и надежной связи – нужно учитывать и другие параметры, а их довольно много.

Часть из них зависит от самой радиостанции, например:

Чувствительность радиостанции на прием. 

Она характеризует способность приемника принимать слабые сигналы. Чувствительность приемника определяется как минимальный уровень входного сигнала устройства (обычно в микровольтах), необходимый для обеспечения требуемого качества полученной информации.

Реальная чувствительность приемника равна э.д.с. (или номинальной мощности) сигнала в антенне, при которой напряжение (мощность) сигнала на выходе приемника превышает напряжение (мощность) помех в заданное число раз.

Чем выше чувствительность, тем более слабый сигнал от антенны способна разобрать  радиостанция.

Чемы выше чувствительность, тем более слабый сигнал способна воспринять радиостанция.

Избирательность по соседнему каналу.

Избирательность по соседнему каналу –  это способность приемника принимать полезный сигнал на заданной частоте канала с заданной вероятностью ошибки в присутствии мешающего сигнала по соседнему каналу.

Грубо говоря – это способность вашей рации не реагировать на помехи на ближней частоте – очень важная характеристика, ведь часто мы летаем в зоне очень высокой насыщенности радиосигналами (как от коллег парапланеристов, работающих на  соседней частоте, так и от других радиолюбителей, ведь в воздухе мы находимся на прямой видимости с огромной территорией). На этот параметр особое влияние оказывает схема усилителя радиостанции (с прямым усилителем или с использованием промежуточного преобразования  гетеродином).

Чем лучше избирательность – тем меньше шанс, что канал “на прием” заткнется помехой, связанной с передачами на близких частотах, тем меньше шумит и ловит помех рация.

Мощность радиопередатчика.

Тут все просто, это максимальная мощность которую может отдать в сторону антенны передатчик радиостанции.

Чем больше мощность – тем лучше.

Мощность радиостанции может быть различной в каждом из диапазонов излучения и это важная характеристика влияющая на дальность передачи. Мощность любительских портативных раций обычно ограничена 5 Вт , однако не все рации могут в реальности выдавать заявленную мощность на штатном аккумуляторе, например почти все рации Yaesu (FT-60R, VX-6R, и даже новейшая FT-3DR), на аккумуляторах выдают не 5, а 4 Вт на согласованную нагрузку. То есть их эффективность уже на 20% меньше заявленной. Так что внимательно смотрите результаты обзоров и реальных тестов.

Не буду в этой статье останавливаться на выборе радиостанции, на преимуществах и недостатках схемы (с прямым преобразование частоты или схемы супергетеродинного приемника с двойным преобразованием частоты) – читайте лучше специализированные сайты и обзоры.

Но хотелось бы обратить внимание, что кроме характеристик самой радиостанции,  важнейшим элементом радиосвязи  – является антенна.

Антенна – устройство преобразующее колебания электрического тока в волну электромагнитного поля (радиоволну) и обратно.

Ведь именно от конструкции, настройки и положения в пространстве антенны зависит та часть мощности передатчика которая преобразуется в электромагнитные волны, и та часть энергии электромагнитной волны которая в конце-концов достигнет приемника.


Не буду приводить формул, отмечу лишь – что дальность связи при прямой видимости в воздухе  зависит от мощности передатчика, чувствительности приемника, частоты передачи (длины волны),  а так же от коэффициентов усиления и согласованности передающей и принимающей антенны.

Кроме непосредственно устройства антенны, важна так же  её направленность и поляризация излучения.

Поляризация — это направленность вектора электрической составляющей электромагнитной волны в пространстве.
Различают: вертикальную, горизонтальную и круговую поляризацию.

Поляризация зависит от типа антенны и ее расположения.
К примеру, классическая штыревая антенна мобильных носимых радиостанций (а это фактически диполь, с учетом противовеса в виде корпуса рации и тела человека)  при вертикальном расположении даст вертикальную поляризацию, а при горизонтальном положении – соответственно горизонтальную.

Дальность связи при неправильном положении – может упасть в разы.  К тому же, «лежачий» диполь не излучает еще и вдоль своей оси.

Диаграмма направленности — графическое представление коэффициента усиления антенны, в зависимости от ориентации антенны в пространстве.

Для штыревых антенн – это диполь, некое подобие бублика развернутого в пространстве вокруг оси антенны.

Ширина частотного диапазона антенны – это полоса частот, в которой коэффициент усиления антенны уменьшается не более чем в два раза (на 3 дБ). Так как антенна – часть резонансной системы, то наибольшую эффективность от нее можно ожидать только на определенной частоте (частоте резонанса). Следовательно, для наибольшей дальности связи потребуется антенна, специально созданная (настроенная) для работы на конкретной частоте.

Важно помнить, что антенны – обратимые устройства, то есть как антенна работает на передачу, так она будет работать и на приём.

Отсюда делаем важное заключение – антенна должна быть согласована с приемо-передатчиком,  настроена в  резонанс с частотой на которой мы работаем! И это очень важно!

Величина, которая позволяет наглядно оценить качество согласования, называется коэффициентом стоячей волны (КСВ). У радиолюбителей, процесс настройки заключается в изменении длины антенны и/или соединительного кабеля в зависимости от рабочей частоты радиостанции. Контроль настройки ведется с помощью специальных измерительных приборов, так называемых измерителей КСВ (в обиходе – «КСВ-меров»).

Мы же применяем классические штыревые антенны, устанавливаемые напрямую к передатчику (без длинного волновода, существенно влияющего на настройку). Поэтому можно измерять  напрямую КСВ антенны – как характеристику, какую долю мощности выдаваемой передатчиком рация сможет отправить в эфир (ну или какую часть энергии радиоволны из эфира она сможет преобразовать в эдс на приемнике). Конечно надо стремиться к уменьшению КСВ. В идеальном случае КСВ=1. В реальных условиях можно получить значения 1.1..1.6, что является приемлемым для работы радиооборудования.

При повышении КСВ, эффективность антенны падает, причем при больших значениях КСВ возможен выход радиостанции из строя при работе на передачу, так повышается напряжение на выходном каскаде усилителя передатчика.

К сожалению, КСВ является необходимым, но не достаточным параметром, характеризующим настройку антенны. По КСВ нельзя определить например диаграмму направленности, коэффициент усиления антенны.

Однако КСВ антенны на рабочей частоте – очень важно знать, чтобы представлять предел эффективности передачи и гарантировать что КСВ допустим и ваша радиостанция не выйдет из строя при работе на передачу.

Вооружившись вышеописанными теоретическими знаниями x решил проверить свой зоопарк антенн для разных раций векторным анализатором.

Зоопарк моих антенн

Ниже я приведу несколько графиков измеренных КСВ  (коэффициент стоячей волны)  – он же SWR (от англ. standing wave ratio).

Еще раз напомню, что в крайнем пределе, при КСВ=1 максимально возможная мощность от источника попадает в нагрузку (то есть уходит через антенну в эфир). Чем выше КСВ – тем меньше мощность передается в эфир, антенна не использует то, что может выдать генератор Вашей рации.  Для качественной линии КСВ должен находится в пределах от 1 до 2.

Тут еще важный нюанс, связанный с тем, что мы пользуемся именно радиолюбительскими рациями и антеннами  – производители вынуждены антенны делать очень широкополосными, чтобы перекрыть весь “потенциальный” рабочий диапазон радиостанции, т.е. с полосой эффективности от 38 МГц (136-174) до 120 МГц(400-520 МГц). Это приводит к низкому резонансному усилению. Но применять узкополосные антенны с высоким резонансным усилением (которые технически сделать не сложно и которые при работе в узкой полосе эффективности обеспечили бы значительно более высокую дальность радиосвязи) затруднительно, т.к. при работе с такой антенной вне полосы эффективности при длительном нахождении в режиме передачи выходной каскад передатчика может попросту выгореть…

Всё это достаточно сильно снижает эффективность таких антенн.

Антенны портативных радиостанций имеют, как правило, минимальные размеры. Это делает радиостанцию компактной и удобной в эксплуатации. Однако ограничение геометрической длины таких антенн приводит к существенной потере их эффективности по сравнению с полноразмерным четвертьволновым штырем и, естественно, требует хорошего согласования антенны с рацией.

Итак, вооружимся таблицей потерь мощности при разных КСВ и приступим к проверкам.

  • КСВ=1- потери 0%
  • КСВ=1,3 – потери 2%
  • КСВ=1,5 – потери 3%
  • КСВ=1,7 – потери 6%
  • КС=2 – потери 11%
  • КСВ=3 – потери 25%
  • КСВ=4 – потери 38%
  • КСВ=10- потери 70%

Начну со штатной антенны Yaesu для VX-2r. 11 см.

Штатная антенна от Yaesu VX-2R.

Штатная антенна от Yaesu VX-2R. 2-х метровый диапазон.

Штатная антенна от Yaesu VX-2R. 70 см.

Антенна – хоть и маленькая, но удаленькая. Имеет приемлемое для такой коротышки КСВ =1.46 на 144 МГц и в районе 2 на 430-450 Мгц.

Давайте посмотрим теперь на длинные антенны SURECOM RH901S SMA-Male 144/430Mhz 47см. 

У меня 2 таких антенны.

901S, 1-я антенна

901S, 2-я антенна

на 2-х метровом диапазоне они работают не очень, явно сильно промахнулись в сторону авиационного диапазона.

901, 2м, 1-я антенна

901S, 2м, 2-я антенна

Видно что у второй на 145 МГц КСВ заметно хуже, так как резонанс на частоте 123 МГц, зато она отыгралась в 70 см диапазоне.

901S, 70 см, 1-я антенна

901S, 70 см, 2-я антенна

В целом эти антенны подойдут на связи в 70 см диапазоне, но разочаровали  на частоте 144 MГц.

Посмотрим теперь антенну типа “крысиный хвостик”.

У меня есть SUPER SMA24 SMA-MALE 144/430MHZ 43см.

Гибкая и легкая антенна типа “длинный крысиный хвостик”.

SMA24

На 144 вполне приличное КСВ

А вот на 70 см антенна промахнулась мимо нужного диапазона КСВ в районе 3-х это уже плохо.

Иногда я встречал сверх укороченные антенны,  у меня тоже есть одна такая, 5 см длиной.

Antenna SMA-male 144/430mhz for YAESU (NoName 5 см.)

Укороченная антенна (5 см) , заявленная как 2-х диапазонная (2м/70см)

Сразу видно несколько резонансных пиков, но если 1-й попадает в 2-хметровый диапазон, то другие – явно не в 70см, а на частотах 335МГц.

Очевидно,  что антенна не подходит под полетные нужды, КСВ в 144 диапазоне – 13.  А на 434 – более 100. В печь её! Она опасна для рации!

Ну и напоследок сравним очень популярные 771 антенны (39см +/- 2 см).

.Возьмем популярну.ю в магазинах на радиорынках и на Ali express 771 антенну. У меня их несколько: TS-RH771 Antenna (SMA-male) Harvest, (длина антенны 40 см), NAGOYA NA-771SF 144/430MHZ SMA- 39 см, Retevis RHD-771 37,5 см.

Начнем с NAGOYA NA-771SF 144/430MHZ SMA- 39 см

771 антенна NAGOYA. Полный диапазон.

771 антенна NAGOYA. 2-х метровый диапазон.

771 антенна NAGOYA. 70 см диапазон.

Антенна имеет приемлемое КСВ и на 2-х метровом и на 70 см диапазоне, Хотя в обоих диапазонах “дно” именно в наших, рабочих частотах. Хотелось бы конечно КСВ менее 2-х на 70 см, но имеем всего 2.1. Лучше работать на 442-444 частоте.

Сравним с сестрой TS-RH771 Harvest, которая длиннее на 1 см.

771 антенна Harvest. Полный диапазон.

771 антенна Harvest. 2-х метровый диапазон.

771 антенна Harvest. 70см диапазон.

Мы видим, что она чуть лучше на 2-х метровом диапазоне, но заметно проигрывает на 70 см. Хотя дно и там и там находится в районе оптимальных дня нас частот.

Возьмем теперь чистого китайца – Retevis RHD-771, он самый короткий из 771, –  37,5 см. 

771 антенна Retevis. 2-х метровый диапазон.

771 антенна Retevis. 70 см диапазон.

Мы видим, что антенна оказалась весьма хороша как в 2-х метровом диапазоне (КСВ на 144-146 МГц – в районе 1.32) так и в 70 см диапазоне (КСВ на частотах 434-444 – 1.3 – 1.6) причем чем ниже – тем лучше работает антенна.

Но рано радоваться, я заказывал  2 таких антенны, тестирую вторую.

Вторая антенна Retevis – явный брак антенны. Такой антенной можно легко спалить рацию и связи на ней не будет.

Вторая антенна Retevis – явный брак антенны. Такой антенной можно легко спалить рацию и связи на ней не будет. Криминал. Будьте аккуратны покупая непроверенные антенны.

У меня ещё много разных антенн (NAGOYA NA-704 SMA-male 430-440, 951S, 940, штатные антенны от Baofeng 82, Wouxun-KG-UV2Q и другие, но в принципе выводы можно сделать и по уже приведенным выше.

Половина антенн малопригодна как универсальные и лажают в одном или другом диапазоне, а две имеют явный брак и опасны для раций!

 

Кстати, антенны есть у нас не только в рациях, но и в  том же Oudie 5pro! Они используются для Flarm/Fanet.

Штатная прямая антенна Oudie показала КСВ=1.73 -2 в диапазоне работы прибора,

Штатная антенна Oudie5

Так как мощность передатчика небольшая, то для увеличения связи рекомендую штатную антенну – поменять.

Я себе выбрал угловую, чтоб не торчала из кокпита, да и КСВ – намного лучше, резонанс аккурат в частотах OUDIE. КСВ=1,37-1,5.

Нештатная антенна для Oudie

Выводы. 

  1. Необходимо знать – на какую частоту настроена Ваша антенна.
  2. Для полетных задач – лучше брать узко настроенные антенны.
  3. Так как в полетах мы используем очень узкие диапазоны, то в “универсальных антеннах” оптимальные характеристики могут просто не попасть в этот диапазон!
  4. Вне рамках диапазона настройки – лучше не использовать антенну на передачу, можно повредить рацию.
  5. Купленные антенны необходимо протестировать, брак или неправильная настройка – не редки.  Бракованные антенны не только не обеспечат хорошей радиосвязи, но и опасны для самой рации.
  6. К сожалению, проверить рацию и антенну без оборудования – достаточно сложно. В радиусе 200-500м мощности передатчика обычно хватает чтобы сигнал передать с любой антенной, хоть гвоздь воткните, а вот на длинных дистанциях в полете связи может и не быть.
  7. Радиостанцию лучше выбирать с максимальной мощностью, чувствительностью и отличной избирательностью. Однако плохая антенна может всё испортить, и не даст даже самой лучшей и дорогой рации заработать. В то время как хорошая антенна и её правильная ориентация обеспечит хорошую связь даже на маломощной или не очень чувствительной рации. (избирательность все равно важна в условиях множественных помех на близких частотах).
  8. Кроме самой антенны, не забываем об её пространственной ориентации, а так же о том, что человек является частью системы антенны (вместе с металлическим шасси рации он – вторя половина “диполя”. Поэтому связь будет лучше если вы держите рацию перед лицом и нажимаете PTT рукой, без гарнитур и выносных тангет.
  9. Хороший микрофон и динамик – тоже важны, не нужно в условиях помех вносить дополнительные искажения плохой модуляцией звука. Ведь мало передать сигнал по радио, важна еще и разборчивость речи.

 

Ну и напоминаю, сам по себе хороший КСВ – еще не говорит о том, что антенна качественная, ведь самый лучший КСВ у активной нагрузки в 50 Ом (он равен 1), но такая нагрузка ничего не выдаст в эфир.  Однако плохие значения КСВ – как раз будут свидетельствовать о плохом качестве антенны!

P.S. Информация к размышлению.

Для парапланериста, задача радиосвязи разбита на несколько подзадач.

Связь на земле. Земля-земля. Например на подборе или спас операциях.

Дело в том, что радиоволны, излучаемые портативными рациями, являются поляризованными, причём для большей огибаемости-проходимости на местности – вертикально. Так, словно если бы мы хотели чтобы волна перекатилась через препятствие сверху. Кроме того, антенны имеют какую-никакую, но диаграмму направленности, особенно в вертикальной плоскости. Поэтому для качественной связи антенну нужно держать вертикально. Некоторые игнорируют это, и закрепляют на себе рацию так, что антенна или под большим углом к вертикали, или вовсе горизонтально расположена. Естественно в этом случае дальность связи снижается в разы, если не на порядок.

В такой ситуации применение более длинной антенны приводит к увеличению дальности по двум преимущественным причинам:

  • у более длинных антенн более благоприятная диаграмма направленности – лепестки “прижаты” к земле. Тогда как “антенны-коротыши” существенную долю радиоизлучения отправляют в небо
  • выше верхняя точка антенны – что приводит к увеличению максимально возможной дальности радиосвязи (общее правило – чем выше верхняя точка антенны, тем дальше радиосвязь).

Кроме того, антенны портативных радиостанций не имеют полноценного заземления. Роль “земли” у этих антенн выполняет тело пользователя, которое характеризуется некоторыми значениями емкостного и активного сопротивления.

Качество подобной “земли” существенно отражается на дальности радиосвязи. Так, если радиостанция находится не в руках пользователя, а поставлена,например, на пенёк, или лежит на рюкзаке, то дальность связи существенно уменьшается (как за счёт уменьшения эффективности антенно-излучающей системы, если рация не в руке оператора, так и за счёт более низкого относительно уровня земли положения антенны, ну и расположение рации, если она лежит, а не стоит еще снижает дальность из-за поляризации).

Связь в полете, воздух-воздух.

При такой связи и приемник и передатчик почти всегда находятся в зоне прямой видимости, и отсутствует как влияние земли на дальность передачи  (как влияние изгиба поверхности, так и поглощение например в деревьях  и т.д), зато на дальность связи сильное влияние окажет расположение рации на пилоте. И не только из-за того, что тело пилота – отлично поглощает радиоволны применяемых нами частот, но и из-за пресловутой поляризации.

Старайтесь расположить антенну рации вертикально, над (а еще лучше под) подвеской. Идеально вообще, на согласованном проводе свесить антенну вертикально вниз под подвеской. Тогда и тело пилота не закрывает антенну с какой-то полусферы, и расположение антенны (вертикальное) – идеально для максимально далёкой связи.

Хуже всего – антенна за спиной или на груди, почти горизонтально. Горизонтально на кокпите – тоже плохой вариант из-за поляризации.

Если рассматривать из стандартных вариантов размещения, то рация на плечевом ремне, почти вертикально, с антенной торчащей над плечем вверх – неплохой вариант. Так мы используем  3/4 от диаграммы направленности, а если рация над плечом – то и больше.

Связь Воздух-Земля.

Тут надо применять комбинированные рекомендации,  Ну и помнить что диаграмма направленности штыревой антенны имеет слепые зоны вдоль оси антенны. Так что если пилот высоко вертикально над вами – антенну маломощной рации лучше развернуть 🙂 . Самая плохая связь если антенна как раз указывает на пилота :).

Поделиться статьей в социальных сетях

Line Para2000.ru

Добавить комментарий