Все товары
Сегодня на рынке представлено множество радиостанций, как зарубежного, так и отечественного производства, предназначенных для организации личной радиосвязи в диапазоне 27 МГц. В технических характеристиках многих портативных станций часто упоминается, что дальность связи на открытой местности может достигать 5 километров. Однако на практике это не всегда так.
В этой статье мы рассмотрим, почему связь может быть плохой, от чего зависит дальность радиосвязи и как её можно увеличить.
Рельеф местности оказывает значительное влияние на дальность радиосвязи. Если на пути радиоволн есть серьезное препятствие, то связь может быть плохой даже на расстоянии в несколько сотен метров.
Однако даже на открытой местности, где реализуются предельные характеристики по дальности связи, ее можно улучшить. Дело в том, что укороченные антенны носимых радиостанций не всегда эффективны, и даже простые приемы позволяют сделать связь более устойчивой.
Формула для предельной дальности радиосвязи между двумя одинаковыми радиостанциями, расположенными на поверхности Земли, имеет вид:
При выводе этой формулы предполагалось, что поверхность Земли идеально ровная, а коэффициент отражения от нее равен единице (что верно для ультракоротких волн при любой поляризации на предельных расстояниях). Также считалось, что коэффициент направленного действия приёмной и передающей антенн одинаков и составляет 1,5 (что типично для укороченных антенн в диапазоне 27 МГц).
Пусть 𝑷 = 0,4 Вт, R = 50 Ом, 𝑯𝟏= 𝑯𝟐= 1,5 м
Стандартные значения 𝜼 равны 0,05, а 𝑼 — 0,33 мкВ. Это значение близко к максимально возможному для амплитудной модуляции и узкополосной частотной модуляции.
Подставив эти значения в формулу, мы получаем, что дальность связи составляет всего 1,5 километра.
Значительно большие дальности связи, указанные в технических характеристиках (а иногда и достигаемые на практике), могут быть получены только в определенных условиях. Например, при многолучевом распространении сигнала или если одна из антенн находится на большой высоте. Это можно увидеть на рисунке 1.
Хотя формула была получена для упрощённой модели, она позволяет понять, как основные факторы (в частности, энергетические) влияют на дальность связи в реальных условиях.
Из этой формулы видно, что предельная дальность связи сильнее зависит от чувствительности и КПД, чем от мощности передатчика. Например, чтобы увеличить дальность в два раза, нужно увеличить мощность в 16 раз, а улучшить чувствительность или КПД — всего в 4 раза.
Мощность передатчика и чувствительность приемника обычно ограничены типом аппаратуры и легко контролируются. Если эти параметры близки к номинальным значениям, то для увеличения дальности можно улучшить КПД антенной системы.
Практика показывает, что одной из основных причин плохой связи между портативными радиостанциями является низкая эффективность антенных систем.
Электрически малые антенны имеют узкую полосу частот, и даже небольшие изменения емкости антенного контура, вызванные, например, движениями головы оператора, могут привести к значительным изменениям. Это может негативно сказаться на дальности связи. Например, если приблизить голову к антенне на расстояние около 0,2 метра, емкость изменится на 0,2 пФ, что приведет к снижению дальности связи на 30%. Также значительное влияние на настройку оказывает перемещение рук по корпусу радиостанции.
Настройка антенного контура в резонанс — это необходимое, но недостаточное условие для обеспечения высокой эффективности излучения и приёма. КПД антенн (η) можно рассчитать по формуле:
Однако КПД антенн невысок из-за того, что сопротивление излучения мало. Например, штыревая антенна длиной 240 мм с корпусом-противовесом такой же длины на частоте 27 МГц при добротности удлинительной катушки.
Q = 150 имеет Pизл = 0,35 Ом и КПД всего 0,02.
Повышение КПД антенной системы доступными средствами — наиболее эффективный путь увеличения дальности связи между радиостанциями без их переделки и дополнительного усиления мощности.
Сопротивление потерь Pп зависит от качества материалов, из которых изготовлена антенная система, и свойств среды и физических тел, находящихся в непосредственной близости. В частности, тело человека-оператора также входит в состав антенной системы.
Сопротивление излучения Pизл зависит от размеров антенной системы и распределения тока в ней.
Задача заключается в том, чтобы сделать больше Pизл и меньше Pп, сохранив их сумму
PА = Pизл + Pп близкой к 50 Ом
Также настроить антенну в резонанс — достичь условий согласования. Этого можно добиться рациональным использованием противовесов и тела оператора, а также увеличением длины антенны.
Ткани человеческого тела — это неоднородный диэлектрик с высокими потерями, особенно на частотах около 27 МГц. Именно поэтому в некоторых странах этот диапазон используется для УВЧ-терапии.
Токи, которые возникают в теле оператора, могут одновременно увеличивать излучаемую мощность и снижать эффективность антенной системы. В итоге общий результат может быть как положительным, так и отрицательным.
Этот эффект был изучен авторами с помощью компьютерного моделирования и экспериментально. Некоторые результаты моделирования, подтвержденные экспериментом, представлены на рисунке 4.
Сравнивая кривые 1A и B с кривой 0 и друг с другом, можно сделать несколько важных выводов:
- Если руки оператора сильно связаны с корпусом радиостанции (кривая B), эффективность антенной системы может снижаться, особенно если длина антенны уже достаточно велика (собственная эффективность антенны). Было обнаружено, что существует оптимальное значение связи рук с корпусом, при котором эффективность антенной системы максимальна для данной длины антенны.
- С точки зрения эффективности, лучше держать радиостанцию двумя руками, чем одной (в два раза больше сечение противовеса, даже если он электрически не идеален). Ещё более эффективным оказывается противовес, если прижать корпус радиостанции к голове или шее оператора. Это можно увидеть на кривой 3.
- Если сделать из проводника проволочную петлю, которую оператор наденет на шею и соединить с корпусом, то дальность связи повысится еще на 25-30% (кривая 4).
Наконец, еще лучшие результаты можно получить, если использовать дополнительные противовесы.
Например, можно подключить провод длиной 1,6 метра к корпусу радиостанции. Это позволяет использовать длинный противовес, но при этом ограничивается подвижность оператора.
О том, как меняются параметры антенной системы при постоянной длине антенны (0,24 метра) и смене противовесов, можно узнать из таблицы.
Сравнение кривых 1А, 2А и 5 с кривыми 1В, 2В, 3 и 4 (рисунок 4) показывает, что связь корпуса с телом оператора сдерживает рост эффективности антенной системы при увеличении ее длины. То есть, чем лучше работает антенная система без дополнительных противовесов, тем меньше вклад тела оператора в её эффективность и больше доля потерь.
Поэтому значительное увеличение длины антенны относительно длины корпуса может быть неэффективным, если предполагается использовать тело оператора как противовес.
Кривые на рисунке 4 и данные таблицы получены для модели антенны в виде штыря диаметром 10 мм с удлинительной катушкой в основании. Добротность катушки Q = 150.
Зависимости для спиральной антенны имеют аналогичный характер. Увеличение дальности при замене штыревой антенны на спиральную зависит от длины антенны и типа противовеса. При длине антенны 240 мм это увеличение может достигать 10%.
Для возможности подстройки в резонанс при экспериментировании с разными противовесами можно использовать удлинительную катушку из двух одинаковых секций, одна из которых может перемещаться относительно другой, или телескопическую насадку на конце стержня для изменения ёмкости антенны.
При длине стержня 240 мм общая индуктивность должна быть около 6 микрогенри (примерно 45 витков провода ПЭВ 0,3…0,4 на полиэтиленовой вставке диаметром 9 мм), а длина телескопической насадки — не менее 50 мм.
Малые емкости связи, указанные в таблице, могут быть обеспечены подбором положения пальцев и ладоней рук на пластмассовом корпусе.
Для обеспечения более сильной связи (20 пикофарад) может потребоваться металлизация внутренней поверхности корпуса, а петлю и длинный провод можно подключать к точке нулевого потенциала радиостанции (корпусу разъёма антенны) непосредственно.
Следует отметить, что все выводы о повышении дальности за счет улучшения КПД антенной системы справедливы только при условии, что дальность связи ограничивается только собственным шумом приемника, но не внешними помехами от других радиостанций. В противном случае повышенный КПД приведет к одинаковому увеличению уровня как сигнала, так и помехи на приёме, а увеличение дальности может произойти только за счет увеличения мощности излучения при передаче.
Еще одним способом повышения эффективности системы «антенна — человек» является использование «директорного эффекта». Диаграмма направленности в горизонтальной плоскости имеет максимум в сторону спины оператора, держащего радиостанцию перед собой. Тело оператора, высота которого меньше λ/4, действует как директор в созданной таким образом двухэлементной системе. Это может улучшить эффективность на 1,5 дБ для одной антенны, что соответствует увеличению дальности на 18%.
Однако эффективным средством обеспечения большой дальности связи является полноразмерная полуволновая антенна, подключена кабелем к разъему радиостанции. Если нет возможности использовать такую антенну, можно быстро соорудить почти эквивалентную без кабеля и без разъёма. Для этого провод длиной λ/2 (5,5 метра) подвешивают по возможности вертикально и вдали от посторонних предметов, желательно на капроновой леске или шнуре, чтобы до нижнего конца можно было дотянуться рукой. Связь с радиостанцией обеспечивается путем приближения её короткой антенны к свободному нижнему концу провода на 5-10 см.
Наряду с повышением общего КПД происходит увеличение высоты Н фазового центра системы, что может привести к увеличению дальности более чем в 2 раза.
В завершение, перечислим выводы и рекомендации, которые помогут увеличить дальность связи:
- Убедитесь, что мощность передатчика и чувствительность приемника вашего устройства соответствуют номинальным значениям.
- Для обеспечения наилучшей связи выбирайте место, расположенное как можно выше (см. рисунок 1).
- Не стоит чрезмерно увеличивать мощность передатчика, так как это лишь незначительно повлияет на дальность связи. Гораздо эффективнее и экономичнее повысить коэффициент полезного действия антенной системы (см. рисунок 2).
- Во время связи следите за точной настройкой контура антенны. При передаче это можно делать по индикатору тока в антенне (или поля), а при приеме — по уровню шумов.
- Рационально используйте влияние тела оператора, противовесы и антенны с умеренным укорочением (длиной до 1–1,5 метра) в зависимости от необходимой дальности связи и подвижности оператора (см. рисунок 4).
- Используйте «директорный эффект» тела оператора и вторичные излучатели, такие как висящие провода, металлические конструкции и т. д.
