"Антенна - лучший усилитель" (эпиграф)

При всей нелепости данного утверждения оно во многом оказывается справедливым. Антенна не усиливает сигнал, но может оказать решающее значение в обеспечении требуемой дальности и качества связи.
Давайте рассмотрим, почему антенна, наперекор утверждениям технического описания, в котором указан ее коэффициент усиления, все-таки не усиливает сигнал. Антенна – пассивный элемент, следовательно, не имеет источника питания и, следовательно, не может обеспечить отдачу большей мощности, чем к ней подводится.

Коэффициент усиления

Коэффициент усиления антенны (в обиходной речи – усиление антенны) – относительная величина, показывающая во сколько раз эффективность данной антенны выше по сравнению с полуволновым диполем или с изотропным излучателем. Другими словами, на сколько большую напряженность поля создаст данная антенна по сравнению с эталонной на одинаковом расстоянии, при одинаковой подводимой мощности и на одинаковой частоте.

Так как изотропный излучатель – идеальное теоретическое устройство, то в технических характеристиках обычно приводится усиление по отношению к диполю. Коэффициент усиления антенны по отношению к диполю обычно дается в дБ (dB), а по отношению к изотропному излучателю – в дБи (dBi). Соотношение этих показателей составляет 2.14 дБ. Например, если приведен коэффициент усиления антенны 3 дБи (по отношению к изотропному излучателю), то по отношению к диполю он будет 3–2.14=0.86 дБ. Иногда коэффициент усиления по отношению к диполю обозначают дБд (dBd), явно указывая, по отношению к чему проводилось измерение.
Диаграмма направленности

Направленность антенны – относительная величина показывающая, на сколько коэффициент усиления антенны в одном направлении больше, чем в другом. Направленность антенны отображают на специальном графике, называемом диаграммой направленности.

Практически все антенны в большей или меньшей степени обладают направленностью. Направленность в основном зависит от конструкции антенны. Используя антенны с различными диаграммами направленности, можно повысить дальность и качество связи в определенном направлении. Так как антенна излучает электромагнитные волны в пространство, которое, как известно, 3-х мерно, то различают диаграммы направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Частотный диапазон

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. Обычно на практике система работает не на одной, а на нескольких частотах. Как быть? В таких случаях идут на компромисс. Выбирается антенна, у которой характеристики в определенной полосе частот не выходят за пределы допустимых. Естественно, такая антенна будет хуже работать на частотах, отличных от частоты резонанса, но все еще приемлемо для нормальной связи. Можно, конечно, использовать для каждой частоты отдельную антенну, но это существенно усложнит (и удорожит) конструкцию системы (соединительный кабель, антенные переключатели, мачтовые устройства и т.п.). Как правило, более узким диапазоном частот обладают направленные антенны и антенны с высоким усилением. Мы перечислили наиболее важные характеристики, по которым выбирают антенны. Наверняка все понимают, что чем выше параметры антенн, тем выше их стоимость. Но даже самая высококачественная и дорогая антенна не сможет решить возложенные на нее задачи, если она не правильно установлена и/или настроена. От параметров антенн и от правильности их установки и настройки зависит дальность связи, которая может изменяться от предельно достижимой, до величины меньшей в десятки, а то и сотни раз. При выборе антенн должны учитываться множество различных параметров (направленность, усиление, полоса частот, размеры, возможность настройки). Причем все они находятся в противоречии друг с другом. Только грамотное построение антенного хозяйства позволит добиться максимальной дальности и качества связи при минимальных финансовых затратах. Подбор и установка антенн является сложной инженерной задачей, решить которую под силу только опытному специалисту. Если же вы берете на себя смелость самостоятельно выбрать антенну для системы связи, то внимательно ознакомьтесь с техническими характеристиками, которые публикуются в каталогах фирм производителей.

Стационарные (базовые) антенны

Очевидно, что стационарные антенны предназначены для использования со стационарными или базовыми радиостанциями. Как правило, стационарным антеннам присущи большие габариты и масса, высокий коэффициент усиления, выраженная направленность. Применительно к подвижной связи, стационарные антенны можно условно разделить на два класса: ненаправленные и направленные.

Ненаправленные антенны

Ненаправленные антенны (иногда говорят всенаправленные или с круговой диаграммой направленности) получили наибольшее распространение благодаря своей универсальности и относительно низкой цены. Они используются при организации систем связи с широкой зоной охвата по форме приближенной к кругу.


Антенна CRX-450 фирмы Cushcraft


Антенна 4504P фирмы Cushcraft типа ФАР

Ненаправленные антенны используются при построении систем связи в городах, на крупных промышленных объектах и т.д. – везде, где необходимо охватить радиосвязью как можно большие площади, а направление на абонентские радиостанции непостоянно (подвижные абоненты).

Для достижения более высоко результата (дальность и качество связи), можно рекомендовать применение эффективных (дорогостоящих) стационарных антенн с большим коэффициентом усиления. Например, многоэлементную фазированную антенную решетку (ФАР).

Направленные антенны

Направленные антенны (другое название «Яги» или «Удо–Яги», по именам изобретателей) используют в тех случаях, когда необходима максимальная дальность связи в определенном направлении и в случаях, когда необходимо уменьшить помехи другим системам связи (находящимся не в зоне максимума диаграммы направленности). Направленные антенны относятся к дорогостоящим устройствам, поэтому их используют там, где факторы дальности и достоверности передачи информации являются приоритетными. Особенно желательно применение направленных антенн при обмене цифровыми данными, когда даже незначительное ухудшение качество связи может привести к сбоям.

Для достижения большего коэффициента усиления возможно применение сдвоенных направленных антенн, включенных параллельно. Кстати, комбинация из нескольких (обычно двух) антенн может повысить качество связи и в случае ненаправленных антенн.

Направленная антенна РС457N фирмы Cushcraft

Имеются сотни типов стационарных антенн различных по усилению, направленности, конструкции, цене и т.п. Разобраться в подобном многообразии под силу только квалифицированному специалисту. Но даже он подчас не может дать однозначного заключения по поводу применения той или другой антенны. Поэтому наилучшим помощником в вопросе выбора является опыт, основанный на многочисленных экспериментах.

Установка и настройка стационарных антенн

Нелегкая задача выбора антенны обычно сводится к компромиссному решению, когда при хронической нехватке средств, требуется обеспечить гигантскую дальность связи. Но кроме выбора и приобретения антенны, не менее (а то и более) важной задачей является ее правильная установка и настройка.

При кажущейся простоте процесса, установка антенны является достаточно сложной задачей, так как при этом решаются такие вопросы, как обеспечение необходимой прочности конструкции, уменьшение взаимного влияния между антеннами разных каналов и других систем, обеспечение заданной диаграммы направленности.

При установке антенн большие проблемы создают расположенные поблизости металлические конструкции (трубы, мачты, другие антенны, опоры электропередачи и т.п.). Они могут создать радиотень и/или вызвать отражения сигналов, а это обычно приводит к нежелательным искажениям диаграммы направленности. Чем больше металла в непосредственной близости от антенны, тем менее предсказуемо ее «поведение».

Многоканальные системы и системы с дуплексным частотным разносом

При построении систем с несколькими частотными каналами и при использовании дуплексных ретрансляторов (прием и передача на разных частотах) задача правильного расположения антенн существенно усложняется. Вызвано это тем, что приемник ретранслятора или базовой станции подвержен влиянию «своего» передатчика, а в многоканальных системах еще и передатчиков соседних каналов. Помехи приему тем выше, чем меньше разнос между частотами приема и передачи и чем ближе расположены частоты соседних каналов. Уменьшить влияние передатчика на приемник до приемлемых значений можно несколькими способами.

Увеличение дуплексного и межканального частотного разноса
Метод позволяет уменьшить влияние, но не избавляет от него полностью. Недостатки: трудности с получением требуемых номиналов частот (особенно при построении многоканальных систем); ограничения, накладываемые оборудованием (зачастую дуплексный разнос ограничен 20 МГц) и рабочей полосой антенны.

Разнесение антенн в пространстве по вертикали, горизонтали или по обоим направлениям
Наиболее простой и дешевый метод снижения помех. Как правило, антенны устанавливаются на возвышении (крыша здания, мачта, естественное возвышение), площадь которого ограничена. Зачастую невозможно расположить антенны на достаточном расстоянии. При разнесении антенн на крышах, нескольких мачтах и т.п. потребуется большое количество дорогостоящего коаксиального кабеля, потери в котором увеличат затухание и в целом усложнят и удорожат конструкцию. Из-за чего стоимость системы может приблизиться, а в некоторых случаях и превысить затраты по сравнению с другими решениями (дуплексные фильтры, комбайнеры, распределительные панели).

Применение фильтрующих устройств
Дуплексные фильтры (в просторечии – «дуплексеры») позволяют использовать одну общую антенну для приема и передачи с определенным ослаблением взаимных влияний. В одно-, двухканальных системах дуплексные фильтры могут считаться оптимальным решением. В многоканальных системах обычно применяют более сложные устройства: комбайнеры и распределительные панели.

К недостаткам дуплексных фильтров можно отнести необходимость установки отдельной антенны на каждый канал приема/передачи. Теоретически с помощью дуплексных фильтров можно объединить на одну антенну сначала приемник и передатчик, затем два канала и т.д. Но на практике подобный подход применяется редко из-за того, что каждый фильтр ослабляет не только мешающие, но и полезные сигналы.

Передающие комбайнеры и приемные распределительные панели применяются в основном в многоканальных системах. Из названия видно, что передающие комбайнеры позволяют объединить выходы нескольких передатчиков в одну антенну, а приемные распределительные панели – одной антенне «обслуживать» несколько приемников. Подобные фильтрующие устройства относятся к категории дорогостоящих, но, к сожалению, без них обычно не удается построить многоканальную систему с удовлетворительными параметрами.

Стоимость многовходовых комбайнеров и многоканальных приемных распределительных панелей соизмерима с ценой ретрансляционного оборудования, а из-за высокой трудоемкости их изготовления может потребоваться довольно много времени на исполнение заказа. Обычно многоканальное фильтрующее оборудование изготавливается индивидуально, т.е. на конкретные номиналы и заданный разнос частот.

Высоко сижу – далеко гляжу

Вряд ли кто-то станет опровергать утверждение, что чем выше установлена антенна, тем большую зону охвата будет иметь система связи. Но так ли все просто?

Любая антенна, установленная на большой высоте, кроме выполнения полезной работы создает еще и помехи другим системам связи, а это, кроме физических проблем, может иметь юридические последствия. Кроме того, более высокая антенна собирает «грязь» с большей территории, создавая более высокий уровень помех на входе приемника.

Например, где-то за горизонтом работает мощная станция с близкой или кратной частотой. Потратив немало сил и средств на строительство «Эйфелевой башни», придется приобретать еще и специальное фильтрующее оборудование, чтобы избавиться от нежелательных помех. В свою очередь потери в этих фильтрах настолько ослабят сигнал, что эффективность вашей системы будет такой же, как и при установке антенны на ближайшем сарае.

Автомобильные антенны

Ни в какой другой области антенной науки не существует столько легенд и мистики, как в «антенизации» автомобиля. На любом промтоварном рынке вам предложат пару-тройку десятков антенн с «уникальными» характеристиками и с фантастической дальностью. Отделанные под серебро и под золото, с лампочками на конце, с хромированными основаниями, с пружинками и коленцами и т.д. и т.п.

Воистину нет предела человеческой фантазии. При всей заманчивости преобразования автомобиля в НЛО, эффективность подобных «чудес техники» редко превышает обычный кусок провода.

Автомобильные антенны – наиболее слабое звено в области подвижной радиосвязи. Связано это с тем, что они больше других подвержены влиянию внешних воздействий. При движении автомобиля происходят постоянные разрушающие воздействия на антенны: вибрация, удары, атмосферные осадки, перепады температуры и др.

Качественные антенны выпускает довольно небольшое количество фирм, хорошо известных на рынке. Как правило, внешний вид таких антенн не «режет» глаза. Они строги, прочны и выполнены с соблюдением фундаментальных физических принципов. Цена «фирменных» антенн при всей их неказистости зачастую выше, чем у «крутых» (китайских) собратьев, но поверьте, они стоят своих денег.

Прежде чем приобрести конверсионную разработку N-ского («сунь-хуньского») завода, еще раз подумайте, может вашим деньгам найдется более достойное применение.
Установка автомобильных антенн



Варианты установки и крепления автомобильных антенн можно разделить на три основные группы:

• посредством отверстия в крыше или другом месте кузова (обычно говорят «врубное» крепление);
• на струбцине (посмотрите на крепление слесарных тисков или мясорубки);
• на магнитном основании.

Крепление в отверстие – самый надежный и желательный вид установки. После монтажа антенны ее параметры практически не меняются, так как она постоянно остается на месте настройки. Из-за прочности крепления уменьшается вероятность хищения и повреждения антенны. К сожалению, для многих владельцев сверление монтажного отверстия в крыше или в другом месте кузова автомобиля может стать «не залечиваемой раной». Для таких «автолюбов» существуют более щадящие методы крепления. Хотя ни один из них не обеспечивает такой же надежности и защищенности антенны.

Крепление на струбцине позволяет устанавливать антенны на багажник, сварочный шов, крыло или другой выступающий элемент кузова.

Достоинства: возможность установки антенны на автомобили без ровных металлических поверхностей (автомобили с тентами, открытые автомобили) и на автомобили с выступающими или неоднородными металлическими поверхностями (подъемники, краны, ремонтная техника, спецтехника).

Недостатки: затрудненная настройка и согласование антенны, низкая механическая прочность.

Крепление на магнитном основании является удобным при установке антенны на крышу, капот или багажник автомобиля, т.е. на ровную горизонтальную поверхность. При установке на поверхность с изгибом (крыло, обтекаемые поверхности) прочность крепления невысока.

Достоинства: легкость установки и демонтажа, возможность перемещения при настройке, отсутствие монтажных отверстий в кузове.

Недостатки: специально разработано для удобства хищения антенны, низкая механическая прочность, возможность перемещения (вследствие чего может потребоваться дополнительная подстройка, особенно при высоких рабочих частотах).

Расположение антенн на кузове автомобиля

Как и в случае стационарных антенн, от правильной установки и настройки автомобильной антенны зависит качество и дальность связи. Необходимо учитывать, что кузов автомобиля в некоторых случаях может способствовать дальности и качеству связи (играя роль противовеса), а в некоторых – исказить диаграмму направленности. Все зависит от того, насколько правильно выбрано место установки антенны и насколько тщательно она настроена.

На рисунках приведены варианты установки антенны в различных участках кузова и получаемые при этом диаграммы направленности.


Как видно из рисунков, наилучшие результаты обеспечивает установка в центре крыши автомобиля. При любом другом расположении диаграмма направленности и, следовательно, качество связи ухудшается.

Допустимой можно считать установку антенны ближе или дальше от центра крыши. Если же установка на крыше автомобиля невозможна, то следует стремиться к тому, чтобы антенна стояла как можно выше, располагалась вертикально и желательно по оси симметрии автомобиля. Рядом с ней не должно быть никаких металлических предметов (например, багажника), соединительный кабель должен быть как можно короче (желательно рассчитанной длины).

Не следует забывать о влиянии на водителя и пассажиров электромагнитного излучения радиостанции. Не стихает полемика по вопросу вредности для здоровья сотовых телефонов. И хотя ученые не пришили к однозначному выводу, тем не менее «береженного – Бог бережет». Выходная мощность «сотки» редко превышает 1 Вт, в то время как выходная мощность автомобильных радиостанций обычно лежит в пределах 15–50 (а у некоторых моделей до 70) Вт. Поэтому перед установкой антенны на переднем или заднем капоте автомобиля (на стекле, на двери и т.п.), то есть в непосредственной близости от водителя или пассажиров подумайте, стоит ли на себе проверять расхожие мнения ученых. Металл не прозрачен для радиоволн и крыша автомобиля (если только вы не любитель прокатиться с ветерком на кабриолете), обеспечивает достаточное экранирование от мощного воздействия электромагнитных волн на вашу голову (кстати, и на остальные части тела…).

Антенны носимых радиостанций

При покупке носимой радиостанции покупатель обычно избавлен от нелегкой задачи выбора антенны, так как она либо встроена, либо поставляется в комплекте. Но и здесь бывают исключения.

Можно выбрать удлиненную (например, телескопическую) антенну, которую в определенных ситуациях можно использовать в качестве шпаги (при отбивании от завистников). В некоторых случаях она даже может повысить дальность и качество связи, особенно в низкочастотных диапазонах (27 МГц, «Low Band»). Связано это с тем, что на низких частотах даже четвертьволновая антенна достигает значительной длины (2–3 м), а носимые радиостанции комплектуются антенной в виде короткой спирали. Но прежде чем решиться на покупку удлиненной антенны следует представить, как вы будете выглядеть с миниатюрной радиостанцией и устрашающего вида «удочкой» подключенной к ней.

Как правило, антенные гнезда не рассчитаны на подобную нагрузку и очень скоро вашей радиостанции может понадобиться хирургическое вмешательство.

В некоторых случаях повышение дальности может быть достигнуто подключением портативной радиостанции к стационарной или автомобильной антенне. В этом случае необходимо иметь комплект высокочастотных переходников для соединения антенного разъема со штатным гнездом радиостанции.

Необходимо отметить, что уверенная зона покрытия обеспечивается базовыми станциями и ретрансляторами с эффективными антеннами. Если же ваша радиостанция не работает в этой зоне, то система либо не правильно спроектирована или настроена, либо вышла из строя. Вполне возможно, что причина некачественной связи кроется в абонентской радиостанции или в ее антенне (повреждение).

Всевозможные ухищрения по увеличению дальности связи с помощью антенн абонентского оборудования нельзя считать серьезными методами компенсации недостатков системы.

Настройка антенн

Не будет открытием утверждение, что после монтажа антенну необходимо настроить. Обычно настройка заключается в согласовании антенны и соединительного кабеля с выходом радиостанции на определенной частоте (частотах). Более научно: настройка антенны в резонанс на заданной частоте.

Величина, которая позволяет наглядно оценить качество согласования, называется коэффициентом стоячей волны (КСВ)*. Как правило, 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»).

При настройке необходимо стремиться к уменьшению КСВ. В идеальном случае КСВ=1. В реальных условиях можно добиться значения 1.1..1.6, что является приемлемым для работы радиооборудования. При повышении КСВ до 2 и более, эффективность антенны падает, причем при таких значениях возможен выход радиостанции из строя при работе на передачу.

К сожалению, КСВ является необходимым, но не достаточным параметром, характеризующим настройку антенны. По КСВ нельзя определить эффективность, диаграмму направленности, коэффициент усиления антенны. Единственное, что гарантирует допустимый КСВ, это то, что ваша радиостанция не выйдет из строя при работе на передачу.


НЕСКОЛЬКО СЛОВ О КОАКСИАЛЬНОМ КАБЕЛЕ

Как в любом проводнике, в кабеле происходят потери сигнала, которые тем больше, чем длиннее кабель, хуже его параметры и выше частота передаваемого сигнала. Потери вносит любой, даже самый дорогой и высококачественный кабель. И если, например, конкретную марку кабеля можно с успехом использовать в низкочастотном участке спектра (КВ, Си-Би, LowBand), то на более высоких частотах он может вносить недопустимые потери. Основным методом борьбы с потерями в кабеле является уменьшение его длины и количества высокочастотных соединений между компонентами системы. Следующим этапом – применение кабеля с более высокими характеристиками. На графике показана зависимость потерь (на 100 футов – 30.5 м) от частоты для некоторых распространенных марок кабеля.

Обычно чем больше диаметр кабеля, тем меньшие потери он вносит в передаваемый сигнал. В особо ответственных системах применяют кабель диаметром 28 мм (7/8”), 50 мм (1 5/8”) и более. 20–30 метров такого «толстого» кабеля по стоимости превышает даже самую «навороченную» антенну. А если добавить весьма не малую стоимость специальных разъемов…

Нередко кабель выбирается по остаточному принципу. Берется мощная радиостанция, эффективная антенна, подбирается высотное сооружение и… получается система с никуда не годными параметрами.

Например, если в системе, работающей на частоте 450 МГц, предполагается установить радиостанцию (ретранслятор) у подножия телевизионной вышки, а антенны необходимо поднять на 100 метровую высоту, то понадобится кабель диаметром не менее 1/2 дюйма (ок. 13 мм). И даже в нем мощность уменьшится примерно на 5 дБ. А это значит, что из 50 Вт выходной мощности передатчика до антенны «доберется» только 16 Вт. То же самое произойдет и с приемным сигналом. Поэтому при длинах кабеля 100 и более метров может оказаться дешевле расположить радиооборудование в непосредственной близости от антенн, обеспечив соответствующую защиту от внешних воздействий (температура, влага).

Резюме: с помощью кабеля можно свести на нет достоинства даже самой эффективной антенны. А вот улучшить, к сожалению, нельзя.