Как стать автором
Обновить

Простые антенны для раций, ISM-диапазонов и др. приложений. Максимально просто о сложном. Часть 1. Теория

Беспроводные технологии *Разработка систем связи *Стандарты связи DIY или Сделай сам Электроника для начинающих
Tutorial

Оглавление

>>> Часть 1. Теория. Простыми словами о сложных материях.

Часть 2. Обзор существующих решений.

Часть 3. Простые практические конструкции своими руками.

Введение

Поводом для написания этой статьи стали предыдущие статьи автора, посвящённые постройки Meshtatic-радиочата на LoRa-модемах:

Часть 5 планировалась как тема по антеннам в приложении к построению Meshtastic-сети, но объём рассматриваемых вопросов и написанного материала оказался гораздо больше, чем хватило бы на одну статью, потому автор решил вынести антенны в отдельное направление.

Кроме того, общаясь в профессиональных и около/радиолюбительских кругах, автор заметил, что антенная тематика неоднократно всплывает в ходе решения большого количества вопросов, касающихся как обычной нелицензируемой радиосвязи посредствам дешёвых раций, так и создания простых радиомодемных устройств ISM-диапазона 433МГц/868МГц. И, как оказывается, большинство людей или не обладает какими-либо знаниями в антенном направлении или они очень сильно поверхностны.

Как следствие:

  • Во-первых – отсутствием элементарной теоретической базы в антенной области, пользуются Китайцы, продавая огромное количество контрафакта антенной тематики;

  • Во-вторых, сильно падает качество и дальность связи, независимо от того связываетесь ли вы голосом или пытаетесь подружить между собой два или более радиомодемов.

По интернету гуляет огромное количество довольно сложного материала, касающихся теории антенн. Сейчас доступно большое количество учебников и методических материалов. В свободном доступе присутствуют программные решения для моделирования антенн. Но, как показывают наблюдение и практика – учебники непрофессионалам освоить практически нереально, с формулами особенно, моделирование антенн доступно только лишь профессионалам. Публика вынуждена тратить деньги, перебирая антенны с Aliexpress или делясь между собой конструкциями антенн из прошлого века, которые или работают плохо или совсем не работают, или работают там, где люди используют их не по назначению. Простое изложение сложной антенной теории, так сказать, «для гуманитариев» и остальной непрофессиональной публики и подавно отсутствует. 

Автор решил взять на себя смелость и попытался максимально просто описать базовые понятия по антенной теории и составил универсальные рекомендациями при выборе антенны для большинства простых задач. Благодаря этим знаниям вам больше не навешают лапши на уши ушлые продавцы с Aliexpress и упрощается хождение по просторам Aliexpress в надежде найти правильную антенну.

Ещё одним фактором, послужившим стимулом к написанию статьи стало появление большого количества приборного инструментария для замеров характеристик антенн и не только. Если, буквально 10 лет назад, непрофессионалы могли только философствовать на тему антенн. Строить догадки, о том рассказали им правду о дальности связи или в очередной раз баек нарассказывали, то сегодня, имея небольшой багаж базовых знаний по антенной теории и обзаведясь недорогим прибором для измерения антенных характеристик, вы легко сможете проверить антенну. Ну а дальность связи сможете оценить сами, когда все элементы цепочки сделаны и гарантированно работают правильно.     

И последнее, автор статьи предполагает, что заинтересованный в антенной теории человек, для понимания нижеописанного, обладает базовыми математическими знаниями и базовыми понятиями в области радиотехники, такими как децибел (дБ), длина волны, частота, и подобными… 


Основные определения и аспекты

В антенной, как и в любой другой тематике существует несколько базовых определений, характеризующих работу любых антенн: 

  • Усиление антенны

  • КПД работы

  • Диаграмма направленности (ДН)

  • Импеданс

  • Резонансная частота

  • КСВ

  • Согласование

  • Обратные потери

По наблюдениям автора, в данных вопросах столько легенд, домыслов и спекуляций, что стоит обратить на это пристальное внимание.

Автор умышленно для непрофессионалов опускает довольно сложную и пространную теорию работы антенн с тысячами сложных формул. Для начинающих или не профильных по профессии коллег она будет излишня, а если есть интерес, то по интернету вы найдёте огромное количество учебно-методических материалов на тему теории антенн. Коснёмся только самых важных моментов, которые важно знать и понимать при дальнейшем рассмотрении, описании и выборе любых антенн.

Важное примечание: следует отметить, что антенна – устройство реверсивное и имеет одинаковые характеристики как при приёме, так и при передаче. Т.е. если говорится об усилении на приём, то это же определение верно и для передачи.

  • Коэффициент усиления антенны - параметр, показывающий во сколько раз направленная антенна излучает в главном направлении сильнее, чем ненаправленная антенна, которая излучает во все стороны одинаково.

    Важное примечание: термин "усиление" по отношению к параметру антенны не отражает сути параметра, он на самом деле означает "фокусировку". Антенна - это пассивный прибор и усиливать ничего не может по определению.

  • Коэффициент усиления антенны, выражаемый в dBi – это усиление, выраженное в децибелах относительно антенны в виде этакого «сферического коня в вакууме», т.е. изотропного бесконечно малого излучателя в вакууме, т.н. точечный источник излучения. Для нас это просто абстрактная цифра, как бы полный 0 в точке начала отсчёта усиления.

    Сферический конь в вакууме

    Ближайший приблизительный аналог в нашем материальном мире, от которого принято отсчитывать усиление – это ¼ волновой излучатель над идеально проводящей поверхностью. Т.к. ¼ волновой излучатель имеет конечную длину, бОльшую, чем от бесконечно малого источника, то значит, он тоже имеет своё небольшое усиление – примерно 1.8дБ. Такой моделью практически никто не пользуется, но это, чисто для представления.

  • Коэффициент усиления антенны, выражаемый в dBd – это усиление, относительно простейшей дипольной антенны. В свою очередь, соотношение усиления между идеальной изотропной антенной и идеальным полуволновым диполем составляет 2,15дБ. Т.е. усиление антенны 0dBd =2.15dBi, соответственно антенна с усилением 3dBd = 5.15dBi Усиление в dBd применяется обычно для описания направленных свойств антенн и некоторых других типов антенн, описание которых пока пропустим для простоты.

    Усиление диполя

    В вопросе усиления, как мы часто можем видеть в разнообразных рекламных проспектах по антеннам, особенно китайского происхождения, широкое поле для манипуляций и обмана несведущего пользователя. Продавцы в погоне за прибылью и выставлении своих антенн в более выгодном свете, чем у конкурентов, часто умышленно забывают дописать буковку «i», бывает не пишут вообще слова dB или просто нагло рисуют какие-то заоблачные цифры, не соответствующие даже приблизительно реальным характеристикам их изделия.

    На практике, в 98% случаев, понятие «усиление антенны» носит условный и весьма приблизительный характер. Этот параметр в последнее время, чаще всего, берётся из математической модели, по которым строится антенна. Математическое моделирование продвинулось так далеко, что уже стало возможным построить электромагнитную модель поля в объёме и просчитать распространение поля на заданное расстояние в любой среде.

    Измерениями реального усиления антенн занимаются специализированные лаборатории для военных и других ведомственных служб.

  • КПД антенны

    Про КПД есть смысл говорить тогда, когда антенна гораздо меньше ¼ длинны волны. Так же, верно, для маленьких антенн будет и определение усиления, правда, уже с отрицательным знаком. Допустим, есть у вас маленькая спиральная антенна размером 3…5см на подобии широко известной Diamond SRH805s. В описании к ней, Китайцы обычно пишут про мифическое усиление 3…5дБ (опять же, забывая указать «i» ), когда на самом деле, её КПД будет не более процентов 20…30 или -9…-20dBi. Т.е. она будет работать раза в 3…10 хуже, чем полноразмерный ¼ штырь (конечно, при условии, что спиралька настроена).

  • Диаграмма направленности (ДН)

    Когда мы говорили про изотропный бесконечно малый излучатель в виде маленькой лампочки, то обратили внимание, что в любой точке пространства от этой лампочки есть свет, уровень света везде вокруг постоянен, но сила света слаба. Если с одной из сторон от лампочки поставить отражающую поверхность, то сила света в какой-то области в стороне отражателя упадёт, а в противоположной, наоборот увеличится. Так мы создали диаграмму направленности источника излучения. Т.е. энергия, которая раньше равномерно уходила в любую точку пространства теперь меняет направление в отражателе и идёт вся в одну сторону.

    В антенной технике ДН образуется за счёт фазового сложения/вычитания волн в каждой точке пространства. Для простой вертикальной ¼ волновой или дипольной антенны, энергия вокруг антенны распространяется по кругу, потому в вертикальной плоскости ДН получается круговой. Если рассматривать распространение радиоволн в горизонтальной плоскости, то получается восьмёрка. В объёмном представлении – это ТОР.

    Диаграмма направленности - ТОР

    Для многоэлементных антенн происходит сложное многофазное переотражение от разного количества элементов – в результате которого ДН излучения/или приёма приобретают форму сложной узкой кардиоиды.

    Диаграмма направленности - узкая кардиоида

    Хорошее описание ДН представлено в статье «Теория радиоволн: антенны» в 2012 году.

  • Полный импеданс и резонанс

    Антенна является по сути своей пассивным узкополосным радиотехническим элементом. Та частота, на которой антенна излучает или принимает энергию максимально эффективно, условно называют резонансной частотой. На одном геометрическом конструктиве таких частот может быть несколько. Т.е. эффективно антенна может излучать и принимать не на одной какой-то частоте, а на нескольких. На практике обычно используют понятие основной резонанс – он же, обычно, первый резонанс. Параметры антенн характеризуются импедансом с активной составляющей (эквивалентно обычному омическому сопротивлению, как если бы за место антенны подключили обычный резистор) и реактивной составляющей со знаком «+» - индуктивная составляющая или знак «-» - емкостная составляющая (как если бы параллельно или последовательно с резистором подключили обычный конденсатор или индуктивность).  Ключевым моментом, характеризующим настройку антенны в резонанс является та частота, на которой реактивная составляющая ровна 0. При этом, активная составляющая может быть абсолютно любой, от долей Ом до нескольких тысяч Ом. Весь диапазон активных сопротивлений от 0 до бесконечности на практике использовать не удобно, потому, мировое радиотехническое сообщество условилось использовать в большинстве случаев всего несколько фиксированных значений: в основном это 50 Ом и 75 Ом. Очень редко используются какие-то иные значения импедансов, применяемые для сильно специфичных устройств.

    Полный импеданс описывается на одной частоте точкой или кривой в полосе частот. Для понятного представления о характеристике полного импеданса используется «Диаграмма Смита».

    Диаграмма Смита

    Для удобства представления, диаграмма нормируется (относительно чего она строится) к точке резонанса, где антенна (или иное устройство) имеет активное сопротивление 50 Ом – это центр диаграммы. Короткое замыкание на ней представляется в виде точки слева – 0 Ом, а обрыв в цепи – в точке справа – бесконечный импеданс. 

    Если вы внимательно следите за мыслью, то можете догадаться, что резонанс всегда находится на горизонтальной  линии. Значение реактивного импеданса в зависимости от характера отображается выше или ниже горизонтальной  линии.

Направление изменения импеданса на диаграмме Смита
  • КСВ (он же КСВН, он же SWR) и согласование антенны

    Теперь, когда мы узнали, чем характеризуются основные параметры антенны сразу становится понятно откуда берутся иные, вероятно часто слышимые раньше определения.

    КСВ антенны – Коэффициент Стоячей Волны (по Напряжению) (англ. standing wave ratio) – это параметр, характеризующий состояние согласования антенны с приёмно-передающим устройством, к которому антенна подключена. Если входной/выходной импеданс устройства настроен условно на 50 Ом, и настроенная в резонанс антенна имеет 50 Ом эквивалентного активного сопротивления, то рассогласование отсутствует, и вся энергия перетекает из передатчика в антенну, а затем в пространство или из пространства в антенну, а затем в приёмник без потерь. В таком случае говорят, что КСВ=1. Если импеданс антенны отличается от 50 Ом в ту или иную сторону и/или имеет реактивную составляющую в своём импедансе, то наступает рассогласование. Энергия частично отражается от антенны (при передаче) или от приёмника (при приёме) и суммарное количество энергии, излучённое в пространство или принятое приёмником, уменьшается. Степень рассогласования характеризуется повышением уровня КСВ.

    Для простоты понимания, автор умышленно не приводит в статье даже не сильно сложные формулы. Если вы хотите более подробно понять как считается КСВ, то отправляемся к учебникам.

    На практике, всё что вам достаточно знать – это приемлемым уровнем рассогласования антенны при приёме является КСВ<3…4, при передаче желательно что бы  КСВ антенны не поднималось выше 2.

    Пример измерения КСВ автомобильной антенны

    Помните – это, всё условные цифры! Идеальное значение согласования антенны с устройством, когда КСВ=1 - практически никогда на практике не встречается. Хорошее значение согласования, когда КСВ<1.2, приемлемое значение, когда КСВ<1.5…1.7. Рассогласование, когда КСВ>2 является уже критическим для передатчика, но ещё в большинстве случаем не критическим для приёма. Рассогласованная антенна принимать самые сильные сигналы вероятно ещё будет, правда с уменьшенным уровнем (говорят ещё «принимаем на гвоздь»), а вот излучение энергии в пространство рассогласованной антенной резко снижается. Энергия, отраженная от антенны, никуда не девается – она возвращается обратно в передатчик и может вывести его из строя. Отсюда, часто можно слышать, что не рекомендуется работать на передачу без антенн. Это критично для передатчиков, мощностью где-то от 1Вт и больше. Для маломощных передатчиков ISM-диапазонов (включая LoRa-передатчики) с выходным уровнем до +20дБм (100мВт) скорее всего не пострадают при работе без антенн, но по возможности, лучше не рисковать и следить за тем, что антенна к радиомодему была подключена. 

    Когда в цепи «передатчик – антенна» появляется дополнительный элемент – переносчик энергии – коаксиальный кабель, то он тоже должен быть максимально согласован по импедансу, как с антенной, так и с приёмно-передающим устройством. Точно так же, если на места стыка «устройство-кабель» или «кабель-антенна» присутствует разность импедансов, то наступает рассогласование в общей цепи и происходят потери энергии. По этой причине делают коаксиальные кабели стандартных импедансов 50 и 75 Ом. Кроме того, в коаксиальном кабеле присутствуют потери при переносе энергии в материале. Чем кабель толще и короче, тем потерь в нём меньше.

  • Обратные потери (коэффициент отражения – reflection coefficient)

    Этот параметр не очень часто можно услышать в около/радиолюбительской среде, но он часто применяется профессионалами связистами. Этот коэффициент показывает какое количество энергии отразилось от антенны обратно в кабель. Выражается в Децибелах с обратным знаком. Таким образом видно, при неидеальном согласовании, чем больше энергии ушло в антенну на излучение, тем меньше её отразилось обратно. Применительно к антенне этот параметр практически никогда не описывается, но при наличии прибора для измерения антенных характеристик конкретно по этому параметру хорошо видно качество работы антенны. Даже не по параметру КСВ, а именно по обратным потерям. Смотрим скрин прибора:

    Типовой график КСВ и Обратных потерь

    Фиолетовым цветом у нас показан параметр обратных потерь, а синим цветом – КСВ антенны. Если смотреть по графику КСВ, то в полосе частот 430-450МГц антенна вроде бы работает хорошо, но по графику обратных потерь видно, что лучше всего антенна работает в довольно небольшой полосе от центральной частоты 440МГц. Ещё более показательным становится график, когда антенна сверхширокополосная, когда она имеет более-менее низкий но не постоянный уровень КСВ в очень широкой полосе, но точки идеального согласования у неё неизвестны.

    Пример графика КСВ и Обратных потерь в широкой полосе

    Полезные ссылки по теме и источники откуда была взята графика:

  • Сайт настоящего профессионала в области разработок антенн, RA6FOO - "Применение диаграммы Смита при согласовании устройств"

  • Сайт настоящего Мастера дела и слова, автора серии книг по антеннам и их моделированию - Игорь Викторович Гончаренко DL2KQ

  • Сайт магазина K-radio (график КСВ)

  • Сайт 433175.ru, хорошая статья "Об «усилении» антенн, диаграммах направленности и видах связи".

  • Хорошая статья по возвратным потерям описана на сайте  3G-Aerial - "Возвратные потери, КСВ и S11. В чем разница? Физический смысл S-параметров антенны".

  • Статьи коллеги Юрия Пилипенко на Habr

  • Собственные наработки автора.

Теперь, когда у вас есть основные базовые понятия по антеннам, вы можете критично выбирать любые антенны для любых приложений: будь то антенны для ТВ, для портативной радиостанции или для Meshtastic-модема.

В следующей статье, будут рассмотрены примеры замеров разных антенн для диапазона 433МГц и 868МГц и предложены универсальные рекомендации по выбору антенн.

P.S. Автор не претендует на истину в последней инстанции; Если вы профессионал и/или глубокий теоретик в области антенной техники и обнаружили в статье какие-либо неточности, сообщите об этом автору в личку.

Часть 1 >>>>>>>>>>>> Часть 2. Обзор существующих решений.

Теги: Теория антеннАнтенныФизика радиоволнСделай самПрост о сложном
Хабы: Беспроводные технологии Разработка систем связи Стандарты связи DIY или Сделай сам Электроника для начинающих
Всего голосов 33: ↑33 и ↓0 +33
Комментарии 16
Комментарии Комментарии 16

Похожие публикации

Лучшие публикации за сутки