»
Zisk a směrová charakteristika

English

Typy antény používané v FPV
Anténní konektory, spojky a kabeláž
Zisk antény
Směrové charakteristiky
Lineární polarizace
Kruhová polarizace
Výběr vhodného anténního systému

 

Mnohem důležitější než výkon vysílaný vysílačem umístěným na palubě modelu je pro přenos FPV signálu použitý anténní systém, a to zejména na straně přijímače (pozemní FPV stanice). V tomto směru dostávám řadu dotazů. Je proto nutné vysvětlit si bez nadměrného ponoření do teoretické hloubky základní pojmy anténní techniky.

Pro úspěch je klíčové použití správného typu antény na straně FPV-přijímače i vysílače. Typům antén používaným v FPV a kritériím jejich výběru je věnována samostatná kapitola, která vám bude vodítkem při jejich výběru.

Konektor typu N Konektor typu SMA Antény jsou zakončeny různě dlouhým kabelovým vývodem, ukončeným zpravidla VF-konektorem typu N-female nebo SMA-male. Častější je typ SMA, v případě výstupu N lze použít dostupné kabelové spojky.
Při objednávání komponent vždy pamatujte na provedení samec/samice.
Kabelová spojka SMA-N

I signál velmi kvalitní antény lze zcela znehodnotit použitím anténního kabelu s nevhodnou impedancí, vadným stíněním nebo letovanými a nesprávně připojenými konektory. Pokud je to možné, doporučuji použít hotové prodlužovací a přípojné kabely a konektorové spojky. Konektory musí být na kabel řádně zakrimpovány k tomu určeným speciálním nářadím. Pokud se rozhodnete pro výrobu vlastní kabeláže, budete se muset tímto nářadím vybavit nebo se jednodušeji obrátit na odborníky ve vašem okolí. Zkuste blízký obchod s WiFi komponenty nebo firmy zabývající se těmito instalacemi. Koaxiální kabely v žádném případě nelze nastavovat pájením.

Při výběru vhodné antény budeme vždy posuzovat:

  • zisk
  • směrovou charakteristiku
  • polarizaci

Je také třeba vyvrátit častou domněnku, že prostě čím větší je zisk antény, tím vhodnější je k použití. Tak prosté to zdaleka není!

V první řadě je třeba porozumět anténnímu zisku a významu hodnoty dBi.

Decibel (dB) vyjadřuje hodnotu fyzikální veličiny (obvykle výkon nebo intenzitu elektromagnetického pole) relativně k implicitní referenční hodnotě v logaritmické škále. Písmeno „i“ v jednotce „dBi“ určuje vztah k referenční úrovni, kterou v našem případě rozumíme hypotetickou dokonalou všesměrovou anténu (dipól), která vysílá signál na všechny strany pod zcela identickým výkonem (resp. přijímá ze všech stran signál s identickou citlivostí).

Směrová charakteristika vyjadřuje graficky míru šíření vysílaného výkonu v určitém směru, a to v rovině horizontální a vertikální. Pro naši teoretickou anténu by byla modelem šíření výkonu dokonalá koule a směrová charakteristika by byla jak v horizontální, tak i vertikální rovině charakterizována kružnicí. Tento typ antény zvolíme za referenční úroveň a její zisk definujeme 0 dBi. Je třeba podotknout, že taková dokonalá anténa neexistuje a každá skutečná se jí pouze přibližuje.

Náčrt směrové charakteristiky takové takřka dokonalé všesměrové antény vypadá takto:

Charakteristika všesměrové antény se ziskem blízkým 0dBi Model směrové charakteristiky všesměrové antény 0dBi

Aby to bylo zcela jasné, vpravo je model směrové charakteristiky vytvořený z modelíny (párátko ukazuje směr osy antény, která je ve skutečnosti umístěna uprostřed koule). Znovu připomínám, že tento model nemá nic společného s “tvarem vlny”, je modelem míry výkonu vyzařovaného do okolí. Bod grafu vice vzdálený od středu tedy znamená, že v tomto směru je vysílán větší výkon než v jiném směru, kde je bod grafu blíže středu. V případě přijímací antény hovoříme o míře citlivosti v jistém směru.

Dále definujeme, že nárůst výkonu o každé 3dBi představuje dvojnásobnou citlivost v daném směru. Jelikož intenzita signálu klesá s druhou mocninou vzdálenosti, dosáhli bychom v tomto směru odmocnina ze 2krát (tj. 1,41krát) většího dosahu ve srovnání s naší teoretickou dokonalou všesměrovou anténou.
Pokud by anténa v tomto směru vykazovala nárůst zisku 6 dBi, je v tomto směru čtyřikrát citlivější ve srovnání s teoretickou dokonalou všesměrovou anténou a dosáhneme v tomto směru dvojnásobného dosahu. Stejného nárůstu dosahu bychom dosáhli čtyřnásobným zvýšením výkonu video-vysílače instalovaného v modelu. Jelikož je naším zájmem instalovat do modelu video-vysílač co nejmenšího výkonu (hmotnost, spotřeba energie, rušení okolí), půjdeme cestou použití přijímačové antény s vyšší citlivostí.

Ovšem jako vždy je něco za něco.

Pokud anténa vykazuje v jistém směru vyšší citlivost, musí nutně v jiném směru dosahovat citlivosti menší. Směrovosti (různé citlivosti v různých směrech) se dosahuje konstrukčním uspořádáním vnitřních prvků antény.

Porovnejme naši teoretickou dokonalou všesměrovou anténu s prutovou anténou (whip antenna) se ziskem 3dBi. Zatímco horizontální charakteristika zůstává kruhová, tedy všesměrová (tj. poletíte-li s modelem dokola po kružnici, kvalita přijímaného signálu se nebude měnit), zcela jiná situace je v rovině vertikální. Prostorový model takové charakteristiky vypadá asi takto:

Charakteristika všesměrové antény se ziskem 3dBi Model směrové charakteristiky všesměrové antény 3dBi

Směrová charakteristika takové antény má tvar americké koblihy. S touto anténou dosahujeme dobrého příjmu v dálce nad horizontem, avšak výš nad obzorem se příjem zhoršuje. Z grafu můžeme odečíst, že cca 35° nad obzorem je příjem o 3dBi horší než na horizontu, tj. citlivost poloviční a dosah odmocnina ze 2krát menší. V nadhlavníku je citlivost antény prakticky nulová, tj. s modelem nad hlavou videosignál ztratíte.

Na dalších obrázcích vidíte charakteristiku všesměrové 7dBi antény a její plastelínový 3D model. Připomíná hodně zploštěnou koblihu s výrazně potlačenými bočními laloky, které na modelu vypadají jako malé růžky.

Charakteristika všesměrové antény se ziskem 7dBi Model směrové charakteristiky všesměrové antény 7dBi


Zatímco nízko nad horizontem můžeme letět vice jak 2 krát tak daleko než při použití dokonale všesměrové antény, výš nad horizontem se citlivost velmi rychle ztrácí. Při použití jediné přijímačové antény je tento typ pro FPV zcela nevhodný. Vhodná je naopak s diversity přijímačem s více anténními vstupy, kdy sektor výš nad obzorem a “nad hlavou” vykryjete druhou anténou, buď všesměrovou, nebo směrovou panelovou anténou namířenou vzhůru.

Následuje charakteristika směrové 8dBi panelové antény a 3D model její směrové charakteristiky:

Charakteristika směrové panelové antény se ziskem 8dBi Model směrové charakteristiky panelové antény 8dBi

Jedná se o typickou charakteristiku panelové antény. Můžete letět velmi daleko ve směru osy antény, kam je vržena takřka všechna její citlivost. Vně kuželu cca 50° širokého citlivost prudce klesá a při letu nad anténou a bokem se signál zcela ztrácí. Tuto anténu nelze použít jako statickou, je však ideální při použití antenna trackingu, kdy se pozemní anténní systém natáčí za modelem a sleduje jej na obloze. Dobře by posloužila i jako sekundární anténa namířená vzhůru pro vykrytí sektoru nad hlavou. V takovém případě ji nepokládejte přímo na zem, cca 30 cm nad zemí dosáhnete lepších výsledků.

Charakteristika směrové panelové antény se ziskem 11dBi

Panelové antény ještě vyššího zisku budou samozřejmě ještě směrovější a s ohledem na velmi úzký příjmový kužel je bude možné používat pouze s antenna-trackerem. Obrázek nalevo zobrazuje směrovou charakteristiku panelové antény se ziskem 11dBi. Vidíme, že šíře příjmového kužele (tedy. úhel, v němž anténa vykazuje pokles citlivosti o 3dBi, tedy na polovinu) je široký jen 35°.
Existují panelové antény ještě vyšších zisků (13dBi, 17dBi), ty jsou předurčeny pro užití pouze s aktivním antenna-trackerem pro lety za hranici přímé viditelnosti.

Z toho docházíme k závěru, že antény vyššího zisku budou vice směrové. Vysílač poskytuje na výstupu jistý vyzařovaný výkon, na čemž anténa nemůže změnit; je jej rozdílně rozděluje do různých stran. Je to něco za něco - anténa vyššího zisku "dosáhne dále", ale je třeba ji zaměřovat směrem k vysílači a to tím přesněji, čim vyšší její zisk je.

Dalším bodem, který je třeba zmínit a mít na zřeteli, je polarizace antény.

Ač obě antény na dalším obrázku mají podobný zisk i charakteristiku, s první z nich dosáhnete výrazně lepších výsledků (zvláště pokud jde o výpadky obrazu) než s klasickou pigtail anténou, zejména při umístění nízko nad zemí. Jedinečné výsledky pak lze dosáhnout použitím speciálních tvarů antén, které si již budete muset vyrobit podomácku vlastním úsilím.

Důvodem je polarizace.

Vertikálně lineárně polarizovaná vlna

Vertikálně polarizovaná vlna

Horizontálně lineárně polarizovaná vlna

Horizontálně polarizovaná vlna

Běžné antény, které každý den vidíte na střechách domů, vysílacích věžích a BTS stanicích mobilních operátorů jsou antény lineárně polarizované. Hovoříme o polarizaci vertikální nebo horizontální. Elektromagnetické vlnění se z těchto antén šíří především v jedné preferované rovině. Druhou z polarizací získáte otočením antény o 90°.

Problém je v tom, že signál vysílaný anténou s polarizací v určité rovině bude dobře přijímán jen anténou s toutéž polarizací. Intenzita přijímaného signálu se může při otočení antény o 90° zmenšit i o 30dBi (a to je vážně moc – víc jak 1000 násobek!). Tomuto stavu říkáme stav křížené polarizace.

Lineárně polarizované antény jsou výrobně velmi jednoduché a tudíž levné a v řadě každodenních aplikací plně vyhovující. Pokud vysílací i přijímací anténa jsou umístěny staticky a vzájemnou polohu nemění, problém křížené polarizace prakticky nemůže nastat. Stěží se váš dům i s anténním držákem otočí o 90°, což by vám přineslo například problémy se ztrátou příjmu Wi-Fi internetu nebo TV signálu.

Jinak je tomu u FPV modelu, kde looping nebo jiný rotační manévr vede ke krátkému výpadku obrazu způsobenému krátkodobě kříženou polarizací.

To ovšem nelze přeložit tak, že problémy s polarizací jsou tématem pro FPV letce provozující 3D akrobacii, zatímco poklidný větroňář nemá problém. V otevřeném prostoru to může i platit, jinak je tomu při létání v členitějším terénu, v blízkosti hran překážek a stěn budov, kde dochází k odrazům a ovlivnění smyslu polarizace.

A tady začíná být polarizace významná.

Místo polarizace jen v jedné rovině kruhově polarizovaná anténa přenáší vlnění obou rovin, fázově otočené o 90°. Přenášené vlnění v tomto případě nemá charakter sinusovky, ale spirály. Podle smyslu otáčení příchozí vlny hovoříme o pravotočivé nebo levotočivé kruhové polarizaci. Bohužel obrácení smyslu otáčení není možné změnou orientace antény, nýbrž je dáno jejím konstrukčním provedením.

Pravotočivá kruhově polarizovaná vlna

Levotočivě polarizované vlnění

Dopadne-li lineárně polarizovaná vlna na kruhově polarizovanou anténu (s libovolným smyslem otáčení), příjem je možný jen s útlumem 3dBi nezávisle na rovině polarizace. To umožňuje letět v jakékoli vzájemné orientaci bez výpadku signálu a je skvělým řešením pro všechny FPV letce.

Je tu však ještě lepší možnost!

Jedná se o použití dvou stejně kruhově polarizovaných antén, jedné na straně vysílací, druhé na straně přijímací. Proč?

Pokud se např. pravotočivě kruhově polarizovaná vlna potká s levotočivě kruhově polarizovanou anténou (a naopak), nastává stav podobný křížené polarizaci – přijímaný signál je výrazně potlačen.

Pokud kruhově polarizovaná vlna narazí na překážku a je odražena, mění svůj smysl rotace. Přijímač přijímá přímou i odraženou vlnu, což vede k příjmu opravdu špatného obrazu. Projevuje se od výskytu barevné odchylky v obraze přes výpadek barev, výskyt zrnících pruhů až po vymizení obrazu. Tento typ rušení je vůbec nejhorším nepřítelem v boji o získání nepřerušovaného a kvalitního obrazového spojení. Míra rušení závisí na vzájemné poloze modelu, přijímačových antén a rozložení překážek v okolí.

Spirálová směrová kruhově polarizovaná anténa (helix)

A teď to přijde.

Jak již bylo řečeno, odražená kruhově polarizovaná vlna mění smysl své rotace. A co se stane, když se na kruhově polarizované anténě setkají dvě vlny s opačnou kruhovou polarizací? Jedna je anténou přijata, zatímco druhá výrazně potlačena. To dává šanci k přijetí jen přímého vlnění a k výraznému potlačení odražených vlnění. Ve výsledku to vede k lepšímu a stabilnějšímu obrazu a prodloužení užitečného dosahu videosystému.

Všesměrová kruhově polarizovaná anténa se segmenty ve tvaru jetelových listů (cloverleaf antenna)

Při použití lineárně polarizované antény na straně videovysílače v modelu a kruhově polarizované antény v pozemní stanici zase dosáhneme rovnoměrnějšího příjmu obrazu s menším množstvím výpadků, neboť pozemní stanice se stane méně závislou na aktuální poloze modelu v prostoru při různých akrobatckých figurách. Ačkoliv ale kombinace antén lineárně a kruhově polarizovaných zároveň jsou teoreticky možné, zpravidla se oba typy nemíchají a anténní systém se navrhne jako výhradně lineárně či kruhově polarizovaný na straně vysílání i příjmu.

Proč se tedy kruhově polarizované antény nepoužívají všude? Je to o penězích. Jejich konstrukce je podstatně složitější a jsou tudíž o dost dražší. Také jsou objemnější a hůř se shánějí, ale i jejich komerční dostupnost se v posledních dvou letech výrazně zlepšila. Pro nejnižší frekvence 433 a 900MHz si je zřejmě budete muset udělat sami. Ve specifické aplikaci, jakou je FPV, své místo právem mají a v současnosti významně vytlačují lineárně polarizované systémy.

Jakou anténu bychom měli připojit k videovysílači na modelu? Pochopitelně vždy všesměrovou anténu nízkého zisku (lineárně nebo ještě lépe kruhově polarizovanou), neboť model mění svoji polohu v prostoru, což by nemělo mít vliv na výkon vysílaný směrem k pozemní stanici, vodítkem vám bude tato kapitola vyhražená rozboru této problematiky.

Panelová a všesměrová pigtail anténa v pozemní FPV stanici

Výběr vhodné antény na straně přijímače závisí na mnoha faktorech a je podrobně popsán v této kapitole.

Při použití diversity receiveru, který umožňuje připojení více anténních zdrojů, se nabízí realizace různých kombinací antén, z nichž některé jsou více šťastné, jiné méně. Podrobným popisem kombinací různých anténních typů a jejich směrových charakteristik s ohledem na záměr vašeho letu se zabývá kapitola Anténní soustavy pro příjem.

Použití antenna trackingu otevírá možnost připojení úzce směrových lineárně nebo kruhově orientovaných antén automaticky naváděných za modelem a tím i dosažení letových vzdáleností od pozemní stanice větších než 1,5km.

Možností pro „fajnšmekry“ je vylepšení anténní soustavy modelu použitím dvou videovysílačů různých frekvencí s použitím opačně kruhově polarizovaných antén. Článek o této problematice je v přípravě a bude převeden do veřejné části serveru v průběhu léta 2014.

Kromě komerčně dostupných antén můžete přistoupit i ke konstrukci vlastních, zejména kruhově polarizovaných antén. Detailní návody "jak na to" naleznete v sekci Udělej si sám.

zpět >

?

 

ZDcyOGFkN2