Предыдущие подборки: Подбор компонентов, Введение
Предыдущие части: Видеопередатчик, Приёмник, Регулятор оборотов, Бесколлекторный мотор, Полётный контроллер
Антенны – очень важные компоненты коптера. Именно от них зависит, насколько хорошо и далеко будет летать коптер, и насколько хорошей будет видеосвязь.
Для управления коптером и для видеосвязи используются разные антенны, но по сути они представляют собой одно и то же.
Устройство
Антенна это просто кусок провода.
Этот кусок должен обладать интересным свойством – уметь излучать в пространство электромагнитные волны.
Как этого добиться?
Если к концам провода приложить негативный и позитивный контакт от источника напряжения, то по проводу потечёт ток. А протекающий ток всегда создаёт магнитное поле. То есть мы добились того, чтобы провод создавал магнитное поле.
Далее, чтобы передавать с помощью антенны какую-то информацию, мы должны трепыхать это магнитное поле с определённой частотой. Например 2.4 ГГц.
Мы можем включать и выключать ток в антенне, и тем самым включать и выключать магнитное поле.
Но есть одна загадка
Антенна не присоединена обоими концами к источнику тока. Она не образует замкнутую цепь, и поэтому по ней не может идти ток. Как же она работает?
Дальше я расскажу очень примерно, так как в деталях сильно не разбираюсь. Но главное это принцип. А принцип следующий.
Провод может быть не замкнутой цепью, но если мы подаём на один его конец, например 5 вольт, то на проводе появляется потенциал напряжения в 5 вольт. Ток по нему не идёт, но потенциал есть. Это важно понять.
Далее, если мы пускаем по проводу волну переменного тока... Что такое волна? Это синусоида:
А синусоида это ничто иное как разность потенциалов. Ведь значение потенциала на вершине гребня волны отличается от значения во впадине.
Ток по проводу всё ещё не идёт, но... из-за приложенного переменного напряжения на нём теперь всё время меняется потенциал.
И меняется он не сразу во всём проводе, а постепенно распространяясь вместе с волной от его начала. Ну как постепенно – со скоростью света!
Теперь надо посмотреть внимательно: если начало волны добежало до конца провода, а конец волны только вошел в начало провода, то волна полностью поместилась в провод по длине. Какая длина волны у частоты 2.4 ГГц?
За одну секунду волна пробегает 300000000 метров, при этом совершая 2400000000 колебаний. Значит, длина одного колебания это 0.125 метра (грубое приближение).
Одна волна длиной 0.125 метра полностью помещается в провод длиной 0.125 метра.
Теперь возьмём половину волны. Это будет часть волны от впадины до гребня, и она полностью поместится в провод длиной 0.0625 метра. Но что при этом произойдёт?
В начале провода, допустим, будет находиться впадина волны, а в конце провода гребень. Так как между впадиной и гребнем существует разность потенциалов, значит, между двумя концами провода в этот момент также существует разность потенциалов. А где есть разность потенциалов – там двигаются электроны! Значит, в проводе появится ток и сгенерирует магнитное поле.
Вот, собственно, и весь принцип. Чтобы антенна работала на определённой частоте, надо, чтобы длина излучающего провода была равна половине длины волны. Антенна может излучать и с другой длиной, но будет делать это неэффективно.
Правда, дальше начинается непонятное. В частности, антенны делают не с половинной длиной волны, а с 1/4. Так в принципе тоже работает, но непонятно зачем так делают. Какие-то неучтённые принципы, которые мне на данный момент неясны.
Далее, у антенны есть ещё характеристики, такие как индуктивность и ёмкость, они все тоже влияют, и на этом просто остановимся. Без бутыл трёх высших образований там делать нечего.
Всё, что мы пока можем вынести – чем меньше рабочая частота, тем длиннее волна, и значит длиннее антенна. Поэтому антенны на 5.8 ГГц меньше, чем антенны на 2.4 ГГц, а те в свою очередь меньше, чем на 1.2 ГГц и т.д.
Диаграмма направленности
В какую сторону антенна излучает сигнал? Это зависит от её формы. Если бы антенна была некой идеальной точкой, то излучала бы по всем направлениям. Записав распределение сигнала по всем этим направлениям, мы получим сферу с однородной поверхностью.
Антенна в виде прямого провода излучает вокруг себя, но не на торцах провода. Поэтому её диаграмма направленности выглядит как бублик:
Это класс круговых диаграмм, где мощность излучения распределена равномерно по кругу.
Второй класс это направленные антенны. Благодаря всевозможным хитростям и усовершенствованиям они уже не выглядят как простой провод. Их диаграмма направленности состоит из нескольких лепестков, где один, рабочий, самый длинный, а остальные маленькие.
Выглядят эти антенны например так:
Очевидно, что раз основная часть мощности излучения сконцентрирована в одном направлении, такая антенна добивает дальше.
Но им требуется быть именно направленными в нужную сторону.
Передача и приём
Так как магнитное и электрическое поле взаимосвязаны, то передающие и принимающие антенны ничем не отличаются. Передающая с помощью разницы потенциалов электрического тока генерирует магнитное поле, а принимающая с помощью разницы потенциалов магнитного поля генерирует электрический ток, который затем конвертируется в сигнал.
Поляризация сигнала
Условно говоря, если антенна стоит вертикально, то волны от неё расходятся "вертикальные", а если горизонтально, то "горизонтальные". Это называется линейной поляризацией.
Хитрость тут в том, что и передающая, и принимающая антенна должны иметь одинаковую поляризацию. Если передающая стоит вертикально, то и принимающая должна стоять вертикально. Если две антенны будут стоять перпендикулярно друг другу, то принимающая не сможет получить практически никакого сигнала.
Ранее мы обсуждали дайвёрсити-приёмники, у которых есть две антенны. Эти антенны устанавливаются перпендикулярно друг другу. Тогда, если одна из антенн окажется перпендикулярна к передающей, то вторая окажется параллельной. И значит, на одну из антенн сигнал всё-таки будет получен.
Есть и другие антенны, сделанные в форме клевера:
Обычно этот клевер спрятан под крышкой, поэтому антенна скорее будет выглядеть так:
Излучающие участки клевера – это 3 или 4 хитро изогнутых провода. Проходя по ним, сигнал "закручивается" и получается круговая поляризация.
Аналогичные свойства, только без "клевера", имеет антенна типа "пагода":
Для круговой поляризации ориентация антенн неважна, так как волна всё время крутится. Это позволяет сочетать следующие виды поляризации антенн:
- круговая + круговая
- линейная на передачу + круговая на приём
- круговая на передачу + линейная на приём
Но есть и минусы – при переходе от круговой поляризации на линейную и наоборот часть энергии теряется, поэтому эффективность приёма снижается.
Антенны с круговой поляризацией используются только для видео, вы не встретите их на аппаратурах управления или приёмниках (хотя вроде бы ничто не запрещает).
Правая и левая круговая поляризация
У круговой поляризации есть ещё одно свойство: сигнал может быть закручен по часовой стрелке (вправо) или против часовой (влево). Соответственно бывает правая (RHCP, Right Hand Circular Polarization) и левая (LHCP) круговая поляризация.
Они несовместимы друг с другом, то есть передающая и принимающая антенна должны иметь одинаковое направление поляризации.
Правая круговая поляризация распространена гораздо больше левой. В силу этого у левой есть некоторые преимущества: там, где много пилотов летают на правой, можно летать на левой и не испытывать помех.
Читайте дальше: