Антенны БПЛА и распространение радиоволн

Кратко

У БПЛА три радиоканала — управление, телеметрия и видео, — и дальность каждого упирается в антенны на обоих концах. Антенна не «усиливает» сигнал: она лишь перераспределяет излучение в пространстве. Понимание этого плюс два физических факта — потери растут с расстоянием и частотой, а препятствия мешают даже «прямой видимости» — объясняют почти всё в практике радиолинков.

Для чего используется

Выбор частоты линка: почему управление любит 900 МГц, а видео живёт на 5,8 ГГц.
Компоновка антенн на аппарате и земле: куда смотрит «бублик» диаграммы, зачем наклонять антенну приёмника.
Планирование дальних полётов: рельеф, зона Френеля, высота антенны наземной станции.

Как работает

Усиление и диаграмма. Усиление антенны измеряется в дБи — относительно воображаемого изотропного излучателя, светящего равномерно во все стороны. Высокое усиление означает узкий концентрированный луч: дальше в одном направлении, хуже во всех остальных. Низкое — почти сферическую диаграмму: скромная дальность, зато аппарат «слышно» в любом ракурсе. Классический диполь имеет диаграмму-«бублик»: максимум вбок, провалы вдоль оси — поэтому антенну не направляют кончиком на корреспондента, а на дроне приёмную антенну часто ставят под ~45°, если летают с наклоном вперёд.

Потери на трассе. В свободном пространстве сигнал слабеет с квадратом расстояния и с квадратом частоты: удвоение дистанции добавляет ~6 дБ потерь, а FSPL(дБ) = 20·log₁₀(d, км) + 20·log₁₀(f, ГГц) + 92,45. Отсюда главное практическое следствие: при прочих равных 900 МГц «летит» дальше 2,4 ГГц, а 2,4 ГГц — дальше 5,8 ГГц. Именно поэтому ExpressLRS предлагает оба диапазона — 900 МГц и 2,4 ГГц, а дальнобойный телеметрийный модем RFD900x работает на 902–928 МГц и при мощности до 1 Вт заявляет «40+ км» — при прямой видимости и правильных антеннах.

Зона Френеля. Радиолиния — не луч, а эллипсоид: основная энергия волны переносится через первую зону Френеля вокруг прямой между антеннами. Препятствие внутри неё — холм, лесополоса, крыша — ослабляет сигнал, даже если антенны «видят» друг друга. Практическое правило: первая зона должна быть свободна минимум на 60%. Отсюда мачты у наземных станций.

Поляризация. Волна колеблется в определённой плоскости (линейная поляризация) или вращается (круговая: правая RHCP или левая LHCP). Антенны передатчика и приёмника обязаны совпадать по поляризации — смешение RHCP и LHCP оборачивается значительной потерей сигнала. Круговую поляризацию любят видеолинки: отражённая от земли или стены волна меняет направление вращения и режектируется антенной — меньше многолучевых «призраков» в картинке.

Разнесение (diversity). Приём на две антенны, разнесённые в пространстве и по ориентации (например, под 90°): когда одна попадает в провал диаграммы или теряет поляризацию из-за манёвра, вторая продолжает слышать. Так работают diversity-приёмники управления и два антенных порта RFD900x.

Основные компоненты

Всенаправленные антенны (диполь и его разновидности) — на аппарате и для ближних полётов.
Направленные антенны (патч и др.) — на наземной станции, в сторону полёта.
Diversity-приёмники — две антенны под 90°.
Кабели и разъёмы (SMA/RP-SMA, U.FL) — их совместимость проверяют до полёта.

Примеры

Дальнолёт: управление ELRS 900 МГц, телеметрия RFD900x с двумя антеннами, наземная станция на мачте — все три решения продиктованы физикой из этой статьи.
Полёт за лесополосу: линк проседает, хотя «всё видно», — препятствие залезло в первую зону Френеля.
FPV-очки с антеннами разной поляризации, чем у передатчика, — картинка в снегу: поляризации не совпали.

Связанные темы

Источники

Oscar Liang: FPV Antennas — усиление, поляризация, размещение, diversity.
Wikipedia: Free-space path loss — формула потерь, зависимость от расстояния и частоты.
Wikipedia: Fresnel zone — зона Френеля, правило 60%, многолучевое распространение.
ExpressLRS — диапазоны 900 МГц / 2,4 ГГц.
RFD900x DataSheet — частоты, мощность, diversity, заявленная дальность.