Электроника для моделистов. Антенны. Практика. Часть 3.1

Третья часть по антеннам. Пока еще текстовый набросок. Выкладываю для комментирования  Видео готово на половину. И ХЗ когда доделаю

Практика изготовления модельных антенн

Часть 3.1. Монополь и диполь

Приветствую. Ну вот мы и дошли до практической части. Я сильно затянул с выпуском продолжения . На то были свои причины. С одной стороны меня сдерживало то, что я хотел обзавестись несколькими новыми приборами для измерений.

DSC_0071

Чтобы мои опыты выглядели более наглядно и достоверно. С другой стороны я отошел от моделизма и уже несколько лет не летаю, соответственно мало практики с антеннами, и как следствие мало материала для практической части.

Во второй части я допустил ошибку в формуле КСВ. Об ошибке я указал в описании и аннотации. Напомню лишний раз и здесь. КСВ также равен R / Z, либо Z / R, т.е. соотношение активного сопротивления к импедансу. Ну а теперь уже точно про антенны. Буду наверстывать поэтапно. Так будет проще.

Монополь и Диполь — ваши первые антенны

Монополь или антенна Маркони была впервые предложена Гульельмо Маркони в 1895г.

267px-Guglielmo_Marconi

Это классическая антенна радиомоделизма. Их использовали начиная с самых первых релейных систем радиоуправления. К слову, первые летающие радиоуправляемые модели самолетов появились в конце 30х годов.

rasp1

    russlicense_free

radio_control_notes

rasp2

license_free

dipole_tx

465

К их созданию приложили руки энтузиасты радиосвязи. Среди них были братья Good, Joe Raspante, Clinton DeSoto, Ross Hull, Jim Walker и др. Среди первых антенн которые тогда использовались, можно было встретить обычный монополь, диполь Герца, петлевой вибратор, монополь с противовесами (антенна GP) и пр. вариации.

gp bill_good

MAN cover-15 (1) t-ant

ants_type v-ant

 

 

Так или иначе, постепенно пришли к тому, что на пультах управления достаточно использовать телескопический штырь.

multiplex_101

А на приемнике отрезок провода. И то, и другое является монополями. Но у монополя куча недостатков в плане использования на моделях, об этом я расскажу подробнее чуть позже. Подобные антенны использовались в системах управления вплоть до середины двухтысячных. Это только за последние полтора десятилетия все кардинально изменилось.

Монополь — это половинка диполя. При вертикальном расположении антенны срезается половина ДН. Получается, как бы, полусфера. Половинка яблока. При этом у нас получается довольно высокий КУ — около 5 дБи. Сопротивление такой антенны равно половине диполя, а именно 36 Ом. Если антенну с таким сопротивлением использовать в 50и омных ВЧ частях без согласования, то КСВ будет не идеален. А именно 50/36 = 1.4, что вполне приемлемо. К слову, о приемлемом значении. Многие считают приемлимым значение КСВ не более 2ух. Лично я считаю что для моделизма в большинстве случаев значение КСВ более полутора — уже перебор. Моделисты оперируют малыми мощностями, поэтому лишние децибелы всегда на счету.

Если вам интересно как высчитать импеданс монополя (да и диполя тоже). То это можно сделать по вот следующим формулам.

Монополь

Z = 60 ln 1.15 (L / D)

jX= j*Z*ctg (2πL / λ)

R=1600(Lw/ λ)2

Диполь

Z = 120 ln 0.575 (L / D)

jX= j*Z*ctg (2πL / λ)

R=800(Lw/ λ)2

где Lw=0.636 * L

Величины Z, jX и R вам уже знакомы, D – диаметр монополя или диполя, а L – его длина. При этом jX будет равно 0 если длина равна λ/2 или λ/4

Продолжим. Как я уже говорил. В идеале такая антенна что на передатчике, что на приемнике должна располагаться вертикально. Ведь нам необходимо всенаправленность и чтобы не было потерь из-за непараллельности поляризаций передающей и принимающей антенны. Учитывая габариты антенн, сделать это затруднительно. Передатчик неудобно держать вертикально. На некоторых пультах можно было встретить антенну с регулируемым углом. Но на моделях практически всегда (за редким исключением) антенны располагали горизонтально или под небольшим углом. Такое расположение антенн заставляло пилота становится так, чтобы антенны были параллельны. То есть, как вы поняли, горизонтальная поляризация очень неудобна.

Но это для летающих моделей. А вот например для радиуправляемых моделей яхт очень подходят мачты для того чтобы расположить антенны вертикально. Что касается автомоделей, хоть для них не так важна дальность, но компактность антенны приемника тут на первом месте: они часто переворачиваются. И в первую очередь страдает антенна.

Так сложилось, что и антенны передатчиков, и антенны приемников на диапазонах 35/40 и 72 МГц имеют длину около 1м. (На некоторых аппаратурах, например граупнер около 1.5м) Что может показаться не совсем корректно с точки зрения теории. Для американского стандарта 72 мгц антенна длиной 1м близка к одной четверти длины волны. А для европейских 35 и 40 МГц это около 1/8 длины волны. Четвертьволновая антенна является правильной длиной с точки зрения эффективности распространения волн вокруг пилота. Но и 1/8 вполне рабочая антенна. Как так получается?

Дело в том, что многие антенны способны резонировать на четных и нечетных гармониках. Не так эффективно как на основной частоте резонанса, да и с повышенным импедансом, но тем не менее резонируют. Во-вторых на передатчиках используется зачастую удлиняющая катушка. Позволяющая увеличить электрическую длину антенны.

Импеданс ВЧ модулей на указанных диапазонах по логике вещей должен соответствовать импедансу монополя. Т.е. на 72 МГц — 36 Ом. А на 35 МГц как для второй гармоники должно быть около 45 Ом. Но, как вы можете убедиться самостоятельно на практике, это не всегда так. Запитка такой антенны в передатчиках зачастую осуществлялась обычным проводком. Т.е. о согласовании с коаксиальным кабелем говорить не приходиться. А сами модули у разных производителей имели разброс по импедансу.

Лет двадцать назад особо никто этим вопросом не задавался. Работает — ну и ладно. За дальность связи особо никто не думал. Если работает на удалении 2х км — это вообще супер. А дальше модель уже вообще не видно. Но за последнее время авиамодели стали значительно сложней, в том числе и в отношении антенн и приемно-передающих модулей. Моделисты активно начали изучать пределы возможностей управления. А это последовало за собой оптимизацию антенн, переход на иные частоты и способы модуляции.

Каким образом можно расширить дальность действия аппаратур управления метрового диапазона? Первое — это откорректировать длину антенны приемника. На некоторых приемниках можно запользовать RSSI выход на FM-демодуляторе и увидеть воочию с помощью тестера или OSD уровень сигнала. Алгоритм действия прост. Припаиваем вместо штатной антенны провод в два раза большей длины и укорачиваем до достижения максимума сигнала. Также можно попытаться поиграться с длиной складной антенны передатчика. На практике результаты вас очень сильно удивят. На разных приемниках будет разная длина антенны и импеданс этих приемников будет отличаться. Импеданс можно вычислить с помощью онлайн калькуляторов, введя туда полученные данные. Если окажется что импеданс вашего приемника близок к 72 Омам, то можно попробовать использовать диполь, т. к. он имеет импеданс 72 Ома (не путаем с мегагерцами). Но как говорилось ранее, диполь актуален на больших моделях с размахом не менее 2х метров и на аппартурах с длиной волны , т. е. 72 МГц. На 35 и 40 МГц такие антенны будут слишком большими. Для этих частот на приемниках возможно использовать монополь оптимальной длины, ведь он в два раза короче. Длина подбирается опытным путем.

Возможно кто-то еще помнит компактные антенны для метрового диапазона. Скручивание антенны спиралькой в угоду компактности было попыткой решить вопрос компактности и размещения. По-сути, это были спиральные helix-антенны. Но уменьшенный радиус действия и меньшая эффективность не привели к широкому распространению этих антенн. Другими словами, в случае с метровым диапазоном гоняться за компактностью нет смысла, если дальность для вас на первом месте. Лучше делать полноразмерные антенны.

Заземление передатчика практически никак на скажется на радиусе действия. Т.к. приемник не заземлен, мощность излучения мала, и на этих, а также более высоких частотах, которые используются в моделизме, заземление передатчика не играет важного значения.

В моделизме используются антенны с искусственной землей. Зачастую это штыри — противовесы или пластины. Также эту роль могут выполнять массивные металлические корпуса устройств. Длина противовеса обычно в диапазоне от четверти до половины длины волны.

В случае с метровым диапазоном противовесом служит также сам пилот. И от того как он расположен на земле: стоит, сидит или лежит, изняются параметры излучения сигнала антенной. При этом, как уже говорилось, важную роль играет проводимость земли, рельеф и пр. Чем выше вы будете находиться, тем лучше. Ведь для волн метрового диапазона высота расположения антенн над землей играют существенную роль, поэтому для управления метрового диапазона вполне реально сделать антенну на мачте. Только будете ли вы это делать? Вот в чем вопрос. При этом важно знать импеданс передающего модуля, это определит тип антенны и ее согласование. Сделать замер импеданса самого передатчика, как я уже говорил, возможно все тем же косвенным способом — нахождением оптимальной длины антенны и вычислением на калькуляторе. Но тут можно напортачить с большим значением КСВ и есть риск перегреть передающий модуль. Действуйте аккуратно.

Из интересного. Для аппаратур управления метрового диапазона характерно использование единицы мкВ в описании чувствительности приемника. И она составляет не более 1-2 мкВ у лучших образцов. То есть в переводе около -100 дБм. Что фактически на уровне шумов на этом диапазоне. Для сравнения устройства с кодированием LoRa могут работать на заметно ниже уровня шумов с обладают чувствительностью -140 дБм и более.

Ссылка на таблицу с данными замеров чуйки у приеников метрового диапазона можно найти не страницы известного энтузиаста радиуправляемый моделей Томаса Шерерра https://www.webx.dk/rc/RX-measurements/komplet-listen.htm

Почему микровольты? Это просто традиции, которые перекочевали со времен всеобщего увлечения транзисторными приемниками. Микровольты проще измерить при наладке приемника. Т.е. воочию увидеть с чем имеешь дело. То ли дело непонятные децибеллы. Тем не менее, децибелами гораздо удобнее оперировать. И все остальные модельные устройства за редким исключениям в характеристиках имеют чувствительность в дБм.

Также из интересного, в старых анголоязычных книжках и переодике по моделизму можно встретить обозначение mc при указании частоты, что расшифровывается mega cycles или мегациклы, по сути мегагерцы.

Как бы там ни было, а метровый диапазон для управления моделями практически уходит в небытие. О недостатках я уже говорил. Это и забитый эфир, и зависимость от выбранной частоты, размеры антенны, которые предполагают только линейную горизонтальную поляризацию из-за неудобства расположения антенн на моделях. И самое важное: даже если все сделать правильно, то учитывая специфику распространения радиоволн метрового диапазона в воздухе, влияние зоны Френеля, необходимости в достаточно большой мощности излучения и низкой чувствительности приемников, то окажется что нет смысла тратить на это время. Сейчас 2019 год и очень мало моделистов используют системы управления метрового диапазона. Единственное преимущество у них — это то, что аналоговый сигнал теряется постепенно. Что позволяет, хоть и с трудностями, но все же зарулить обратно в зону уверенного действия. Если говорить о PCM модуляции на метровом диапазоне, то, не смотря на большую помехозащищенность, на мой взгляд, теряются все преимущества. Цифровые системы склонны отваливаться резко. А если говорить о современных системах, с более высокой рабочей частотой, то здесь уже имеются развитые системы контроля за уровнем сигнала, что частично решает проблему ухода из зоны уверенно управления моделью.

Повторюсь. Импеданс радиуправляемых устройств метрового диапазона определяется в индивидуальном порядке обратным методом. Определяем длину оптимальной антенны и подставляя длину вычисляем импеданс. Во всех остальных случаях, за редким исключением, в моделизме используются 50-омные устройства.

Давайте я попытаюсь вам наглядно это продемонстрировать. Но для начала немного о конструкциях и о материалах.

Конструктивно модельные монополи можно разделить на три условных типа: гибкие, жесткие и полужесткие. Гибкие из куска провода нужной длины характерны для метрового диапазона. А также могут использоваться например в радиомаяках. Такую антенну проще будет закрепить на модели или вынести за ее пределы, без риска повреждения. Провод должен иметь недубеющую на морозе изоляцию, он не должен иметь излишнюю склонность к спутыванию, а выбор диаметра тут будет связан с тем чтобы обеспечить прочность на разрыв и не быть сильно тяжелым. Провод около 0.5 мм в диаметре будет, на мой взгляд, оптимальным выбором для этих диапазонов. Жесткие монополи делаются из цельной медной жилы. Сюда же можно отнести складные телескопические антенны. Полужесткие — это гибкие, но в жесткой оболочке, которая держит форму, после приложенной деформации. Например неплохо подходят вот такие хоботки от технических аэрозолей.

Сейчас мы будем делать простую мягкую антенну для вот этого приемника ……

В целом, в чем суть манипуляций. Я прикидываю приблезительно сколько будет по длине провод соответвующий ¼ длины волны, отрезаю с запасом и подключаю к приемнику. Здесь у меня установлен разъем — т. к. на металке антенна была на крыле, а крыло снималось. Но в нашем случае это даже плюс. Можно обойтись без пайки и поперепробовать несколько вариантов. Далее включаю передатчик и распологаю его таким образом, чтобы антенна была вертикальна. Стоять он должен на некотором удалении, в несколько раз превышающего длину волны и так чтобы показатели уровня сигнала были на зашкалены. Т.е нет смысла искать оптимальную длину при 100% сигнале. Нужно отнести передатчик подальше. Крайне желательно эту процедуру проводить на открытом пространстве, чтобы исключить влияние окружающей среды. Далее нужно подвесить приемник на некоторой высоте над землей. Тут многие скажут, что есть такое понятие как высота расположения над землей, но мы связаны спецификой использования. Если авто и судомоделисты не могут поднять антенну выше, то авиамоделисты, наоборот вообще не привязаны к этому параметру. Наиболее достоверно будет, если приемник прикрепить к диэлектрику или привязать за ниточку например к дереву так, чтобы провод растянулся под своим весом в низ. В итоге у нас обе антенны будут паралелльны. Далее смотрим на показатель уровня RSSI и откусываем провод кусками до того момента пока показатель не достигнет пика, а потом начнет снижаться. Величину кусков определяем индивидуально. Так вот. Именно в случае с этим приемником оптимальная длина составила ___ см. Зная нашу частоту ____ МГц. Лезим в интеренет. Открываем любой онлайн калькулятор, например вот этот и вычисляем импеданс. Получаем ___ Ом. Теперь мы понимаем куда двигаться дальше.

Аппаратуры управления метрового диапазона — это не единственный случай использования монополей в моделизме. Часто используется антенна типа кусок провода на мелких видеопередатчиках, радиомаяках. Встречаются и вот такие монополи для управления на диапазоне 433 МГц.

Давайте попробуем настроить антеннку на маяке Тигромуха.

Так как обычный монополь имеет импеданс 36 ом, то, несмотря на простоту изготовления, он предполагает использование согласующих элементов. Это могут быть ВЧ-трансформаторы в виде нагрузочних катушек, отрезков антенного кабеля и пр. Но в модельной практике они редко используются.

Давайте попробуем сделать диполь, он чуточку сложнее. Тут еще может потребоваться паяльник, припой, флюс, кусочек фольгированного текстолита, резачок, огрызок антенного кабеля, ну и возможно SMA-разъем.

Будем делать антенну для диапазона 433 МГц. Потому что размеры не сильно большие и не сильно маленькие. Этот диапазон прощает неточность разметки элементов антенны и определенную небрежность в изготовлении.

Немаловажный вопрос. Где добыть медную проволоку для антенны и какой должен быть ее диаметр? Начну с конца: наиболее подходящий диаметр для данной антенны — около 2 мм. Из теории известно, что идеальная антенна — бесконечно тонкая антенна. Но на практике нужно балансировать между прочностью и весом. Поэтому 2 мм — оптимальный размер исходя из механической прочности и веса для данного диапазона. Т.е. антенна не должна менять свою геометрию в процессе эксплуатации. Напомню, четверть волны для 433 МГц будет равна около 17 см.

Чем выше диапазон, тем меньше размеры антенн, и тем меньше требуется диаметр проволоки. Про коэффициент укорочения и его зависимость от диаметра я уже говорил во второй части. Для большинства модельных антенн можно считать около 0,95. Также есть следующая зависимость: чем больше диаметр проводника, тем шире полоса пропускания. Это стоит учитывать, когда нужно сделать антенну которая должна хорошо работать по всему диапазону.

Где добыть проволоку? Можно взять с ненужного трансформатора, но лаковое покрытие усложняет пайку, хоть и защищает от окислений. Можно использовать зажигалку или механическую очистку с помощью ножа, наждачки и т. д. Удалять лак нужно удалять только с мест пайки. Второй вариант — покупка провода в ПВХ изоляции. Опять же, изоляцию нужно снять только с мест пайки. Либо одеть вместо нее термоусадочную трубку. Также можно использовать тонкие капилярные трубки, вместо проволоки. Они легче, можно использовать несколько больший диаметр.

Как вы помните из предыдущей части, медь склонна к окислению, полеты моделей нередко проходят в облаках, во влажной атмосфере, что способствует появлению окислов. Чем плохи окислы? Они — не самый лучший проводник для ВЧ токов. Так что избегайте окисления меди, покрывайте ее радиопрозрачным лаком, одевайте в термоусадочную трубку или не снимайте изоляцию, если есть такая возможность. Не рекомендуется использовать луженый провод — по причине того, что припой хуже проводит ВЧ ток. Можно использовать медный провод покрытый серебром, но он — редкость.

.Итак с материалом мы определились. Перейдем к изготовлению. Нам понадобится кусочек фольгированного стеклотекстолита размером с коробок. Обычно такие небольшие заготовки текстолита я режу рычажными ножницами по металлу. Вместо стеклотекстолита можно использовать другие материалы. Здесь мы этот кусок используем только для придания антенне прочности и удобства пайки. Но стоит учесть, что другие диэлектрики должны сохранять свои свойства во влажной среде, не разбухать и не впитывать влагу, а также не трескаться на морозе и не терять прочности при нагреве на солнце.

Также этот кусочек текстолита играет роль крепежного элемента. На этот кусочек можно будет наклеить липучку, двухсторонний скотч, привинтить винтиками, притянуть пластиковым хомутом либо приклеить намертво к модели.

Почему в действительности расчетные длины могут отличатся от того что есть в действительности? Ну, во-первых, влияет скорость распространения радиоволн и токов в том материале из которого сделана антенна. Во-вторых, редко удается исключить полностью индуктивную или емкостную составляющую из импеданса антенны. Емкостная составляющая приводит к тому что элементы антенны нужно немного укорачивать по сравнению с расчетной, а индуктивная составляющая приводит к тому что нужно наращивать длину элементов антенны.

 

 

Оставте комментарий

Ваш комментарий

*