Зміст
- Новичкам о дальности связи на УКВ. Мифы и факты по-простому.
- Як далеко може працювати переносна 5 Вт радіостанція?
- Зона Френеля. Перешкоди на шляху радіохвиль
Новичкам о дальности связи на УКВ. Мифы и факты по-простому.
Часто первым вопросом новичка про радиостанции будет вопрос о дальности связи. Простой вопрос, на который нельзя дать такой уж простой ответ. Попробуем разобраться в максимально упрощенной форме, не слишком углубляясь в физику. Продвинутых прошу не обижаться на вульгаризацию изложенияй.
Итак, что происходит при радиосвязи? Передатчик генерирует электромагнитную энергию, передает ее по фидеру к антенне (кроме портативок - у них антенна прикручена непосредственно к генератору), а та излучает ее в пространство. При приеме происходит ровно то же самое, только наоборот - антенна адсорбирует энергию из пространства и передает ее по фидеру на приемник.
Антенна неравномерно излучает (принимает) электромагнитную энергию в пространстве. Если измерить и изобразить графически эту неравномерность, то получим диаграмму направленности антенны и увидим, куда она усиливает сигнал, а куда ослабляет - и насколько.
Важна не столько мощность генератора сама по себе, сколько количество излученной энергии в сторону приемника. Если мощность большая, но фидер с потерями и антенна направлена не туда, то толку будет мало. Наоборот, маломощный генератор при фидере с малыми затуханиями и эффективной антенной излучит достаточно энергии для уверенного приема. К приемнику это относится в равной мере.
Как влияет мощность передатчика на уровень сигнала приемника? Поскольку (в идеальных условиях) напряженность электромагнитного поля обратно пропорциональна квадрату расстояния, то влияние мощности меньше, чем кажется. Если удалить приемник на в два раза большее расстояние от принимаемого передатчика, сигнал упадет в четыре раза. Если удалить приемник на в три раза большее расстояние - то в девять раз. В реальной жизни нет никакой разницы с точки зрения силы принимаемого сигнала между, например, передатчиками мощностью 5W и 4W. Никакой. Чтобы увеличить дальность вдвое, нужно увеличить мощность вчетверо, а не на одну четвертую. А вот разница в потреблении тока от аккумулятора и разница в нагреве очень существенна. По этому является признаком исключительной безграмотности любая попытка увеличить мощность на десяток-два процентов, поскольку она никак не скажется на дальности связи, но подвергнет сильному риску аппаратуру, а в портативном режиме еще и досрочно высадит аккумулятор. На это часто покупаются новички.
Линейное увеличение дальности связи в пределах прямого распространения радиоволн достигается ценой квадратичного увеличения мощности генератора. Незначительное увеличение мощности - самообман и риск.
Так как же все-таки нарастить радиус действия, если небольшое прибавление мощности не дает желанного эффекта, а значительная прибавка невозможна технически или ограничена законом? Очень просто - уменьшением потерь в фидере и применением более эффективных антенн. Об антеннах можно говорить практически бесконечно, по этому, для краткости, рассмотрим только диаграмму направленности и КНД (“усиление”). Естественно, важно излучить максимум в сторону приемника (обычно означает в сторону горизонта - не в небо, если только это не спутниковая или авиационная антенна, не в землю, а строго горизонтально). Иногда бывает важнее настроить антенну минимумом в сторону сильной помехи. Антенна - элемент пассивный, по этому термин “усиление” к ней применим лишь условно. Говоря об усилении, имеют в виду насколько много электромагнитной энергии распределено в сторону приемника за счет сокращения излучения в ненужные стороны. А приводя параметры “усиления”, часто вводят в заблуждение покупателя, приводя сравнение не со стандартным диполем или стандартным изотропным излучателем, а непонятно чем, в результате чего получают чудесные цифры - не нужно обращать на них внимание.
Лучший усилитель - антенна. Она направляет имеющуюся электромагнитную энергию в сторону корреспондента на передаче и так же направленно принимает ее от передатчика корреспондента, обеспечивая выигрыш за счет перераспределения имеющейся энергии и на передаче, и на приеме, а не за счет тупого роста мощности генератора на передаче и бессилия что-либо сделать из-за слабого сигнала на приеме.
Радиоволны распространяются прямолинейно. Однако, это верно лишь до определенного предела и на практике они могут огибать некоторые препятствия. Чем выше частота (или чем короче волна), тем выраженнее прямолинейность распространения, большее подобие геометрической оптике. Короткие волны могут немного заходить за горизонт, а УКВ - практически нет. Да, конечно, иногда возникают условия, при которых дальность возрастает очень существенно и возможны аномально дальние связи, но мы их сейчас не рассматриваем умышлено - важно понять дальность уверенной связи прямой волной. По этому, если один из корреспондентов находится в глубоком овраге, туннеле или даже в плотной городской застройке, то дальность радиосвязи может упасть почти до нуля, с какой бы мощностью он ни работал и какая бы эффективная антенна у него не использовалась. По этому, говоря о радиусе действия той или иной радиостанции, рассматривают близкие к идеальным условия - ровная местность без особых перепадов высот и заметных препятствий. Но все равно остается горизонт, естественная кривизна земли. Единственный практический способ преодолеть естественную кривизну земли, а заодно и локальные препятствия - размещение антенн как можно выше, чтобы как можно дальше заглянуть за горизонт.
Что же имеем на практике? Есть эмпирические формулы расчета дальности связи, учитывающие кривизну земли и высоту подвеса антенны. Например, суммируем высоту антенн обоих корреспондентов (в метрах), извлекаем квадратный корень и умножаем на коэффициент (ориентировочно 4,124), чтобы получить дальность прямой видимости в километрах. При высоте антенн, скажем, 10 метров над землей каждая, это даст оценочно 18…19км. Всего лишь. Некоторая рефракция, тем большая, чем ниже частота, может увеличить дальность прямой связи, иногда довольно существенно, а реальные препятствия - столь же существенно сократить. Чем ниже частота, тем легче (точнее - тем большие) огибаются препятствия. Длинные волны (радиовещательного диапазона, например) успешно огибают горизонт и уходят намного дальше прямой видимости. Короткие волны хуже огибают препятствия, но все же на практике также уходят за горизонт. Ультракороткие волны намного ближе к оптике и практически бессильны даже перед небольшими препятствиями и почти не проникают за горизонт.
Дальность прямой связи ограничена не столько мощностью передатчика, сколько препятствиями - неровностями рельефа, плотной застройкой и, наконец, естественной кривизной земли, преодолеть которые ни мощностью, ни эффективностью антенны невозможно, но возможно поднимать антенны выше, над препятствиями. Чем выше частота, тем строже выполняется это правило. Два автомобиля с СиБи радиостанциями смогут работать на большем расстоянии, чем те же автомобили с УКВ радиостанциями. В нормальный условиях связи прямой волной автомобили скорее всего не услышат друг друга далее приблизительно 20км даже на СиБи, а на УКВ - и того меньше. Портативные корреспонденты даже в идеальных условиях едва ли могут рассчитывать на связь более чем в 6…8км с земли, как бы не наращивали они мощность своих портативок.
Итак, еще раз повторим основные тезисы:
-
небольшое, на десятки процентов, увеличение мощности практически не сказывается на увеличении дальности связи
-
выгоднее использовать хорошие антенны и снижать потери в фидере, чем наращивать мощность
-
хорошая антенна направляет максимум сигнала на корреспондента и не обязательно имеет максимальный КНД, т. к. большой КНД сам по себе не означает автоматически максимум излучения в сторону корреспондента
-
дальность связи чаще ограничена не мощностью передатчика или чувствительностью приемника, а рельефом местности или кривизной земли, по этому практическое увеличение дальности возможно только за счет подъема антенны над препятствиями
-
чем выше частота, тем сильнее влияние препятствий на дальность связи, поскольку с ростом частоты снижается огибание препятствий радиоволнами, по этому для увеличения дальности целесообразно стремиться к более низким частотам
На что же могут рассчитывать пользователи радиостанций? Разные источники дают немного отличающиеся цифры, более или менее оптимистичные. В любом случае, чем ниже частота при сохранении полноценной антенны и чем ближе условия к идеальным (отсутствие препятствий), тем ближе будет результат к максимальному. По этой причине сибишные портативки (со слишком укороченными антеннами) часто проигрывыают УКВ-портативкам, зато автомобили с почти полноценными антеннами или стационарные радиостанции с простыми полноразмерными антеннами нередко выигрывают у УКВ по практической дальности. В городе даже минимальные цифры из приведенных диапазонов окажутся слишком оптимистичными, разве что базовая антенна на крыше высотного здания очень сильно расширит радиус действия. -
портативка-портативка - 1…5км
-
портативка-автомобиль - 1…8км
-
автомобиль-автомобиль - 3…20км
-
портативка-стационар - 2…15км
-
автомобиль-стационар - 10…30км
Иногда будут удаваться связи на большие расстояния, иногда плотная городская застройка заглушит связь на намного меньшем. Например, если один из корреспондентов - стационар с высокорасположенной и достаточно эффективной антенной, то он сможет связаться с портативкой и на более чем 30км.
А как же дальние связи? Ведь всем известно, что на коротких волнах возможна радиосвязь с любой точкой земли, да и на УКВ возможны связи на большие расстояния? Тут вмешиваются другие факторы - отражения коротких радиоволн от ионизированных слоев, рефракция и рассеивание ультракоротких волн на неоднородностях и т.п. Их не следует учитывать при расчете дальности радиосвязи прямой волной, расчете местной связи.
Комментарии, дополнения и благодарности приветствуются. Разрешается перепечатка с указанием авторства.
© UT7UX
Як далеко може працювати переносна 5 Вт радіостанція?
Це дуже поширене запитання, точної відповіді на яке ніхто не скаже. Все залежить від багатьох факторів, і найголовніші з них це — висота і підсилення антени.
Ваша висота та відсутність перешкод визначають загальну відстань, яку ви можете досягти. Дерева та будівлі заважатимуть, коли ви хочете досягти великих відстаней.
Тому найкращим рішенням для хорошого зв’язку буде ретранслятор.
Нижче подана орієнтована оцінка дальності роботи в реальних середньостатистичних умовах тільки між переносними VHF/UHF радіостанціями потужністю 4-5 Вт *1.
Примітка 1: Коли ви бачите маленькі «мильнички» в блістері в універмазі, рекламовані як 20/30 км між двома радіостанціями, це зв’язок з гори на гору, над поверхнею моря або через репітер. Там насправді немає таких відстаней.
Примітка 2: Пряма видимість, це не тільки лінія від точки А до точки Б. Мається на увазі зона Френеля, яка охоплює певний простір вздвож видимої лінії з радіусом r, а також загородженням цієї зони не більше 20-40%. Більш детально тут https://uk.wikipedia.org/wiki/Зона_Френеля
Зона Френеля. Перешкоди на шляху радіохвиль
Радіохвиля в процесі поширення в просторі формує еліпсоїд обертання, в фокусах якого знаходяться передавач і приймач. Цей еліпсоїд навколо прямої лінії (LoS / Line of Sight), і називається Зоною Френеля. Не менш 60% зони Френеля має залишатися чистою від будь-яких перешкод, тому що інакше починаються істотні втрати сигналу в каналі.
На наведеному вище малюнку показано, що наявність прямої видимості не є достатньою умовою для якісної роботи високочастотного радиолінк. Справа в тому, що довжина світлових хвиль значно коротше хвиль радіодіапазону, тому, навіть якщо ми можемо бачити протилежну сторону линка, це не означає, що дане вільний простір також “прозоро” для хвиль радіодіапазону. В результаті, якщо антени встановлені тільки виходячи з наявності прямої видимості, радиолінк буде вести себе таким чином: детектор якості сигналу буде показувати майже сто відсотків, але швидкість линка буде мінімальною, втрати і повтор пакетів, а також зникнення зв’язку зроблять роботу линка неможливою.
Вирішити проблему можна тільки шляхом підняття антен на висоту, рівну половині зони Френеля в місці наявності перешкоди. Зрозуміло, якщо перешкода знаходиться збоку, наприклад в разі побудови лінка, промінь якого проходить, між двох будівель, має дотримуватись та сама умова. Після підйому антен на необхідну висоту на обох сторонах, лінк буде працювати на максимальній швидкості і з максимальною для даної відстані віддачею.
Іншими словами, повинна виконуватися умова: Н > = h + R * (1-40%)
Радіус зони Френеля в потрібній точці простору можна розрахувати за формулою:
де Freq - частота сигналу в ГЦ, а D1 і D2 - відстань в метрах
Концепція зазору зони Френеля може використовуватися для аналізу перешкод на перешкодах поблизу шляху радіотрансляції. Перша зона повинна зберігатись переважно без перешкод, щоб уникнути перешкод радіоприймачу. Проте деякі перешкоди зонах Френеля часто можна допустити. Як правило, допустима максимальна обструкція становить 40%, проте рекомендована непрохідність становить 20% або менше.
Для розрахунку висоти установки антен рекомендуємо користувати Ubiquiti Outdoor Wireless Link Calculator https://airlink.ubnt.com/#/ptp
Залежність дальності прямої видимості від висоти антен
Расчёт профиля трассы и параметров радиоканала, подбор оборудования, PoE калькулятор и другие полезные утилиты - https://www.linktest.ru
Профиль высот на карте http://hfdx.at.ua/index/0-40
Карта высот, уровень сигнала, зона покрытия на УКВ - http://r9o.ru/?page_id=3427
http://vhfdx.at.ua/index/0-6
При виборі місця монтажу враховуйте будь ласка, що наша планета - кругла. Тому, для забезпечення прямої видимості між антенами, їх треба підняти на достатню висоту.
З огляду на те, що необхідною умовою для роботи радіоканалу є пряма видимість між антенами, важливо розуміти як залежить висота, на якій встановлені антени і гранична дальність прямої видимості між ними.
В реальності доводиться враховувати і рельєф місцевості. Але приблизну оцінку можна отримати з наведеної нижче таблиці.
