28 марта 2005
В. Белкин. Радиоканал системы передачи извещений. Антенно-фидерный тракт.
АНТЕННО-ФИДЕРНЫИ ТРАКТ
В. Белкин
Алгоритм безопасности № 3, 2004
В первой части статьи (см. "АБ" № 2-04, или публикацию на Sec.Ru # 12085 ) была приведена формула, позволяющая оценить дальность радиосвязи с учетом рефракции при определенных уровнях подвеса приемной и передающей антенн. Формула является оценочной и не учитывает массу факторов, влияющих на дальность радиосвязи. Попробуем разобраться, что это за факторы и как они влияют на дальность и качество связи.
Произведем оценку мощности полезного сигнала, поступающего на вход приемника радиолинии. Обозначим мощность передатчика Pпер, a lпер - КПД передающего тракта АФУ. Тогда излучаемая мощность будет равна Рпер1пер. При использовании изотропной передающей антенны и среде распространения без потерь мощность, проходящая через единичную площадку, находящуюся на расстоянии R от передатчика, как это следует из закона сохранения энергии, равна излучаемой мощности, деленной на площадь поверхности сферы радиусом R. Тогда поток мощности через единичную площадку в точке приема равен
Р0 = Pneplnep /4πR2 .
Если передающая антенна имеет коэффициент усиления по мощности Gnep в направлении на приемник, то
Р0 = PneplnepGпер /4πR2 .
Усиление антенны - величина сравнительная. Она вводится из-за необходимости сравнения характеристик антенн. Обычно сравнение производится с идеальной изотропной антенной. Усиление антенны определяется в направлении главного лепестка диаграммы направленности, а величина PneplnepGпер называется эффективной излучаемой мощностью (ЭИМ).
Приемная антенна, в свою очередь, характеризуется эффективной площадью Sпр и перехватывает мощность, величина которой зависит от Sпр . Введем коэффициент L (L<=1), характеризующий потери полезного сигнала в тракте от передатчика до входа приемника. Тогда мощность полезного сигнала на входе приемника
Pc = P0Sпp = LPпepGпepSпp/(4πR2).
Определяющей с точки зрения качества приема является величина отношения мощности полезного сигнала Рс к спектральной плотности шумов N0 на входе приемника. Так как N0 = kT, где k = l,38*10-23 Вт/Гц* град - постоянная Больцмана, Т - шумовая температура приемной системы в градусах абсолютной шкалы, то
Pc/N0 = LPпepGпepSпp/(4πR2kT). (1)
Если полоса входного тракта приемника равна Δf, мощность шумов в данной полосе будет составлять Рш = N0Δf , и тогда
Pc/Pш = LPnepGnepSnp/(4πR2kTΔf ). (2)
Величину Pc/Pш называют отношением С/Ш (С/Ш). Для систем передачи цифровой информации существует некоторое пороговое значение этого параметра, при котором становится невозможным прием информации с заданным качеством. Поэтому, используя формулу (2), можно записать
(С/Ш)пор <= LPпepGпepSпp/(4πR2kTΔf ). (3)
где: L = lпер1атм1пр , lатм и lпр - коэффициенты, характеризующие потери из-за поглощения радиоволн в атмосфере и в АФТ на приемной стороне соответственно.
Это выражение является основополагающим, связывает основные параметры радиолинии и показывает, какие параметры и как влияют на качество приема. Бытует мнение, что лучшим усилителем является хорошая антенна. И это действительно так. Только с одной поправкой -хороший антенно-фидерный тракт. Эффективность антенны однозначно связана с ее геометрическими размерами, поэтому миниатюризация антенн, если на то нет веских причин, не приветствуется. Видов антенн существует большое количество от четвертьволновых (и менее) вибраторов до сложных антенных решеток. Последние представляют собой ряд вибраторов, соединенных фазосдвигающими элементами таким образом, что, если решетка работает на передачу, все вибраторы излучают синфазно, а если на прием, сигналы со всех вибраторов складываются в фазе, и на выходе решетки формируется "усиленный" в n раз сигнал. Поэтому антенные решетки характеризуются хорошей эффективностью (большая Sпp), но и значительной ценой.
В системах передачи извещений (СПИ) существует некоторая специфика, заключающаяся в том, что, во-первых, на центральных станциях (ЦС) устанавливаются в подавляющем большинстве "полновесные" базовые антенны, имеющие в горизонтальной плоскости круговую диаграмму направленности (ДН), а на объектах применяются антенны небольших размеров с круговой ДН, а также направленные. Остановимся сначала на базовых антеннах. Наиболее широкое распространение в качестве базовых получили антенны с вертикальной поляризацией типа "Ground Plane" или сокращенно - "GP". Антенна имеет штыревую конструкцию, состоящую из вертикального вибратора и ряда противовесов, расположенных под некоторым углом. Такая конструкция проста и удобна для установки и, в то же время, достаточно эффективна. Часто для увеличения эффективности используют коллинеарные антенны. Коллинеарные антенны состоят из нескольких вибраторов, соединенных последовательно между собой с помощью фазосдвигающих катушек, и представляют собой несколько колен высокопрочного фибергласа, защищающих элементы от атмосферных воздействий и ветровых нагрузок и соединяемых герметичными муфтами. Коэффициент усиления таких антенн зависит от количества вибраторов и может составлять до 10 дБ и выше.
При установке антенны нужно руководствоваться следующими общими рекомендациями:
- устанавливать антенну желательно как можно выше (вспомните первую часть статьи). Однако здесь есть некоторые нюансы, на которых остановимся ниже;
- расстояние от крыши до основания антенны должно составлять не менее нескольких длин волн;
- вблизи антенны не должно быть металлических предметов и конструкций таких, как другие антенны, металлические трубы, молниеотводы, провода и т.д.
ДН вертикально стоящего излучателя в вертикальной плоскости характеризуется малым углом вертикального излучения при условии, что антенна расположена над поверхностью земли с хорошей проводящей способностью (в случае антенн типа "Ground Plane" роль хорошо проводящей поверхности играют противовесы). В горизонтальной плоскости вертикальный штырь имеет круговую ДН. На рис. 1 представлены для примера ДН вертикальных штырей длиной соответственно 1/4х (слева) и 5/8х (справа), где х - длина волны. Для антенны четвертьволновый вертикальный штырь вертикальный угол раскрыва диаграммы направленности лежит между 10° и 55° и вертикальный угол максимума излучения составляет примерно 30°, для излучателя длиной 1/2х угол раскрыва лежит между 5° и 35° и угол максимума излучения составляет уже 17°, а для излучателя длиной 5/8х величины углов составляют 3°...27° и 12°. При дальнейшем увеличении длины штыря качество характеристик направленности начинает ухудшаться. Поскольку для связи с объектами используется плоская волна, распространяющаяся параллельно земной поверхности, становится ясным, почему наиболее часто для антенн вертикальной поляризации используются излучатели длиной 5/8х. На практике эффект "задирания" лепестков ДН в вертикальной плоскости происходит вследствие переотражения радиоволн от подстилающей поверхности (поверхности Земли, крыши и т.д.) и последующего векторного сложения с прямой волной. Здесь нужно отметить, что ДН в реальных условиях имеют изрезанный вид и могут иметь дополнительные лепестки. Форма ДН зависит от состояния подстилающей поверхности, точнее от ее электропроводности. В связи с этим при изменении погодных условий (прошел дождь, выпал снег, случилась засуха) в тех или иных пределах изменяется форма ДН. И, тем не менее, чем выше установлена антенна над подстилающей поверхностью, тем меньше сказывается эффект "задирания". Можно считать, что при установке антенны на высоте ~5 х этот эффект отсутствует. Поэтому УКВ антенны следует размещать выше окружающих ее предметов (здания, провода) на 2 ... Зх.
Рисунок 1
Эффект "задирания" лепестков ДН в вертикальной плоскости может привести к тому, что связь ЦС с близко расположенными объектами устанавливается плохого качества. Сигналы с объекта то принимаются, то не принимаются, даже если существует прямая видимость. Обратимся к рис.2. На нем условно изображены приемная антенна ЦС, антенна объектового передатчика и их диаграммы направленности. Из рисунка видно, что максимумы ДН в вертикальной плоскости разориентированы друг относительно друга (а наилучшие условия связи возникают тогда, когда максимумы ДН лежат на одной прямой). Основная часть энергии, излучаемая объектовой антенной, не попадает на базовую антенну, к тому же усилительные свойства базовой антенны в направлении на объект оставляют желать лучшего. Поэтому мощность полезного сигнала на выходе базовой антенны мала. А далее - будет связь или нет - зависит от того, насколько хорошо согласованы антенна с фидером, а фидер со входом приемника, каковы потери в кабеле, используемом в качестве фидера, какова чувствительность приемника и т.д. Таким образом, при выборе базовой антенны необходимо ознакомиться с ее ДН, которая обычно приводится производителем в паспорте на антенну. Предпочтительными антеннами считаются те, у которых направление максимума излучения в вертикальной плоскости проходит параллельно поверхности земли при прочих равных условиях.
Рисунок 2
Как было сказано выше, в горизонтальной плоскости вертикальный штырь в идеальном случае имеет круговую ДН. При установке на крыше на ДН оказывают влияние близко расположенные металлические (и не только) предметы, такие как трубы, другие антенны, молниеотводы и т.д. При этом в ДН в горизонтальной плоскости появляются "провалы" и ДН начинает носить изрезанный характер, как показано на рис. 3.
Рисунок 3
Изрезанность и провалы диаграммы обуславливаются интерференцией радиоволн, отраженных от окружающих антенну предметов. При этом провалы могут доходить до нуля, а это значит, что связь с объектами, расположенными в направлении провала либо плохая, либо вообще может отсутствовать, а в направлении нуля вообще невозможна, независимо от мощности передатчиков и эффективности антенн, установленных на объектах. Очень ориентировочно можно считать, что небольшие металлические предметы не будут оказывать значительного действия на ДН, если они будут находиться на расстоянии 10х от места установки антенны. Гораздо хуже обстоит дело с близлежащими чужими антеннами. В какой мере эти антенны будут мешать работе вашей ЦС будет зависеть оттого, насколько близка частота излучения чужой антенны рабочей частоте вашей системы, работают ли чужие антенны на прием и/или на передачу, какова подводимая мощность к чужой антенне. Как "выживать" в этой ситуации будет описано в следующей статье.
Борьба с провалами может осуществляться тремя способами: повышением мощности объектового передатчика, применением на объекте более эффективных антенн и установкой базовой антенны выше окружающих предметов. Первый способ не всегда приемлем, поскольку существует ограничение на разрешенную мощность передатчиков (обычно 2...5 Вт). Второй способ более приемлем. Применение на объекте полноразмерных эффективных антенн не всегда возможно, по крайне мере с точки зрения их габаритов, да и дороговато. А вот применение выносных и направленных антенн сравнительно небольших размеров вполне оправдано. Третий способ, заключающийся в установке базовой антенны выше окружающих предметов хотя бы на 2...Зх, является наиболее предпочтительным.
Для установки базовых антенн используются антенные мачты. Они могут быть изготовлены из стальных или алюминиевых труб, металлического профиля и т.д. Мачта крепится к подстилающей поверхности с помощью оттяжек. Чем больше высота мачты, тем больше ярусов оттяжек следует использовать для ее надежной фиксации. Ярусы оттяжек располагаются обычно через 3...5 м. Расстояние от вершины мачты до верхнего яруса оттяжек должно быть минимальным, допускаемым конструкцией мачты. Число оттяжек в каждом ярусе может быть от трех до четырех, важно равномерно разместить их по кругу. При установке высоких мачт нагрузки на оттяжки под действием ветра могут быть очень большими, поэтому необходимо тщательно выбирать материал оттяжек и способ их крепления, чтобы избежать падения мачты. Использование проволочных или на основе металлических тросов оттяжек может существенно влиять на характеристики антенны, если их размеры оказываются резонирующими на рабочих частотах. Для исключения влияния металлических оттяжек их необходимо разрывать изоляторами на отрезки длиной менее 0,2х. Применение оттяжек из прочного капронового шнура исключает влияние на характеристики антенны, но нужно позаботиться о том, чтобы шнур не перетерся или перерезался об острые кромки конструкций при раскачивании мачты. Узлы креплений капронового шнура необходимо страховать от сползания и развязывания путем их оплавления. К тому же при установке антенн необходимо позаботиться об их грозозащите и надежном заземлении с помощью хорошего заземляющего контура. Защита оборудования ЦС от внешних воздействий природного и техногенного характера представляет собой целый комплекс технических мероприятий, поэтому в рамках данной статьи останавливаться на этом вопросе не будем.
Теперь несколько слов об установке объектовых антенн. Основные принципы остаются теми же самыми, что и для базовых антенн. Для обеспечения связи, как отмечалось выше, предпочтительнее использовать выносные, в том числе направленные антенны. Самым большим минусом такого решения является возможность облома антенны злоумышленниками, поскольку последняя обычно находится вне зоны охраняемого объекта. Есть другое решение. Оно заключается в том, что антенна устанавливается вертикально прямо на корпус содержащего передатчик (или трансивер) приемно-контрольного прибора (ППК), который, в свою очередь, устанавливается в охраняемом помещении. Плюсы ясны - антенна находится в охраняемой зоне и простой монтаж. Минусы тоже - дальность связи мала, а часто связь вообще невозможна. Все зависит от того, из какого материала сделаны стены здания, содержат ли стены металлическую арматуру и/или сетку, есть ли окна, как окна сориентированы относительно направления на антенну ЦС, как установлен ПКП и т. д. При установке ПКП в этом случае нужно руководствоваться достаточно простыми рекомендациями. Антенна не должна располагаться рядом с токонесущими проводами, кабелями (вычислительных сетей, видео) и т.д., особенно проложенными в вертикальной плоскости. Электросеть и провода шлейфов во избежание сильных наводок на них, которые могут привести к ложным срабатываниям, к ПКП следует подводить горизонтально. Необходимо обратить внимание на то, чтобы близко от антенны не находились датчики или другие приборы. Сильное электромагнитное излучение может нарушить их функционирование и вызвать ложные тревоги. Если Вы все сделали правильно, а качество связи все же оставляет желать лучшего, попробуйте подвигать прибор в пределах зоны, имеющей радиус хотя бы в четверть длины волны. Возможно, Вы сможете улучшить качество приема.
Большое влияние на коэффициент полезного действия АФТ оказывают потери в кабельных линиях. Это те самые потери, характеризующиеся коэффициентами l пер и l пр , которые входят в формулу (3). При применении плохого с точки зрения потерь кабеля Вы можете свести на нет выигрыш от использования дорогой и высокоэффективной антенны. Современный кабель средней жесткости состоит из центрального медного проводника, окруженного слоем диэлектрика, внешняя поверхность которого покрыта медной оплеткой, являющейся одновременно и вторым проводником и экраном, и оболочкой из пластика, защищающей кабель от воздействия окружающей среды. Выпускаются также кабели с двойным экраном. В большинстве типов кабеля в качестве диэлектрика используется полиэтилен, а в качестве внешней оболочки - поливинилхлорид.
В таблице 1 приведены типы кабелей, выпускаемых как российскими, так и зарубежными производителями, и их основные характеристики.
Таблица 1
Как видно из таблицы, для разных типов кабелей величина затухания может существенно различаться, при этом наблюдается общая тенденция: чем меньше потери, тем больше диаметр кабеля. Конечно, потери зависят от конструкций и материалов центральной жилы, диэлектрика, оплетки, но тенденция сохраняется. При этом с увеличением рабочей частоты потери быстро возрастают. Например, на частотах 400 МГц величина потерь для кабеля RG-58 ориентировочно составляет 30...36 дБ, что, в общем, с точки зрения работоспособности АФТ недопустимо. Таким образом, если необходимая длина фидера составляет 50 м и используется кабель RG-58, величина вносимого затухания на рабочей частоте 100 МГц будет 8 дБ. Это много. Например, коэффициент усиления хорошей коллинеарной антенны лежит в пределах 7...10 дБ. Комментарии не требуются.
При прокладке кабеля тоже существуют некоторые нюансы. Кабель обладает обычно достаточной гибкостью, однако его перегибы под острыми углами (при радиусе кривизны изгиба менее 15-кратного радиуса кабеля) способны приводить, с течением времени, к усталостным изменениям центральной жилы, ее постепенному проникновению через слой диэлектрика и короткому замыканию с оплеткой. Не рекомендуется свободное подвешивание больших участков кабеля, провисающего под собственным весом. Мелкие повреждения поверхности внешней защитной оболочки приводят к капиллярному прониканию влаги внутрь кабеля и к потере его электрических характеристик Поэтому важным компонентом кабеля является материал его оболочки. Оболочка большинства моделей кабеля изготовлена из черного поливинилхлорида, обеспечивает срок службы кабеля 5 лет и маркируется Class 1. Более дорогой материал, также относящийся к ПВХ, обеспечивает долговечность не менее 10-15 лет, защиту от ультрафиолетового излучения и маркируется Class НА. Маркировка оболочки Class IX означает высокую устойчивость к воздействию окружающей среды, химическую инертность и термостойкость до 200 градусов (материал оболочки - разновидность тефлона). В качестве диэлектрика в различных моделях кабеля используется пенополиэтилен (Foamed РЕ) или вспененный полиэтилен (Air РЕ), обеспечивающий улучшенную влагозащищенность.
Наиболее слабым местом кабеля, подверженного воздействию влаги, являются его концы или точки соединения, в том числе разъемы. Капиллярное проникание влаги приводит к окислению и постепенному разрушению оплетки и центральной жилы. Для герметизации стыков кабеля могут использоваться как специальные герметики (например Coax Seal), так и обычный пластилин. Существуют также влагозащищенные (но не водостойкие) коаксиальные разъемы UG-21/U, которые могут быть использованы вместо популярных, но не защищенных от влаги разъемов PL-259 и SO-239.
Немаловажным вопросом при установке АФТ является согласование волновых сопротивлений антенны, фидера и выхода передатчика или входа приемника. Условием передачи максимальной мощности (неважно в каком направлении - от антенны к приемнику или от передатчика в антенну) является согласование вышеозначенных волновых сопротивлений. Рассмотрим ситуацию, когда волновые сопротивления выхода передатчика и фидера (кабеля) равны, то есть согласованы, а волновые сопротивления антенны и фидера не равны. В этом случае часть энергии отражается от конца кабеля, присоединенного к антенне, и движется в обратном направлении. В УКВ диапазоне, где потери в фидере составляют значительную величину, можно считать, что отраженная часть энергии практически полностью теряется. На практике качество согласования определяется с помощь коэффициента стоячей волны (КСВ):
KCB = (1 + (Pотр/Pпад)0,5)/(1 - (Pотр/Pпад)0,5),
где Ротр и Рпад - соответственно мощность прямой и отраженной волн.
При этом величину потерь за счет плохого согласования можно выразить следующим образом:
lотр(%) = (KCB – 1)2/(KCB + 1)2 * 100.
Величина lотр входит в состав коэффициентов lпер и lпр формулы (3). В таблице 2 приведены значения относительной мощности излучения в зависимости от КСВ, рассчитанные по приведенной формуле.
Таблица 2
Из таблицы видно, что даже при КСВ = 3, потери из-за отражения достигают всего 25%, а при КСВ=1,5 - 4%. Поэтому приемлемым можно считать КСВ, равный 1,5, от силы - 2,0. И дело здесь не в потере 11% мощности, а в рассогласовании АФТ с выходом передатчика, которое оказывает существенное влияние на режим работы последнего вплоть до выхода передатчика из строя. Вот почему тщательная настройка АФТ и контроль его состояния является обязательным. Так же необходимо отметить, что паяные соединения отрезков кабеля обладают измененным волновым сопротивлением и являются источником отраженных волн. Поэтому разъемные соединения являются предпочтительными.
Контроль согласования обычно производится с помощью измерителей КСВ. Простейшие измерители КСВ представляют собой компактный одношкальный прибор со стрелочным индикатором. Абсолютная точность измерений подобных изделий довольно низка (погрешность не менее 15-25 %), однако, ее вполне достаточно для настройки антенны, обеспечивающей минимальный уровень КСВ.
В режиме приема существенную роль начинают играть шумовые свойства АФТ. Шумы АФТ складываются из шумов антенны и шумов фидера. Наличие потерь в фидере говорит о том, что фидер имеет активное сопротивление, которое шумит, как и всякое активное сопротивление, и тем самым вносит дополнительный шум в шумы антенны. Шумы антенны складываются из шумов сопротивления потерь самой антенны, а также всех шумов, принимаемых антенной от внешних источников. Шумы сопротивления потерь антенны обычно малы, и ими пренебрегают. Поэтому внешние шумы, перехватываемые антенной, обычно характеризуют шумовой температурой ТА. Если, например, шумовая температура антенны равна 200° К, это значит, что антенна генерирует такие же шумы, какие генерировало бы активное сопротивление, нагретое до температуры 200° К. При использовании фидера с малыми потерями можно приближенно считать ТA = Т (см. формулу (3)). Таким образом, чем больше шумовая температура Т и полоса входного тракта приемника Δf, тем хуже С/Ш. Здесь необходимо отметить, что в городских условиях мощность собственных шумов АФТ несоизмеримо мала по сравнению с мощностью помех, принимаемых антенной, от "чужих", работающих на близких частотах (и не только на близких), передатчиков и их гармоники, различные помехи от производственных предприятий, транспорта, атмосферные помехи и т.д. Поэтому качество связи будет определяться именно этими помехами борьбы с такими помехами существуют и будут предметом дальнейшего обсуждения в следующей статье.
Подводя итоги, можно сказать следующее:
- В статье приведена формула (3), которая связывает основные параметры радиолинии и дает представление о том, какие параметры и как влияют на качество связи.
- Выбор антенны ЦС является ответственным действием, при этом наиболее предпочтительными считаются антенны с большим коэффициентом усиления, почти круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости и наиболее вытянутыми лепестками диаграммы направленности в вертикальной плоскости, максимумы излучения которых располагаются параллельно земле.
- Для уменьшения эффекта "задирания" лепестков ДН в вертикальной плоскости и влияния близко расположенных предметов на ДН в горизонтальной плоскости антенну необходимо ус
танавливать на 2...3х выше окружающих предметов.
- При покупке кабеля кроме цены и волнового сопротивления необходимо обратить внимание на величину потерь на рабочей частоте. Если длина предполагаемого фидера значительна, кабель должен быть с малыми потерями.
- При настройке антенно-фидерного тракта КСВ не должен превышать величины 1,5...2,0. Рассогласование АФТ с выходом передатчика может привести к выходу из строя последнего.
Приведенные выше рекомендации и оценки факторов, влияющих на дальность и качество связи, относятся к связи поверхностной волной.
Литература:
- Ротхаммель К. Антенны: Пер. с нем. 1-ое полное издание, С-Пб.: Издательство "Бояныч", 1998, 656 стр., ил.
- Радиосистемы передачи информации: Учеб. пособие для вузов/ И.М. Тепляков, Б.В. Рощин, А.И. Фомин, В.А. Вейцель; Под ред. И.М. Теплякова.- М.: Радио и связь, 1982, 264 с., ил.
Источник: Cnord.Ru
