Антенны Печать
Оборудование
22.12.2009 13:11

Начнем с того, что все антенны обратимы, и любая антенна обладает одинаковыми свойствами (усилением, направленностью, сопротивлением) что при передаче, что при приеме. Антенн бывает великое и разнообразное множество, которое трудно поддается классификации. Но все-же продолжим.

"За связь где угодно, когда угодно и с кем угодно"
(Тост студентов института радиоэлектроники)

Поскольку мы используем для связи ЭлектроМагнитные волны, которые состоят из электрической и магнитной составляющей, то и антенны бывают как для приема/передачи Электрической, так и для приема/передачи Магнитной составляющей. Магнитные антенны по привычке используются только в приемных устройствах длиннных, средних и коротких волн, хотя у них есть некоторые положительные свойства и при работе на передачу. Например, существенно меньшее влияние качества заземления, соседних всяко-разных проводящих тросов, труб, человечьего тела. Магнитные антенны собирают меньше атмосферных и индустриальных помех, которые чаще всего имеют электрическую природу.

Если антенна излучает равномерно во все-все стороны - ее называют изотропным излучателем. Обыкновенная электрическая лампочка мощностью около 100Вт светит практически равномерно во все стороны. Но попробуйте ночью на расстоянии 100 м почитать при ее свете. А вот если такую-же лампочку вставить в прожектор или автомобильную фару - читать можно будет, потому что излучение направляется (концентрируется) в заданном направлении. Вот такие излучатели (антенны) называются направленными.

Коэффициент усиления ненаправленной антенны считают за 1, и с ней сравнивают усиление всех остальных антенн. Диаграмма направленности изотропного излучателя имеет вид сферы (мяча). В практике такой излучатель сделать трудно да и не нужно: чаще нам желательно иметь направленность в какую-то сторону. Например, для базы часто заранее неизвестно, в какой стороне может оказаться ЛА, но ясно, что связь нужна подальше под малыми углами к горизонту. Хорошим примером такой излучающей антенны является обыкновенный береговой маяк. Он ставится на высокой башне на берегу моря и должен светить как можно дальше. Вверх светить ему не обязательно.

Так же должна "светить" антенна для связи с воздушными кораблями:-). Как можно ниже к линии горизонта. А когда воздушный корабль проплывает в зените-расстояние до него гораздо меньше, чем когда он на горизонте, и мощности передатчиков/чуствительности приемников вполне хватает для надежной связи.

Вааще-то как-то интуитивно понятно, что чем больше по размерам антенна - тем больше она соберет энергии, но здесь не все так просто. Например, поплавок обычной удочки качается на волнах практически любого размера (длины между двумя горбами или впадинами волны), пришедшие с любого направления, и является примером широкодиапазонной ненаправленной антенны. Точнее, антенной с круговой диаграммой направленности.

Казалось бы, чтобы повысить чувствительность к волнам - снять больше энергии с волнения - нужно бы увеличить наш поплавок. Но вот даже самый легкий большой "поплавок" - например, легкий красивый прозрачный мяч диаметром с полметра - на мелкие волны вааще не будет реагировать:-(((

Тут играет рояль еще и соотношение длины антенны и длинны принимаемой/излучаемой волны.

Если в воду бросить длинную тростинку/соломенку, то можно заметить, что если гребни волн идут в торец палочки, то она на них практически и не колышится, а вот если гребни/впадины волн идут параллельно-то палочка весьма интенсивно на них "пляшет". Это классический пример направленной антенны.

Поворачивая соломинку в горизонтальной плоскости можно изменять направление ее "приема", и получим антенну с механическим перемещением направления ее максимальной чувствительности.

А можно поступить и по другому: собрать, например, решетку из 10 рядов поплавков по 10 поплавков в ряду шагом 10 см. И по-разному связывая/группируя поплавки можно получать антенну нужной диаграммы направленности, не вращая механически саму конструкцию.

В военной технике и радиоастрономии подобные Фазированный Антенные Решетки широко распространены, а в последнее время интенсивно внедряются и в системы сотовой связи, поволяя мгновенно концентрировать энергию передатчика и чувствительность приемника в нужном направлении. Это позволяет работать с меньшей мощностью и базы, и трубы, и тем самым снижать уровень взаимных помех соседних сот/мобил. Да и в крышки дипломатов некоторых типов "портативных" спутниковых телефонов встраиваются такие автоматически перенацеливаемые на спутник антенные решетки. И нет нужды вращать всю эту "мобилу" вслед за спутником.

Однако вернемся к нашим лошадям.
Хорошую круговую диаграмму направленности имеет вертикально установленный над проводящей поверхностью штырь длинной 1/4 рабочей длинны волны. Коэффициент усиления такого штыря достигает 2-х по мощности по сравнению с изотропным излучателем.

Длина 1/4 волнового вертикального излучателя штыря на самом деле может немного отличаться от расчетной. Это связано с условиями механического крепления, электрического согласования, качества заземления, и др. В диапазоне Си-Би 27 Мгц длина 1/4 штыря достигает 2,8 м, что может создавать проблемы при размещении и установке антенны на ЛА, такую антенну неудобно иметь в портативной радиостанции.

Для решения этой проблемы применяют более короткие антенны, в основание которых для согласования ставятся так называемые "удлинняющие" катушки индуктивности. Иногда и сами антенны делают в виде катушек, намотанных на гибкое диэлектрическое основание. Такая спиральная антенна работает лучше, чем простой штырь такой же длинны, но по эффективности все равно уступает полноразмерному 1/4 волновому штырю. Здесь физику не обманешь. Но укороченная антенна может оказаться в каких-то применениях более удобной, чем полноразмерная. Ее К.П.Д. поменьше полноразмерной, но мы уже знаем, что мощности 1 Вт и среднего приемника вполне хватает на 100 Км.

Операторы сотовой связи (и другой) применяют антенны, которые сильнее "сжимают" диаграмму в вертикальной плоскости и дают большее усиление, чем штырь, но эти антенны более громоздки и сложны.

Лучше всего, конечно, применять антенны, рекомендованные фирмой-производителем, но, например, мой старый товарищ в далеком Израиле сберег около 100 у.е. благодаря тому, что мог держать в руках паяльник и сам подпаял разьемы к кабелю и подключил к домовой телевизионной сети кабель.

Изготовить простую антенну по хорошим чертежам гораздо легче, чем дельтаплан. Кстати, для штыря диапазона Си-Би подойдут трубы каркаса (желательно ровные и без следов зубов пилота:-), для диапазона 100-150 МГц подойдут трубы трапеции или антипике, для более высоких диапазонов могут сгодиться трубки лат. Некоторую проблему доставляет пайка люменя, но этот вопрос достаточно освещен в радиолюбительской литературе.

Для антенн диапазона 450 МГц и выше может подойти обычный толстый (2-3 мм) медный или алюминиевый провод, а некоторые типы направленных антенн можно делать и из многожильного медного провода. Провод можно брать практически любой, потому что электролитический процесс получения меди дает очень чистую медь, да и сделать проволоку путем последовательного протаскивания через многочисленные все более тонкие фильеры можно только из чистого материала.

На радиочастотах ток идет преимущественно по поверхности (шкуре - skin-эффект) проводника. Поэтому наружную поверхность желательно полировать и защищать от окисления тонким слоем какого-либо атмосферостойкого лака.

Кстати, иногда попадается медный провод специально для антенн. У него внутренняя часть стальная, чтобы выдерживать повышенные ветровые и атмосферные (обледенение, птицы, и пр.) нагрузки.

Направленные антенны можно рекомендовать тогда, когда вам заранее известно направление связи. Например, для обеспечения связи городского клуба с дельтадромом.

Это более эфективно, нежели применение мощных усилителей. Кстати, не зря среди радистов ходит пословица: "Лучший усилитель-это антенна". Направленная антенна не только направит ваш сигнал куда нужно, но и соберет больше слабых сигналов с нужного направления, подавит мешающие с ненужного. Направленные антенны тоже несложно сделать самому, но для их насторойки уже могут понадобиться некоторые простейшие приборы.

Еще хочу отметить, что усилители бывают как для передачи, так и для приема. Если ваша база на первом этаже небоскреба/многоэтажки, то потери в кабеле даже при идеальном согласовании могут достигать 50% и более, особенно для диапазонов выше 100 МГц. Здесь лучшим решением будет применение антенных усилителей, размещаемых непосредственно у антенны. Иногда усилители (приемные) встраиваются непосредственно в антенну, и тогда такие антенны носят название "активных".

Активные приемные антенны иногда применяются в автомобилях. Они занимают очень мало места (высота "штыря" 2-4 см!), в принципе, могут обеспечить лучшее качество приема, чем полноразмерные автомобильные антенны.

Фильтры. На выходе фильтра (радио, химического, масляного) всегда меньше полезной продукции (сигнала), чем на входе, потому что фильтры по своей природе должны поглощать в себе вредные "примеси".

Антенные фильтры применяются крайне редко только в профессиональной связи. Обычно простейшие фильтры бывают встроены в ваше устройство. Дополнительные фильтры могут понадобиться, если недалеко от вас работает мощный телевизионный или вещательный передатчик. Также фильтры могут понадобиться, если в погоне за мощностью вы форсировали свой усилитель, и он стал создавать помехи (теле-, радио-, связь) соседям. Как и в высококачественной Hi-End аудиоаппаратуре, транзисторные усилители все еще дают больший уровень побочных излучений, чем ламповые. Поэтому будьте осторожнее с ними.

Иногда установка Вами мощного усилителя влечет за собой цепную реакцию умощнения аппаратуры ваших соседей-радистов, и в результате качество связи может ухудшиться :-(((

Организация мобильной связи.
Далее рассматриваются только устройства с рабочей частотой выше 27 МГц не требующие или почти не требующие какой-либо специальной подготовки как то: выбор рабочих частот, настройка устройств сопряжения, установка и настройка антенн и т. д.

Сотовый телефон.
Каждой трубке - свой канал! Как и в обычном телефоне - свои два провода.
Никаких лицензий/разрешений не требуется. Купил раз - плати за каждую минуту.
О прелестях мобил все знают. Может применяться только тогда, когда есть уверенность, что ваш дельтадром и небо над ним :-) входит в зону обслуживания оператора. Все, что дальше - не гарантируется.
В последнее время в связи с постепенным введением запрета использования "мобил" за рулем получают все большее распространение системы "Hangh Free" - "свободные руки". Эти системы могут идеально подойти к установке на ЛА. Иногда встречаются очень схожие и древние по идее, но реализованные на современной элементной базе системы VOX-голосового управления/переключения с приема на передачу.
Те и другие обычно имеют средства настройки/адаптации применительно к конкретным шумовым условиям. Но громко кашлять и сморкаться в микрофон в любом случае не следует. Тем более летать при плохом самочуствии в грозовую погоду под громовые раскаты.

Имейте ввиду, что даже в ихих крутых полицейских боевиках бывают моменты, когда в погоне за "плохими" парнями "хорошие" сворачивают на просёлок, и через несколько минут гонки выясняется, что связи-то нет! Взвод спецназа и вертолеты огневой поддержки не вызовешь!!!
Ау-у-у-у-у!!!!!

Полицейские используют транковую связь. Ее "правильное" название "профессиональная система подвижной связи для корпоративных групп абонентов". Строится по общему с сотовой принципом, но применяется для ограниченного числа абонентов. Транковой связью обычно покрывают некоторую территорию, где еще нет или экономически нецелесообразно применение сотовой, или классическая сотовая связь не предоставляет некоторых услуг. Например, это возможность "Общего вызова", когда по какому-то сигналу целая куча абонентов может одновременно слушать Ценное Руководящее Указание (ЦРУ) или Еще Более Ценное Указание (ЕБЦУ).

Это железные дороги, газо-нефтепроводы, аэродромы, аварийно-спасательные службы и т.п. Как и сотовая, может иметь региональное, государственное и даже межгосударственное покрытие (роуминг). Число каналов в транковых системах меньше числа трубок/абонементов, поэтому на базе постоянно контролируется занятость каналов, и при вашем запросе автоматически выделяется свободный канал. Транк обычно имеет выход в проводные сети. Операторы транковой связи могут предоставлять услуги населению на вторичной основе, т.е при наличии свободных каналов.

Домашний радиотелефон большой мощности. За исключением дизайна, размеров, частотного диапазона и дальности пользовательские отличия радиотелефонов от квартирных телефонов "Panasonic", например, заключаются лишь в большой увеличенной мощности и дальности действия. Дизайн радиотрубок может быть "заточен" под сотовый.

Для установки такого телефона нужно специальное разрешение, однако здесь ты сам себе хозяин траффика: покупаешь раз - платишь только абонементную плату как за обычный телефон.

Максимальная дальность такой радиотелефонной связи 120 км и определяется высотой поднятия передающей антенны, то есть прямой видимостью. К подобным радиотелефонам выпускается широкий ассортимент антенн, антенных усилителей, зарядных устройств и пр.
Обычно комплектуется одной, но может комплектоваться и двумя радиотрубками, которые могут связываться между собой как напрямую, так и через базу.
При выезде за город такой телефон (базу) можно ставить в сельсовете:-) и подключать ее к проводной линии, а трубки применять в поле. При хорошей проводной линии вы из городского дома можете смело давать ЦУ селянам на радиотрубки в пределах действия базы, а они могут звонить домой по межгороду прямо с поля.
База простенького телефона с радиоудлиннителем, стоящая на окне восьмого этажа, без всяких дополнительных антенн обеспечивала спокойную связь с другим высоким берегом Волги на расстоянии около 10 км. Но была прямая видимость.

Си-Би (Citizen Band). Гражданский общедоступный диапазон 27 МГц. Требуется простая лицензия, которая, как правило, оформляется в магазине при покупке. Регистрация стоит около 240 р, и затем продлевается каждый год примерно за 100 р.

Очень большой ассортимент достаточно дешевых, но неплохих стационарных, автомобильных и носимых радиостанций и аксессуаров к ним. В том числе устройств выхода в проводные линии. Число каналов где меньше, а где и больше числа владельцев аппаратов.

Вы сами выбираете свободный канал. Благоприятная среда неформального общения. При использовании на максимальную дальность (около 100 км) недостатком можно считать необходимость применения довольно больших антенн (1/4 волновой штырь имеет размеры 2.8 м). Кроме того, в годы (и моменты) максимума солнечной активности в дневное время вероятно появление большого количества мешающих радиостанций, расположенных на расстоянии более 1000 км.
Вместе с тем аппаратура этого диапазона имеет некоторое преимущество при обеспечени связи по пересеченной лесистой местности по сравению с аппаратурой более высокочастотных диапазонов: чем короче волны, тем более прямолинейно:-) они распространяются и сильнее "застревают" в кронах и между стволов деревьев и кустарников.
Во многих городах и регионах есть свои круглосуточные службы аварийного вызова (обычно 09), о чем неплохо бы знать, отправляясь куда-то на полеты.

Радиостанции разрешенных радиолюбительских диапазонов 144, 445, 1300 и выше МГц. Необходима специальная лицензия, выдаваемая после несложных экзаменов. Вся процедура организации связи ложится на вас. Аппаратура бывает очень качественная и дорогая, в том числе и по причине меньшей, чем Си-Би распространенности. Дальность действия в пределах прямой видимости очень большая. Имеются устройства сопряжения с проводными телефонными линиями. Для увеличения дальности могут применяться ретрансляторы (репитеры). Наши местные радиолюбители скооперировались и поставили на самой высокой трубе ТЭЦ-4 такое устройство с мощей около 2 Вт, и теперь маломощными передатчиками спокойно связываются с Саратовым, что в 150 км.

Спутниковая связь. Может у вас появиться, если вы Superman, репортер CNN или международный террорист ;-) Обеспечивает связь по всей Земле в любое время и в любой позиции. Образована сетью низколетящих спутников, поэтому требования к мощности (и габаритам) аппаратуры досточно низкие, а к спутникам и наземным станциям - их приемно-передающим системам и системам маршрутизации сообщений - высокие.

Последнее время спутниковые трубы заметно подешевели: с 2000-3000 у.е. до 800-700 потому, что и на это сегмент информационных услуг начинают обращать досточно большое внимание, в том числе и в России с ее неохватными - кому кроме нас они нужны? - просторами.

Дополнительные сведения.

Скремблирование. Вообще-то сообщения всех перечисленных систем можно перехватить при наличии соответствующей аппаратуры. Для невозможности расшифровки сообщений применяют специальные шифровальные кодирующе-декодирующие устройства. Применение скремблеров строго регламентировано и разрешается только по специальному разрешению и только специальным службам. Особенно в свете событий 11.10.2001.

Выходом может быть применение редких языков, поскольку никакими документами это не запрещено.
В истории второй Мировой войны 1939-1941 года описан случай применения американцами на Тихоокеанском театре военных действий против Японии индейцев-шифровальщиков. Индейцы племени навахо(?) вели передачи открытым текстом на своем древнем языке. Японцам так и не удалось до конца войны расшифровать этот код :-)

Дуплексная связь (Fooll Duplex). Аналог-обычный проводной телефон, когда вы можете одновременно говорить и слушать.
При дуплексной связи ваш передатчик работает, как правило, на одну антенну одновременно с вашим приемником. И неизбежно "забивает" свой собственный приемник, снижает его чувствительность, и, следовательно, дальность связи.
Когда хочешь услышать слабый шорох - лучше самому затаиться: молчать и не шубуршиться.

Симплексная связь. Когда говорят (и слушают) по очереди. То-есть попеременное ручное (нажал-говори) или автоматическое (VOX) преключение приемника/передатчика.

Полудуплекс. При хороших параметрах аппаратуры система управления делает так, что, например, при приеме сообщений вы можете "вклиниться" в паузу между словами вашего корреспондента, перебить его. При этом его аппаратура должна позволять делать это. То есть его приемник должен "слушать" в паузах между собственными словами. При этом приемник должен очень быстро (0.1-0.2 сек) восстанавливать свою чувствительность после воздействия сигнала собственного передатчика.

ЗЫ.
В последнее время под эгидой Международного союза электросвязи ведутся работы по созданию глобальной международной системы подвижной спутниковой связи (СПСС) третьего поколения.

Внутри помещений зданий, офисов и т.д., организуются пикосоты с радиусом обслуживания до 100 м с высокой емкостью, определяемой большим количеством абонементов на единицу обслуживаемого объема. В общественных местах (вокзалах, аэропортах, торговых центрах), на улицах для пешеходов создаются микросоты с радиусом действия до 1 км. Для обеспечения связью автомобилистов используются сотовые системы связи с, имеющие макросотовую структуру с радиусом обслуживания 25-30 км. Спутниковый сегмент системы обслуживает абонементов воздушных, морских и речных судов, грузового автомобильного и железнодорожного транспорта с развертыванием гиперсотовой структуры с радиусом до сотен и тысяч километров.

Начало внедрения наземных компонентов новой системы связи (FPLMTS-Future Public Land Mobil Telephone Sustem) намечено на 2005 г., ввод спутниковой подсистемы ожидается в 2010 г.

Глобальная система подвижной связи третьего поколения будет действовать как единое целое, работающее по принципу установления связи между абонетами "где угодно, когда угодно и с кем угодно".

Олег Музальков

Обновлено 23.09.2010 13:48