Вибір антен для систем радіозв’язку діапазонів VHF/UHF

При побудові антенно-фідерного тракту ретранслятора або стаціонарної радіостанції, вибір антен обумовлений рядом основних факторів:

– діапазон/піддіапазон робочих частот;

– вид діаграми спрямованості в горизонтальній площині – кругова (omni) або спрямована, і ширина кута її спрямованості;

– коефіцієнт підсилення антени, баланс між шириною кута спрямованості і підсиленням;

– ширина полоси антени з коефіцієнтом стоячої хвилі (КСХ) ≤ 1,5 що обумовлена дуплексним розносом частот прийому/передачі.

Нижче розглянемо особливості різних типів антен і способів їх застосування.

Оптимальну кругову діаграму спрямованості забезпечують штирьові антени – J-антени (AJ), або колінеарні (AF).

J-антена проста в установці, досить жорстка конструкція, але має не велике підсилення (0 дБд/2,14 дБі) та досить вузьку смугу частот (біля 5 мГц в діапазоні VHF і 10 мГц в діапазоні UHF). Цього достатньо для ретрансляторів з використанням дуплексерів, але при зміні номіналів частот можливо буде потрібно замінити антену.

Колінеарні антени складаються з ланок 5/8λ×Х або 1/2λ×Х, мають коефіцієнт підсилення ≥3 дБд і більшу ширину полоси частот, ніж у J-антен. Але вони все рівно не перекривають весь діапазон VHF або UHF і виготовляються на піддіапазони.

Широкополосні колінеарні антени для діапазонів VHF-UHF мають складну конструкцію, високу вартість і експлуатуються в основному в військових системах радіозв’язку (Harris, Aselsan та інші).

Важливо пам’ятати, що вертикальні колінеарні та J-антени повинні бути розміщені або на верхівці щогли, або винесені на відстань хоча б 2λ від неї. Якщо розмістити антену на короткій відстані збоку щогли, остання буде давати «тінь» і розвалювати діаграму антени.

Коефіцієнт підсилення і полоса антен.

  • J-антена ½ λ має коефіцієнт підсилення 0 дБд або 2,14 дБі,  смугу з КСХ ≤ 1,5  – 4,5 МГц і  робочу довжину 1450 мм для частоти 154 МГц. Це обумовлено законами фізики.

Чим вище частота, тим ширше полоса. Але підсилення в такої антени 0 дБд. Тому не треба очікувати від неї більшого що б там не було написано на етикетці.

  • Колінеарна антена 2х½ λ з коєфіцієнтом підсилення 3 дБд/5,14 дБі для частоти 146 МГц має довжину 3 метри, полосу в 5% від номіналу частоти.

Дипольні антени (AD) характеризуються широкою полосою частот, що перекриває весь діапазон VHF або UHF, механічною прочністю і довговічністю в експлуатації. При цьому діаграма спрямованості не є повністю круговою в горизонтальній площині і залежить від варіанту установки. Так змінюючи відстань встановлення диполя від щогли можна регулювати діаграму від максимально кругової до спрямованої. Параметр підсилення 4-х елементної антени 6-9 дБд якраз відображає такі варіанти.

Диполі антени розміщуються В ОДНІЙ ПЛОЩИНІ на відстані по вертикалі, що дорівнює 5/8 довжини хвилі. Тоді антена являє собою фазовану решітку і працює як одне ціле.

Щогла дипольної антени являється рефлектором і фактично є її частиною. Тобто антена НЕ БУДЕ працювати якщо розмістити диполі на неметалевій конструкції. Відповідно висота щогли повинна перекривати всю висоту конструкції диполів, а також забезпечувати підняття антени над горизонтальною поверхнею, якщо вана розміщена на даху.

Диполі зручніше коли використовуються дві антени без дуплексера. У цьому випадку їх можна розмістити на одній щоглі, забезпечивши достатній вертикальний рознос. Таким же чином можна розмістити декілька антен різних діапазонів, або ретранслятора і стаціонарної радіостанції.

Спрямовані антени (AY) «хвильовий канал», або Yagi антена, частіше використовуються для діапазонів VHF/UHF. Конструктивно робляться з дипольним вібратором або з гамма-узгодженням.

Антени з диполем мають широку смугу, короткозамкнуті по постійному струму, що практично виключає вплив атмосферної статики, якщо антена змонтована на металевій конструкції, яка має заземлення.

Гамма-узгодження дешевше у виконанні, але має вужчу смугу, менше захищене від атмосферного впливу, і несиметричність струмів в кабелі може призводити до нестабільності діаграми.

Формування діаграм спрямованими антенами 

При необхідності забезпечення максимальної дальності радіозв’язку в заданих протилежних напрямках можливо використання для ретрансляторів спрямованих антен «хвильовий канал» (AY), розміщених під кутом 180º і об’єднаних суматором. На перпендикулярі до лінії антен можливий перетин діаграм і деяке биття і ослаблення сигналів, але загалом досягається потрібний ефект.

Ширина кута діаграми в горизонтальній площині буде визначатися вибором антени. Використовуючи механічний наклон антен в вертикальній площині, можна змінити положення вертикальної пелюстки діаграми антени. Це може бути актуально в умовах складного рельєфу або висотної міської забудови.  

Але таке рішення можливе саме коли антени AY розміщені під 180º. Якщо кут менше або робиться схема з 3-4 антен, необхідно забезбечити екран для придушення задніх пелюсток і враховувати кути діаграм антен в горизонтальній площині.

Складуючи 2 або 4 спрямовані антени узгодженими суматорами в фазовану решітку, можемо отримати відповідно додатково 3 або 6 дБ підсилення. Тобто, якщо ми складаємо дві однакових антени підсиленням 6 дБд, то отримуємо двухелементну спрямовану антену підсиленням 9 дБд.

Вибір антен для роботи ретранслятора без дуплексера

При роботі ретранслятора з двома антенами без дуплексера треба забезпечити вертикальний рознос між антенами, щоб передавач не давив приймач. Методика розрахунку розписана в статті: https://horwin.info/statti/metodyka-rozrakhunku-neobkhidnoho-pro/

Відповідно, якщо є можливість вибору номіналів частот ретранслятора, варто обирати пару з максимальним розносом. Більше дуплексний рознос – менше рівень придушення приймача передавачем, простіша і дешевша конструкція прийомо-передаючого ВЧ-тракту.

Якщо дві антени різного підсилення – більшого ставиться на прийом.

Якщо одна вузькополосна (наприклад колінеар), а друга широкополосна (наприклад діполь), то при однаковому підсиленні вузькополосну на прийом, при умові, що резонансна частота відповідає прийому. Вона таким чином в певному ступені “обріже” сигнали передавачів.

Прийомну антену варто розміщувати вище передаючої