Алексей МИХАЙЛОВ, эксперт
Казалось бы, что все радиотехнические параметры РСПИ уже разобраны и учтены, однако, еще осталось поговорить об антенном хозяйстве на объекте охраны.
В своих рассуждениях мы не затронули объектовое оборудование РСПИ.
Недаром говорят, что лучший усилитель – это антенна. Того, кто сомневается в верности приведенной фразы, отсылаю к формуле Б. А. Введенского.
Для расчета уровня поля в точке приема Б. А. Введенским была выведена формула, см. [1]
где:
r – длина трассы связи в км;
λ – длина рабочей волны передатчика в метрах;
Pизл – мощность передатчика в киловатах;
Gпер – коэффициент усиления передающей антенны;
h1, h2 – высота подвеса передающей и приемной антенн в метрах.
к – поправочный коэффициент, учитывающий среду распространения, лежит в пределах 0,2–0,4.
Анализ этой формулы приводит к интересным выводам.
Уровень поля в точке зависит от мощности передатчика как корень из излучаемой мощности, т. е., увеличивая мощность передатчика в 4 раза, мы увеличиваем уровень поля всего в 2 раза. Гораздо рациональнее добиваться зоны уверенного приема путем подъема высот приемных и передающих антенн и построения системы связи в РСПИ по сотовому принципу.
Gпер – коэффициент усиления передающей антенны оказывает такое же влияние на уровень поля в точке, что и мощность передатчика. Поэтому крайне важно снизить потери мощности в антенном кабеле. Всегда надо добиваться хорошего согласования как приемной, так и передающей антенны. (Добиваться низкого коэффициента стоячей волны (КСВ.)
С ростом дальности (r) трассы уровень поля падает по квадратичному закону, что делает увеличение мощности передатчика нерациональным решением для значительного увеличения дальности связи. (Реально надо остановиться на мощности передатчика в РСПИ на 2–5 Вт.)
Коэффициент усиления антенны выражается в дБ.
Величина, выраженная в децибелах численно равна десятичному логарифму безразмерного отношения физической величины к одноименной физической величине, принимаемой за исходную, умноженному на десять:
где АдБ – величина в децибелах, A – измеренная физическая величина, A0 – величина, принятая за базис.
За базис при измерении К ус. антенны принимают полуволновой диполь. Кус.. такой антенны = 0 дБд (т. е. относительно полуволнового диполя).
Иногда Кус. антенны измеряют относительно изотропного излучателя, тогда необходимо указывать величину (дБи), разница между дБд и дБи в 2,15 раза, т. е.
1 дБд = 2,15 дБи. Очень часто буква «и» исчезает из обозначения и антенны с одинаковыми габаритами и рабочими частотами имеют в обозначении разный Кус. антенны.
Чудес не бывает, просто один производитель пишет честно свой параметр, а другой лукавит.
Примечание. Изотропный излучатель – воображаемая (идеальная) антенна, излучающая во все направления электромагнитную энергию одинаковой интенсивности. Диаграмма направленности изотропного излучателя круговая во всех сечениях.
Поэтому, если у антенны коэффициент усиления меньше, чем у четвертьволнового вибратора с противовесом, то его Кус. будет идти с минусом, допустим, -3дБд.
Примечание: выраженная в метрах длина волны в свободном пространстве и частота, выраженная в мегагерцах, связаны простой зависимостью.
где: – длина волны в м;
с – скорость света (физическая константа 3 x 108 м);
t – время в c, F – рабочая частота в Гц;
Длина волны представляет путь, который пройдет радиосигнал за один период колебания (см. рис. 1). Скорость радиоволны для упрощения принимают за скорость света. Таким образом, всегда можно перейти от длины волны к частоте и наоборот.
Зная тип и габариты антенны, можно ориентировочно определить рабочую частоту передатчика, поскольку габариты антенны пропорциональны 1/4 , 1/2 , 5/8 , 3/4 и т. д.
Рис. 1 Графическое представление длины радиоволны ()
Рис. 2
Графическое представление полуволнового вибратора (λ/2= λ/4 + λ/4), взятого за точку отсчета Кус. антенны
Легко понять, что если у нас Fраб. = 300 МГц, то длина волны (λ) = 1м, а длина четвертьволнового вибратора с противовесом будет 0,5 м.
В антенном хозяйстве усиление можно получить только за счет роста габаритов антенны.
При использовании укороченных четвертьволновых вибраторов, особенно когда противовесом выступает корпус передатчика, Кус. антенны. будет идти с минусом дБ, см. рис. 3.
Корпус передатчика никоим образом не создавался с точки зрения реализации эффективного противовеса и им не является.
Рис. 3
Пример использования внешнего передатчика с укороченным 1/4 вибратором, где противовесом выступает корпус передатчика.
Ненамного лучше дело обстоит в случаях, когда в качестве противовеса выступает корпус объектового оборудования, см. рис 4. Часто для экономии средств или от непонимания физики процесса в качестве антенны выступает кусок проволоки.
Чем меньше диаметр антенного вибратора, тем более узкополосной получается антенна.
Поэтому, когда такую антенну располагают рядом с проводящей поверхностью, она «расстраивается», уходят в сторону резонансные характеристики, и изменяется волновое сопротивление, а ведь по определению такие приборы вешаются на стенку. Хорошо, если стена сделана из дерева или гипсокартона (но даже и такие поверхности оказывают свое негативное влияние), а ведь может быть железобетонная стена или металлическая поверхность.
Конечно, и здесь корпус прибора не является хорошим противовесом.
Кус. антенны. такой антенны тоже будет идти с минусом дБд.
Рис. 4
В качестве противовеса использован корпус приемно-контрольного прибора
Если антенна выполнена в виде печатной платы, то ко всем перечисленным проблемам добавляются потери ВЧ-сигнала на печатном проводнике, см. рис. 5.
Внешний вид такой антенны не портит дизайн помещения, и она привлекательна с точки зрения пользователя.
Однако, с моей точки зрения, не должна эффективность работы РСПИ приноситься в жертву дизайну.
Рис. 5
Антенна выполнена в виде печатной платы и закрыта пластиковым корпусом
Все перечисленные антенны являются внутренними, т. е. они устанавливаются внутри помещения, поэтому оцените и степень потерь полезного сигнала при прохождении через стену, см. табл 1.
Таблица 1. Затухание сигнала внутри помещения
Поэтому только внешние антенны способны действительно обеспечить приемлемый Кус. антенны. Внешние антенны бывают ненаправленными и направленными, см. рис. 6.
Ненаправленные антенны проще в развертывании, поскольку их не надо ориентировать по азимуту, но они имеют меньший коэффициент усиления.
При развертывании направленных антенн необходимо засечь азимут на пункт централизованного наблюдения (ПЦН). Затем связаться с ПЦН и замерить уровень принимаемого сигнала, далее отвернуть антенну на (10–15)° влево, а затем вправо, постоянно измеряя изменения полезного сигнала. При достижении максимума зафиксируйте антенну. Не всегда прямое направление на ПЦН бывает лучшим, при экранировании трассы зданиями часто отраженный сигнал имеет большую амплитуду.
Рис. 6 Внешние антенны
Таким образом, используя внешние антенны, можно получить выигрыш в (8–9 дБд).
Не могу не удержаться от «добрых» советов при развертывании антенн.
1) При использовании направленных антенн кабель подключения прокладывайте параллельно траверзу антенны, см. рис. 7, поскольку траверз направленной антенны имеет нулевой потенциал и наличие на его поверхности экранированного кабеля не оказывает на него влияние. Кабель, проложенный параллельно вибратору и находящийся в непосредственной близости от вибратора, «расстраивает» антенну.
Рис. 7
2) Для большей развязки канала РСПИ от каналов ТВ-вещания вибраторы антенн располагайте вертикально, так называемая развязка по поляризации сигнала.
3) Контролируйте КСВ антенн.
КСВ – это коэффициент стоячей волны по напряжению, измеренный на входе антенны или кабеля, подключенного к приемной или передающей антенне. Характеризует КПД и исправность антенно-фидерного тракта.
Численная оценка потерь рассеивания за счет конечного согласования рассчитывается по формуле [5], численное значение представлено на рис. 8.
Рис. 8
Зависимость вносимого затухания от уровня КСВ
Ррас. = 10lg[1-(КСВ-1)/(КСВ+1)2 [5]
Таким образом, КСВ от 1–2 считается приемлемым для большинства случаев.
Если вы получили КСВ порядка 1,3–1,5, то вам не стоит беспокоиться.
Если КСВ находится в диапазоне 1,6–2, то обратите внимание на потери в ВЧ-разъемах. Для антенны такой уровень КСВ будет означать, что у нее есть проблемы с согласованием и ее надо попытаться настроить.
КСВ 2,1–5 должен вас насторожить. Это уже явная неисправность.
КСВ 5 и выше означает обрыв центральной жилы в кабеле или в антенне.
Иногда при обрыве центральной жилы в кабеле система может еще работать и даже принимать извещения. Такой случай может быть, если обломанные концы кабеля не разошлись в стороны друг от друга. В этом случае получается эквивалентная схема емкости, где обкладками являются торцы центральной жилы кабеля, а диэлектриком воздушная прослойка, см. рис. 9. За счет высокой частоты УКВ связи возможно прохождение сигнала через такую емкость, правда, с ослаблением в 100 и более раз.
Рис. 9
Измеритель мощности и КСВ должен быть в любой организации, имеющей радиопередающие или приемные средства. Поскольку, не зная КСВ антенн или выходной мощности передатчика, невозможно правильно оценить исправность радиооборудования. Порой даже трудно обнаружить, что на объекте произошло изменение.
4) Учитывайте взаимное влияние передатчика на приемник (в том числе и ТВ-вещания)
Взаимное влияние передатчика на приемник при близком расположении друг к другу
При работе РСПИ часто наблюдается взаимное влияние передатчика (РПД) на приемник (РПМ) при их близком расположении, даже если их рабочие частоты не совпадают.
Примером такого влияния можно назвать взаимное влияние ретрансляторов (РТ) различных РСПИ или радиосредств друг на друга.
Ретрансляторы располагают на высокостоящих зданиях, но таких зданий немного и они перегружены уже развернутыми там радиосредствами. (Обычно взаимное влияние РПД на РПМ не проверяется, что является типовой ошибкой.)
Другим примером влияния можно назвать влияние РПД РСПИ на телевизионный приемник. Эффект обычно проявляется в «подергивании» изображения и щелчком по звуковому каналу приема телевещания. Наличие такого эффекта всегда надо проверять при установке УО РСПИ в жилых помещениях пользователей.
Рассмотрим механизм такого воздействия.
Рис. 10
Структурная схема приемника
На рис. 10 изображена типовая структурная схема приемника РСПИ (телевизионный приемник непринципиально отличается от приведенной схемы). Полоса пропускания антенны в диапазоне УКВ редко бывает меньше 4 МГц. Антенна обладает слабой избирательностью, более того, антенны стараются делать как можно более широкополосными (при этом на них оказывается меньшее влияние от рядом находящихся массивных металлических предметов или осадков).
Входной полосовой фильтр характеризуется добротностью (Q).
Считается хорошей добротностью для фильтра добротность порядка 200.
Q = Fр /F
Q – добротность
F – полоса пропускания фильтра (обычно по уровню – 0,7)
Fр – рабочая частота
Если добротность – 200, а рабочая частота составляет 400 МГц, то полоса пропускания составит 2 МГц. В нашем случае мешающий сигнал часто находится гораздо ближе к рабочему диапазону ТВ-вещания.
Вообще, полосовой фильтр в ВЧ-тракте редко может помочь при попытке отфильтровать полезный сигнал при близком расположении помехи по частоте.
Далее сигнал попадает на усиливающий каскад. Таким образом, если мешающий сигнал находится на частоте F мешающая = F рабочая ± 2 МГц, то он без ослабления обрушивается на первый каскад усиления. После чего РПМ полностью блокируется или усилитель РПМ переходит в режим нелинейного усиления. В результате нелинейного усиления и двукратного преобразования частоты в смесителях № 1–2 появляется огромное количество комбинационных частот, одна из которых совпадает с частотами прямого усиления (что мы и наблюдаем на экране и в звуковом канале телевизора).
Аналогичная проблема существует и при использовании двухчастотных ретрансляторов. Поэтому, если вам предлагают установить двухчастотный ретранслятор с разносом частот в 500 кГц или менее, следует насторожиться. Это можно сделать только за счет снижения чувствительности приемника.
Эту проблему можно решить несколькими способами.
Можно увеличить разнос между антеннами как по высоте, так и в горизонтальном направлении. Мощность в точке приема от расстояния падает как «квадрат» расстояния. Разнос по вертикали дает лучшие результаты, так как при расположении одной антенны строго под другой теоретически они не должны влиять друг на друга, см. рис 11, но он сложнее по реализации.
Реально всегда есть отражения радиоволн от подстилающей поверхности, металлических предметов на крыше и влияние В.Ч. энергии от передающей антенны на приемный тракт. Однако «разнос» антенн по вертикали на (4–5) м дает ослабление мешающего сигнала на 40 дБ.
Разнос антенн по горизонтали на 5 м дает ослабление сигнала порядка (20–30) дБ. При невозможности разнести в пространстве антенны радиосредств используйте полосовые или режекторные В/Ч фильтры, не забывая проанализировать их амплитудно-частотные характеристики.
Рис. 11
Разнос антенн по вертикали
Рис. 12
Разнос антенн по горизонту
В конце статьи остается только пожелать всем успеха в благородном деле развития радиоохраны.
Список литературы
1) Рекомендации «Применение оборудования радиоканальных систем передачи извещений (РСПИ)». М.: НИЦ «Охрана», 2015;
2) Учебное пособие «Отечественные радиосистемы передачи тревожных извещений». М.: НИЦ «Охрана», 2004;
3) Григорьев Н. Н. Учебно-справочное пособие «Особенности распространения радиоволн и антенно-фидерные устройства радиосистем». М.: НИЦ «Охрана».