Антенны FPV
Антенна — устройство, предназначенное для излучения или приёма радиоволн. Передающая антенна преобразует направляемые электромагнитные волны, движущиеся от радиопередатчика по фидерной линии к входу антенны, в свободные расходящиеся в пространстве электромагнитные волны. Приёмная антенна преобразует падающие на неё свободные волны в направляемые волны фидера, подводящие принятую энергию к входу радиоприёмника.
Как работает антенна
Переменный ток, как известно, меняет свою полярность с некой частотой. Если речь идёт о 300Мгц, то значит 300 миллионов раз в секунду полярность (+/-) у него меняются местами. Соответственно 300 миллионов раз в секунду электроны в кабеле бегут то слева на право, то справа налево. Учитывая, что электроны бегают со скоростью света 300 миллионов метров в секунду, то для частоты 300 МГц до смены полярности тока они успевают пробежать лишь 1 метр (300/300), а потом возвращаются обратно.
Основные характеристики антенн
- Плотность излучения
- Диаграмма направленности
- Коэффициент направленного действия (D)
- Коэффициент усиления (G) dBi
- Коэффициент использования поверхности (Aw)
- Входной импеданс
- Коэффициент полезного действия
- Коэффициент стоячей волны (КСВ)
- Поляризация
- Разъём
Основные характеристики антенн FPV
- Полоса рабочих частот антенны
- Диаграмма направленности и ее ширина
- Коэффициент усиления
- Коэффициент стоячей волны (КСВ)
- Поляризация
- Разъём
Полоса рабочих частот антенны
- Антенны настраиваются на определенную частоту, на которой антенна будет иметь наилучшие характеристики при передаче и приеме - это центральная частота.
- Если вы передаете или принимаете на немного более высокой или более низкой частоте, антенна все равно будет иметь приемлемые характеристики, и этот "приемлемый диапазон" называется рабочей полосой частот.
Правило 7%. Смещение на 3,5 % в верх и низ от центральной частоты будет приемлемым значением для корректной работы антенны. - За пределами рабочей полосы частот уровень сигнала значительно снижается или совсем не излучается. Например, антенны видеопередатчиков на 5.8 ГГц имеют рабочую полосу частот, которая позволяет использовать каналы Raceband на частотах от 5658 до 5917 МГц.
Направленность антенны
Диаграмма направленности
Диаграмма направленности - это пространственная фигура, которая показывает распределение мощности излучения в пространстве. Только идеальный изотропный излучатель будет демонстрировать одинаковую плотность излучения в каждом пространственном направлении.
Ширина диаграммы направленности антенны определяется как угол между двумя направлениями, в которых уровень мощности излучения равен половине уровня в максимуме.
КНД (коэффициент направленного действия) - характеризует эффективность антенны в направлении передачи или приёма электромагнитного излучения.
КНД это отношение квадрата напряжённости поля, создаваемого антенной в определённом направлении, к среднему значению квадрата напряжённости поля по всем направлениям.
Свойства КНД:
Если антенна работает на приём, то КНД показывает, во сколько раз улучшится отношение сигнал/шум по мощности, при замене направленной антенны на всенаправленную, если помехи приходят равномерно со всех направлений.
Для передающей антенны КНД показывает, во сколько раз нужно уменьшить мощность излучения, если ненаправленную антенну заменить направленной, при сохранении одинаковых напряжённостей поля в главном направлении.
КНД абстрактного изотропного излучателя равен единице.
УБЛ (уровень боковых лепестков) - относительный уровень излучения антенны в направлении наибольшего по величине бокового лепестка, нормированный к максимуму диаграммы направленности, выражается в дБ. Как правило, наибольшим по величине является первый (прилегающий к главному) боковой лепесток.
При конструировании антенн уровень боковых и задних лепестков стремятся свести к минимуму, чтобы улучшить помехозащищённость антенн.
F/B (относительный уровень заднего излучения) в диаграмме направленности антенны означает отношение уровней излучения «вперёд» и «назад», или величину подавления заднего лепестка.
Например, если F/B = 24.9 дБ, это означает, что уровень излучения в обратном направлении (задний лепесток) на 24.9дБ ниже, чем в прямом направлении.
При использовании направленной антенны, выполняя полетное задание, пилот должен учитывать ширину излучаемого ей луча, дабы БПЛА оставался в зоне ее покрытия.
Коэффициент усиления (dBi)
Важная характеристика антенн, показывающая насколько интенсивность излучения конкретной антенны в определенном направлении больше интенсивности излучения гипотетического изотропного излучателя.
Изотропный излучатель, это теоретическая антенна, которая излучает одинаково во всех направлениях подведенную к ней мощность
Коэффициент усиления антенны обычно исчисляется в децибелах - dBi
Коэффициент усиления антенны зависит от ее конструкции.
При подборе антенн надо понимать, что добавление 3 dBi удваивает мощность cигнала передатчика, а чтобы удвоить дальность излучения необходимо добавить 6 dBi.
Изотропный излучатель
Самая простая воображаемая антенна — это изотропный излучатель, который не существует на практике, но это прекрасная теоретическая модель.
- дБ (dB) — относительная, безразмерная единица измерения, которая выражает отношение между двумя уровнями мощности, обычно заданными в ваттах (Вт/W) или милливаттах (мВт/mW).
- дБи (dBi) — единица измерения усиления антенны по сравнению с идеальной изотропной антенной. Значение dBi отражает направленные характеристики антенны, её электрическую эффективность.
- дБм (dBm) — абсолютная единица измерения, которая выражает мощность в децибелах относительно базового уровня мощности в 1 милливатт (mW).
- dB — более общая единица, которая может использоваться для выражения различных соотношений, включая соотношения мощностей. dBi — единица, которая измеряет усиление антенны, в то время как dBm — единица, которая фокусируется на мощности сигнала.
Преобразование дБм(dBm) в ватт(Вт, W):
Мощность P в децибел-милливаттах (дБм) равна десятикратному логарифму мощности P в милливаттах (мВт), деленному на 1 милливатт:
Таблица преобразования дБм(dBm) в ватт(Вт, W):
Коэффициент стоячей волны (КСВ/SWR)
КСВ характеризует согласование нагрузки с линией передачи, позволяет оценить эффективность передачи сигнала от передатчика к нагрузке. Идеальная передающая система «передатчик-фидер-антенна» не имеет вторичного переотражения (падающая волна полностью излучается): КСВ такой системы равен 1.
КСВ / SWR (Standing wave ratio) измеряет эффективность антенны, показывая сколько энергии отражается обратно после того, как вы вкладываете в нее энергию.
КСВ = (Uпад+Uотр)/(Uпад-Uотр).
Диапазон КСВ - от 1 до бесконечности, где 1 - это идеальное значение.
Качественная антенна имеет КСВ не более 1.5 в рабочем диапазоне частот, приемлемый КСВ антенны для применения - 2.
Измерение КСВ позволяет определить качество сборки антенны.
Всегда измеряется весь антенно-фидерный тракт.
- КПД системы «линия передачи(фидер) — антенна»;
- максимальное значение передаваемой по линии мощности;
- режим работы передатчика (при высоком КСВ возможен значительный нагрев передающего тракта радиостанции, что чревато выходом ее из строя).
Для измерения КСВ используются приборы, которые называются КСВ-метры (LiteVNA64, Nano VNA). Они включаются между передатчиком и фидерной линией.
КСВ = 1: Идеальное согласование. Вся энергия передается в антенну, отражения отсутствуют.
КСВ = 1,5 — 2: Допустимое согласование. Небольшая часть энергии отражается, но потери еще не критичны.
КСВ = 2 — 3: Удовлетворительное согласование. Заметные потери энергии, возможен перегрев передатчика.
КСВ = 3 и выше: Плохое согласование. Значительная часть энергии отражается, потери очень велики, возможен выход передатчика из строя.
Как добиться низкого КСВ
1. Правильный выбор антенны: Антенна должна соответствовать рабочему диапазону частот и иметь импеданс, соответствующий фидеру (обычно 50 Ом).
2. Использование качественного фидера: Кабель должен иметь правильный волновой импеданс и минимальные потери.
3. Согласование антенны: Если антенна не согласована с фидером, можно использовать согласующие устройства (антенные тюнеры).
4. Правильная настройка антенны: Длина антенны должна соответствовать рабочей частоте.
5. Избегайте резких изгибов и повреждений фидера: Это может нарушить импеданс.
Таблица потери мощности от значения КСВ
Поляризация
Поляризация — это направленность вектора электрической составляющей электромагнитной волны в пространстве.
Различают: линейную и круговую поляризацию.
Достоинства и недостатки круговой поляризации
Сигнал с круговой поляризацией всегда попадает на антенну, т.е. вне зависимости от угла между антенной на передатчике и на приемнике. Именно поэтому антенны с круговой поляризацией — стандарт для FPV.
Еще одно достоинство антенн с круговой поляризацией — это возможность отсекать отраженный сигнал.
Многолучевое распространение сигнала — одна из главных причин плохого качества видео (изменение цвета, помехи, скрэмблированное изображение, двоение и т.п.). Так бывает, когда сигнал отражается от объектов и приходит с другой фазой, при этом смешиваясь с основным сигналом.
Круговая поляризация бывает, как левой (LHCP), так и правой (RHCP). На передатчике и приемнике должны быть антенны с одним и тем же направлением, иначе будет очень сильная потеря сигнала.
Круговая поляризация хорошо защищает от переотраженных сигналов, потому что, когда сигнал отражается от объекта, меняется направление поляризации. Т.е. антенна LHCP отсекает RHCP сигнал и наоборот (кросс поляризация).Все эти факторы следует учитывать при расчете радиолиний с максимальной эффективностью.
Достоинства и недостатки линейной поляризации
Антенны линейной поляризации очень широко распространены благодаря простоте конструкции, что в самом примитивном виде дает просто кусок провода. Эти антенны имеют малый размер, низкую цену, их легко ремонтировать и собирать.
В общем и целом, линейная поляризация отлично подходит для больших расстояний, т.к. вся энергия будет сосредоточена в одной плоскости. Это преимущество не всегда проявляется из-за многолучевого распространения сигнала (многократные переотражения сигнала).
Для того чтобы получить максимальный уровень сигнала, антенны приемника и передатчика должны быть расположены параллельно (для максимального перекрытия излучения).В самом крайнем случае, когда антенна приемника и антенна передатчика расположены под углом 90 градусов друг относительно друга — получаем наименьший уровень сигнала. Результат — потери сигнала в 30 дБ, это кросс поляризация.
Антенны в FPV используются для 4 целей
Примеры антенн используемых в FPV
Расчет размера диполя и четвертьволнового диполя
Длина антенны прямо пропорциональна длине волны и обратно пропорциональна частоте. То есть чем выше частота, тем короче длина волны и тем короче можно сделать антенну.
Обычно длина антенны не равна одной длине волны, а составляет 1/4 длины волны или 1/2 длины волны (используется длина волны, соответствующая центральной рабочей частоте).
Пример:
1. Для частоты 700 мГц (f =700 мГц)
λ=300 000(км/с)/700(мГц) = 428 мм
2. Для частоты 915 мГц (f =915 мГц)
λ=300 000(км/с)/915(мГц) = 328 мм
3. Для частоты 2400 мГц (f =2400 мГц)
λ=300 000(км/с)/2400(мГц) = 125 мм
4. Для частоты 5800 мГц (f = 5800 мГц)
λ=300 000(км/с)/5800(мГц) = 52 мм
Распространение радиоволн антенны диполь
Каждая из сторон антенны диполь физически имеет размер λ/4 длины волны, но продолжается в пространстве ещё на λ/4 длины волны. Эта зона не должна перекрываться и на расстояние равное λ в верх и вниз от антенны.
Расположение антенн в пространстве
- Для предотвращения искажения и затухания распространения радиоволн необходимо обеспечить свободное пространство от предметов, которые могут исказить диаграмму направленности равное 3λ длины волны от передающей антенны.
- Расстояние между двумя передающими антеннами для их корректной работы должно быть не менее λ длинны наименьшей волны.
- Расстояние между двумя антеннами передающей (ТХ) и приемной (RX) должно быть 7λ длинны волны.
Антенна BETAFPV Moxon V2 2.4GHz; Radiomaster Moxon 2,4 ГГц
Антенна Моксон 500; Антенна Моксон 750
Антенна Волновой канал (Яги, Уда-Яги)
Vобразная антенна 1,2 ГГц; Антенна Tune 1,2 ГГц
ВЧ-разъемы
Высокочастотный разъем (ВЧ) состоит из парных узлов, обеспечивающий присоединение кабеля к приемо-передающему устройству, антенне, либо для соединения отдельных участков кабеля.
- штекером (male, plug), именуемым в простонародье «папой»;
- гнездом (female, jack), прозванным «мамой» соответственно.
Существует множество типов и классификаций высокочастотных разъемов.
По типу и виду:
-штекер (вилка, «папа», plug, male);
-гнездо (розетка, «мама», jack, female).
По конструктиву:
-прямые;
-угловые.
По типу крепления центрального контакта:
-под пайку (контакт припаивается оловом к центральной жиле кабеля);
-обжимной (контакт надевается на центральный проводник и обжимается).
По типу подключаемого кабеля:
- F – для кабеля RG-58 или иного диаметром 3 мм;
- /5D – для кабеля 5D-FB/CNT-300/LMR-300 или иного диаметром 6.5-7 мм;
- X – для кабеля RG-213 диаметром 10 мм;
- /8D – для кабеля 8D-FB/CNT-400/LMR-400 или иного диаметром 10-11 мм;
- /10D – для кабеля 10D-FB/CNT-500/LMR-500 или иного диаметром 13 мм.
Акустический кабель
Акустический кабель — вид электрического кабеля, который используется для электрического соединения между громкоговорителями и аудиоусилителями.
По конструкции кабели делятся на следующие группы:
- С одной изолированной токопроводящей жилой;
- С двумя параллельными изолированными токопроводящими жилами;
- С двумя или большим числом витых изолированных токопроводящих жил;
- С одной, двумя и большим числом изолированных токопроводящих жил и с экранировкой.
Жилы изготавливаются из различных материалов:
- OFC (OF-Cu, Oxygen Free Copper) — бескислородная медь чистотой до 99,999% и выше;
- OCC (One-crystal Copper) — монокристаллическая медь;
- Луженая медь (композитные, композиционные кабели) — медь с оловянной или серебряной полудой;
- Омедненный алюминий — алюминиевая жила с медным покрытием (технологии Сopper Coated Aluminium — алюминий, покрытый медью, с содержанием меди до 9%, и Сopper Clad Aluminium — алюминий, плакированный медью, с содержанием меди до 30%).
Основная характеристика акустического кабеля — сечение его токопроводящей жилы. От сечения зависит максимальный ток (а значит, и мощность сигнала), который может быть пропущен через кабель без его существенного нагрева. С сечением прямо связана и другая характеристика кабеля — удельное электрическое сопротивление, рассчитываемое в омах на метр.
Витая пара (LAN, сетевой кабель, патч-корд)
Витая пара — вид кабеля связи, который представляет собой одну или несколько пар изолированных проводников, скрученных между собой и покрытых пластиковой оболочкой
- U/UTP. Нет общего экранированния (U), витые пары неэкранированные (UTP);
- F/UTP. Общее экранирование из фольги (F), витые пары неэкранированные (UTP);
- SF/UTP. Общее экранирование из оплетки (S) и общий экран из фольги (F), витые пары неэкранированные (UTP);
- S/FTP. Общее экранирование с оплеткой (S), витые пары защищены фольгой (FTP);
- F/FTP. Общее экранирование из фольги (F), витые пары также экранированы фольгой (FTP);
- U/FTP. Без общего экранирования, витые пары защищены фольгой (FTP).
Оболочка витой пары
В качестве оболочки в витой паре в основном используют:
- PVE (ПВХ) – поливинилхлорид, используется в качестве оболочки кабеля, предназначенного для внутренней прокладки;
- PE – полиэтилен, в основном используется в кабелях для внешней прокладки;
- LSZH (LOW SMOKE ZERO HALOGEN) - оболочка с низким дымовыделением и нулевым содержанием галогенов, применяется в кабелях, предназначенных для прокладки в местах, где возможно массовое скопление людей.
- LSLTx (LOW SMOKE LOW TOXIC) - оболочка с маленьким дымовыделением и низким уровнем токсичности, рекомендована для монтажа в больницах, школах, дошкольных учреждениях и т.п.
Коннектор RJ45 – это универсальный стандартный разъем для сетевых кабелей, который широко используется в компьютерных сетях для подключения компьютеров, маршрутизаторов, коммутаторов и других сетевых устройств. В этой статье мы рассмотрим основные характеристики коннектора RJ45 и его применение в современных сетях.
Коаксиальный кабель
Коаксиальный кабель (от лат. co — совместно и axis — ось, то есть соосный) — электрический кабель, состоящий из центрального проводника и экрана, расположенных соосно и разделённых изоляционным материалом или воздушным промежутком.
Основная функция коаксиального кабеля — передача радиосигналов, телевизионных сигналов, а также цифровых данных между различными устройствами.
По назначению — для систем кабельного телевидения, для систем связи, авиационной, космической техники, компьютерных сетей, бытовой техники и т. д.
По волновому сопротивлению (хотя волновое сопротивление кабеля может быть любым), стандартными являются пять значений по российским стандартам и три по международным:
- 50 Ом — наиболее распространённый тип, применяется в разных областях радиоэлектроники;
- 75 Ом — распространённый тип;
- 93 Ом — применялся в компьютерных сетях стандарта ArcNet;
- 100 Ом — применяется редко, в импульсной технике и для специальных целей;
- 150 Ом — применяется редко, в импульсной технике и для специальных целей, международными стандартами не предусмотрен;
- 200 Ом — применяется крайне редко, международными стандартами не предусмотрен.
По диаметру изоляции:
- субминиатюрные — до 1 мм;
- миниатюрные — 1,5—2,95 мм;
- среднегабаритные — 3,7—11,5 мм;
- крупногабаритные — более 11,5 мм.
По гибкости (стойкость к многократным перегибам и механический момент изгиба кабеля): жёсткие, полужёсткие, гибкие, особогибкие.
По степени экранирования:
- со сплошным экраном
- с экраном из металлической трубки
- с экраном из лужёной оплётки
- с обычным экраном
- с однослойной оплёткой
- с двух- и многослойной оплёткой и с дополнительными экранирующими слоями
- излучающие кабели, имеющие намеренно низкую (и контролируемую) степень экранировки.
Международные стандарты маркировки
Назначения кабеля
RG - обозначение радиопроводности, иногда выпускается радиопроводящий кабель (radio guide) с отсутствием маркировки RG;
DG - обозначение назначения для сетей цифрового вещания;
SAT - обозначение назначения для сетей спутникового вещания;
DJ - обозначение назначения для сетей спутникового вещания (произведенный в Китае аналог предыдущего типа кабеля SAT).
Обозначения материала изоляции
PVC - ПВХC/U - не выделяющий дыма при горении
FR -пожаробезопасный кабель
FPE -вспененный полиэтилен
XLPE -сшитый полиэтилен
DB -водонепроницаемый
Обозначения экранирования
AF - алюминиевая фольга
FEP - экструдируемый тифлон
DF - двухсторонняя алюминиевая фольга
Обозначения центрального проводника
ВС -чистая медь
CCA -алюминий, покрытый медью
CCS -омедненная сталь
SCC -посеребренная медь
SCCS -посеребренная омеднённая сталь
A/U - многожильный с внутренним проводником
ТС -луженая медь