Антенны для ВЧ модулей передачи данных
Для налаживания радиосвязи необходимо учитывать множество критериев. Наиболее часто используемым критерием является дальность радиосвязи, но этот критерий бесполезен без правильного учета других параметров. В частности, речь идет о мощности передачи, чувствительности приемников, коэффициенте полезного действия антенны, а также таких самых обычных параметрах, как ограничение по частоте передаваемого сигнала.
Два других важных параметра упоминаются редко. Речь идет, с одной стороны, об освобождении антенн от окружающих заграждений, а с другой — о высоте передающих и принимающих антенн относительно земли. В самом деле, близость земли создает помехи для радиосвязи и сокращает ее дальность.
Мощность передачи – первостепененно важный параметр при необходимости увеличения дальности радиосвязи. Однако полученная в результате дальность не находится в прямой зависимости от мощности излучения. Для модулей ВЧ мощность излучения выражается в милливаттах (мВт) или децибелах относительно милливатта (дБм). Регламентированная мощность большинства распространенных модулей составляет 10 мВт.
Чувствительность приемника также влияет на дальность радиосвязи, при этом чем лучше чувствительность приема, тем больше дальность. Эта величина выражается в микровольтах (мкВ) или в дБм и означает либо минимальный уровень сигнала, обнаруживаемый приемником, либо отношение сигнал — шум.
-87 дБм <=> 10 мкВ <=> средняя чувствительность приема;
-100 дБм <=> 2,24 мкВ <=> хорошая чувствительность приема;
-105 дБм <=> 1,26 мкВ <=> очень хорошая чувствительность приема;
-110 дБм <=> 1,26 мкВ <=> отличная чувствительность приема.
Чувствительность связана с полосой пропускания приемника и, соответственно, со скоростью цифровой передачи.
Антенны
Для большинства устройств, оборудованных передающими модулями малой мощности (менее 10 мВт), наиболее экономичной является антенна, изготовленная из жесткого электрического кабеля.
К тому же при равных условиях эксплуатации дальность, достижимая при использовании антенны, предлагаемой в продаже, не является лучшей, даже если антенна выглядит более эстетично.
Однако если дальность связи является критической, следует учитывать КПД антенны. Более сложные антенны, специально сконструированные для определенной частоты, обеспечат оптимальную дальность связи с учетом обстановки, в которой они используются.
При этом следует соблюдать нормативно установленное ограничение, так как максимально разрешенная мощность передачи составляет 10 мВт. Эта мощность представляет собой полную излучаемую мощность с учетом коэффициента усиления антенны. К тому же в любом случае антенна должна быть подключена к передатчику. Соответственно, нижеприведенные рекомендации носят экспериментальный характер и не относятся к антеннам коммерческого использования.
Как правило, антенна устанавливается на некотором расстоянии от модуля ВЧ. Она может быть закреплена на стене, мачте или такой плоской поверхности, как металлический фасад постройки или металлический капот автомашины. Для информации: для антенны длиной 16,5 см, работающей на частоте 433 МГц и установленной на плоской поверхности, оптимальный КПД достигается на минимальной площади 350×350 мм.
Антенны, предлагаемые в продаже, часто оборудуются разъемом BNC или SMA, который упрощает их установку и подключение. Особое внимание должно уделяться соединению выхода радиочастоты модуля ВЧ с антенной. Для этого используется коаксиальный кабель с импедансом 50 Ом. С одной стороны жила кабеля подключается к выходу радиочастоты передающего модуля, в то время как оплетка кабеля подсоединяется к корпусу передатчика (контакт 0 В в непосредственной близости от выхода радиочастоты). С другой стороны жила кабеля подключается к облучателю антенны, а оплетка — к поверхности крепления или противовесу. Если антенна не закреплена на поверхности или лишена противовеса, оплетка не подключается, а обрезается по возможности короче. В таком случае сам коаксиальный кабель служит противовесом антенны.
Как правило, антенны и их противовесы должны находиться на удалении от любых металлических предметов. Оптимальное расстояние удаления составляет 1 м. Подключение антенны, установленной на металлическом корпусе радиопередатчика, показано на рисунке:
На рисунке выход радиочастоты модуля ВЧ находится на достаточно близком расстоянии от Антенны. Соответственно, для подключения использован небольшой отрезок обыкновенного провода. На следующем рисунке показан случай использования коаксиального кабеля для подключения выхода радиочастоты к антенне, удаленной от него на расстояние, превышающее 2-3 см.
Далее показано использование противовеса в случае невозможности закрепления антенны на металлическом корпусе.
Чтобы эффективность противовеса антенны была оптимальной, необходимо удерживать противовес в вытянутом состоянии в направлении, противоположном антенне.
В данном случае лучших результатов можно достичь при использовании в качестве противовеса спиралевидной антенны, как это изображено на рисунке:
Учитывая сравнительно небольшие размеры корпуса блока радиоуправления и длину противовеса, примерно равную длине антенны, приемлемое, но менее эффективное решение может быть при слабом скручивании или вообще без скручивания противовеса.
Антенна из отрезка провода представляет собой самодельную антенну направленного действия. Её легко изготовить из жесткого кабеля сечением 1,5 мм2 или 2,5 мм2, используемого в электропроводке. Однако не рекомендуется использовать провод слишком большого сечения по причине его чрезмерного механического напряжения. Предпочтительнее задействовать более гибкий провод сечением 0,6 мм2. Длина антенны из отрезка провода должна составлять четверть длины волны, что для частоты 433,92 МГц, составляет примерно 16 см. Небольшая, более эстетичная телескопическая антенна, закрепленная непосредственно на печатной плате, также может быть выставлена на длину λ/4.
Теоретически длина L антенны из отрезка провода рассчитывается по следующей формуле:
L=λ/4=cT/4=c/4F=3×108/4F
Или
L(см)=λ/4=7500/F(МГц)
где с — скорость света, Т— период волны, a F— частота волны.
Эта идеальная формула не совсем подходит для практического применения по причине физического и материального аспектов, связанных с антенной. В самом деле, поведение антенны не является идеальным, и на практике замечено, что электрическая длина антенны λ/4 или λ/2 не соответствует ее физической длине.
Следовательно, для изготовления антенны из отрезка провода длиной λ/4 или λ/2 необходимо воспользоваться формулами, указанными в таблице 1.
Рассчитанная длина должна соответствовать полной длине проводника, начиная от выхода радиочастоты модуля. Она должна включать в себя длину дорожки между выходом модуля и точкой соединения с антенной, а также длину возможного отрезка провода, соединяющего антенну с печатной платой.
Для справки в таблице 2 приведено несколько эмпирических примеров, полученных для проводных антенн длиной λ/4 без противовеса. Передатчик, использованный в данных примерах, представляет собой стандартную модель 433,92 МГц с максимальной мощностью излучения 10 мВт. Чувствительность приемника составляет -100 дБм.
Антенна направленного действия
Название антенны происходит от ее внешнего вида, в особенности, когда длина волны является достаточно большой.
Длина антенны направленного действия, как и длина антенны из отрезка провода, составляет четверть длины волны.
Как правило, такой тип антенны используется для установки на плоской поверхности при необходимости придания конечному изделию аккуратного внешнего вида.
Спиралевидная антенна
Эта антенна используется при недостатке места, в частности, когда необходимо установить антенну внутри пластмассового корпуса (металлический корпус образует клетку Фарадея). При этом эффективность спиралевидных антенн на 30-50% ниже эффективности четвертьволновой антенны.
К тому же, при использовании такой антенны следует соблюдать некоторые предосторожности. Спиралевидные антенны не должны устанавливаться на слишком близком расстоянии от модулей или других массивных компонентов, способных создать значительные помехи для принимаемого сигнала. Как правило, необходимо, чтобы модуль ВЧ и спиралевидная антенна находились на расстоянии порядка 1,5 см.
Подобные антенны продаются в магазинах Алиэкспресс, например, здесь. Как правило, они изготавливаются из металлического провода. В условиях тестирования, идентичных условиям тестирования антенны из отрезка провода λ/4 (прохождение через стену общей толщиной примерно 1 м), дальность действия спиралевидных антенн сокращается примерно на 15 м. Для самостоятельного изготовления антенны следует использовать медный луженый или эмалированный провод диаметром 0,8-1,5 мм. Если антенна не устанавливается непосредственно на печатной плате, для ее создания рекомендуется применить провод диаметром не менее 1 мм, обладающий достаточной механической упругостью. Также можно использовать жесткий электрический кабель сечением 0,6 мм2.
На рисунке ниже показан чертеж для изготовления спиралевидной антенны при частоте 434 МГц.
Медный провод накручивается на стержень диаметром 6,5 мм (например, гладкий конец сверла) до получения одиннадцати витков, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга.
На следующем рисунке указаны механические параметры спиралевидной антенны для частоты 224 МГц.
Для изготовления этой антенны необходимо намотать семь витков жесткого провода на цилиндр диаметром 16 мм.
Спиралевидную антенну очень малых размеров, длиной менее 15 мм, предназначенную для частоты 434 МГц, можно изготовить, намотав 24 витка на гладкий конец сверла диаметром 3,2 мм.
Несмотря на чрезвычайно малые размеры этой антенны, ее технические характеристики лишь на 30% хуже технических характеристик антенны, изготавливаемой из отрезка провода. Для создания этой спиралевидной антенны используется эмалированный провод диаметром 0,5 мм.
Всенаправленная антенна на частоту 433 МГц
Всенаправленная высокоэффективная антенна предназначена для крепления с помощью магнитного держателя на металлические поверхности.
Антенны поставляются с кабелем волновым сопротивлением 50 Ом длиной 3 м, уже подключенным к антенне. На противоположном конце кабеля установлен разъем SMA (например, здесь)
Антенна на печатной плате
Антенну небольших размеров с шириной дорожки 1 мм можно вырезать непосредственно на печатной плате в соответствии с указаниями рисунка:
