Как можно повысить энергетические параметры радиосигнала

Оптимизация энергетических параметров радиопередатчика декаметрового диапазона, работающего на несогласованную нагрузку Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Петров Евгений Никандрович, Щеков Павел Федорович, Чепиков Иван Владимирович

Проведено исследование работы выходного каскада радиопередатчика на несогласованную комплексную нагрузку. Даны рекомендации по обеспечению максимальной эффективности передатчика при работе на несогласованную нагрузку.

Текст научной работы на тему «Оптимизация энергетических параметров радиопередатчика декаметрового диапазона, работающего на несогласованную нагрузку»

РАДИОЭЛЕКТРОНИКА И СВЯЗЬ

УДК 621.396.61.029.55 £ Ц. ПЕТРОВ

П. Ф. ЩЕКОВ И. В. ЧЕПИКОВ

ФГУП ОмПО «Иртыш»

ОПТИМИЗАЦИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ РАДИОПЕРЕДАТЧИКА ДЕКАМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА, РАБОТАЮЩЕГО

НА НЕСОГЛАСОВАННУЮ НАГРУЗКУ

Важной задачей в области передачи радиосигнала щественный прогресс в разработке элементной ба-

в декаметровом диапазоне частот является вопрос об зы, стимулирующий совершенствование схемно-

улучшении энергетических эксплуатационных ха- конструкторских решений современной аппаратуры

рактеристик радиопередатчика. Энергетические ха- связи, обеспечил значительное улучшение массога-

рактеристики (полезная мощность, мощность, по- баритных показателей радиопередатчиков. В то же

| требляемая от источников питания, мощность, рассей- время дальнейшее развитие миниатюризации аппа-

ваемая на электродах электронных приборов, КПД- ратуры связи сдерживается низкими значениями

коэффициент полезного действия) являются весьма КПД усилителей мощности передатчиков, важными (а в некоторых случаях и определяющими) Использование традиционных решений не

показателями для мощных усилителей. Как правило, позволяет получить удовлетворительный тепловой

такие усилители работают в режиме класса В. Су- режим при жестких требованиях к массе и габари-

там. КПД зависит от назначения усилителя, условий его работы и, как следствие, от схемы построения и используемых полупроводниковых приборов. Он составляет 30 — 60 % для линейных усилителей сигналов с амплитудной модуляцией. Более высокие значения КПД характерны для ключевого режима усиления сигналов. Но применение ключевого режима работы транзисторов усилителя обычно невозможно из-за высокого уровня шумовых излучений, нежелательных колебаний, большой вероятности превышения предельно допустимых напряжений транзистора и сложности регулировки при получении необходимых фазочастотных характеристик, стабильность которых должна обеспечиваться в условиях изменяющейся нагрузки, напряжения питания и температуры окружающей среды.

Улучшить энергетические характеристики усилителя мощности можно с помощью регулирования режима работы транзисторов.

Существуют два варианта регулирования работы активных элементов, но в обоих случаях необходимо поддержание критического значения коэффициента использования коллекторного напряжения К = = Uk/Ek = const, где Uk — амплитуда напряжения на коллекторе, Ек — напряжение питания коллектора.

Этого можно добиться с помощью автоматической регулировки коллекторной нагрузки RH. При этом будет обеспечиваться поддержание необходимого соотношения Uk = I,, • Rn = const при Ек = const, где Iit -амплитуда тока в нагрузке. Несмотря на малую мощность, затрачиваемую на автоматическое регулирование, появляется сложность при практической реализации из-за отсутствия мощных управляемых реактивных элементов, трудностей регулирования, а также сопутствующей фазовой модуляции, возникающей при изменении реактивного элемента связи.

Большее распространение получил метод регулирования напряжения питания ЕА в соответствии с огибающей усиливаемого сигнала. При этом отношение Ut/Et сохраняется при любых значениях Uk близким к максимально допустимому, необходимому для обеспечения малых нелинейных искажений и повышения КПД. Так, увеличивая напряжение питания с ростом сопротивления нагрузки (при неизменном или слегка уменьшенном возбуждении) и снижая его с уменьшением сопротивления нагрузки при увеличении возбуждения, можно получить не только постоянную выходную мощность, но и сохранить в условиях изменяющейся нагрузки то высокое значение КПД, которое было получено в номинальном режиме. При этом значительно упрощается практическая реализация данного усилителя, так как метод требует только применения регулируемого источника питания.

Требования к нему могут быть также существенно ослаблены при использовании дискретных значений напряжения коллекторного питания. Но, так как в усилителях мощности с регулируемым режимом работы активный элемент работает обычно в недонап-ряженном режиме, близком к критическому, в них, как и в обычных линейных усилителях, проявляются такие свойства транзисторов, как температурная зависимость, нелинейность, разброс основных характеристик и т.д.

Проблема создания специализированного радиопередатчика, работающего на любую нагрузку, является стимулом для создания концепции построения нового поколения малогабаритных радиостанций коротковолнового диапазона. В части энергоемких блоков передатчиков эта концепция предполагает повы-

шение эффективности преобразования мощности вторичного источника питания в полезный сигнал, что в свою очередь предполагает изменение принципа согласования импеданса антенны с номинальным сопротивлением нагрузки передатчика. Тесное взаимодействие возбудителя, усилителя мощности и источника питания между собой позволит улучшить энергетические характеристики передатчика и существенно повысить КПД усилителя при работе на несогласованную нагрузку.

Одним из методов, позволяющих повысить эффективность передатчика, может служить авторегулировка возбуждения выходного каскада [ 1 ]. Если считать, что у выходных транзисторов передатчика нет иных ограничений по выходному току, кроме характеризуемых наличием линии граничных режимов, то, регулируя возбуждение выходного каскада, всегда можно добиться работы передатчика в критическом режиме при любом нагрузочном импедансе. Очевидно, при этом отдаваемая в нагрузку мощность будет максимальна. Поэтому закон регулировки возбуждения определяется из условия, что каскад должен работать в критическом режиме, Конечно, у реальных транзисторов есть ограничения по допустимому импульсу выходного тока и максимальной рассеиваемой мощности, но эти условия можно проверить дополнительно, находя максимумы соответствующих параметров в зависимости от возможной нагрузки. Характер поведения выходного каскада передатчика, в котором предусмотрено авторегулирование возбуждения, обеспечивающее работу каскада в критическом режиме при любых нагрузках, определяется всего одним безразмерным параметром

который определяется как половина произведения крутизны линии граничных режимов транзисторов и номинального сопротивления нагрузки, приведенного к стокам транзисторов.

При практическом проектировании выходного каскада необходимо для заданного значения строить графики зависимости величин, характеризующих работу каскада, от а-фазы отраженной волны относительно фазы падающей, изменяющейся в диапазоне от 0 до 360 градусов. Меняя параметр можно оптимизировать показатели передатчика при работе его на несогласованную нагрузку. Более подробный анализ работы выходного каскада передатчика с учетом фазы отраженной волны при работе на рассогласованную нагрузку приведен в [ 11. По результатам этого анализа графики выходной нормированной мощности Р|Ш/Р,Л„, и КПД Г| в зависимости от фазы отраженной волны а при различных значениях параметра^ приведены на рис. 1-3.

Увеличение КПД и соответственно уменьшение мощности, рассеиваемой транзисторами, требует увеличения параметра что, как видно из предыдущего анализа, приводит к сильной зависимости выходной мощности передатчика от фазы отраженной волны.

В то же время, как видно из приведенных на рис. 1-3 графиков, при больших значениях параметра меняется характер поведения КПД в зависимости от фазы отраженной волны. Эта зависимость становится с двумя минимумами вместо одного, и «размах колебаний КПД» становится сравнительно небольшим <рис. 3).

Если ограничиться только регулировкой напряжения возбуждения, усилитель будет работать в критическом режиме на любую нагрузку и будет отдавать тем большую мощность, чем меньше сопротивление нагрузки. Так, если при фиксированном на-

О 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360

Рис. 1. Зависимость выходной нормированной мощности Р„„/Рш„ и КПД т) от фазы отраженной волны а при ^,=1,5, КСВ-5.

5. Энергетическая селекция

Существенное место в решении проблемы помехоустойчивости занимают методы, обеспечивающие энергетическое соотношение между сигналом и помехой, необходимое для нормального функционирования системы. К этим методам борьбы с помехами относятся: увеличения энергии сигнала, регулировка чувствительности приемника (борьба с перегрузкой), амплитудная селекция.

Повышение энергии сигнала для обеспечения работоспособности системы в условиях помех является одним из распространенных методов борьбы с помехами и широко используется в настоящее время. Энергия сигнала является определяющим параметром при обнаружении цели. Энергетическое превышение полезного сигнала над помехой служит не только условием, облегчающим работу различных схем, но и действенным средством борьбы со всеми видами активных помех. Эффективность метода повышается при комбинировании его с другими, в частности, с методом изменения частоты, многочастотным излучением и т. д.

Увеличение энергии сигнала достигается применением мощных генераторных приборов, многогенераторных передающих систем, импульсов большой длительности и высокой частоты повторения, антенн с высоким коэффициентом направленного действия, более продолжительным просмотром тех участков пространства, которые прикрыты помехами.

Повышения энергии сигнала может быть достигнуто и пространственным размещением источника сигнала (в частности, уменьшением расстояния между передатчиком и приемником в линиях радиосвязи, дальности обнаружения и сопровождения цели в радиолокации, дольности пуска ракеты и т. д.), при котором обеспечивается необходимое отношение мощности сигнала к мощности помехи на выходе приемника. Для основных радиоэлектронных систем указанное отношение приводится в работах [8,13].

Меняя расположение источника сигнала, можно (в определенных условиях применения РЭС) обеспечить требуемое отношение . Под расположением источника сигнала понимается не только его удаление от приемника (цели), но и ориентирование ДН антенны. Так, не всегда направление максимума ДН на цель (положение 1 на рис. 30) приводит к максимальному отношению сигнал/помеха. Во многих случаях значительно большего эффекта можно достичь совмещением минимума ДН с направлением на источник помехи (положение 2), так как это приводит к резкому уменьшению сигнала помехи на входе приемника при незначительном уменьшении полезного сигнала.

Повышение помехоустойчивости путем увеличения энергии сигнала имеет ряд недостатков: неэкономичность, увеличения уровня взаимных помех, уменьшение скрытности работы.

Другой мерой повышения помехоустойчивости является исключение перегрузки приемника. В частности, при воздействии помех с высоким энергетическим уровнем исключение перегрузки приемника является необходимым условием приема и неискаженной обработки информации.

Перегрузка приемника исключает обнаружение полезных сигналов на фоне интенсивных помех, приводит к недопустимо большим искажениям измеряемого параметра и существенно снижает эффективность применения средств защиты от некоторых видов помех.

Существуют два основных метода борьбы с перегрузкой: использование приемников со специальной формой амплитудной характеристики и применение регулировки усиления.

Для расширения динамического диапазона применяют преемники с линейно-логарифмической амплитудой характеристикой (рис. 31).

Амплитуда выходного напряжения с учетом линейности начального участка характеристики

при

где — входное напряжение, соответствующее максимальному значению напряжения линейного участка характеристики;— коэффициент усиления приемника на линейном участке.

Динамический диапазон логарифмического приемника по выходному сигналу.

где — динамический диапазон входного напряжения приемника. Для расширения динамического диапазона приемника характеристику можно построить по закону логарифма с основанием:

где .

Приемник с амплитудой логарифмической характеристикой обеспечивает практически безынерционную нормировку сигнала, не теряет чувствительности после прихода сильных сигналов и имеет собственные шумы на выходе, незначительно превышающие шумы обычного приемника. Если характер помех аналогичен характеру шума обычного приемника. Если характер помех аналогичен характеру шума приемника, то напряжения шумов приемника независимо от интенсивности помех. Среднеквадратическое значение напряжения помехи, амплитуда которой распределена по закону Релея.

на выходе логарифмического приемника равно [88]

где — основание логарифма, меньшее е.

Таким образом, не зависит от мощности входного воздействия, а определяется коэффициентом, размерами линейной части амплитудной характеристикии законом логарифмирования входного сигнала.

Для устранения постоянной составляющей напряжения помехи , которая растет с увеличением уровня помехи на входе, на выходе приемника может быть включен фильтр верхних частот.

Недостатки логарифмических приемников.

Зависимость времени задержки выходного сигнала относительно входного от амплитуды (мощности) входного сигнала. При изменении входного сигнала 30-40 дБ время задержки изменяется на несколько микросекунд, что вызывает большие ошибки измерения дальности в РЛС.

Ошибки измерения координат целей на средних дальностях при использовании логарифмических приемников значительно превышают ошибки при использовании линейных приемников. Это затрудняет применение логарифмических приемников в системах точного измерения координат целей. В частности, в РЛС перехвата и прицеливания с логарифмическими приемниками к моменту пуска ракеты ошибка измерения координат целей может на порядок превышать ошибку при использовании линейного приемника.

Вследствие безынерционности нормировки сигнала наблюдается эффект демодуляции сигнала.

Чувствительность к отклонению и искажению амплитудной характеристики относительно оптимальной (расчетной). Последнего недостатка лишен усилитель с автоматически регулируемыми коэффициентами усиления и полосой пропускания, зависящей от уровня мощности.

Автоматическая регулировка усиления (АРУ) предназначена для поддержания неизменным уровня выходного сигнала при значительном изменении амплитуды входного сигнала. Нормирующее действие АРУ достигается подачей отрицательного смещения на каскады приемного устройства, при этом рабочая точка смещается в область характеристики с малым коэффициентом усиления.

Для оценки эффективности АРУ рассмотрим ее основные свойства. Напряжение на выходе усилителя промежуточной частоты с АРУ.

где — регулировочная характеристика АРУ.

Нормирующие свойства АРУ определяются динамическим свойствами ее регулировочной характеристики.

Если передаточная функция фильтра АРУ описывается однозвенным оператором вида

То при линейной аппроксимации регулировочной характеристики (рис. 32) иможно записать [10]

где — эквивалентная постоянная времени;— постоянная времени фильтра АРУ;— эквивалентный коэффициент усиления системы АРУ;— тангенс угла наклона регулировочной характеристики;— максимальный коэффициент усиления усилителя при;— коэффициент усиления цепи обратной связи, равный произведению коэффициентов передачи детектораи усилителя АРУ.

Эквивалентная постоянная времени определяет возможности восстановления системы для приема сигнала после воздействия мощной помехи. Уменьшениеограничивается допустимым искажением полезного сигнала. Для быстродействующей регулировки усиления (БАРУ). Схемы БАРУ повышают помехоустойчивость РЛС по отношению к импульсным помехам большой длительности и к помехам, представляющим собой незатухающие немодулированные и модулированные по амплитуде и частоте колебания. Регулировку усиления можно проводить и по сигналу помехи. Эта регулировка широко используется при воздействии нестационарных помех.

Если на приемной стороне известен характер изменения уровня принимаемого сигнала, то поддержание постоянства выходного сигнала (например, нормировка уровня сигнала по дальности) достигается изменением коэффициента усиления приемника во времени (ВАРУ) по определенному закону. Обычно применяют увеличение усиления во времени по экспоненциальному закону, что обеспечивает примерно одинаковую мощность сигналов от целей по всей дальности и ослабляет сигналы, принимаемые станцией за счет бокового и заднего излучения антенной системы. В реальных условиях из-за нелинейной зависимости коэффициентов усиления каскадов УПЧ и УВЧ от напряжения смещения для получения требуемой характеристики ВАРУ необходимо изменять напряжение, регулирующее усиление приемника, по закону более сложному, чем экспоненциальный. Это приводит к значительным техническим трудностям. Указанные трудности не возникают в случае применения логарифмического приемника с ВАРУ [94].

Недостатки приемников с АРУ:

Низкая помехоустойчивость относительно прерывистых помех, действие которых основано на использовании переходных процессов, протекающих в усилителе с регулируемым коэффициентом усиления;

подавление, при определенных условиях, слабого сигнала сильным и зависимость быстродействия АРУ от интенсивности входного сигнала.

Для амплитудной селекции используют три разновидности селекторов:

максимальной амплитуды для селекции импульсов, амплитуда которых превышает некоторый фиксированный уровень напряжения(>);

минимальной амплитуды для селекции импульсов, амплитуда которых меньше некоторого фиксированного уровня напряжения (>);

заданной амплитуды для селекции импульсов, амплитуда которых заключена в некотором интервале <<, гдеи— соответственно минимальный и максимальный пороги селектора.

Селекторы максимальной амплитуды осуществляют ограничения снизу и используются, например, для отделения импульсов полезного сигнала от импульсов помех с меньшими амплитудами, улучшения отношения сигнала к шумовой помехе и т. д.

Выходная характеристика селектора максимальной амплитуды изображена на рис. 33. Частным случаем селектора максимальной амплитуды являются селекторы полярности импульсов.

Селекторы минимальной амплитуды выделяют импульсы, амплитуда которых лежит ниже уровня ограничения. Структурная схема селектора и выходная характеристика показана на рис. 34. Продифференцированные входные импульсы поступают на сумматор, куда также поступают отселектированные на время, меньшее длительности импульса. Отселектированные импульсы компенсируют отрицательный выброс, соответствующий срезу продифференцированного импульса. При <такой компенсации не происходит. Так как селектор полярности пропускает только отрицательные импульсы, то на его выход сигнал проходит только при<.

Частным случаем селектора минимальной амплитуды является ограничитель по максимуму, осуществляющий ограничение амплитуды импульсных помех (рис. 35). Эффективность ограничения как средства борьбы с импульсной помехой зависит от степени согласования параметров приемного устройства с параметрами принимаемого сигнала и их отличия от параметров мешающих импульсов.

При воздействии импульсной помехи на приемное устройство с ограничителем помеха не будет вызывать ошибок при выполнении условия [97]

где — уровень ограничения;— длительность импульсной помехи на уровне ограничения;— пикфактор сигнала;— пиковое значение сигнала:;— максимальная частота сигнала.

Неизбежные при ограничении искажения полезного сигнала можно уменьшить, применяя экстраполяцию сигнала в течение времени ограничения [19].

ограничения, управляющее устройство с помощью запирающих устройств отключает от выходного каскада усилитель и подключает устройство памяти, с которого снимается экстраполированное значение сигнала. Фиксированный уровень напряжения селектора максимальной амплитуды, используемый в схеме, и определяет уровень ограничения входных сигналов.

Уровень ограничения можно изменять в соответствии с изменением уровня принимаемого полезного сигнала. Энергия помех на выходе ограничителя со следящим порогом в 2-10 раз меньше энергии помех на выходе ограничителя с постоянным уровнем ограничения [20].

Амплитудный селектор третьего вида представляет комбинацию селекторов максимальной и минимальной амплитуд. Структурная схема и выходная характеристика такого селектора показаны на рис. 37. Амплитудный селектора третьего вида можно реализовать на селекторах максимальной амплитуды (рис. 38). Сигналы, уровень которых ниже минимального уровня , не проходят через селектор 1 с пороговым напряжением. Сигналы, превышающие уровень, выделяются селектором 2 с пороговым напряжениеми используются как запирающие импульсы.

Наличие нелинейных элементов в схемах амплитудной селекции отрицательно сказывается при воздействии сосредоточенных помех. Для сохранения удовлетворительной избирательности узкополосных сигналов при одновременном подавлении импульсных помех используется схема ШОУ (рис. 39). Схема состоит из широкополосного и узкополосного усилителей, разделенных ограничителем. Так как на выходе широкополосного усилителей, разделенных ограничителем. Так как на выходе широкополосного усилителя импульсные помехи сохраняют малую длительность, а их амплитуда ограничивается в следующем каскаде, то энергия таких помех на входе узкополосного усилителя невелика. Полоса пропускания узкополосного усилителя согласована с длительностью полезного сигнала, которая больше длительности помехи. Поэтому отношение сигнал/помеха на выходе схемы ШОУ пропорционально отношению их длительностей:

где — длительность сигнала;— длительность импульсной помехи;— коэффициент согласования параметров фильтра узкополосного усилителя с параметрами сигнала; при идеальном согласованиии

Схему ШОУ можно также применять при заградительной частотно-модулированной и скользящей помехах при больших скоростях изменения ее частоты и т. п. При помехах, спектральные характеристики которых близки к характеристикам полезного сигнала, защитные свойства схемы ШОУ уменьшаются.

Схема ШОУ защищает приемник простых сигналов () от коротких импульсных помех, но не обеспечивает защиты от помех, длительность которых сравнима или больше длительности полезного сигнала.

Для приемника сложных сигналов () защиту от импульсных помех целесообразно выполнять по обратной схеме: узкополосный усилитель – ограничитель – широкополосный усилитель (УОШ) [36].

Помехоустойчивость селектора по амплитуде меньше помехоустойчивости селекторов, использующих частотные или временные различия сигналов и помех, так как амплитуда сигнала может больше искажаться вследствие нестабильности канала связи и действия помех. Большей помехоустойчивостью отличаются селекторы, использующие в качестве разделительного признака поляризацию сигнала. Качество селекции можно повысить, комбинируя селекцию по амплитуде с другими видами, в частности с селекцией по форме.

Так, для выделения истинной цели среди ложных можно использовать амплитуду импульса и его длительность, отсчитанные не менее чем на двух уровнях. Для селекции пассивных помех можно использовать характер огибающей сигнала.

Для обнаружения близких к прямоугольным видеоимпульсов на фоне экспоненциальных затухающих помех с показателем экспоненты достаточно проверить выполнение неравенства. Экспериментальная проверка показала работоспособность простейшей модели при отношении энергии сигнала к энергии помехи—[34].

Для разделения сигналов вида и т. д. можно использовать различие их формы. Пусть на вход поступает сигнал. Разделительное устройство реализует следующие операции:

Структурная схема разделительного устройства показана на рис. 40. Так как для селекции по форме необходим значительный объем априорной информации и использование сложных признаков сигналов, то селекторы по форме получаются громоздкими и требуется машинная обработка сигналов.

5 лучших способов усилить сигнал FM-радио | FMUSER Трансляция

Для каждого оператора радиостанции качество FM-радиосигналов является ключевым вопросом, потому что оно напрямую связано с количеством слушателей, которым вы можете предоставлять услуги вещания, или с тем, сколько слушателей могут четко принимать вашу радиостанцию. Итак, как усилить FM-радиосигнал? В этом блоге вы найдете несколько практических способов усиления радиосигналов. Если вы сочтете это полезным, поделитесь нашим контентом или добавьте его в закладки!

Делиться заботой!

Содержание

Что обеспечивает лучшее качество радио?
Как усилить FM-радиосигналы?
FAQ
Заключение

Что обеспечивает лучшее качество радио?

На самом деле, это такой сложный и сложный вопрос, потому что существует очень много факторов, которые влияют на качество сигнала FM-радио. Например, на сигналы влияет не только мощность передачи FM-радиопередатчика, но и другие общие факторы, такие как высота FM-антенны, погода и т. Д.

Здесь мы покажем список из 5 наиболее важных факторов для справки:

Усиление антенны FM — Направленная антенна FM может концентрировать и передавать радиосигналы в одном направлении. Чем выше коэффициент усиления, тем дальше будут передаваться FM-радиосигналы в определенном направлении.

Передающая мощность передатчика — Мощность FM-радиопередатчика также влияет на дальность передачи радиосигналов. Чем выше мощность, тем большее расстояние могут проходить сигналы.

Высота установки антенны — Высота антенны — один из факторов, определяющих зону действия радиосигнала. Чем выше установлена FM-антенна, тем дальше могут передаваться FM-радиосигналы.

Длина жилы FM-антенны — Длина провода FM-антенны влияет на КСВ FM-радиопередатчика. Его длину следует отрегулировать как можно лучше, чтобы избежать потери мощности.

Препятствия вокруг передающей площадки — Поскольку FM-сигналы имеют относительно более слабую способность преодолевать препятствия, чем меньше препятствий вокруг передающей площадки, тем дальше сигналы могут передаваться.

Вот пакеты дипольных антенн FMUSER FM, которые могут помочь вам эффективно улучшить FM-сигналы.

Антенны передатчика FMUSER самые продаваемые — Больше

Хотите улучшить свои сигналы? Вот что вам нужно

Совет 1 — выберите FM-антенну с более высоким коэффициентом усиления

Чем выше усиление вашей FM-антенны, тем сильнее будет ваш FM-радиосигнал, и он сможет передавать дальше в определенном направлении.

Если вам нужно усилить радиосигнал в определенном направлении, выберите для своей радиостанции передающую FM-антенну с высоким коэффициентом усиления.

Если вам нужно усилить FM-радиосигналы во всех направлениях, вам понадобятся разветвители и несколько направленных антенн, которые передают FM-радиосигналы в разных направлениях.

Советы 2 — Найдите лучшее место для передающей башни

При установке передающей башни следует выбирать место с меньшим количеством препятствий. Поскольку FM-сигнал относится к диапазону VHF в радиочастотном спектре, он характеризуется короткой длиной волны, поэтому он имеет более слабую проникающую способность.

Если вокруг есть здания, деревья и другие препятствия, это значительно снизит зону покрытия FM-радиосигналов.

Поэтому мы рекомендуем строить передающую вышку в месте с меньшим количеством препятствий, например, в сельской местности, вдали от города и т. Д.

Совет 3 — Установите антенну выше

Для FM-радиостанций положение установки FM-антенны должно быть как можно выше.

Поскольку FM-радиосигналы распространяются по принципу точка-точка, при условии, что у FM-антенны есть глаза, максимальный диапазон, который она может транслировать, ограничен визуальным горизонтом.

Представьте, что чем выше вы стоите, тем дальше видите, верно? Это также верно для радиосигналов FM. Чем выше установлена FM-антенна, тем дальше могут передаваться FM-радиосигналы.

Советы 4 — Отрегулируйте длину проводника антенны до наилучшего

FM-дипольные антенны — одна из наиболее широко используемых антенн в FM-радиовещании. Если вы используете дипольную антенну FM, вам необходимо измерить длину антенного проводника.

Длину антенны можно рассчитать по следующей формуле: L = 234 / F. L означает длину антенного проводника в футах. F обозначает частоту в МГц.

Поскольку длина антенны влияет на КСВ FM-радиопередатчика. Повышенный КСВ означает, что для передачи FM-радиосигнала используется меньше энергии, в результате чего радиосигнал не может распространяться как можно дальше.

Советы 5 — Выберите FM-радиопередатчик с большей мощностью

Если вы воспользовались приведенными выше советами, но они не помогли вам улучшить качество вашего FM-радиосигнала, вполне вероятно, что мощность вашей FM-радиостанции недостаточна для передачи FM-радиосигнала дальше.

Вы можете заменить FM-радиопередатчик на более мощный, чтобы транслировать радиосигнал дальше и улучшить качество радиосигнала.

Часто задаваемые вопросы

1. В: Какая антенна FM-вещания используется чаще всего?

О: Это должна быть дипольная FM-антенна.

Как один из наиболее важных типов FM-антенн, дипольная FM-антенна является наиболее часто используемой антенной. Благодаря невысокой стоимости и простой конструкции, он заслужил признание во всем мире.

2. Q: Как рассчитать длину дипольной FM-антенны?

A: Вам нужно рассчитать по формуле: L = 468 / F.

Длина дипольной FM-антенны зависит от рабочей частоты. Длину проводника можно рассчитать по следующей формуле: L = 468 / F. L — длина антенны в футах. F — требуемая частота в МГц.

3. В: Как выбрать лучшую антенну для FM-вещания?

О: Вы должны учитывать свои потребности в трансляции: мощность передачи, поляризация, усиление, физические характеристики и т. Д.

Прежде чем купить лучшую FM-радиоантенну, необходимо определиться со своими потребностями. Потому что разные антенны FM-вещания имеют разные характеристики, включая максимальную мощность передачи, поляризацию и диаграмму направленности, коэффициент усиления, ветровую нагрузку и т. Д. Они решают, какую антенну вам нужно купить, и количество, которое вы должны купить.

4. В: Как лучше всего улучшить мои радиосигналы?

A: Установка антенны FM-вещания выше — лучший способ для вас.

Есть три способа улучшить FM-сигналы: установить сигналы FM-вещания выше, выбрать мощный FM-передатчик и выбрать FM-вещательные антенны с более высоким коэффициентом усиления. Очевидно, что стоимость первого метода близка к нулю. И это наиболее эффективный способ улучшить FM-сигналы.

Заключение

Мы надеемся, что эта публикация в блоге поможет вам лучше управлять своей радиостанцией и сократить ненужные расходы. Как ведущий поставщик оборудования для радиостанций, FMUSER создал и спроектировал готовые решения под ключ для тысяч клиентов по всему миру. Независимо от того, являетесь ли вы новичками в области радио или экспертами, если вам нужно какое-либо оборудование для радиостанций или комплексные решения, пожалуйста, не стесняйтесь Контакты !

Увеличение дальности действия радиоканальных систем

Дальность действия (связи между устройствами) является одной из важнейших характеристик радиосистем охранно-пожарной сигнализации (ОПС). Для надежной работы радиоканальной сигнализации, необходимо, чтобы между элементами была обеспечена устойчивая радиосвязь с достаточным энергетическим запасом.

При установке радиосистемы в помещениях реальная дальность связи может быть значительно меньше заявленной для открытого пространства, ее величина зависит от количества, материала и толщины стен и перегородок. Одним из наиболее эффективных способов повышения дальности действия радиоканальных систем в таком случае является использование иерархической структуры построения системы, когда для связи приемно-контрольного устройства (ПКУ) с удаленным дочерним устройством используются промежуточные звенья в виде радиорасширителей.

Однако при проектировании охранно-пожарной сигнализации дачных поселков, садоводств, гаражных кооперативов зачастую требуется обеспечить радиосвязь с удаленным объектом – например, отдельно стоящим коттеджем. Установка промежуточного радиорасширителя (радиорасширителей) в данной ситуации может быть сопряжена с определенными трудностями (необходимо выбрать такое место, где можно обеспечить электропитание, а также защиту от воровства и вандализма) или экономически нецелесообразна. В таких случаях имеет смысл применять дополнительные способы повышения дальности радиосвязи:

использование выносных антенн;
использование усилителей радиосигнала.

Применение выносных антенн

Использование выносных антенн представляется наиболее оправданным в случае, когда имеет место ослабление сигнала при прохождении через стены здания – например, если ПКУ находится внутри строения и используется штатная антенна. В таком случае внешняя антенна, установленная, например, на крыше, даст значительный выигрыш в дальности, даже если не обладает высоким коэффициентом усиления.

ПКУ радиоканальных систем ОПС имеют возможность подключения (с помощью пятидесятиомного коаксиального кабеля) практически любых внешних антенн.

Условно, все существующие антенны можно разбить на две группы по типу диаграммы направленности: узконаправленные и с круговой диаграммой направленности (ДН).

Направленныеантенны

Основные типы направленных антенн, рекомендуемых для использования в радиоканальных системах ОПС, следующие:

волновой канал;
зигзагообразные.

Антенна типа «волновой канал» (рис. 1) состоит из ряда параллельных вибраторов, расположенных в одной плоскости. В зависимости от количества вибраторов, усиление может составлять от 7 до 15 dBd.

Рис. 1. Внешний вид антенны типа «волновой канал»

Рис. 2. Диаграмма направленности антенны «волновой канал» в горизонтальной плоскости

Зигзагообразные антенны (рис. 3) состоят из плоского излучателя в форме «восьмерки», расположенного параллельно рефлектору (отражателю), представляющему собой металлическую сетку.

Рис. 3. Внешний вид зигзагообразной антенны

Такой рефлектор увеличивает коэффициент усиления антенны, при этом практически полностью подавляя излучение в направлении, противоположном главному лепестку ДН антенны (рис. 4).

Рис. 4. Типовая диаграмма направленности зигзагообразной антенны в горизонтальной плоскости

Существуют также модификации таких антенн без рефлектора, отличающиеся несколько меньшим коэффициентом усиления, но при этом имеющие два противоположных друг другу главных лепестка ДН. Также существуют модификации с несколько другой формой излучателя (не ромбовидной, а круглой). Коэффициент усиления зигзагообразных антенн с рефлектором, как правило, составляет 10 dBd.

Антенныскруговойдиаграммойнаправленности

Антенны с круговой ДН (иногда их называют «ненаправленные») обеспечивают одинаковый уровень излучения в любом направлении в горизонтальной плоскости. Основные типы антенн с круговой ДН следующие:

штыревые антенны (5/8 l);
коллинеарные антенны;
антенны типа «Шайба».

Штыревые антенны имеют простейшую конструкцию, состоящую из вертикального штыря, длиной 5/8 длины волны, и нескольких противовесов у основания антенны, лежащих в горизонтальной плоскости. Такая антенна обеспечивает усиление ненамного лучше штатных антенн радиорасширителей. На рисунке 5 показана типовая диаграмма направленности антенны данного типа в трехмерном изображении, с учетом влияния земной поверхности.

Читать:

Что делать если педали на руле не работают

Рис. 5. Типовая диаграмма направленности антенны 5/8 l

Коллинеарные антенны (рис. 6) фактически, представляют собой несколько (обычно от 2-х до 6-ти) излучателей 5/8 l, расположенных по одной оси.

Рис. 6. Внешний вид коллинеарной антенны

В зависимости от количества излучателей коэффициент усиления таких антенн может достигать 8 dBd. Усиление достигается за счет того, что основная часть излучения направляется вдоль земной поверхности. На рисунке 7 показана типовая диаграмма направленности коллинеарной антенны в трехмерном изображении.

Рис. 7. Типовая диаграмма направленности коллинеарной антенны

Антенны типа «Шайба» (рис. 8) отличаются тем, что имеют очень низкий профиль (около 50 мм) и при этом обеспечивают усиление около 5 dBi, что ненамного хуже, чем усиление коллинеарной антенны 2*5/8 l, при гораздо меньших габаритах.

Рис. 8 Внешний вид антенны «Шайба» и ее диаграмма направленности в вертикальной и горизонтальной плоскостях

Антенны типа «Шайба», работающие в диапазоне 434 МГц, должны крепиться на металлическую поверхность или на специальный металлизированный экран. Крепление может осуществляться с помощью магнита, расположенного в корпусе антенны.

Типичныевариантыиспользованиявыносныхантенн

Направленные антенны имеют больший коэффициент усиления, чем антенны с круговой ДН, однако имеют некоторые ограничения при построении радиосистемы. При использовании направленной антенны все устройства, с которыми требуется обеспечить радиосвязь, должны находиться в направлении главного лепестка ДН антенны, либо в непосредственной близости от самой антенны (рис. 9). В случае, если устройство расположено вне основного лепестка ДН, рабочая дальность радиосвязи с ним может быть значительно меньшей.

Рис. 9. Типичный вариант использования направленной антенны

В случае, если необходимо обеспечить радиосвязь в разных направлениях в горизонтальной плоскости (рис. 10), применение направленной антенны неоправданно, и рекомендуется использовать антенну с круговой диаграммой направленности, предпочтительно коллинеарную.

Рис. 10. Типичный вариант использования коллинеарной антенны

При построении радиосистемы, следовательно, могут быть использованы антенны обоих типов – см. пример на рисунке 11. В данном случае родительское приемно-контрольное устройство (РР0 – радиорасширитель 0) находится на пульте охраны и имеет радиосвязь только с одним дочерним приемно-контрольным устройством (РР1).

Рис. 11. Пример построения радиосистемы с использованием антенн разных типов

РР1 является здесь наиболее «загруженным» узлом радиосистемы и должен обеспечивать связь со многими радиоустройствами, расположенными в разных направлениях. Поэтому к РР1 должна быть подсоединена коллинеарная антенна. Кроме того, антенну данного радиорасширителя следует устанавливать как можно выше (т.к. дальность радиосвязи существенно зависит от высоты установки антенны), поэтому РР1 целесообразно установить в наиболее высоком здании, а антенну установить на крыше на высокой мачте. Для этого радиорасширителя будет наиболее оправдана установка усилителя радиосигнала (см. далее).

РР2 в данном случае имеет радиосвязь с РР1, с одним дочерним устройством, находящимся в том же направлении, что и РР1, а также с дочерним устройством, расположенным в том же здании, что и РР2, так что в этом случае целесообразно использовать направленную антенну.

Для РР3, так же как и для РР1, требуется обеспечить радиосвязь с устройствами, находящимися в разных направлениях, поэтому к нему следует подключить антенну с круговой ДН.

Дополнительноеоборудование, необходимоедляустановкивнешнейантенны

Для установки внешней антенны требуется следующее дополнительное оборудование:

коаксиальные кабели;
ВЧ-разъемы;
сумматор/делитель.

От качества и правильной установки дополнительного оборудования в значительной степени зависит качество радиосвязи. Рассмотрим важнейшие характеристики данного оборудования.

Коаксиальныйкабель

Коаксиальные кабели характеризуются следующими основными потребительскими характеристиками:

волновое сопротивление;
внешний диаметр изоляции;
погонное затухание.

Волновое сопротивление кабеля должно соответствовать волновому сопротивлению устройств, к которым подключается кабель. Поскольку практически все радиосистемы охранно-пожарной сигнализации имеют входное и выходное сопротивление 50 Ом, коаксиальный кабель и антенна должны иметь также волновое сопротивление 50 Ом (1).

Внешний диаметр изоляции определяет тип используемых ВЧ-разъемов. Как правило, большему диаметру изоляции соответствует меньшее погонное затухание. Диаметр внешней оплетки кабеля соответствует определенной спецификации. В частности, спецификациям RG-58, RG-59 и RG-6 соответствует диаметр оплетки соответственно 4,95, 6,15 и 8,4 мм.

Погонное затухание является важнейшей характеристикой коаксиального кабеля. Затухание измеряется в дБ/м и зависит от частоты. Как правило, на частотах до 1 ГГц можно считать, что затухание пропорционально корню из частоты. Таким образом, если, например, для кабеля указано затухание 0,1 дБ/м на частоте 100 МГц, на рабочей частоте 434 МГц затухание будет составлять величину порядка 0,2 дБ/м.

При использовании кабеля с затуханием 0,2 дБ/м мощность радиосигнала будет ослаблена вдвое(2) при длине кабеля 15 м. При использовании кабеля с затуханием 0,1 дБ/м аналогичное уменьшение мощности радиосигнала будет при длине кабеля 30 м.

ВЧ-разъемы

Как правило, на антеннах устанавливаются разъемы типа N-гнездо и TNC-гнездо, т.е. для подключения к ним коаксиальный кабель должен иметь соответственно штекер типа N (рис. 12) или TNC (рис. 13).

Рис. 12. Штекер N-type Рис. 13. Штекер TNC

Разъемы также различаются в зависимости от размеров используемого кабеля. При выборе типа штекера следует удостовериться, что данный тип штекера подходит для имеющегося коаксиального кабеля. Обычно для штекеров указываются тип разъема, вид крепления и спецификации совместимых кабелей, например: TNC-штекер, обжим, RG-58, RG-59.

Общиерекомендациипоустановкеантенны

Обоснованный выбор типа антенны и способа ее установки позволяет добиться технической устойчивости конкретного объекта в процессе его эксплуатации и достижения максимальной дальности в системе. Для стабильной связи между объектом и центральным радиопультом необходимо получить определенный уровень полезного сигнала, как по радио, так и по цифровой составляющим информационного сигнала на входе приемника базовой станции.

Основныевариантыустанавливаемыхобъектовыхантенн:

Вариант 1. Штыревая антенна.

Простейший тип антенны – штыревая антенна. Несимметричными (штыревыми) называют антенны, расположенные непосредственно у земли (или металлического экрана) перпендикулярно (реже наклонно) к ее поверхности. Эти антенны применяют, как правило, там, где радиус действия радиосистемы имеет первостепенное значение.

Штыревая антенна представляет собой четвертьволновый отрезок прямого провода или стержня , подключаемого непосредственно к выводу RX/TX. Резонансная длина четвертьволновой штыревой антенны может быть вычислена по формуле:
L (см) = 7500 / частота (МГц)

Длина четвертьволнового отрезка для частоты 433.92 МГц равна 17 см.

Эта формула может служить лишь отправной точкой расчетов, так как антенна может быть короче, если стержень слишком толст или имеет какое-либо покрытие.

Такие антенны очень просты в настройке – достаточно лишь слегка изменить длину провода.
Если антенна устанавливается на удалении от приемного/передающего модуля, для подключения можно использовать кабель с волновым сопротивлением 50 Ом:

Экранирующая оплетка кабеля должна быть припаяна к «земле» возле антенного вывода модуля.
Штыревую антенну можно, также, изготовить в виде дорожки печатной платы:

Длина дорожки должна быть на 10-20% меньше, чем дают расчеты. Насколько меньше – зависит от типа диэлектрика и толщины печатной платы. Если устройство портативное, антенну надо делать чуть короче, чтобы компенсировать влияние рук.
Дорожку антенны проводите на плате на расстоянии не менее 5 мм от остальных цепей.

Рамочные антенны находят применение, в основном, в передатчиках, в особенности, когда критичны размеры и вес конструкции. Рамочные антенны изготавливаются как часть печатной платы. Один конец антенны заземляется, а другой подключается к выводу TX/RX через конденсатор. Конденсатор используется для согласования и настройки антенны:

Существенным преимуществом рамочных антенн является их слабая чувствительность к влиянию рук и независимость от топологии «земли». По этой причине рамочные антенны широко используются в передатчиках дистанционного открывания ворот, автосигнализациях и т.п.
Конструируя рамочную антенну, старайтесь сделать ее как можно больше, так как маленькая антенна имеет плохое усиление и очень узкую полосу пропускания. Крайне важна правильная настройка антенны. Для настройки часто используются подстроечные или постоянные конденсаторы.

Штыревая антенна, устанавливаемая на объектовом блоке, непосредственно подключается к передатчику, между корпусом передатчика и “землей” протекает примерно такой же по величине ток, что и в антенне. Достоинство такого подключения – простота монтажа, недостаток – дополнительные потери в радиоканале и большая вероятность возникновения помех другим электронным устройствам в широком интервале частот. В связи с этим необходимо обеспечить хорошее заземление корпуса объектового прибора, длина которого не должна превышать 0,1 λ , т.е. при частоте 167.500 кГц это составит около 18 см, в противном случае будет иметь место излучение через заземляющий провод, снижающее энергетику объекта. Далее, при расстоянии между антенной и стеной S равном 5-10 сантиметров, стена (ее материал) и находящиеся рядом металлические предметы, оказывают сильное влияние на нее. При этом увеличивается реактивное сопротивление антенны, в результате чего передатчик при излучении будет потреблять повышенный ток, что, в свою очередь, ведет к снижению его к.п.д. и перегреву выходного каскада.

Рис. 2. Штыревая антенна

Подводя итог, можно сказать, что штыревая антенна имеет наибольшие физические размеры и должна использоваться там, где радиус действия имеет первостепенное значение.
Рамочные антенны из всех рассмотренных имеют самый маленький радиус действия.

Неплохим компромиссом, особенно в тех случаях, когда важны габариты устройства является спиральная антенна. Конструкция должна заключатся в корпус, и может быть сделана весьма компактной. В установке и настройке спиральные антенны сложнее, чем штыревые, так как на них оказывают сильное влияние соседние объекты.

Спиральная антенна изготавливается, как правило, намоткой отрезка стального, медного или латунного провода.

Из-за высокой добротности спиральных антенн их полоса пропускания очень мала, и межвитковое расстояние оказывает на характеристики антенн значительное влияние.

Число витков зависит от диаметра провода, диаметра намотки и межвиткового расстояния. Проще всего необходимое количество витков определять экспериментально, первоначально сделав антенну заведомо большей длины и укорачивая ее до обнаружения резонанса на требуемой частоте. Точная настройка антенны выполняется сжатием или растягиванием спирали.

Для изготовления антенны на частоту 433.92 МГц необходимо намотать 17 витков эмаль-провода диаметром 1 мм на оправке диаметром 5 мм и растянуть катушку так, чтобы ее длина равнялась 30 мм.

Большим недостатком спиральных антенн является их высокая чувствительность к любым предметам, подносимым к антенне, в частности, к рукам, поэтому такие антенны плохо подходят для портативной аппаратуры.

Вариант 2. Выноснаяантенна.

Использование выносной антенны (рисунок 2) на объекте заметно улучшает его энергетику. При использовании кабеля с волновым сопротивлением 50 Ом потери мощности будут минимальными. При монтаже антенну можно расположить в месте, наиболее благоприятном для ее эффективного излучения, желательно в сторону расположения радиопульта, возможно это позволит уменьшить мощность передатчика до 2-х ватт, что приведет к снижению помех другим электронным устройствам и повышению “живучести объекта” при работе на резервном питании.

Для увеличения дальности радиосвязи большое значение имеет высота установки выносной антенны. В любом случае она должна быть такой, чтобы обеспечить «прямую видимость» между антеннами, причем высота подъема над крышей должна быть не менее 1 м (кроме антенн типа «Шайба»).

Не следует устанавливать антенну ближе, чем в 2–3 м от других антенн или металлических объектов. Если при прокладке кабеля остались лишние метры, то его следует либо укоротить, либо, по крайней мере, выпрямить (например, пустить по периметру помещения), поскольку в скрученном кабеле затухание сигнала может быть несколько выше.

Антенны должны быть установлены с одинаковой поляризацией, причем обязательно вертикальной, в случае, если в радиосистеме используются коллинеарные антенны. Для установки антенны «волновой канал» с вертикальной поляризацией вибраторы (штыри на траверсе) должны располагаться вертикально. При установке зигзагообразной антенны два излучателя должны располагаться по горизонтали, т.е. антенна должна быть установлена широкой частью параллельно земле (рис. 14). Антенны типа «Шайба» имеют вертикальную поляризацию при установке плоской частью параллельно земле.

Рис. 14. Иллюстрация правильной установки антенн: и зигзагообразная антенна, и антенна «волновой канал» установлены с вертикальной поляризацией

Применениедвунаправленныхантенныхусилителей

Помимо направленных антенн, для увеличения дальности радиосвязи могут использоваться двунаправленные усилители радиосигнала.

Двунаправленный усилитель имеет в своем составе два усилителя, подключенных навстречу друг другу, а также переключатели, управляемые детектором входного сигнала (рис. 15).

Рис. 15. Структурная схема двунаправленного усилителя радиосигнала

Общий алгоритм работы таких усилителей следующий. В случае, если на вход 1 усилителя сигнал не поступает, т.е. приемно-контрольное устройство работает на прием, усилитель также работает на прием, т.е. усиливает сигнал с антенны (на приемно-контрольное устройство идет усиленный сигнал со входа 2). Это приводит к улучшению чувствительности приемника и, соответственно, увеличению дальности радиосвязи.

В случае, если на вход 1 начинает поступать сигнал (есть некоторый пороговый уровень мощности), усилитель переходит в режим усиления передачи, на антенну идет усиленный сигнал со входа 1, т.е. от приемно-контрольного устройства.

В случае, если усилитель содержит систему автоматического регулирования уровня (АРУ), уровень выходной мощности практически не зависит от входной мощности(3). Устанавливать усилитель, оборудованный системой АРУ, следует как можно ближе к антенне, поскольку при этом будут максимально скомпенсированы потери в кабеле. Однако, при больших суммарных потерях в кабеле и/или сумматоре есть опасность, что уровень на входе усилителя мощности будет ниже порогового и усилитель не сможет переключиться в режим передачи. В этом случае усилитель следует устанавливать ближе к приемно-контрольному устройству.

Эффективностьразличныхспособовувеличениядальностирадиосвязи

Для оценки эффективности различных способов увеличения рабочей дальности радиосвязи между устройствами радиосистемы охранно-пожарной сигнализации СТРЕЛЕЦ® специалистами компании “Аргус-Спектр” был проведен ряд экспериментов.

Эксперименты проводились в условиях открытой местности, антенны устанавливались на высоте около 5 м над уровнем земли. Использовались направленные антенны с усилением около 10 dBd, а также коллинеарные антенны с усилением 5,5 dBd. В ряде экспериментов был использован также усилитель «Модус-А». Результаты представлены в таблице 1.

По результатам эксперимента можно сделать вывод, что как использование внешних антенн, так и использование двунаправленных усилителей позволяет значительно увеличить рабочую дальность между приемно-контрольным устройством (РР – радиорасширителями). Следует заметить, что рабочая дальность радиосвязи между приемно-контрольным устройством и дочерним устройством в открытом пространстве будет примерно в полтора раза ниже, чем дальность радиосвязи с другим приемно-контрольным устройством со штатной антенной. К примеру, дальность радиосвязи между дочерним устройством и приемно-контрольным устройством (радиорасширителем), оборудованным направленной антенной и усилителем, составит порядка 2,5-3 км. В случае, если дочернее устройство находится в строении, рабочая дальность уменьшится.

Табл. 1. Экспериментально полученная рабочая дальность радиосвязи между устройствами радиосистемы охранно-пожарной сигнализации

В таблице приведены данные для рабочей дальности радиосвязи, т. е. для дальности с оценкой качества радиосвязи не ниже «4». Максимальная дальность, при которой возможна радиосвязь, может быть заметно выше рабочей дальности (в 1,5–2 раза), однако устанавливать радиорасширители на расстоянии, близком к предельному, не рекомендуется. Следует также учитывать, что в таблице приведены ориентировочные данные. Реальная рабочая дальность может быть несколько ниже или выше в зависимости от рельефа местности, уровня внешних радиошумов и высоты установки антенны.

Таким образом, применение выносных антенн и усилителей радиосигнала позволяет значительно увеличить дальность действия радиосистем охранно-пожарной сигнализации. При использовании этого оборудования необходимо учитывать рельеф местности, высоту установки антенн и соблюдать общие рекомендации по установке.

Какнастроитьрадиоканалвсистемахбезопасности

Работа любого радиоканала проходит в условиях, когда на вход приёмного устройства кроме полезного сигнала всегда воздействуют и внешние помехи. Поэтому для обеспечения качественного функционирования радиоканала необходимо оценить уровень полезного сигнала и помех на входе приёмного устройства расчётным путём и проверить эти данные экспериментально.

Уровень полезного сигнала в точке расположения приёмной антенны аппаратуры ПЦО будет определяться следующим выражением:

Pвыхпр — Lфпрд + Gапрд– Lmp + Gапрм– Lфрпм≥ Nчпрм + 20(дБ) (1)

где Pвыхпрд – выходная мощность (дБ),
Lфпрд – потери в фидере (дБ),
Gапрд – усиление антенны (дБ) соответственно ПРД ОК;
Lтр – потери сигнала на радиотрассе (дБ);
Gапрм – усиление антенны (дБ), – потери в фидере (дБ),
Nчпрм – чувствительность приёмника (дБ) соответственно ПРМ ПЦО;
20 – необходимый запас на затухание сигнала на радиотрассе (дБ).

В свою очередь, потери на трассе можно определить по следующей формуле [2]:

Lmp = 69,55 + 26,16lgfc — 13,82lghпрд – А(hпрм) + (44,9 — 6,55lghпрм)lgS (дБ) (2)

где fc – частота несущей в мегагерцах,
hпрд – высота антенны ПРД ОК (в метрах),
hпрм – высота антенны ПРМ ПЦО (в метрах), S – расстояние между антеннами (в км),
А(hпрм) – поправочный коэффициент для антенны ПРМ ПЦО.

Для больших городов поправочный коэффициент определяется по формуле:

A(hпрм) = 8,29[ lg(1,54hпрм)]2 — 1,1 (дБ) для fc ≤ 300 МГц (3)

A(hпрм) = 3,2[ lg(11,75hпрм)]2 — 4,97 (дБ) для fc ≥ 300 МГц

Для небольших городов поправочный коэффициент определяется следующим образом:

A(hпрм) = (1,1lgfc-0,7)hпрм — (1,56lgfc — 0,8) дБ (4)

Для потерь на открытом пространстве Lmроmк можно воспользоваться следующей формулой:

Lmроmк = Lmp — 4,78lg(fc)2 — 18,733(lgfc) — 40,98 (дБ) (5)

Для определения качественного функционирования радиоканала необходимо вначале по формуле (2) или (5) определить потери сигнала на радиотрассе для заданного расстояния S между ОК и ПЦО. При этом поправочный коэффициент А(hпрм) считается по формулам (3) или (4) в зависимости от городской застройки для заданной частоты работы системы. После этого по формуле (1) необходимо проверить выполнение условия: если уровень сигнала на входе ПРМ ПЦО превышает значение Nчпрм на 20 дБ, то радиоканал обеспечивает требуемое качество функционирования.

Если данное условие не выполняется, необходимо предпринять меры к снижению потерь сигнала Lтр на радиотрассе: увеличить высоты подъёма антенн ОК и ПЦО, уменьшить потери сигнала в фидерных линиях, применить антенны с большим коэффициентом усиления или, наконец, уменьшить расстояние между объектами.

Выходная мощность передатчика оказывает небольшое влияние на дальность связи. К примеру, если удвоить мощность передатчика с 10 Вт до 20Вт, уровень сигнала в точке приёма увеличится на 3 дБ, а если увеличить мощность в 10 раз (с 10 Вт до 100 Вт), то на 10 дБ.

Радиоканал необходимо планировать таким образом, чтобы мощность передатчика радиостанции была как можно ниже, а увеличение уровня сигнала в точке приёма добиваться за счёт тех предложений, о которых говорилось выше.

Если же увеличения мощности передатчика не удаётся избежать, необходимо принять меры к тому, чтобы увеличение мощности не привело к блокированию рядом расположенных приёмных устройств объекта контроля (или ПЦО), а также увеличению уровня интермодуляционных помех.

Данный алгоритм справедлив и для определения качества функционирования радиоканала в направлении ПРД ПЦО ПРМ ОК.

Все радиотрассы подвержены постоянно изменяющимся внешним факторам. Внешние факторы мало влияют на функционирование радиотрассы, если никакие препятствия не попадают в зоны Френеля. Зоны Френеля – это индукционное поле, возбуждаемое вокруг распространяющегося радиосигнала. Если степень вторжения помех в индукционное поле радиосигнала меняется, изменяется и качество радиотрассы. Чтобы обеспечить надёжность радиотрассы, необходим запас на затухание сигнала. На практике запас на затухание обычно берут в 20 дБ.

После проведения расчётов необходимо экспериментально проверить полученные результаты и при необходимости внести коррективы в схему построения радиоканала системы безопасности.

Аттенюатор предназначен для экспериментальной проверки наличия необходимого запаса на затухание в 20 дБ на данной радиотрассе. Если при включённом аттенюаторе система продолжает работать надёжно, необходимый запас на затухание обеспечен. Если же в системе появляется шум или связь пропадает, необходимо ввести дополнительное усиление.

Алгоритм контроля радиоканала заключается в следующем. На вход ПРД ОК от ГНЧ подаётся сигнал с частотой 1 кГц и амплитудой, обеспечивающей получение номинальной девиации частоты. Как правило, в системах безопасности при организации радиоканала используется частотная модуляция. При использовании других видов модуляции функциональная схема и алгоритм контроля радиоканала остаются такими же.

Низкочастотным вольтметром определяется отношение полезного сигнала на выходе ПРМ ПЦО при номинальной девиации частоты несущей к напряжению помех при снятой модуляции (при подаче немодулированной несущей) по следующей формуле:

где Uc и Uп соответственно напряжения сигнала и помехи, В.
Для обеспечения качественной работы радиоканала в системе безопасности необходимо, чтобы на входе ПРМ ПЦО было значение входного сигнала, обеспечивающего значение Uc/Uп на выходе не менее 20дБ. При этом уровень входного сигнала измеряется высокочастотным вольтметром. Если уровень входного сигнала не обеспечивает необходимое значение Uc/Uп на выходе ПРМ ПЦО, необходимо принять меры к снижению потерь сигнала на радиотрассе, рассмотренные выше.

Предложенный алгоритм позволяет настроить радиоканал и обеспечить надёжную работу систем безопасности.

Проектированиеирасчетдальностидействиярадиоустройстввпомещениях

Процесс составления проектно-сметной документации можно разделить на следующие этапы:

• утверждение заказчиком ТЗ;

• составление коммерческого предложения или проекта стадии “П” (технико-экономического обоснования — для больших объектов);

• утверждение рабочей документации (проекта стадии Т”);

• согласование сметной документации;

• составление исполнительской документации (рабочей документации с внесенными изменениями).

Техническое задание (ТЗ) составляется по РД 25.952-90 “Системы автоматические пожаротушения, пожарной, охранной и охранно-пожарной сигнализации. Порядок разработки задания на проектирование”. Для небольших объектов затем формируется коммерческое предложение, а для крупных — проект стадии “П”. Уже на этапе проектирования становятся очевидны преимущества радиоканальных систем:

• высокая скорость выполнения монтажных работ;

• возможность монтажа оборудования без вывода объекта из эксплуатации;

• минимальное вмешательство в интерьер помещений.

Итоговая стоимость реализации проекта на базе беспроводной системы не превышает затрат на оборудование здания традиционными проводными системами, что, учитывая перечисленные выше преимущества радиоканала, объясняет возросшую популярность беспроводных систем сигнализации и оповещения. Рабочая документация является основой для определения тактики работы радиосистемы, ее составление включает в себя следующие шаги:

• размещение охранных и пожарных извещателей и оповещателей на планах объекта с учетом надежного обнаружения признаков вторжения или опасных факторов пожара;

• размещение радиорасширителей на планах с учетом дальности действия радиоканала как между самими радиорасширителями, так и между ними и радиоизвещателями;

• определение параметров и тактики использования системы (разделы, сигнальные и исполнительные устройства, устройства управления и их взаимосвязь).

На данный момент наиболее непривычным, но не таким уж и сложным процессом является расчет дальности действия радиоканальных устройств или оценка пригодности радиоинтервалов между ними. Если на уже функционирующих объектах в ходе их обследования можно произвести замеры уровней сигналов, то для проектируемых зданий такой возможности не существует. Единственный выход из положения — проведение расчета. Эти вычисления целесообразно производить для оптимального размещения на планах объекта радиоустройств, в частности радиорасширителей — приборов, которые контролируют свои дочерние извещатели, собирают и ретранслируют сообщения от них на пост охраны.
Необходимо отметить, что для радиосистем пожарной сигнализации и оповещения следует руководствоваться требованиями свода правил СП 5.13130.2009, пункт 13.2.3: “Удаленность радиоканальных устройств от приемно-контрольного прибора определяется в соответствии с данными производителя, приведенными в технической документации и подтвержденными в установленном порядке”. То есть эти цифры должны быть приведены в руководстве по эксплуатации на радиосистему и подтверждены при сертификации оборудования.

Очень часто приходится сталкиваться с вопросом “Какова дальность действия того или иного радиоустройства?”. Но о конкретных цифрах можно говорить, лишь разобравшись в природе распространения радиоволн. Итак, каждая пара радиоустройств (например, “извещатель — радиорасширитель”) характеризуется энергетическим потенциалом, который определяется мощностью передающих устройств, чувствительностью приемных трактов и параметрами антенно-фидерных трактов. Этот энергетический потенциал (запас) на радиолинии в итоге определяет вероятность достоверной передачи цифровой информации и выражается в децибелах (дБ). Энергетический потенциал необходим для компенсации ослаблений радиосигнала, которые складываются из:

• ослабления сигнала в свободном пространстве;

• ослабления сигнала за счет препятствий на пути распространения радиоволн.

Ослабление сигнала на радиолиниях в свободном пространстве зависит от расстояния между радиоустройствами и носит логарифмический характер. На рис. 1 графически приведена зависимость ослабления сигнала от удаленности радиоустройств для радиочастотных диапазонов 433 и 868 МГц.

Ослабление за счет препятствий (строительных конструкций помещений) происходит в результате поглощения ими радиосигнала. Необходимо отметить, что долгое время для расчета ослабления сигнала за счет препятствий использовался механизм, основанный на теории дифракции (огибания) радиоволнами препятствий. Совсем недавно в целях планирования сотовых систем связи был разработан так называемый механизм проникновения радиоволн, который основан на возможности формирования вторичной электромагнитной волны после прохождения сигнала сквозь препятствие.
В итоге для оценки пригодности радиоинтервала сумму указанных ослаблений сигнала (в дБ) необходимо вычесть из заявленного производителем энергетического потенциала между радиоустройствами. Полученный результат и является расчетным энергетическим запасом между радиоустройствами. Его рекомендуемая величина (порядка 20-30 дБ) характеризует стабильную радиосвязь и предназначена для компенсации так называемых быстрых и медленных замираний радиосигнала. К быстрым замираниям, помимо явлений, связанных с самой природой распространения радиоволн, относятся ослабления сигнала, связанные с присутствием и перемещением в помещениях людей, а также многократным переотражением радиоволн внутри этих помещений. Вне помещений присутствуют также медленные замирания, определяемые в основном дневными и сезонными ослаблениями радиосигнала, вызванными рефракцией (искривлением траектории) за счет изменения диэлектрической проницаемости воздуха.
При распространении радиоволн внутри помещений имеется некоторое ограничение, связанное с так называемой предельной толщиной препятствия (стены), при превышении которой уже не происходит формирование вторичной электромагнитной волны. В зависимости от частоты сигнала и материала стен и перегородок предельная толщина составляет:

• бетон — 0,47 м (433 мГц) и 0,24 м (868 мГц);

• кирпич — 4,3 м (433 мГц) и 2,18 м (868 мГц).

Таким образом, можно считать, что ослабление радиосигнала в результате прохождения через одну стену при угле падения радиоволн на плоскую поверхность, равном 90°, не зависит от толщины препятствия при условии, что оно меньше предельной толщины и будет составлять значения, приведенные в таблице.
Если электромагнитная волна на поверхность попадает под углом, отличным от 90°, то предельная толщина стены становится несколько меньше, а ослабление сигнала за счет частичного отражения радиоволны — больше. На рис. 2 представлены графики ослабления радиосигнала в зависимости от угла, под которым он попадает на стены или перекрытия, и материалов, из которых они выполнены.

Примероценкидальностирадиосвязинаобъекте

Для примера возьмем шесть помещений. В первом из них установлен радиорасширитель, в последнем на расстоянии 48 м от радиорасширителя размещается радиоизвеща-тель (рис. 3).
Между ними имеется пять стен толщиной по 15 см, выполненных из пенобетона. Угол падения волны ф = 20°.

Ослабление сигнала в свободном пространстве V0= 58 дБ (рис. 1).
Ослабление сигнала за счет препятствий
Vnp= 5х5дБ = 25дБ (рис.2).
Суммарное ослабление сигнала Vj = 25 + 58 = 83 дБ.
Энергетический потенциал между радиорасширителем и его дочерним извещателем составляет 114 дБм, а между радиорасширителями -117 дБм. В рассмотренном случае энергетический запас на замирание равен 31 дБ (Рс = 114-83), в большинстве случаев этого более чем достаточно для организации надежной радиосвязи.
В целях увеличения дальности радиосвязи целесообразно применение радиорасширителей-маршрутизаторов. Не занимая адресного пространства системы, они позволяют создать более равномерную энергетическую плотность между радиорасширителями и в полной мере реализовать принцип автовыбора маршрута доставки сигналов между компонентами радиосистемы (динамическая маршрутизация).

Определениепараметроврадиосистемы

Последним этапом при разработке рабочей проектной документации является определение параметров радиосистемы — частотных каналов, разделов, сигнальных и исполнительных устройств и устройств управления с указанием их взаимосвязи.
Зачастую в проектной документации приводится только размещение радиоустройств на планах объекта и схемы их подключений, а в пояснительной записке указывают тип оповещения о пожаре и приводят расчет требуемой емкости резервных источников питания. Однако очень важно определить и документально оформить тактику работы радиосистемы! Именно на этапе проектирования должны задаваться и параметры радиорасширителей, как приемно-контрольных устройств радиосистемы:

• общие: параметры функционирования радиорасширителя;

• разделы: локальный раздел является основной функциональной единицей для управления и индикации состояния системы;

• реле: внешняя реакция на события в разделах;

• дочерние устройства: сигнальные, исполнительные и устройства управления, входящие в раздел, и их параметры функционирования;

• пользователи: кто и с каким кодом допущен к управлению локальным разделом.

Удобнее всего представить эти параметры в проектной документации в виде таблиц, таким образом облегчив впоследствии проверку конфигурации радиосистемы в будущем.

Таблица 2

Как показывает практика, приведенная методика оценки пригодности радиоинтервалов для беспроводных систем охранно-пожарной сигнализации и оповещения не вызывает каких-либо трудностей при расчетах. Более того, при внесении каких-либо изменений в планировку функционирующих зданий предложенная методика позволяет спрогнозировать и своевременно спланировать необходимые мероприятия по изменению структуры радиосистемы без проведения серьезных изыскательских работ, для чего иногда достаточно ограничиться перемещением одного или двух радиорасширителей. Понимание специалистами монтажных подразделений этой методики позволяет значительно сократить время при поиске мест оптимального расположения радиоустройств.

В заключение приведем основные рекомендации по монтажу оборудования радиосистем:
– радиорасширители и дочерние устройства следует монтировать по возможности дальше от металлических предметов, металлических дверей, металлизированных оконных проемов, коммуникаций и др.
– следует избегать установки радиоустройств вблизи различных электронных приборов, компьютерной техники, токоведущих кабелей, проводов, для того чтобы исключить влияние помех от функционирующих преобразователей напряжения, микропроцессоров и проч. на качество радиоприема. Рекомендуемое расстояние между радиорасширителями и электронными устройствами – не менее 1–1,5 м

Использованные материалы:

1. Александр БАБКИН, доцент кафедры технических систем безопасности и связи Воронежского института МВД России.

2. В. Берсенев, эксперт ЗАО «Фирма «ЮМИРС».

3. Журнал “Системы безопасности” №4, 2009, №2, №3 2010