Антенны и радиоволны. Часть 1. Радиоволны

Текстовая версия ролика

Вступление

Этим видео я хочу начать серию роликов по электронике для любителей радиоуправляемых моделей. Преимущественно для авиамоделистов. Но надеюсь, что остальные моделисты, которые собирают действующие радиоуправляемые модели различных аппаратов, найдут для себя много полезного и интересного. Видео рассчитано как новичков, так и на матерых электронщиков. Новички получат базовые понятия. Люди с опытом смогут систематизировать собственные знания. А зануды ничего не получат — так что можете не смотреть, вы и так все знаете.

Теперь о том, что послужило причиной создания этого курса. Среди моделистов немало людей, которые занимались моделизмом еще в школе, а потом, в силу различных причин забрасывали это дело. Но за это время многое изменилось. Современный авиамоделизм стал квинтэссенцией технологий. Хорошо знать материаловедение и аэродинамику теперь не достаточно. Как минимум нужно хорошо знать электронику. Не лишними будут навыки программирования. Знания по оптике и понимание основ фото- и видеосъемки тоже пригодятся. Не говоря уже про отдаленные от моделизма химию и географию (в плане навигации и картографии). Напомню также о активном использовании ЧПУ-технологий.

Технологический прорыв начался сначала с полетов по камере, а теперь на пике развитие мультикоптерных технологий. Активную роль в этом прорыве сыграло широкое распространение интернета. Коллективное участие миллионов моделистов по всему миру ускорило развитие технологий и теперь мы можем с вами наблюдать то, что в середине прошлого века считалось фантастикой. Люди того времени могли только мечтать о том, что модели смогут летать сами по себе, сами взлетать и садиться, а вы сможете наблюдать потрясающей красоты пейзажи открываемые обзору с высоты полета модели.

Вот такой он — современный моделизм. Я уверен, впереди нас ждет появление многих интересных вещей. Но чтобы с пониманием использовать нынешние достижения, нужно владеть знаниями, нужно уметь их с пользой применять и нужно постоянно учиться новому. Стоит сказать, что я не претендую на эксперта, я — самоучка и продолжаю учиться. Я просто хочу поделиться собственными знаниями и опытом. Частично из-за того, что нередко приходиться объяснять одни и те же вещи разным людям. А с помощью видео, я смогу сделать это один раз и для многих.

Базовые понятия

Итак начнем!

Антенны

Антенны — это одна и самых спорных областей радиоэлектроники, поросшей кучей мифов, незаслуженно мало освещенной в обществе моделистов и вызывающей кучу вопросов. Именно с этого антенн и радиоволн я и хочу начать серию роликов по электронике для моделистов. Возможно это покажется это нелогичным, но я постараюсь чтобы в процессе изложения материала у вас сложилась целостная картина понимания.

Давайте начнем с определения что такое антенна. Антенна — это преобразователь, преобразователь энергии. Энергии электромагнитных волн в энергию электрического тока и обратно. В зависимости от типа энергии антенна может быть передающей, принимающей, либо и той и другой. В передающем устройстве антенна преобразовывает переменный электрический ток в электромагнитное поле.

В принимающем устройстве антенна выполняет обратную роль и конвертирует электромагнитные волны (радиоволны) в переменный электрический ток.

Это физическое явление лишний раз подтверждает закон сохранения энергии. Энергия не может возникнуть из неоткуда и исчезнуть в никуда. Просто она переходит из одного физического состояния в другое.

Чем лучше антенна конвертирует (т. е. преобразовывает), тем дальше (выше, глубже), вы сможете залететь (заехать или заплыть).

Чтобы понять, что влияет на способность антенны конвертировать энергию, нужно копнуть немного глубже, в строение атома. Я не буду глубоко зарываться в эти дебри. Будем считать, что базовые знания про строения атомов вы имеете. В атоме любых веществ есть свободные электроны, в каких-то больше, в каких-то меньше. Они имеют свойство перебегать по атомам. Их движение мы понимаем как электрический ток. Чем больше в веществе свободных электронов, т. е. носителей электрического заряда, тем лучше оно проводит электрический ток. Например в стекле их мало, почти нет, поэтому стекло — хороший изолятор. А в железе их значительно больше, поэтому железо — хороший проводник. В меди их еще больше, поэтому медь — лучший проводник, чем железо.

Любые примеси влияют на проводимость в ту или иную сторону. Например сплав железа с углеродом (сталь), будет иметь худшую проводимость чем у чистого железа, тоже самое с медью (которая является одним из лучших материалов для антенн). Различные сплавы меди имеют различную проводимость, это стоит понимать при выборе материала для антенн. Также влияет на проводимость металлов температура. Чем выше т-ра, тем сильнее начинают колебаться атомы вещества, затрудняя движение свободных электронов, повышая сопротивление. Возможно, вы спросите: при чем тут температура к антеннам? Я хочу сказать, что нужно избегать черезмерного нагрева или охлаждения антенны, ведь при этом меняются ее характеристики, а при определенном стечении обстоятельств, при резком изменении температуры на несколько десятков градусов, могут измениться и линейные размеры антенны, что также играет роль, особенно для диапазонов с малой длиной волны, но об этом позже.

Стоит отметить, что электрический ток в веществе распространяется со скоростью света, точно также, как и электромагнитные колебания в окружающем пространстве. Но при этом сами носители электрического тока, свободные электроны, двигаются в проводнике крайне медленно, за несколько часов они могут преодолеть расстояние всего в несколько метров. Почему так происходит мы сейчас с вами увидим.

Этот эксперимент показывает что движение электронов вызывает цепную реакцию и скорость отдельных элементов потока электронов может быть значительно меньше скорости распространения движения потока.

Замечу, что как уже было сказано, носители тока — это свободные электроны. Но это в твердых телах. А в жидкостях и газах носителями могут быть и сами атомы, т. к. они не закреплены жестко.

Будем считать, что теперь у нас есть понятие что такое электрический ток. Теперь давайте разберемся под действием каких сил происходит движение свободных электронов в проводнике. Все просто: электроны начинают движение под разностью потенциалов на разных концах проводника. Разность потенциалов означает что на подключаемом к проводнику источнику электрической энергии на разных полюсах имеются различный заряд.

Атом вещества в спокойном состоянии без воздействия внешних сил имеет нейтральный заряд. Другими словами, атом, как и все в природе, стремится к равновесию. Но под воздействием внешних сил он может менять свой заряд в ту или иную сторону. Электрон всегда заряжен отрицательно. Атом, лишившийся свободного электрона, приобретает положительный заряд. А атом, подобравший свободный электрон, становится отрицательно заряженным. Такие неуравновешенные атомы, называются ионами.

Возьмем простой пример — электрическую батарейку, на ее полюсах, в следствии химической реакции образовываются избыток различных зарядов. На плюсе — положительных, на минусе — отрицательных. При замыкании полюсов нагрузкой, например электрической лампой, ток начинает двигаться от + к -.

Стоить отметить что в твердых телах носители заряда (свободные электроны) в действительности двигаются в противоположном направлении. Такое положение дел сложилось исторически и не сколько не мешает пониманию физики процесса. Электроны двигаются от места где их избыток (-) к месту где их не хватает (+). Но не стоит заморачиваться, просто запомните, что принято считать направлением движения тока обратное движению электронов, т. е. ток движется от плюса к минусу.

Все это хорошо для постоянного тока, но к антеннам, это не прилепишь…

Хотя давайте попробуем прилепить. Возьмем две антенны. На одну подадим напряжение с батарейки. А на второй попробуем замерить напряжение…. [ показано в ролике ]

одна антенна

Почему так происходит? Все очень просто, давайте проведем еще один эксперимент. Возьмем также магнит и компас. [ показано в ролике]

магнит

Сначала посмотрим что происходит при поднесении магнита к катушке, мы видим, что при изменении магнитного поля, появляется электрический ток. Это явление называется электромагнитной индукцией. Причем скорость изменения тока пропорциональна скорости изменения магнитного поля, и фактически равна ей. А величина магнитного поля пропорциональна силе тока, индуцируемого в проводнике. Еще один момент — меняется полярность тока. Давайте попробуем посмотреть, как меняется магнитное поле под воздействием тока.  [ показано в ролике]

компасс

Мы видим что когда ток меняет свою величину, меняется и и магнитное поле. При неизменном, т. е. постоянном магнитном поле ничего не происходит.

Важный вывод из этих экспериментов. Ток постоянной величины не вызовет движения электронов на второй антенне. Он лишь создаст магнитное поле постоянной величины вокруг антенны, но это не поможет нам передать информацию с помощью радиоволн. Для этого нужно использовать переменный ток. Т. е. ток, при котором движение электронов меняется с определенной частотой.

Как мы уже с вами выяснили, переменное магнитное поле создает переменный ток. Также мы выяснили что ток в проводнике появляется под действием разности потенциалов. Это означает, что накапливаются заряды. Они создают вокруг проводника электрическое поле. И если ток переменный, то и поле будет тоже переменным. Один сгусток поля будет следовать за другим уходя в пространство. Переменное магнитное и переменное электрическое поля будут образовывать единое целое — электромагнитное поле или волну, радиоволну. В этом поле будет происходить непрерывный обмен энергией между его составляющими. Изменение электрического поля будет рождать магнитное поле, а изменение магнитного, в свою очередь, будет рождать электрическое поле.

Визуализацию магнитного поля мы можем видеть по стружке вокруг полюсов магнита. Электрическое поле возникает вокруг тел, обладающих зарядом, его действие мы можем видеть на примере с надувным шариком, натертым шерстяной тканью и бумажками.

Вектор напряженности электрического поля E и вектор магнитной индукции B перпендикулярны по отношению к друг другу и распространяются в пространстве во взаимоперпендикулярных плоскостях.

[картинка векторов]

Скорость распространения электромагнитного поля совпадает со скоростью электрического тока и равна скорости света, а именно 300 тыс. км в секунду. Эта величина важна при расчетах, запомните ее. Стоит также отметить, что частота электромагнитной волны всегда совпадает с частотой электрического тока, который создал эту волну.

Переменное электромагнитное поле, возникающее вокруг антенны, распространяется во все стороны от нее, но при этом имеет разную величину напряженности и индукции в различных точках вокруг антенны. Величина эта зависит от расположения антенны и ее конструктивных особенностей, но об этом позднее. Скажу также что величина напряженности и индукции уменьшается по мере удаления от антенны и зависит от степени поглощения энергии электромагнитных волн окружающим пространством. Уменьшение интенсивности излучения сигнала также зависит от расстояния. Эта зависимость — квадратичная, другими словами, с увеличением расстояния в два раза, уменьшение интенсивности излучения будет в 4 раза. 

Встречая на пути своего распространения проводники, электрическая составляющая поля будет двигать свободные заряды в проводнике подобно тому как электрическое поле двигает клочки бумаги. А магнитная составляющая будет наводить ток благодаря индукции. Частота переменного тока, который будет возникать в проводнике, будет совпадать с частотой электромагнитной волны и электрического тока в антенне, который создал эту волну.

Давайте проведем простой эксперимент для того чтобы доказать правильность этих утверждений…  [ показано в ролике]

две антенны

Продолжим. Наверное у вас не раз спрашивали, на сколько далеко можно залететь на вашей модели. Тот кто будет на подобные вопросы называть конкретные цифры, будет вводить в заблуждения себя и других. Дело в том, что на распространение радиоволн влияет много факторов, а именно: время суток, рельеф местности, растительность, водоемы, температура и влажность воздуха, осадки, наличие искусственных или природных преград, состав почвы, солнечная активность и пр. Различная комбинация факторов и одновременное использование различных частот будет вносить существенные коррективы. Ведь не для кого не секрет, что на современных моделях нередко используются по три-четыре различных частотных диапазона радиоволн. Раз уж затронули частоту, то давайте на ней остановимся подробнее. Ведь она определяет основные свойства распространения радиоволн.

[картинки из ролика]

На этом графике изображена волна в виде синусоиды. Горизонтальная ось графика — это ось времени, вертикальная — это напряжение. Частоту повторения полного цикла сигнала (по простому: волна вверх-вниз) принято измерять в Герцах. 1 раз в секунду означает 1 Герц. 10 раз — 10 Герц и т.д. Максимальное смещение от среднего значения называется амплитудой. Обычно она измеряется в Вольтах и говоря о мощности или силе сигнала мы подразумеваем именно амплитуду.

Если представить горизонтальную ось в виде линии пространства, то расстояние между двумя пиками будет периодом или длиной волны, которая имеет обратную зависимость от скорости распространения радиоволн. Эту зависимость можно выразить по формуле

λ = 300 / f

где λ — длина волны в метрах, а f – частота волны в мегагерцах. Обратная формула будет выглядеть так:

f = 300 / λ

Распространение радиоволн

Радиоволны по разному распространяются в различных средах, нас в первую очередь интересует распространение в атмосфере Земли. Здесь на практике используются частоты от 30 кГц и заканчивая 3000 ГГц. Все что ниже — звуковой диапазон, все что выше — видимое излучение.

В практике моделистов используются различные участки диапазона начиная от 27 МГц и заканчивая 6 ГГц.

Волны различных диапазонов имеют различные свойства распространения, отражения и поглощения. Прежде чем перейти к описанию свойств конкретных диапазонов, хочу упомянуть о ряде явлений — рефракции, интерференции и дифракции.

Рефракция — это способность радиоволн отражаться от препятствий значительно превышающих по габаритам длину волны. Радиоволны в не зависимости от частоты хорошо отражаются от металлических поверхностей. Посредственно — от железобетонных зданий. Отражение от водной глади связано с частотой и с ростом частоты вода все сильнее поглощает радиоволны.

Интерференция — это способность радиоволны накладываются благодаря многократному отражению от препятствий. Бывает что сигнал полностью совпадает по фазам, тогда сигнал многократно усиливается, а бывает и полное несовпадение — тогда уровень сигнала может упасть до нуля. Сдвигом фазы называется разность перехода через 0 двух волн одинаковой частоты.

Дифракция — способность радиоволн огибать препятствия по габаритам, не превышающие половину длины волны.

Теперь пройдемся по модельным диапазонам. Будем говорить об участках, которые используются на территории стран бывшего Советского Союза. Я не буду в этом ролике говорить о допустимых мощностях, разрешениях и лицензиях — в каждой стране свои заморочки с этим. Начнем с самого низкочастотного диапазона и будем идти в направлении повышении рабочей частоты.

Диапазон СИ-БИ (citizen band), он же диапазон гражданской связи 27 МГц. Для моделей выделено часть диапазона, а именно 27.12 МГц +/- 0.5% и участок 28,0…28.2МГц. В нынешнее время используется редко, в основном для недорогих аппаратур управления. Можно было бы и не уделять ему внимания, но в описании этого диапазона я расскажу базовые вещи, так что не проматывайте.

Этот диапазон относится к верхней частотной границе коротких волн. Стоит отметить что границы диапазонов весьма расплывчаты. Поэтому диапазон СИ-БИ обладает свойствами распространения коротких и ультракоротких волн (далее КВ и УКВ). СИ-БИ волны распространяются в зоне прямой видимости, как УКВ, но при определенных условиях могут отражаться от ионосферы как КВ, хотя этот факт мало применим к моделизму, Т.к. способность КВ к отражению от ионосферы — явление не стабильное, и зависит от многих факторов.

Зона прямой видимости в атмосфере всегда ограничивается земной поверхностью, которая имеет изогнутость. Прямую видимость, можно рассчитать по формуле:

D = K (√H + √h)

Где K = 3.57 , D — максимальная дальность прямой видимости, км, H — высота полета модели в м, h — высота на которой находиться пилот, в метрах. Рельеф при этом не учитывается.

Волны СИ-БИ диапазона имеют свойства дифракции, поэтому зона приема в этом диапазоне не ограничивается зоной прямой видимости, она немного больше. Коэффициент К для зоны распространения волн СИ-БИ равен 4,11.

Не беря во внимание поглощение окружающей средой энергии электромагнитных волн, можно сказать что диапазон СИ-БИ требует наибольших затрат энергии, чтобы создать определенную напряженность поля на определенном расстоянии от антенны, в сравнении с другими диапазонами, применяемыми в моделизме, и имеющими более высокую частоту. Здесь и далее, я буду сравнивать только те диапазоны, которые применяются моделистами, если не указано иное.

Простой пример для аналогии. Волны на водной поверхности. Большие волны имеют малую частоту и возникают только при сильном ветре. А для возникновения маленьких волн, более высокой частоты, нужен лишь небольшой ветерок.

СИ-БИ имеет наименьшее поглощение окружающей средой. С ростом частоты Земля и атмосфера все сильнее поглощает энергию волн.

СИ-БИ волны лучше других огибают препятствия. Чем выше частота, тем хуже радиоволна огибает препятствие. Опять же, сравнивая с волнами на поверхности воды можно представить себе маленький камушек на поверхности водной глади. Маленькая волна (большая частота) будет разрезаться этим камушком, а большая волна (малая частота) проглотит его не заметив.

С ростом частоты увеличивается кол-во рабочих каналов. Связанно с тем, что чем выше частота, тем шире диапазон. Т.е. диапазон СИ-БИ имеет ширину прибл. 1 МГц, а например диапазлон WiFi — около 100 МГц. Стоит отметить об одной особенности. Для передачи сигнала управления моделью достаточно полосы, которая обычно выделяется для средств голосовой связи, а именно 10 кГц. Для аналогового радиомодема — 10 — 100 кГц. А для передачи видеосигнала обычно нужно не менее 6 МГц, поэтому передача видеосигнала на СИ-БИ диапазоне не возможна, т. к. в несколько раз превышает сам диапазон.

Этот диапазон сильнее подвержен индустриальным помехам. Также СИ-БИ волны хорошо распространяются над поверхностью водоемов.

Учитывая что длина волны для СИ-БИ равна 11 м, то полволны будет 5.5 м. Как уже говорили, дифракция характерна для препятствия не более полволны. Поэтому СИ-БИ волны хорошо работают в лесной местности. А вот рефракция (отражение) в городских условиях для этого диапазона слабо выражена, т. к. мало объектов, которые значительно больше длины волны. Но при этом проходимость сквозь диэлектрики (таких как стекло) волн СИ-БИ происходит почти без потерь. Стоит отметить что при этом происходит искривление траектории волны — по аналогии с оптикой.

Этот диапазон требует просто огромных антенн по модельным меркам. Поэтому на моделях размещаются укороченные антенны и говорить об их эффективности не приходится. Также не способствует популярности занятость этого диапазона средствами связи. Частенько на этой частоте связываются таксисты, дальнобойщики, службы спасения и просто радиолюбители. Третий фактор не способствующий популярности этого диапазона относится к оптике. О нем нужно рассказать подробнее.

Фактор этот называется зоной Френеля. Этот французский ученый экспериментировал с оптикой, а оказалось, что его открытие имеет отношение и к радиоволнам. Здесь нет ничего удивительного, ведь видимый свет и радиоволна — это колебания, просто разной частоты. Суть открытия сводится к тому что между приемником (далее Rx) и передатчиком (далее Tx) существуют зона, по форме напоминающая эллипсоид. Если в зоне эллипсоида (назовем его колбаской), так вот, если в зоне этой сардельки находятся препятствия, то они имеют влияние на затухание сигнала. Обычно препятствия, занимающие не более 20% поперечного разреза сардельки не сильно влияют на затухание, поэтому ими можно пренебречь. А вот те, что занимают свыше 20% — оказывают ощутимое влияние. Специфика моделизма в том что практически всегда преграды в зоне Френеля находятся в нижней половине эллипсоида. Для понимания масштабов влияния преград в этой зоне я скажу, что для СИ-БИ диапазона при расстоянии между антеннами в 1 км, максимальный радиус сардельки будет около 50 м. На 5 км — 120м. И влияние будет тем больше, чем ниже будут антенны. Связано это с тем, что в эту зону будет попадать приличный кусок земли.

Зона френеля

Чтобы рассчитать нашу сардельку нужно воспользоваться формулой:

r = 17,32 (d/4f)

где r — max радиус зоны в м, d — расстояние между антеннами в км, f — частота в ГГц

Эффект зоны Френеля сильно влияет на автомодели. Радиус уверенного управления автомоделями заметно меньше дальности прямой видимости. К слову, для автомоделей аппаратура на 27 МГц еще встречается в нынешнее время, хотя все реже. Этот же эффект заметен и при пилотировании авиамоделей на низкой высоте. Вы можете лететь в зоне прямой видимости, но чем ниже будет опускаться модель, тем слабее будет сигнал, и этот эффект будет только увеличиваться с ростом расстояния между антеннами. Это связано с тем, что наша сарделька с увеличением расстояния становится толще, и с тем, что с увеличением расстояния полета, уменьшается угол над горизонтом, при одной и той же высоте полета. В общем чем дальше и ниже — тем больше риск потерять модель.

С ростом частоты, влияние зоны Френеля уменьшается. Т.к. уменьшается зона и уменьшается вероятность попадания препятствий в нее.

В идеале пилот должен находится на приличной возвышенности, рельеф должен быть плоским, без растительности. Но так бывает крайне редко.

УКВ диапазон (LB — Low band). Метровой участок, т. е. волны длиной от 10 до 1 м. Сюда можно отнести диапазоны 35 и 40 МГц, а также 72 МГц, хотя аппаратура на 72 МГц значительно реже попадается. В основном — это купленные на площадках типа e-bay б/у американские аппаратуры (75 МГц идет для нелетающих моделей — машин, лодок и т.д.). Изредка можно встретить 53 и 60 МГц, они тоже «заморские», но встречаются они крайне редко.

Антенны этого диапазона с оптимальными х-ками все такие же монструозные. И опять приходятся пользоваться огрызками, с паршивыми характеристиками. Хотя для 72 МГц (длина волны 4м) вполне реально разместить полуволновой диполь на модели с размахом крыльев 2м. О диполях и других конструкциях антенн будет рассказано позже.

Волны УКВ диапазона простреливают атмосферу и уходят в космос. Это способность УКВ волн более слабо выражена на метровом участке, и почти не заметна на 35-40МГц, т. к. нижний участок находятся близко к верхней границе КВ (30 МГц). И при высокой солнечной активности волны нижнего участка УКВ могут отражаться от ионосферы. Хотя, опять же, этот факт мало пригоден для моделизма.

На 35-40МГц могут работать такси и службы экстренного вызова, а 72 мгц относится к участку от 65 МГц до 74 МГц , в котором вещали советские FM станции. В метровом участке также начинается вещание телевизионных каналов (начиная с 50 МГц).

УКВ волны распространяются только в зоне прямой видимости, поэтому при расчетах дальности, зона полутени не учитывается и коэффициент К = 3.57.

В сравнении с СИ-БИ явление дифракции менее выражено, а рефракции — наоборот, более выражено. Хотя большинство особенностей СИ-БИ диапазона подходит под описание модельного УКВ диапазона. Поглощение землей УКВ не настолько явное, чтобы оно оказывало существенного влияние при эксплуатации аппаратур управления этого диапазона.

Диапазон LPD433 (Low Power Device). Относится к УКВ, к участку дециметровых волн, а точнее к участку UHF . В модельных целях в разных странах используются разные куски на участке от 400 до 470 МГц. Чаще всего 430-450 МГц. Этот диапазон используется многими службами и просто любителями для средств связи, такие как рации. На участке от 453 до 469 работает CMDA связь (прежде NMT).

Волны этого диапазона хорошо распространяются в пределах прямой видимости, при относительно небольшой мощности. Еще Гюнтер Миль, автор книг по РУ, в 70х годах прошлого века говорил о том что этот диапазон оптимален для управления, но технические решения того времени не позволяли выпуск модельных аппаратур для этого диапазона. В пользу этого диапазона говорит его относительная помехозащищенность. Стоит отметить и тот факт, длина волны около 70 см, что позволяет вертикальное размещение антенн на модели, а габариты полуволнового диполя (35 см) будут вполне подходящими для моделей средних размеров. Использование полноценных антенн на стороне пилота, тоже не вызывает дискомфорта. Поглощение атмосферой не сильно выраженное. Зона Френеля имеет относительно малый диаметр, в сравнении с волнами метрового диапазона.

Волны LPD433 хорошо распространяются в городской застройке, так как имеют явно выраженную рефракцию, то есть способность отражаться от ЖБ зданий, но способность огибать препятствия очень слабо выражена. Поэтому вот в лесу этот диапазон себя ведет гораздо хуже чем СИ-БИ.

И хоть в этом диапазоне много свободных участков, в разных городах по разному складывается с занятостью диапазона.

Диапазон 900MHz. Этот участок большей частью относится к ДМВ, хотя уже заглядывает к микроволнам. Микроволны охватывают участок от 1 и до 40 ГГц. Мы затронем только L, S и С диапазоны.

L-диапазон: 1…2 ГГц

S-диапазон: 2….4 ГГц

C-диапазон: 4…6 ГГц

Забегая немного вперед, скажу что микроволны можно концентрировать в узконаправленный луч. Поэтому микроволны часто применяют для радиорелеек. Но возвращаясь к диапазону 900 МГц, отмечу что он переходной и обладает в большей степени свойствами ДМВ, чем микроволн.

В модельной практике диапазон 900 МГц используется в основном для видеопередатчиков, радиомодемов и некоторых аппаратур (точнее ВЧ модулей для аппаратур управления). Границы модельного диапазоны весьма условны, сюда можно отнести все что выше дециметровых волн ТВ вещания и ниже диапазона 1.2ГГц. Т.е. от 860 и до 1100 МГц. На участках от 869 до 915 МГц и от 925 до 960МГц работают мобильные сети стандартов CMDA и GSM900. Они же существенно влияют на работу модельных устройств находящихся в зоне действия вышек или абонентских устройств в режиме передачи.

Длина волны около 30 см.

Начиная с этого диапазона и заканчивая диапазоном 5.8 радиоволны поглощаются окружающим пространством все более интенсивно. Здесь уже нельзя сказать что волны распространяются в пределах прямой видимости, хотя это еще и УКВ диапазон. С ростом частоты зона распространения сигнала сильно уменьшается.

Диапазон 1.2 ГГц. Находится в непосредственной близости с диапазоном 900 МГц и плавно перетекает из него. Разделение этих двух диапазонов весьма условно. Диапазон 1.2 занимает полосу от 1080 до 1280 МГц. Длина волны несколько меньше — 25 см. Некоторые антенны 900 МГц и 1.2 ГГц имеют довольно внушительные габариты, из-за этого их неудобно использовать на мелких моделях. Поэтому эти диапазоны чаще используются на сравнительно больших моделях, для которых дальность работы в приоритете. В тоже время, простейшие антенны 1.2 — вполне удобны. Из всех диапазонов, используемых для передачи видео, 900 МГц и 1.2 ГГц-диапазоны имеют лучшие условия распространения, но наиболее прожорливы в плане используемой мощности.

Видеопередатчики диапазона 1.2 в большей степени склонны забивать своим излучением близкорасположенные GPS приемники, чем остальные передатчики иных диапазонов. Это связанно с тем что навигационные спутники передают сигналы, которые частично затрагивают диапазон 1.2, а чувствительность некоторых GPS-приемников достаточно высока, -165 дБм и более

Для понимания перечислю рабочие частоты навигационных спутников.

Частоты навигационных систем:

GPS: 1176 МГц (L5), 1227 МГц (L2), 1381 МГц (L3), и 1575 МГц (L1).

ГЛОНАСС: 1602 МГц (L1), 1246 МГц (L2), 1202 МГц (L3)

Галилео (в разработке): 1164–1214 МГц и 1563–1591 МГц

Диапазон 2.4 ГГц ISM. Так называемый свободный ISM диапазон (англ. Industrial, Scientific, Medical: индустриальный, научный и медицинский диапазон) занимает полосу частот от 2400 до 2483,5 МГц. Диапазон используют многие популярные системы, такие как Wifi, DECT, Bluetooth и др. СВЧ-печи используют частоту 2495 или 2450 МГц — резонансную частоту поглощения радиоволн водой.

Длина волны составляет 12 см

Моделистами он используется для управления, передачи видео, передачи телеметрических данных через радиомодемы, ретрансляции сигнала и пр.

При использовании технологий расширения спектра (об этом позже) особых проблем с одновременной работой многих устройств обычно не бывает. Но для аналоговых систем передачи данных, например для систем передачи видеосигнала, в городской среде на диапазоне 2.4 крайне тяжело — очень много помех. В тоже время вне городской черты обычно диапазон свободный.

Если не брать во внимание занятость диапазона, и если сравнивать различные диапазоны передачи видеосигнала, то диапазон 2.4 занимает среднее положение по параметрам энергоэффективности, дальнобойности и затухания.

Также немаловажен тот факт, что для 2.4 ГГц существует много готовых антенн, от других устройств, например для дальних полетов можно использовать параболические антенны для приема спутникового ТВ-сигнала. Много WiFi антенн для различных типов. И среди них бывают попадаются вполне неплохие экземпляры.

Диапазон 3.3 ГГц. Новый диапазон, практически свободный, занимает промежуточное по свойствам значение между 2.4 и 5.8 ГГц. Более конкретно о нем можно будет сказать, когда появится достаточно кол-во оборудования работающего на нем. На этом участке возможна работа РЛС

Диапазон 5.8 ГГц. В этом диапазоне начиная от 5150 и вплоть до 5925 может работать оборудование стандарта 802.11. Моделсты используют 5725 до 5945. Т.е. почти весь диапазон может перекрываться. Абонентское оборудование 5.8 не распространено, хоть и считается ISM-диапазоном. Чаще всего используется для радиорелеек. А моделистами — для передачи видео.

Длина волны 5 см. Этот участок относится к сантиметровым волнам (свыше 3000 МГц). Самый экономный диапазон по затрачиваемой мощности, но при этом имеет худшие условия распространения — степень поглощаемости волн окружающим пространством наибольшая. Сильно подвержен атмосферным явлениям и влажности воздуха. Мелкий дождь, туманы, низкие облака сильно поглощают волны этого диапазона или вызывают излом траектории. Имеет очень плохую проникающую способность. Не редкость когда незначительные преграды в виде не густой листвы на одиноком деревце становятся непреодолимой преградой на пути сигнала. Имеет большое число каналов, относительно незанятый диапазон, еcли не считать радиорелейки. Для 5.8 ГГц используются самые маленькие антенны (но при этом их тяжелее всего настраивать). Этот диапазон имеет низкий уровень помех.

Сигналы и их представление

Напоследок перед тем как перейти к антеннам нужно немного затронуть сигналы, гармоники, модуляцию и спектр.

Посредством радиоволн мы передаем сигналы, они бывают разными, но попросту их можно разделить на две группы: гармонические и негармонические. Гармонические — это сигналы, форма которых представляет из себя синусоиду. Все остальные — негармонические. Например, меандр (прямоугольный сигнал), пилобразный и т. д. Любой негармонический сигнал можно представить суммой гармонических, т. е. синосуиадальных сигналов, которые будут называться гармониками. Их число обычно стремится к бесконечности, но среди них часто можно выделить несколько гармоник с наибольшой амплитудой. Если период гармоники совпадает с периодом негармонического сигнала, ее называют первой. А все остальные гармоники, которые имеют частоту в N раз больше, называют N-ыми гармониками. Например, 2-ая гармоника имеет в 2-а раза большую частоту чем основной сигнал, 5-ая гармоника — в 5 раз большую частоту.

негармон

Совокупность гармоник называют спектром и представляют в виде графика. Спектры бывают амплитудными и фазовыми. Спектр радиосигнала отображает какую полосу частот он занимает в диапазоне и напрямую зависит от модуляции.

Еще до открытия возможности модуляции сигнала немецкий ученый Генрих Герц — один из первооткрывателей радиоволн — на вопрос о целесообразности использования его открытия в практических целях, для передачи звукового сигнала, отвечал скептически. Он говорил, что для этого нужны излучатели размахом с материк. Первые опыты по передаче звукового сигнала с помощью модуляции были проведены несколько десятилетий спустя после открытия радиоволн. Это позволило используя относительно небольшие антенны и относительно небольшие мощности передавать звуковой сигнал на большие расстояния. Но не только этот вопрос решает модуляция — она также позволяет использовать радиоэфир многим устройствам одновременно — достаточно использовать различные частоты. Таким образом хоть и электромагнитное поле вокруг вас одно и то же, но ваши устройства (модемы, аппаратуры управления, системы передачи видео, навигационные приемники и пр.) работают на разных частотах, передавая совершенно разную по характеру информацию, не мешая друг другу. В большей степени модуляция используется именно для этого.

Как выйти из положения? Для этого используют передачу сигнала через радиоволну более высокой частоты, например 27 МГц — рабочая частота многих простых радиоуправляемых игрушек. Каким образом это делают? Используют модуляцию — изменяют радиоволну по трем характеристикам: амплитуде, частоте и фазе (т. е. начальной точке координат) и на выходе имеют три разных типа волны. Волна с амплитудной модуляцией, с частотной и с фазовой.

Рассмотрим амплитудную модуляцию (АМ), она выглядит вот так:

АМ

Такой способ модуляции до сих пор используется, хоть он больше всего подвержен помехам. Т.к. они просто вклиниваются в сигнал. Например, гроза, электродуговая сварка, или просто искра в выключателе или искра в двигателе внутреннего сгорания имеет короткий импульс, который накладывается на основной сигнал.

Амплитудная модуляция тонального сигнала имеет следующий спектр.

ам_тон_спектр

Если модулируемый сигнал будет звуковым сигналом (напр. аудиоканал видеопередатчика) или другим сложным негаромоничным сигналом, например сигналом пропорциональной системы управления, то спектр будет выглядеть вот так вот.

ам_спектр

При этом у нас будут также и побочные гармоники. Зачастую они только мешают. И накладываются при близком по частоте расположении двух и более источников сигнала. Шаг между каналами аппаратур управления обычно 10 кГц. И частенько модели теряли управление в том числе из-за побочных гармоник.

Амплитудная модуляция крайне не выгодна. На передачу модулируемого сигнала тратится всего 5% мощности, остальное — это затраты на несущую частоту. Во-вторых, особенностью АМ-сигнала является то, что он передает ненужную информацию в зеркальном отображении. Одна половина просто срезается при демодулировании сигнала. Ну и, в-третьих, подверженность помехам привела к тому, что АМ почти не применяется моделистами, ее можно встретить только на дешевых игрушках, а также изредка на некоторых на авто и судомоделях.

В большинстве случаев в устройствах используемых моделистами используется частотная модуляция (ЧМ, англ. FM — frequency modulation) выглядит вот так:

частотная модуляция

А для некоторых цифровых устройств используется также фазовая модуляция (ФМ, англ. PM — phase modulation) или модуляция фазового сдвига, ее график следующий:

фм

Использование частотной и фазовой модуляций дало возможность уменьшить влияния помех. Но при этом даже простой гармоничный синусоидальный сигнал при ЧМ дает в спектре несколько гармоник — это увеличивает занимаемую полосу сигнала.

спектр_чм

Все дело в том что сам по себе ЧМ сигнал уже представляет из себя негармоничное колебание. С более сложными модулируемыми сигналами спектр еще шире, а гармоник еще больше.

Также уход от амплитудной модуляции не избавил от проблемы занятости канала. Ведь частотных каналов не так много и в каждом диапазоне место ограничено. И если ваше устройство и еще какое-нибудь будут работать на одной частоте, то очевидно что они будут мешать друг другу. С целью предотвращения этого начали использовать методы расширения спектра псевдослучайной перестройки рабочей частоты (ППРЧ, англ. frequency-hopping spread spectrum, FHSS) и расширение спектра методом прямой последовательности (ПРС, англ. direct sequence spread spectrum, DSSS). Они по разному называются разными производителями, но суть их одна. Первый метод передает информацию по крупицам по большому количеству каналов, попеременно перескакивая между ними. Второй метод используется ограниченное кол-во каналов передавая информацию по ним параллельно. Оба метода цифровые и передают информацию по определенному алгоритму известному только приемнику и передатчику. При этом также алгоритм обеспечивает потерю информации, в случае, если один или несколько каналов будут заняты.

И тот и другой метод активно засирает диапазон. И если FHSS гадит по всему диапазону, но при этом обеспечивается одновременная работа очень многих цифровых устройств, то DSSS гадит на узком участке, оставляя свободным больший кусок диапазона. И понятно что при DSSS на одних и тех же каналах работа будет затруднена. Впрочем, это бывает редко.

На этом я первую часть закончу. Во второй будет изложение теории антенн. Третья часть будет уже практической. Будем пробовать самостоятельно изготавливать антенны, настраивать их и снимать их характеристики с помощью приборов.

Пишите комментарии, указывайте на неточности в изложении, если таковые есть, задавайте вопросы. Буду рад если видео помогло вам разобраться в этой непростой теме. 

Продолжение:

Антенны и радиоволны. Часть 2. Антенны

1 Комментарий

ВладимирАвгуст 19, 2016 at 12:00 пп

Отличная информация! Довольно популярно, что бы можно было понять. Хотя- это сложно! Спасибо! Жду дальнейших публикаций.

Оставте комментарий

Ваш комментарий

*