Логотип
 

Применение антенн в диапазоне 433МГц

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРИМЕНЕНИЮ АНТЕНН В ДИАПАЗОНЕ 433МГц

Беспроводные технические средства передачи информации предоставляют их пользователям и обслуживающему персоналу значительные удобства монтажа и применения. Тем не менее их установка, наладка и эксплуатация часто сопряжена с целым рядом проблем, обусловленных в основном особенностями распространения радиоволн используемых частот. Знание и грамотное применение этих особенностей позволяет не только снизить влияние факторов, негативно воздействующих на устойчивость обмена информацией, но в ряде случаев значительно улучшить качество каналов передачи.

В зависимости от назначения технических средств, особенностей установки и функционирования для них определяется различный частотный ресурс. Для оборудования объектов охраны, использующего радиопередатчики малой мощности, в России назначена частота 433.92 МГц (длина волны l=0.69 м, диапазон дециметровых волн (ДМВ)).

Радиоволны этого диапазона при распространении значительно поглощаются землей, элементами конструкций зданий, других инженерных сооружений, растительностью (если ее размеры сопоставимы с длиной волны); плохо огибают препятствия, имеющие габариты в несколько длин волн, для них значительнее, чем для сигналов более низких частот проявляется эффект ослабления в результате взаимодействия нескольких волн. В результате устойчивая передача информации, как правило, возможна при условии прямой видимости между приемной и передающей антеннами. Уровень естественных, промышленных, станционных помех в этом диапазоне достаточно низкий (т.к. помеховые сигналы также значительно ослабляются при распространении), однако факт использования одной частоты разными системами охраны нередко приводит к значительному ухудшению помеховой обстановки (что также снижает устойчивость работы). Наиболее часто это проявляется в помеховом влиянии систем автомобильной сигнализации.

В технических средствах широко применяются штыревые антенны (называемые также несимметричными вибраторами), выполненные в виде отрезка провода. Длина таких антенн l, определяющая условия электрического резонанса, как правило, равна либо четверти длины волны передаваемого сигнала (l/4=0.173 м - резонанс токов), либо половине длины волны (l/2=0.346 м - резонанс напряжений). Реальные вибраторы резонируют на длинах волн, отличных от указанных выше, что определяется конечной толщиной и материалом проводника, из которого изготовлена антенна, его конструкцией... Учет этого эффекта осуществляют с помощью т.н. “коэффициента укорочения” (его значения приведены в справочниках, диапазон изменения k=0.85...1), используя простые формулы l = k*l/4, l = k*l/2. Поэтому длины реальных антенн несколько меньше четверти волны и полуволны.

Эффективность антенны определяется коэффициентом уси­ления G, который учитывает как потери в ней, так и ее харак­теристику направленности. Четвертьволновые вибраторы имеют невысокий коэффициент усиления, но их характеристики излучения почти постоянны в широком диапазоне частот. Полуволновые штыревые антенны при достаточно высоком коэффициенте усиления (как правило вдвое большем, чем у четвертьволновых) характеризуются непостоянством параметров излучения вблизи резонансной частоты. В случае передачи узкополосных сигналов (что имеет место в технических средствах охраны) использование полуволновых штырей более предпочтительно, но реально применяют четвертьволновые для уменьшения общего размера системы датчик-передатчик.

Вертикальные штыревые антенны являются ненаправленными в плоскости, перпендикулярной их оси. Направленные свойства горизонтальных штыревых антенн зависят от высоты их установки. Существуют более эффективные антенны этого диапазона, но они имеют значительные габариты и поэтому почти не применяются. Тем не менее решение некоторых задач возможно только с использованием направленных антенн.

Существует ряд общих правил, которыми следует руководствоваться при выборе типов антенн, их установке и эксплуатации. Наиболее важными из них являются следующие.

  1. Вибраторы приемной и передающей антенн должны располагаться в одной плоскости (быть согласованными по поляризации).
  2. Выход передатчика (приемника), фидерная линия (при ее использовании) и антенна должны быть согласованы по волновому сопротивлению.
  3. Вертикальный штырь имеет максимальный коэффициент усиления, если он расположен над металлической поверхностью, а горизонтальный штырь, лежащий на металлической поверхности, не излучает волн. Наибольшее влияние на характеристики излучения имеет металлическая поверхность, расположенная на расстоянии менее четверти длины волны от антенны.
  4. В случае наличия вблизи оси передатчик - приемник каких-либо объектов электромагнитные волны распространяются от передатчика к приемнику различными путями: непосредственно и за счет отражений от этих объектов. Волны, отраженные от различных тел, и прямая волна в точке приема могут складываться с разными фазами; если разность фаз близка к нулю, происходит усиление сигнала, если же к 180 градусам - ослабление вплоть до полной компенсации.
  5. Любая антенна в режимах передачи и приема имеет один и тот же коэффициент усиления.
  6. Если при проведении измерений уровня поля заданной частоты от передающей антенны №1 в некоторой точке найден его максимум, то при установке в этой точке передающей антенны №2 излученная ею волна в направлении на антенну №1 будет складываться в фазе с волнами, отраженными от окружающих предметов.

Ниже приведены некоторые рекомендации по выбору, установке, эксплуатации маломощных передатчиков ближнего действия, сформулированные в соответствии с этими правилами.

Волны разного диапазона частот имеют различную способность распространяться сквозь стены домов и других сооружений. При падении электромагнитной волны на поверхность, электрические параметры которой отличаются от параметров воздуха, часть ее отражается от этой поверхности, а часть проникает внутрь тела. Чем больше проводимость отражающего тела (степень его металлизации), тем меньшая часть волны проникает в него и большая отражается. Степень отражения/поглощения волны зависит также и от частоты передачи: чем она выше, тем большая часть сигнала проникает внутрь. Поэтому сигналы ДМВ лучше, чем сигналы метровых волн передаются сквозь кирпичные, деревянные и другие стены. Волна, проникшая внутрь тела, имеет длину, меньшую, чем в воздухе (в частности, для бетона коэффициент укорочения примерно равен 1.5 - т.е. длина волны при частоте 433.92 МГц составляет 0.46м). При выходе из тела длина волны снова увеличивается до 0.69 м. В связи с вышесказанным достаточно эффективное распространение дециметровых волн сквозь железобетонные стены возможно в случае, если расстояние между металлическими элементами арматуры стен больше четверти длины волны в бетоне (примерно 0.1 м).

Рисунок2 Распространение радиоволн  Рисунок3 Распространение радиоволн 

Передающие антенны беспроводных датчиков, как правило, располагаются в непосредственной близости от стен. При этом сигнал в точке приема равен сумме прямой волны и волн, отраженных от стены и других предметов. Рассматривая влияние стены, следует отметить, что если антенна находится непосредственно на ее поверхности, либо на расстоянии, равном половине длины волны (примерно 0.34 м для сигнала частоты 433 Мгц), то отраженная волна в направлении перпендикулярном к плоскости стены сложится с основной волной в противофазе и уровень принимаемого сигнала уменьшится (рис.1 а). При высокой проводимости поверхности стены уровни отраженной и прямой волн практически равны друг другу и амплитуда суммарного сигнала в этом направлении будет почти равна нулю. Если стена кирпичная, деревянная и т.п., некоторая часть падающей на нее волны проникает внутрь, поэтому уровень отраженной волны оказывается ниже, чем у прямой и влияние ее на суммарный сигнал не столь значительное. В случае, когда расстояние от антенны до поверхности отражения равно четверти длины волны, сигналы складываются в фазе и принимаемый сигнал увеличивается ( рис. 1 б). С этой точки зрения использование кронштейнов для монтажа беспроводных детекторов повышает эффективность передачи, т.к. позволяет увеличить расстояние от стены до антенны на 5...7 см, что приводит к увеличению уровня принимаемого сигнала.

В случае передачи сообщений в помещении с множеством различных предметов или вне помещения в условиях городской застройки, посадок деревьев и т.п. взаимодействие прямой и отраженных волн значительно влияют на уровень принимаемых сигналов. При этом отражающими объектами являются не только неподвижные металлические или диэлектрические предметы, но и перемещающиеся люди, животные, автомобили и т.п. В зависимости от расстояния между отражающим объектом и осью передатчик-приемник может наблюдаться значительное ослабление (вплоть до полного пропадания) или усиление сигнала - т.н. эффект зон Френеля. Так на частоте 433.92 МГц при интервале между передатчиком и приемником равном L=10 м наличие металлического отражающего предмета, расположенного на расстоянии D=1.9 или D=2.7 м от главной оси (рис. 2), может привести к полному подавлению сигнала. В случае, когда это расстояние равно 1.3 м, уровень сигнала на приемной стороне увеличивается. Если отражающий предмет неметаллический, его влияние не столь существенно. В таблице 1 представлены соотношения расстояний до отражающих предметов D и интервалов между передатчиком и приемником L, которые могут привести к подавлению сигнала.

Расстояние между передатчиком и приемником L, м Расстояние до отражающего предмета D, м
10
1,89
2,72
20 2.65 3.78
30 3.24 4.6
100 5.89 8.34
300 10.19 14.12

В случае, когда принимаемый сигнал имеет низкий уровень в результате сложения прямой и отраженной волн в противофазе, необходимо изменить положение передатчика или (и) приемника. Если такое изменение невозможно, следует переместить отражающий предмет (при небольших интервалах между передатчиком и приемником величина перемещения составляет доли метра), либо установить в зоне передачи сигнала дополнительный предмет, отражение от которого приведет к сложению сигналов в фазе.

При наличии КСВ-метра желательно выполнить с его помощью согласование передатчика с антенной. Для этого подключают КСВ-метр между выходом передатчика и входом антенны, после чего добиваются минимума КСВ, уменьшая длину антенны (в идеале КСВ=1, при хорошем согласовании его величина составляет 1.1 … 1.5).

Если измерителя КСВ нет, а антенна передатчика окружена большим количеством предметов различной формы и проводимости, что не позволяет рассчитать оптимальное место установки, рекомендуется расположить антенну на расстоянии не менее 1.5м от отражающих предметов, поверхности которых параллельны антенне по одному из измерений. Вблизи приемной антенны не должны располагаться проложенные параллельно ее полотну кабели питания. Кроме того, приемную антенну нежелательно устанавливать рядом с электронным оборудованием, которое может стать источником импульсных помех (переключатели, источники бесперебойного питания, компьютеры…).

Особо следует рассмотреть применение носимых передатчиков (т.н. кнопок паники). Нередко возникают ситуации, когда владельцу такой кнопки необходимо передать тревожный сигнал в условиях, когда он ограничен в возможности передвигаться (например, больничной койкой; помещением, в котором он закрыт преступниками и т.п.). При этом изменением положения передатчика относительно тела его владельца, а также окружающих предметов можно добиться существенного увеличения уровня сигнала в точке приема. Как правило при передаче сигнала тревоги кнопку паники держат перед собой в согнутой руке на расстоянии предплечья (т.е. около 0.3 м от тела), что составляет половину длины волны. Как было показано выше (и подтверждено на практике), это приводит к уменьшению амплитуды волны в том направлении, куда смотрит человек, передающий тревожный сигнал. Можно рекомендовать в подобных случаях многократную передачу, с изменением положения кнопки паники относительно шкафов, дверей, систем отопления, окон и своего тела...

Часто встречаются передатчики охранных систем, антенны которых размещены внутри корпуса и провод антенны согнут под прямым углом. Если одна из сторон такой антенны расположена вблизи проводника печатной платы, являющегося “корпусом” схемы (и, как правило, имеющего большие размеры), то эта сторона почти не излучает электромагнитные волны и эффективность антенны мала. В этом случае следует изменять положение антенны, например, извлекая ее из корпуса.

Если передатчик и приемник используются вне помещений и между ними нет прямой видимости, для эффективной передачи сигнала могут использоваться пассивные ретрансляторы. Они выполняются из жгута проводов, металлических сетки или листа, отдельного проводника и т.п.

Желательно, чтобы один из геометрических размеров такого ретранслятора был кратен четверти длины волны. Если ретранслятор имеет вытянутую форму, то его расположение должно соответствовать поляризации излучаемой волны (рис. 3). В случае применения направленных антенн, основной лепесток их диаграммы направленности должен быть ориентирован на ретранслятор.

Часто возникают задачи по обеспечению передачи охранной информации на большие расстояния в сложных условиях распространения радиоволн : сквозь массив деревьев, через пассивный ретранслятор в условиях городской застройки, в садоводствах, гаражных кооперативах и т.п. В этом случае необходимо применять направленные антенны. Для этой цели могут использоваться модифицированные телевизионные антенны, либо разрабатываться специализированные. Следует учесть, что при одинаковых габаритных размерах, оптимальная антенна, рассчитанная на передачу узкополосных сигналов, будет иметь больший коэффициент усиления, чем широкополосная оптимальная антенна. Телевизионные антенны рассчитаны на передачу сигнала в полосе более 6 МГц. Сигналы охранных систем занимают полосу частот в сотни раз меньшую, чем телевизионные. Поэтому разработанные специализированные узкополосные антенны имеют более высокую эффективность. Так как длина волны передаваемого сигнала мала, размеры антенн тоже невелики. Их применение позволяет увеличить уровень полезного сигнала и снизить влияние помех от источников, расположенных вне главного лепестка диаграммы направленности (ДН). Использование таких антенн как на приемной, так и на передающей стороне приводит к дополнительному повышению эффективности канала в 2 раза. В случае большого интервала между передатчиком и приемником применение направленных антенн позволяет значительно уменьшить эффект зон Френеля (если другими способами устранить действие отражающего предмета невозможно).

Как показывает практика, в ряде случаев увеличения уровня принимаемого сигнала можно достигнуть, ориентируя приемную и передающую антенны не по оси передачи, а на крупный объект, расположенный вблизи нее, например, стену здания. Применение направленных антенн позволяет также значительно улучшить качество передачи сигналов, если в зоне радиолинии действует мощный источник помех. В этом случае увеличения эффективности радиолинии можно добиться как ориентированием максимума диаграммы направленности на «свой» передатчик, так и ориентированием минимума ДН на источник помех. Если угол между максимумом и минимумом ДН не соответствует углу от приемника на источники полезного сигнала и помехи, оптимальное направление приемной антенны определяют путем многократных экспериментальных приближений

Как уже отмечалось, устойчивое функционирование беспроводной системы в рассматриваемых диапазонах частот возможно, как правило, при условии прямой видимости между антеннами передатчика и приемника. При невыполнении этого условия, проблему чаще всего решают, поднимая антенны на необходимую высоту. Для передачи сигнала к излучателю необходимо использовать фидер. Рынок технических средств и оборудования систем связи предлагает большой перечень марок коаксиальных кабелей, используемых для питания антенн. При их использовании нужно учитывать прежде всего волновые сопротивления выхода передатчика (входа приемника), кабеля, а также его погонное затухание. Как правило, с выбором фидера по первому параметру проблем не возникает (для объектовых технических средств применяется кабель с волновым сопротивлением 75 Ом). В то же время имеют место случаи, когда не учитывается его погонное затухание. В результате приобретается дешевый кабель с большими потерями и вместо повышения эффективности за счет подъема антенн качество передачи сигналов ухудшается. В таблице 2 приведена величина погонного затухания некоторых марок отечественных и зарубежных кабелей на частоте 500 МГц.

Марка кабеля Затухание, дБ/м
РК-75-2-12 0,4
РК-75-4-16 0,25
РК-75-9-14 0,1
CW-41S 0,33
SAT-703B 0,125

Нетрудно рассчитать, что при использовании, например, кабеля РК75 - 2 - 12 длиной 30 м затухание в нем составит 12 дБ, т.е. 75% энергии сигнала будет потеряно. Если высота подъема антенны мала, затухание будет не столь большим. Поэтому выбирать фидер нужно, учитывая особенности установки оборудования. Рассчитывая высоту подъема антенны, опытные специалисты учитывают отражение радиоволн от небольших возвышенностей, домов, металлических гаражей, расположенных посередине между передатчиком и приемником. При этом изменение высоты подъема антенны на необходимую величину (составляющую от долей до единиц метров) приводит к увеличению мощности принимаемого сигнала почти в два раза.

При использовании радиочастотного кабеля не рекомендуется сращивать несколько отрезков для увеличения его общей длины, кроме того, нельзя сматывать в кольцо излишек фидера – это приводит к увеличению затухания в нем.

При наличии КСВ-метра желательно выполнить с его помощью согласование передатчика с фидером и фидера с антенной. Первую регулировку проводят, подключив КСВ-метр между выходом передатчика и входом фидера, после чего добиваются минимума КСВ, укорачивая фидер со стороны антенны – при этом, рассчитывая длину кабеля перед его установкой, намеренно оставляют некоторый запас длины. Вторую регулировку выполняют аналогично процедуре, описанной выше для случая, когда антенна подключается непосредственно к выходу передатчика, но КСВ-метр подключают между выходом фидера и входом антенны и уменьшают длину антенны.

Если принятые меры не привели к устойчивому функционированию радиоканала, необходимо либо увеличить высоту подъема антенны, либо применить фидер с меньшей величиной затухания (такой фидер, как правило, имеет больший внешний диаметр), либо установить передатчик ближе к антенне (при этом уменьшится длина фидера и, следовательно, затухание сигнала). В ряде случаев можно использовать активный ретранслятор на радиолинии. В крайнем случае необходимо принять меры по сокращению расстояния между передатчиком и приемником.

Предложенные выше рекомендации могут оказаться неэффективными, если у потенциальных злоумышленников имеется возможность бесконтрольно повредить кабель или антенну. Поэтому, выполняя монтаж антенно-фидерного устройства, необходимо принять меры по обеспечению его сохранности – располагать антенну и фидер в охраняемой зоне или/и включить антенно-фидерное устройство в систему охраны. В последнем случае рекомендуется применять специальные фидеры, в которых коаксиальный кабель совмещен с двухпроводным сигнальным.

В целом следует отметить, что задача выбора антенно-фидерных устройств и мест их установки должна решаться комплексно, что позволит максимально использовать достоинства радиоканалов для передачи информации.

Главная | Продукция | Услуги | Карта сайта | Kontakty | ©2008-2010 ЗАО "Схемотехника"