Антенны для FPV: виды, поляризация и выбор антенны

АНТЕННЫ ДЛЯ FPV
Антенна превращает электромагнитное излучение в электрический сигнал и наоборот.
Антенны для FPV обеспечивают беспроводную связь между видеопередатчиком и приемником,
это очень важный элемент FPV оборудования, они очень сильно влияют на качество сигнала и
радиус уверенного приема.
Анатомия антенн
Вне зависимости от дизайна и внешнего вида все антенны состоят из нескольких частей.



Активный элемент — проводник, который передает сигнал в эфир или принимает его.
Коаксиальный кабель — специальный кабель в оплетке для передачи сигнала между
разъемом и активным элементов без излучения сигнала в эфир. Используется для
увеличения длины антенны, часто сделан из прочных и жестких материалов, чтобы его
можно было согнуть под необходимым углом. Коаксиальный кабель использовать
необязательно, активный элемент можно напрямую подсоединить к разъему.
Разъем — используется для соединения антенны с приемником или передатчиком.
Антенны для FPV делаются из гибких медных жил или других проводящих материалов,
поэтому обычно они защищены пластиковым корпусом. Такие корпуса изготавливаются из
радиопрозрачных материалов и поэтому они не ослабляют сигнал, а только помогают защитить
антенну в случае аварии.
Виды антенн:
1.
2.
ненаправленные (или всенаправленные) — omni-directional;
направленные — directional.
Как можно догадаться из названия, всенаправленные антенны излучают во всех
направлениях, а направленные — только в одном.
Классическая аналогия: лампочка и фонарик, где лампочка — это всенаправленная
антенна, а фонарик — направленная. Если оба источника света имеют одинаковую мощность, то
фонарик будет светить дальше, за счет более узкого луча.
Направленные антенны бывают и с линейной и с круговой поляризацией, так же, как
и всенаправленные.
Всенаправленные антенны отлично подходят для обычных полетов, дают отличные
условия приема сигнала в любом направлении от пилота. Избегайте использования направленных
антенн, если вы летает не только перед собой, а вокруг себя.
Однако, направленные антенны часто используются в диверсити приемниках, в этом
случае они используются совместно с всенаправленной антенной или с несколькими
направленными антеннами, чтобы покрыть больший угол.
Диверсити приемники - принимают сигнал с двух антенн, а не с одной, и автоматически
выбирают наиболее сильный.
Например, вы можете поставить всенаправленную антенну и хеликс (направленная
антенна с круговой поляризацией), тогда приемник будет использовать всенаправленую антенну,
пока вы летаете поблизости вокруг себя, и переключится на хеликс когда будете летать перед
собой.
Поляризация: круговая и линейная
Есть два вида антенн, в зависимости от поляризации сигнала:


антенны с линейной поляризацией
антенны с круговой поляризацией
Линейная поляризация
В этом случае сигнал колеблется горизонтально или вертикально, но только в одной
плоскости.
Большинство простых антенн дают линейную поляризацию сигнала: например, стоковые
диполи (в комплекте с видео передатчиками и приемниками), или даже домашний Wifi.
Достоинства и недостатки линейной поляризации
Антенны линейной поляризации очень широко распространены благодаря простоте
конструкции, что в самом примитивном виде дает просто кусок провода. Эти антенны имеют
малый размер, низкую цену, их легко ремонтировать и собирать.
В общем и целом, линейная поляризация отлично подходит для больших расстояний, т.к.
вся энергия будет сосредоточена в одной плоскости. Это преимущество не всегда проявляется изза многолучевого распространения сигнала (многократные переотражения сигнала), но это мы
обсудим чуть позже.
Для того чтобы получить максимальный уровень сигнала, антенны приемника и
передатчика должны быть расположены параллельно (для максимального перекрытия излучения).
В самом крайнем случае, когда антенна приемника и антенна передатчика расположены
под углом 90 градусов друг относительно друга — получаем наименьший уровень
сигнала. Результат — потери сигнала в 30 дБ, это кросс поляризация.
Наши коптеры постоянно перемещаются в небе, поэтому невозможно держать антенны
параллельно друг другу, следовательно, прием FPV сигнала будет не стабильным.
Круговая поляризация
При круговой поляризации сигнал распространяется в обоих плоскостях (в вертикальной и
горизонтальной) со сдвигом фазы на 90 градусов, представить можно в виде штопора.
Достоинства и недостатки круговой поляризации
Сигнал с круговой поляризацией всегда попадает на антенну, т.е. вне зависимости от угла
между антенной на квадрике и на приемнике. Именно поэтому антенны с круговой поляризацией
— стандарт для FPV.
Еще одно достоинство антенн с круговой поляризацией — это возможность отсекать
отраженный сигнал.
Многолучевое распространение сигнала — одна из главных причин плохого качества
видео (изменение цвета, помехи, скрэмблированное изображение, двоение и т.п.). Так бывает,
когда сигнал отражается от объектов и приходит с другой фазой, при этом смешиваясь с основным
сигналом.
Круговая поляризация бывает, как левой (LHCP), так и правой (RHCP). На передатчике и
приемнике должны быть антенны с одним и тем же направлением, иначе будет очень сильная
потеря сигнала.
Круговая поляризация хорошо защищает от переотраженных сигналов, потому что, когда
сигнал отражается от объекта, меняется направление поляризации. Т.е. антенна LHCP отсекает
RHCP сигнал и наоборот (кросс поляризация).
Когда использовать круговую поляризацию?



При полетах около крупных объектов типа деревьев, зданий, в парках и стадионах
Акробатические полеты, когда положение коптера постоянное меняется
Полеты на низкой высоте (вблизи других объектов)
Когда использовать линейную поляризацию?



При полетах на большие расстояния в прямой видимости, без крупных препятствий
Прямолинейные полеты, без флипов и ролов
Когда вес, размер и прочность антенны стоят на первом месте
Антенны с круговой поляризацией — стандартный апгрейд для большинства FPV
оборудования, причин несколько: во-первых, антенны с линейной поляризацией очень
чувствительны к переотражениям сигнала; во-вторых, для нормальной работы они должны быть
расположены параллельно друг другу. Учтите, что взаимное положение антенн приемника и
передатчика постоянно меняется, т.к. коптер обычно активно маневрирует.
Многолучевое распространение сигнала очень часто встречается при использовании
FPV оборудования, т.к. куча разных объектов, типа деревьев, стен и даже земля, отражают сигнал,
и он приходит не одновременно с основным сигналам, значительно его искажая. Это проявляется
как случайные помехи на видео.
Следовательно, в общем и целом, для коптеров лучше всего подходят антенны с круговой
поляризацией. Несмотря на все недостатки, связанные с качеством сигнала, пилоты иногда
выбирают антенны с линейной поляризацией, т.к. они меньше по размерам, легче и более
прочные.
LHCP и RHCP (правая и левая поляризация)
Антенны с круговой поляризацией бывают двух видов: левая (LHCP) и правая (RHCP).
Они очень слабо влияют друг на друга, т.е. если один пилот использует LHCP антенну, а другой
RHCP, то очень маловероятно, что они будут мешать друг другу.
Антенна с левой поляризацией не принимает сигнал с правой поляризацией и наоборот,
т.е. нет взаимного влияния двух видеопередатчиков.
По этой же причине использование антенн с круговой поляризацией позволяет снизить
влияние переотраженных сигналов. Каждый раз, когда сигнал отражается он меняет направление
поляризации. Например, LHCP сигнал становится RHCP, который, в свою очередь не принимается
LHCP антенной.
Можно ли использовать RHCP и LHCP антенны вместе? Краткий ответ — НЕТ.
Характеристики антенн
У антенн очень много разных характеристик, например:
1.
2.
3.
4.
5.
коэффициент усиления (gain);
диаграмма направленности;
осевое отношение (axial ratio);
частота, на которую она настроена и диапазон рабочих частот;
сопротивление.
Коэффициент усиления
Коэффициент усиления направленной антенны определяет радиус уверенного приема и угол
основного лепестка диаграммы направленности (угол покрытия). Более высокий коэффициент
усиления обычно означает больший радиус уверенного приема, но и более узкий луч. Как мы
увидим дальше коэффициент усиления и диаграмма направленности взаимосвязаны.
Диаграмма направленности
Диаграмма направленности показывает в каком направление антенна излучает сильнее или
слабее. Диаграмма покажет слабые места и то, где вы скорее всего потеряете сигнал.
Ниже несколько примеров, которые помогут вам представить эти диаграммы.
Диаграмма направленности гипотетической, идеальной антенны с усилением 0 дБ. Это
практически идеальная сфера.
Однако, у реальных всенаправленных антенн обычно сигнал ослабляется сверху и снизу, и
в 3D диаграмма направленности больше похожа на пончик. В вертикальной плоскости это
восьмерка, а в горизонтальной — круг.
Вот патч, направленная антенна с коэффициентом усиления 8 дБ. Как видите, сигнал
сфокусирован в одном направлении (справа, в вертикальной плоскости), собственно, чего и
следовало ждать от направленной антенны.
Использование антенн с низким коэффициентом усиления может быть менее
предпочтительным в плане радиуса приема, но зато может обеспечить более надежную работу
благодаря равномерности приема по всем направлениям, можно даже получить довольно сильный
сигнал прямо направив антенну на приемник.
Осевое отношение (axial ratio)
В реальной жизни не существует идеальной антенны с круговой поляризацией. Например,
RHCP может передавать 90% мощности в виде RHCP сигнала и 10% LHCP. Так что
интерференция всё же может проявиться, даже если вы всё сделали правильно. Осевое отношение
используется для оценки качества антенны.
На практике, это показатель того, на сколько антенна восприимчива к переотраженным
сигналам. С антеннами, которые лучше отсекают переотраженный сигнал, легче летать там, где
много металла и бетона.
Антенны, у которых это отношение близко к единице — самые хорошие.
Частота и диапазон рабочих частот
Антенны настраиваются на определенную частоту, например, длина диполя определяет его
рабочую частоту. Антенна имеет максимальный КПД при передаче и приеме сигнала именно этой
частоты.
Если прием или передача идут на немного другой частоте, то антенна будет «приемлемо
работать», и вот тот диапазон частот, в котором антенна «приемлемо работает», и называется
диапазоном рабочих частот. За его пределами сигнал очень сильно ослабляется или вообще не
регистрируется.
Чтобы выбрать наиболее подходящую частоту и канал, нужно разобраться что такое
частота, на которую настроена антенна и что такое диапазон рабочих частот. Иначе, вы скорее
всего заметите интерференцию сигналов или даже потеряете изображение.
Кроме того, неправильно выбранная антенна может привести к перегреву и сгоранию
видеопередатчика, т.к. выходная мощность «отражается» от неподходящей антенны и
превращается в тепло.
В любом случае, большинство продаваемых антенн для FPV рассчитаны на 5,8 ГГц, и
работают во всех сетках (A, B, E, F, R), если обратное не указано в их характеристиках.
Разновидность, Типы антенн
Мы прошлись по основным характеристикам антенн, и теперь я покажу вам самые
распространенные антенны, используемые для FPV полетов.
Всенаправленные
(ненаправленые)
Направленные
С линейной поляризацией
Монополь, диполь
Патч
С круговой поляризацией
Клевер, Пагода (Pagoda)
Хеликс (Helical), патч, Crosshair
Монополь
Монополь — это простейшая антенна, по сути, это кусок коаксиала без оплетки. Чаще
всего применяется в приемниках, т.к. это дешевая и легко ремонтируемая антенна. Однако, она не
так эффективная, как диполь. Длина провода без оплетки — ключевой параметр, именно она
определяет рабочую частоту антенны.
Диполь
Практически все видеопередатчики и приемники поставляются с диполями. Они легкие и
довольно устойчивы к повреждениям.
Дизайн диполя очень простой. По сути это монополь с заземленной гильзой под активным
элементом. Эта гильза может значительно улучшить характеристики антенны.
Клевер
Трехлепестковый клевер (The Cloverleaf antenna) — обычно используется на
передатчиках. Можно комбинировать с четырехлепестковым клевером для увеличения радиуса
приема и увеличения качества сигнала.
Четырехлепестковый клевер (Skew-Planar Wheel antenna) — антенна круговой
поляризации, имеет отличную устойчивость к отраженным сигналам. Обычно она используется
там, где аэродинамическое сопротивление не критично. Как правило это антенна на приемнике,
хотя и на передатчик ее тоже можно поставить.
Трех- или четырехлепестковые клевера — это самые часто используемые антенны на
миниквадриках.
Как и диполи, это ненаправленные антенны. Но у них круговая поляризация, что дает
более чистый сигнал и большую устойчивость к переотраженным сигналам, поэтому можно летать
около стен, деревьев и т.д., а качество видео будет лучше, чем при использовании диполей.
Однако, они довольно хрупкие, поэтому часто бывают в корпусах, из-за внешнего вида
иногда их называют «mushroom antenna» — антенна — гриб.
Пагода (Pagoda)
Пагода — довольно новый тип антенн (стал популярным в конце 2016 года). Это
ненаправленная антенна с круговой поляризацией. Уникальный дизайн и используемый материал
(текстолит) делает её очень прочной.
Хеликс (Helical)
Хеликс имеет форму пружины, это направленная антенна с круговой поляризацией. Число
витков определяет коэффициент усиления антенны.
Патч (Patch)
Патчи — это тоже направленные антенны, они бывают как с линейной, так и с круговой
поляризацией. По сравнению с хеликсом, у них более широкий луч, но меньший размер.
Тип разъема
У антенн обычно бывает один из двух видов разъемов: SMA или RP-SMA. Они
отличаются внешне и между собой не совместимы, так что убедитесь, что покупаете антенну с
подходящим разъемом.
Разъемы типа “U.FL” часто используются в видеопередатчиках, т.к. они мелкие и легкие.
Недостаток — очень хрупкие, и легко ломаются после нескольких присоединений.
MMCX — наиболее новый тип разъемов в антеннах и видеопередатчиках. Это отличный
компромисс между SMA и u.fl. Разъемы MMCX значительно прочнее, чем U.FL и выдерживают
гораздо больше циклов подключения/отключения. На данный момент это мой любимый тип
разъемов.