X

Как правильно организовать телеметрический радиоканал: антенны

ГеолинкАнтенна - важнейший элемент приемо-передающей системы. К сожалению, с появлением чувствительных приемников и автоматически согласующихся передатчиков, мы стали забывать о ее роли в организации устойчивой радиосвязи.

Представьте себе обычную житейскую ситуацию: находясь в одной комнате, Вы пытаетесь позвать коллегу, находящегося в комнате по соседству. Задача, с которой мы каждый день легко справляемся, ... если только двери в комнатах открыты. А если нет? Сколько усилий надо приложить, чтобы докричаться до товарища из закрытой комнаты? Так вот, если звуковые волны не имеют возможности эффективно излучаться в пространство, бесполезно не только кричать, но порой и использовать усиливающую аппаратуру.

Точно такая же ситуация с радиоволнами. Можно соорудить усилитель мощности как у радиовещательной станции, но без качественной антенны эта энергия перейдет в тепло, а не излучится в виде радиоволн, и в итоге - отсутствие надежной радиосвязи. С другой стороны, из личного опыта - и пяти ватт при хорошей антенне достаточно для связи с антарктическими станциями. Правда, на коротких волнах.

На УКВ ситуация с антеннами проще - небольшая длина волны предопределяет их небольшие габариты. Так, для частоты 433МГц длина волны составляет 69см. Антенна обычно имеет размеры порядка половины длины волны. Но есть и исключения.

Мощности на УКВ очень небольшие. Так давайте максимально эффективно ее использовать!

Параметры антенн.

Для нас важны следующие параметры антенн: резонансная частота, входное сопротивление, диаграмма направленности, усиление, поляризация.

Резонансная частота для случая радиомодема Невод-5 должна быть 434 МГц.

Волновое сопротивление антенны должно быть равно волновому сопротивлению питающего кабеля, а также выходному сопротивлению передатчика. Если сопротивление не согласовано на каком-либо участке, мощность на нем будет теряться тем больше, чем больше рассогласование. Как правило, в радиочастотной технике величина волнового сопротивления на всех участках равна 50 Ом. Все предлагаемые нашей компанией антенны АШ-433, Ан5-433, Sirio SA-703 имеют именно такое сопротивление.

Диаграмма направленности показывает интенсивность излучения антенны в различных направлениях в пространстве. Чем более неравномерная диаграмма, тем больше выражено направленное действие антенны. Направленное действие проявляется не только в режиме излучения, но и в режиме приема. Поэтому использование направленных антенн выгодно вдвойне - они концентрируют всю мощность в одном направлении, к тому же не создают помех в других направлениях; кроме того, прием полезного сигнала с нужного направления усиливается, а помехи с других направлений ослабляются.

Усиление, как правило, связано с шириной диаграммы направленности как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости. Чем уже диаграмма, т.е. чем уже сектор пространства, в который производится основное излучение, тем больше коэффициент усиления антенны.

В радиотехнике существует понятие изотропного излучателя. Это физическая абстракция, представляющая собой антенну, которая излучает равномерно во всех направлениях. Усиление реальных антенн оценивается относительно изотропного излучателя - во сколько раз сигнал в направлении основного лепестка диаграммы направленности мощнее сигнала изотропного излучателя. Сравнение производится в логарифмической шкале и измеряется в децибелах (шкала dBi, где i - символ изотропного излучателя).

Наряду с этой, существует и шкала сравнения с полуволновым диполем. Диполь (или вибратор Герца) имеет торообразную пространственную диаграмму направленности и обладает усилением 2,15 dBi. При определении усиления реальных антенн по отношению к полуволновому диполю используется единица dBd, где d символизирует шкалу диполя.

Таким образом, 2,14dBi=0 dBd.

При выборе антенны важно помнить о различии в 2,14 dB этих двух шкал. Иногда производители не указывают символы i и d, что приводит к путанице и неправильному выбору антенны.

Поляризация - свойство электромагнитной волны, определяющее, в какой плоскости происходит колебание вектора напряженности электрического поля при распространении волны. Горизонтально расположенные антенны излучают и принимают волны горизонтальной поляризации, вертикально расположенные - вертикальной поляризации. Если волна и антенна имеют разную поляризацию, ослабление такой принимаемой радиоволны в антенне может достигать 60 dB (в 1000 раз). Это можно использовать в условиях наличия помех. Если помеха имеет горизонтальную поляризацию, следует расположить антенны (с обеих сторон радиоканала) вертикально, и подавить таким образом мешающий сигнал.

Электромагнитная волна изменяет свою поляризацию при отражении от препятствий или поверхности Земли. При множественных отражениях волна приобретает круговую поляризацию. Поэтому вышесказанное имеет существенное значение только на открытой местности в пределах прямой оптической видимости.

Типы антенн.

Коротко о типах антенн. Их великое множество, но для нас актуальны следующие - штыревая, коллинеарная, "волновой канал", рамочная антенна.

Основным элементом любой антенны является вибратор, который собственно и излучает электромагнитную волну. Классический вибратор - это полуволновой диполь Герца. Он представляет собой стержень, разрезанный пополам посередине. К двум половинкам подводится мощность от передатчика. Бывают вибраторы, запитанные не с середины, а с конца. Это несколько усложняет согласование антенны с кабелем и передатчиком, но упрощает механическую конструкцию в определенных случаях.

В частности, антенна АШ-433, предлагаемая компанией Геолинк для работы с радиомодемом Невод-5 представляет собой J-образный диполь, запитанный с нижнего конца. Электрически такая антенна состоит из двух частей - полуволнового вибратора и четвертьволновой согласующей линии, расположенной под ним и выполняющей единственную задачу - согласование низкого выходного сопротивления передатчика с высоким входным сопротивлением вибратора. Согласующая линия, образованная частью основного штыря и коротким штырьком в нижней части антенны, не излучает радиоволн. Поэтому, на часто задаваемый вопрос, как должен быть ориентирован короткий штырек при закреплении антенны на мачте по отношению к "полезному" направлению на объект, ответ простой - это не имеет значения. АШ-433 имеет усиление 3 dBd и вертикальную поляризацию, поскольку конструктивно рассчитана на вертикальную установку.

У антенн АШ-433 и АН5-433 есть очень важная особенность: их излучающий штырь (вибратор) соединен с монтажным фланцем антенны. Это гарантирует при заземлении фланца отсутствие накопления статического электричества на антенне во время грозы. Таким образом, конструктивно обеспечивается грозозащита самой антенны. Конечно, при прямом попадании молнии, хотя основной разряд и уйдет на землю, а антенна, скорее всего, испариться, но без дополнительных защитных модулей повреждение аппаратуры будет неизбежно. Поэтому, не смотря на положительные свойства АШ-433 и АН5-433, следует подключение радиомодема к кабелю осуществлять через заземленный модуль грозозащиты, который можно заказать вместе с антенной.

Если расположить друг над другом несколько полуволновых вибраторов, соединив их друг с другом цепочкой при помощи фазосдвигающих элементов, получится коллинеарная антенна. Она намного эффективнее обычного штыря, поскольку все вибраторы этой антенны дружно излучают синфазные волны, взаимно усиливая их. Эту ситуацию можно сравнить с раскачиванием застрявшей машины, когда два (или больше) человека объединяют усилия и "в такт" толкают автомобиль, стараясь попасть в резонанс такой механической системы.

С радиомодемами Невод-5 хорошо работают базовые коллинеарные антенны Sirio SA-703 (3 элемента), SA-705 (5 элементов), а также Diamond BC200 (3 элемента). Усиление трехэлементных антенн составляет 6,5 dBd.

Чрезвычайно важен и другой случай - если полуволновые диполи расположить в одной плоскости параллельно и на определенном расстоянии друг от друга, то они начнут усиливать излучение вибратора в направлении, перпендикулярном линии, проходящей через середины диполей. Такая конструкция многоэлементной антенны называется "волновой канал". Чем больше элементов, тем больше усиление антенны. Если длина элемента чуть меньше длины вибратора, то он будет усиливать действие вибратора. Такой элемент называется директором. Если Элемент длиннее вибратора, то он будет "отражать" излучение вибратора. В таком случае, он называется рефлектором. В антеннах "волновой канал" рядом с вибратором обычно располагается один рефлектор, а с противоположной от него стороны - несколько директоров. Поэтому, если возникает вопрос, в каком направлении будет излучать такая антенна, посмотрите, где находится вибратор (к нему подводится мощность передатчика), определите, где рефлектор, а где - директоры. Излучение производится в сторону директоров. Вопрос не праздный - неоднократно приходилось сталкиваться с ситуацией, когда в результате монтажа направленные антенны на объектах были развернуты "спиной" к центру сбора данных. Связи при этом, конечно же, не было.

Компания Геолинк производит антенны АН5-433 для работы с радиомодемами Невод-5. Эти антенны представляют собой пятиэлементный "волновой канал" с вертикальной поляризацией и усилением 8 dBd. Ширина основного луча диаграммы направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях - около 60 градусов. Прекрасно зарекомендовали себя в работе с Неводами и десятиэлементные антенны Diamond А430S10 с усилением 11 dBd (удвоение количества элементов в антенне приводит к повышению ее усиления на 3 dB, т.е. в 2 раза). Ширина луча у них около 20 градусов, поэтому выверять их ориентацию при монтаже надо очень тщательно. Даже небольшого сдвига в сторону от направления на приемник достаточно, чтобы в разы ослабить сигнал.

Рекорд по дальности связи радиомодемов Невод-5 в системе диспетчеризации был установлен в 2002 году во время эксперимента, когда обмен велся на расстоянии 33 км! С одной стороны радиоканала была установлена 10-элементная антенна на трубе котельной, с другой стороны - пятиэлементная антенна на крыше пятиэтажного сооружения. Но не стоит ориентироваться на этот результат - стандартная максимальная дальность связи для радиомодемов Невод в пределах прямой видимости - 10 км с двумя направленными АН5-433.

Рамочные антенны имеют двунаправленную характеристику. Если устанавливается система директоров и рефлекторов, рамки становятся однонаправленными, но их габариты превышают размеры "волнового канала", что сказывается на технологии изготовления и, в итоге, стоимости.

Кабельная система (фидерная линия).

Антенну с радиомодемом соединяет радиочастотный коаксиальный кабель. От его качества и длины зависит, какая часть энергии "добежит" от выхода передатчика до антенны, и наоборот - от антенны до входа приемника. К выбору кабеля нужно относиться так же серьезно, как и к выбору антенны.

Важнейшими параметрами коаксиального кабеля являются его волновое сопротивление и затухание на частоте радиоканала (в нашем случае, 434МГц).

Как уже отмечалось, для работы с радиомодемом Невод-5 и антеннами АШ-433 и АН5-433 используются кабели с волновым сопротивлением 50 Ом. Телевизионный кабель (типа RG-59) имеет волновое сопротивление 75 Ом и не подходит для работы с радиомодемами.

Для построения телеметрических сетей на Неводах рекомендуются кабели RG-58, RG-213, RG-8 (черный). Кабель RG-58 имеет диаметр около 6 мм, наиболее распространен и дешев. В то же время коэффициент затухания в нем на 434МГц составляет около 0,34 dB/м. Это значит, что кабель длиной 20 м будет вносить затухание 6,8 dB. Таким образом, антенна АН5-433 с коэффициентом усиления 8 dBd и 20м RG-58 будут иметь усиление 1,2 dBd, что сводит на нет выгоду использования такой системы по сравнению с самой простой антенной АШ-433 (усиление 3 dBd).

Рассмотренный пример дан для того, чтобы оценить роль кабеля в антенно-фидерной системе. Вывод таков: кабели должны иметь минимально возможную длину и минимальное затухание на рабочей частоте.

Для сравнения, кабель RG-213 имеет затухание 0,14 dB/м и 20м такого кабеля вносят затухание 2,8 dB, что вполне приемлемо.

Приведенные несложные расчеты не должны порождать желания ставить антенны как можно ниже, сокращая длину кабеля! Чем выше стоит антенна, тем выше ее эффективность, особенно при наличии растительности на пути распространения радиоволны. Лес имеет несколько ярусов и нижний ярус, подлесок - самый густой. Поэтому часто достаточно поднять антенну на 6-8 м, для того, чтобы получить на порядок более мощный принимаемый сигнал. Поэтому антенны надо поднимать как можно выше, а кабель надо иметь как можно короче. Это противоречивое требование всегда приводит к поиску компромисса.

Практические советы.

Конечно, при проектировании радиоканала следует проводить предварительные расчеты, включающие длину кабельной линии и другие параметры. Но для простоты приведем несколько рекомендаций, действенность которых проверена временем.

  1. Длина кабеля RG-58 при работе с радиомодемом Невод-5 не должна превышать 10м.
  2. При необходимости использования кабельной линии длиной более 10м, необходимо использовать кабель с меньшим затуханием - RG-213 или RG-8 (черного цвета. Желтый RG-8 предназначен для ЛВС и имеет плохие частотные характеристики).
  3. Направленные антенны должны быть правильно сориентированы при монтаже. Две ориентированные друг на друга антенны АН5-433 обеспечивают связь в пределах прямой оптической видимости на расстоянии 10 км.
  4. В качестве базовой антенны в центре сбора информации следует использовать антенны Sirio SA-703, SA-705 или аналогичные. Это позволяет создавать "запас прочности" радиоканала.
  5. В качестве объектовых следует использовать направленные антенны типа АН5-433. Это повысит помехозащищенность и чувствительность канала.
  6. Антенны следует располагать как можно выше. Это уменьшит количество препятствий на пути распространения радиоволны и увеличит радиус действия антенны.
  7. Присоединять разъемы к кабелю следует специализированным обжимным инструментом. Использование плоскогубцев для обжима приводит к некачественному и нестабильному контакту в центральной жиле или оплетке кабеля.
  8. Следует особое внимание уделить гидроизоляции разъемных соединений на кабеле - от этого зависит продолжительность эксплуатации. Для этих целей можно использовать термоусадочную трубку с клеевой основой. Причем перед нагреванием ее можно частично заполнить герметиком.
  9. При настройке телеметрической системы удобно пользоваться сервисными возможностями радиомодемов Невод-5, позволяющими оценивать уровень сигнала от передающего модема.
  10. Укороченные антенны следует использовать на небольших расстояниях и только в случае крайней необходимости - для обеспечения вандалозащищенности или исключения случайного повреждения большей антенны. Укороченные антенны, например АГ-433, которая тоже производится нашей компанией, всегда имеют характеристики хуже полноразмерных.

В заключение следует вспомнить, что радиоканал обратим, т.е. его свойства в обе стороны одинаковы. Поэтому улучшая канал в одном направлении, например на прием, мы тем самым улучшим его и на передачу. В связи с этим, не стоит пренебрегать описанными выше простыми правилами, что поможет построить надежную и простую в эксплуатации телеметрическую радиосистему.


Применение

Пищевая промышленность и CPG

OEM-и производители машиностроители являются важными и ключевыми партнерами в отрасли продуктов питания, напитков и CPG. Они имеют решающее значение в сегментах производства, подготовки, перемещения и упаковке товаров. OEM-производитель предлагает лучшее оборудование, чтобы оперативно реагировать на потребности этих отраслей. Также OEM-производители стремятся отличаться от конкурентов, быстро реагировать на запросы рынка.

Подробнее

Ледниковый период - небольшой инвертор, колоссальный результат – пример внедрения

Преобразователь частоты Mitsubishi Electric с функцией токоограничения (предотвращение опрокидывания) обеспечивает повышенную эффективность и производительность в традиционном процессе производства мороженого.

Подробнее


Скачать документацию