Про варіанти побудови ВЧ-тракту базової станції докладно йдеться у статті Побудова високочастотного тракту базової станції системи радіозв’язку.
У цьому матеріалі ми коротко розглянемо питання, пов’язані з побудовою антено-фідерного тракту, які найчастіше постають перед зв’язківцями-початківцями під час першого знайомства із завданням організації та встановлення обладнання ретранслятора.
Загальний склад обладнання базової станції з одноканальним ретранслятором наведено на малюнку.
У разі тимчасового розміщення або встановлення в польових умовах можливий вибір компромісних рішень залежно від конкретних обставин. У будь-якому випадку мінімально необхідний набір обладнання включає: ретранслятор, дуплексер, джампери (перехідники) для комутації ретранслятора з дуплексером, антенний фідер та антену. Додатково рекомендується встановлення пристрою грозозахисту.
«Штир» чи петльовий вібратор?
Не існує антен, які є кращими чи гіршими лише через їхнє конструктивне виконання. Кожен тип антен має свої особливості, які можуть бути оптимальними для певного завдання. Головне — щоб антена була якісно спроєктована та виготовлена.
Принцип роботи будь-якої антени в режимі передавання сигналу полягає в перерозподілі енергії: замість рівномірного поширення сигналу в усіх напрямках (сферично) він спрямовується в певному напрямку, що визначає діаграму спрямованості в горизонтальній та вертикальній площинах. У режимі приймання сигналів антена працює дзеркально.
Додаючи елементи в антенну систему або змінюючи їхнє розташування відносно одне одного, можна досягти концентрації енергії та підсилення сигналу в потрібних напрямках, формуючи діаграму спрямованості — чи то кругову (omni-directional), чи спрямовану в один бік.
У народі «штирем» називають усе, що має відповідний вигляд — як вертикальні антени довжиною 1/4 чи 5/8 хвилі з противагами, так і півхвильові J-антени та колінеарні вертикальні антени. При цьому останні можуть мати підсилення до 10 dBd, зберігаючи вигляд звичайного «штиря». Штирьові антени мають вужчу смугу пропускання порівняно з дипольними антенами з петльовими вібраторами, що робить їх менш універсальними. Проте, якщо немає потреби змінювати частоту ретранслятора, вони мають свої переваги: правильну кругову діаграму спрямованості без провалів, нижчу вартість і простий монтаж. Вузькосмугова колінеарна штирьова антена також забезпечує додаткову селекцію сигналів завдяки різкому зростанню коефіцієнта стоячої хвилі (КСХ) за межами робочої смуги.
Дипольні антени з петльовими вібраторами мають широку смугу пропускання, що дозволяє перекривати весь діапазон частот VHF або UHF. Використовуючи кабельні суматори, можна в польових умовах об’єднувати антени для збільшення підсилення. Наприклад, об’єднання двох двоелементних антен дає змогу отримати чотирьохелементну антену з вищим підсиленням.
Змінюючи відстань від щогли до елементів антени, можна формувати діаграму спрямованості — від умовно кругової до спрямованої в потрібний бік. Конструкція таких антен дозволяє встановлювати кілька антен на одній трубостійці (щоглі), створюючи жорстку та міцну систему, стійку до вітрових навантажень.
Серед недоліків — більша громіздкість і складність монтажу в порівнянні зі штирьовими антенами. Діаграма спрямованості таких антен не є ідеально круговою, а має форму кардіоїди. Проте в деяких випадках саме така форма діаграми може бути перевагою для забезпечення оптимального радіопокриття.
Практичний приклад вибору антени. Для застосування в складі ретранслятора, який працює на незмінних частотах, цілком підійде вузькосмуговий колінеар. Однак, якщо стаціонарна абонентська радіостанція повинна підтримувати зв’язок з кількома ретрансляторами, частоти яких розташовані на відстані десятків МГц одна від одної, знадобиться широкосмугова антена.
Таким чином «кто более матери-истории ценен»? Все залежить від конкретної задачі та умов застосування.
Коаксіальні роз’єми
Найбільш поширені типи роз’ємів, які використовуються в обладнанні УКХ, — це UHF, N-типу та BNC. Роз’єми типу UHF мають і інші назви: PL259 (штекер) та SO259 (гніздо). Найчастіше для розрізнення типів контактів «штекер» і «гніздо» використовують терміни «папа/мама» або їх англомовні еквіваленти «Male/Female».
При виборі роз’єму також важливо звертати увагу на марку кабелю, оскільки кабелі мають різні геометричні розміри. Тому під час вибору роз’єму необхідно звертатися до специфікації, де вказано тип або марка кабелів, для яких цей роз’єм підходить.
Роз’єм UHF не призначений для використання на частотах вище 200 МГц внаслідок своєї конструкції. Назва типу вводить в оману тому, що цей роз’єм був розроблений в 30-х роках минулого сторіччя, коли в інженерній термінології всі частоти вище 30 МГц вважалися дуже високими, звідти і назва Ultra High Frequencies. Хоча роз’єми UHF можна використовувати в VHF діапазоні, особливості їх конструкції можуть призвести до неякісного монтажу та з’єднань, що, у свою чергу, може викликати високий коефіцієнт стоячої хвилі (КСХ).
Роз’єми BNC працюють на частотах до 4 ГГц, мають надійний контакт і є зручними при частому підключенні та відключенні. Варто звернути увагу, що існують роз’єми з конструкцією на 50 Ом для обладнання радіозв’язку та на 75 Ом, які найчастіше використовуються для передачі відеосигналів. Потрібно обов’язково розрізняти їх при виборі: роз’єми BNCm на 50 Ом мають кільце білого діелектрика, що оточує штирьовий контакт (якщо дивитися на «штекер»), тоді як у роз’ємів на 75 Ом — просто штирьовий контакт без додаткових елементів.
Роз’єми N-типу призначені для роботи в діапазонах радіочастот до 18 ГГц і є одними з найбільш універсальних та широко використовуваних у радіосистемах.
Антенний фідер
Коаксіальний кабель, який використовується в якості фідера для підключення антен, має важливий параметр — величину загасання сигналу в дБ на метр. Чим довше фідер, тим більші загасання і відповідно — втрати корисного сигналу.
Крім того, чим вища частота, тим більше загасання. Тому довгий фідер, який у діапазоні VHF має ще прийнятний рівень втрат, у діапазоні UHF вже не доцільно використовувати. Кабелі з більшим діаметром та кабелі з внутрішньою ізоляцією зі спіненого діелектрику мають менше загасання. Для прикладу середні характеристики загасання в дБ на частотах 150 та 450 МГц для типів кабелів які найчастіше використовуються в системах УКХ радіозв’язку:
Тип (марка) кабелю | RG58 вспінений/цільний діелектрик | Кабелі 3/8” RG213 | Кабелі 3/8” RG8, LMR400, 7D-FB | Кабелі 1/2” вспінений діедлектрик та цільний трубчатий екран |
150 МГц загасання (втрати) дБ на 100 метрах | 18/23 | 8-9 | 5-6 | 4-5 |
450 МГц загасання (втрати) дБ на 100 метрах | 32/45 | 16-17 | 10-11 | 7-8 |
|  |  |  |  |
Загасання в 3 дБ призводить до зменшення потужності сигналу вдвічі, а в 6 дБ – у чотири рази. Наприклад, якщо з’єднати UHF-ретранслятор з антеною за допомогою кабелю RG8 довжиною 75 метрів, втрати сигналу складуть 7,5 дБ (приблизно в 5,6 разів). Це означає, що з 50 Вт на виході ретранслятора на антені залишиться лише близько 9 Вт. Аналогічно зменшиться й рівень сигналу, що надходитиме на вхід приймача ретранслятора. Такі втрати суттєво впливають на якість і дальність радіозв’язку. Тому, якщо є можливість мінімізувати довжину фідера, варто це зробити, уникаючи намотування зайвого кабелю «про запас».
У радіозв’язку використовуються ВЧ-пристрої, розраховані на підключення навантажень з опором 50 Ом, а в теле та радіомовленні – 75 Ом. З теорії відомо, що чим вищий хвильовий опір лінії передачі, тим нижчі втрати. Що станеться, якщо в радіозв’язку застосувати кабель із опором 75 Ом? Виникне розузгодження на переході 50/75 Ом між пристроями, збільшиться КСХ і з’являться додаткові втрати. Проте ретранслятор все ж працюватиме. Якщо ж стоїть вибір між використанням 50-омного кабелю товщиною 3/8” або товстішого 7/8” з опором 75 Ом для фідера довжиною 100 метрів, то, зважаючи на те, що втрати в 75-омному кабелі будуть значно нижчими, особливо на високих частотах, він виявиться ефективнішим.
Іноді вирішенням проблеми з довгим фідером може бути розміщення ретранслятора ближче до антени, встановлення його в шафі для захисту від атмосферних опадів і пилу, та прокладання до нього кабелю електроживлення.
Чи повинна довжина коаксіального фідера бути кратною ½ довжини хвилі?
Ні. Якщо вхідний імпеданс антени (вхідний опір з урахування активної та реактивної складової яка має бути мінімізована до 0 елементами узгодження) дорівнює хвильовому опору фідера, то фідер працює в режимі біжучої хвилі і, незалежно від довжини, імпеданс на його виході буде дорівнювати імпедансу антени та хвильовому опорі фідера тобто 50 Ом. Це для ідеальних умов в теорії. На практиці імпеданс антени може мати реактивну складову, а хвильовий опір коаксіального кабелю, особливо від «no name» виробників, може відрізнятися від 50 Ом. У такому випадку фідер починає працювати в режимі стоячої хвилі, що спричиняє трансформацію імпедансу. При цьому імпеданс і КСХ змінюватимуться залежно від довжини фідера. Але головне те, що фідер у режимі стоячої хвилі додає додаткове загасання до номінального значення загасання коаксіального кабелю, і жодна зміна його довжини не виправить цю ситуацію.
Вихідні каскади передавача розраховані так, що віддають максимальну потужність на навантаженні з опором 50 Ом. Змінюючи довжину фідера можна «ввести в оману» схему захисту вихідного каскаду від високого КСХ, яка знижує його потужність коли КСХ досягає якогось порога, але втрати корисного сигналу в фідері від цього не зміняться. Висновок – якщо ми підключаємо узгоджену антену з опором 50 Ом на своєму роз’ємі до дуплексера з вхідним опором 50 Ом, кабелем та роз’ємами з хвильовим опором 50 Ом, то підбір довжини антенного фідеру по відношенню до довжини хвилі робочих частот не має значення. І впливає довжина лінійно – більша довжина, більші втрати сигналу в кабелі. Те ж саме стосується і джемперів між ретранслятором і дуплексером, фільтрами і іншими ВЧ-пристроями.
Роз’ємне з’єднання фідера та антени повинно бути ретельно герметизоване. Потрапляння вологи в роз’єми, а згодом і в коаксіальний кабель, призводить до різкого збільшення загасання фідера, що суттєво погіршує якість і дальність радіозв’язку. У польових умовах найпростіший спосіб герметизації – використання сирої гуми, поверх якої накладається ПВХ-стрічка для зовнішніх робіт.
Джампери для з’єднання складових ВЧ-тракту.
У випадку використання грозозахисту, якщо на дуплексері та на грозозахисті використовуються роз’єми N-female (що трапляється найчастіше), знадобиться три джампери:
- для ретрансляторів Моторола серій DR, SLR – N-male/N-male (2 шт.), N-male/BNC-male (1 шт.);
- для ретрансляторів Хітера – N-male/N-male (3 шт.).
Якщо в схемі є додатковий фільтр – плюс джампер N-male/N-male (1 шт.).
Для виготовлення джамперів зазвичай використовують тонкий кабель RG58 або більш якісний RG223 та їхні аналоги. Використання товстішого кабелю не має сенсу, оскільки втрати на короткому відрізку мінімальні, а тонкий кабель значно зручніший для монтажу.
Дуплексер чи дві антени?
Дуплексер – пристрій задачею якого є забезпечення можливості підключення передавача та приймача ретранслятора до однієї (загальної) антени забезпечуючи придушення проникнення сигналу власного передавача ретранслятора до прймального тракту. Для якісної роботи ретранслятора радіозв’язку враховуючи рівні чутливості приймачів ізоляція між сигналами Tx-Rx повинна бути не менш ніж 70 дБ, чим більше – тим краще якість та дальність радіозв’язку. На практиці правильно налаштований дуплексер забезпечує ізоляцію 80-90 дБ. Додатково, в умовах скупченні ретрансляторів в одному місці розташування, дуплексер в певній мірі зменшує вплив сторонніх передавачів на приймач.
Дуплексер – це пристрій, що забезпечує можливості підключення передавача та приймача ретранслятора до однієї (загальної) антени водночас запобігаючи проникненню сигналу передавача у приймальний тракт. Для стабільної роботи ретранслятора ізоляція між сигналами Tx-Rx повинна бути не менш ніж 70 дБ. Чим вища ізоляція, тим краща якість і дальність радіозв’язку. На практиці правильно налаштований дуплексер забезпечує ізоляцію на рівні 80-90 дБ. Крім того, у місцях із великою концентрацією ретрансляторів дуплексер завдяки фільтруючим властивостям частково зменшує вплив сторонніх передавачів на приймач, покращуючи загальну завадостійкість системи.
У випадку, коли є задача оперативно змінювати частоти ретранслятора більше ніж дозволяє смуга дуплексера (без необхідності переналаштування останнього це біля 400 кГц), використовується конфігурація ретранслятора без дуплексера з двома окремими антенами. Ізоляція Tx-Rx при цьому досягається просторовим розносом передаючої і приймальної антен по вертикалі (горизонтальний рознос, якщо це не сотня метрів, не ефективен). Наприклад, вертикальний рознос для частоти 160 МГц і потужності передавача 50 Вт повинен бути від 4 метрів при дуплексному розносі часто Tx-Rx 5 МГц. Детальніше про розрахунки в матеріалі в матеріалі Методика розрахунку необхідного просторового рознесення приймальної та передаючою антен ретранслятора.
Далеко не завжди умови дозволяють зручно розміщувати дві антени та прокладати два окремих фідери, особливо якщо на одній точці розміщено декілька ретрансляторів. До того ж антени з більшим підсиленням мають великі габаритні розміри. Тому, в більшості випадків, в складі обладнання ретранслятора використовується одна антена та дуплексер.
Грозозахист та заземлення
Грозозахист призначений для відводу заряду атмосферної та статичної електрики яка накопичується на елементах антени та фідера. Причиною виникнення статичної електрики може бути механічне тертя пилу, снігу або крижаного дощу, що переноситься вітром, об діелектричні компоненти антенно-фідерної системи або незаземлені металеві конструкції.
Грозозахист ефективно захищає обладнання тільки за умови, що до нього підключено заземлення з достатньо низьким опором розтікання. Без цього грозозахист не має сенсу. Варто також розуміти, що пряме влучання блискавки в антену неможливо повністю запобігти жодним грозозахистом. Тому електротехнічні норми передбачають використання блискавкоприймачів, розташованих на верхній частині щоглових споруд, з окремим контуром заземлення (див. малюнок на початку статті).
Пристрої грозозахисту виготовляються на певний діапазон частот та потужність передавача.
Окрім грозозахисту, при великій довжині антенного фідера для зняття заряду статичної електрики та додаткового захисту обладнання від атмосферної електрики рекомендовано встановлення заземлювачів екрану коаксіального кабелю. Один пристрій заземлення встановлюється на фідері після антени, а другий — перед введенням кабелю в будівлю. Для монтажу заземлювача знімається зовнішня ізоляція кабелю, а місце встановлення ретельно герметизується сирою гумою та ПВХ-стрічкою.
Короткозамкнуті антени, конструкція яких забезпечує гальванічний (електричний) контакт між всіма складовими антени, а також між центральним провідником фідера і його екраном (обплетенням) при кріпленні на металевих щоглах, за умови якісного електричного контакту із заземленою щоглою, а щогли — з землею, ефективно відводять атмосферну статичну електрику, що накопичується на самій антені та на екрані кабелю. Звісно, це працює лише за умови, що самі щогли мають належне заземлення.
Часто при тимчасовому встановленні стаціонарного обладнання радіозв’язку в польових умовах або на існуючих щоглах та елементах будівель не приділяється достатньо уваги до захисту обладнання від атмосферної статичної електрики. Як результат підвищуються ризики виходу з ладу коштовного обладнання ретрансляторів або радіостанцій. Вартість засобів захисту та час на виготовлення якісного заземлення набагато нижчий за потенційні втрати.
Висновок – заземлюйте обладнання відповідно інструкціям та рекомендаціям та встановлюйте грозозахист.