Антенна 868 МГц для LoRa и телеметрии: какую выбрать для шлюза, датчика и счётчика

Кто работает на 868 МГц

Участок 863–870 МГц в Европе и близкий к нему частотный план RU864 в России используют для устройств малого радиуса действия: сети LoRaWAN, беспроводные счётчики воды, тепла и электричества, охранные и пожарные датчики, телеметрию промышленных объектов. Мощности таких передатчиков малы, время работы в эфире ограничено, поэтому каждый децибел усиления антенны прямо превращается в дальность или в запас на стены и рельеф.

Рядом лежат сотовые диапазоны: LTE-800 (791–862 МГц) и GSM-900 (880–960 МГц). Поэтому антенны 806–960 МГц перекрывают 868 МГц вместе с сотовыми полосами, а шлюз на одной мачте с базовой станцией сотовой связи нуждается в развязке.

Размеры антенны на 868 МГц

Длина волны на 868 МГц — около 34,5 см. Четвертьволновый штырь на плате модуля — около 8,6 см, полуволновый — около 17 см. Антенны с усилением длиннее: коллинеарная 10 дБи — около 2,5 м, Яги 13 дБи — около 1,5 м.

Антенна для шлюза LoRaWAN

Шлюз должен слышать датчики со всех сторон, поэтому ему нужна всенаправленная антенна, поднятая как можно выше: крыша, мачта, вышка. Высота подвеса даёт больше, чем усиление: антенна над крышами видит датчики, закрытые от антенны на уровне земли.

• Городская застройка, датчики в подвалах и колодцах — 5–6 дБи: KADAMM AC-80005, KADAMM AC-80006 или KADAMM AC-81005. Широкий вертикальный луч (30–50°) достаёт и до близких датчиков под антенной.
• Равнина, сельская местность, дальние датчики — 10–10,5 дБи: KADAMM AC-80010 или KADAMM AC-820105. Вертикальный луч 7–10° собирает энергию к горизонту.
• Кабель к шлюзу — как можно короче и толще; если возможно, шлюз ставят у антенны и подводят к нему питание и Ethernet.

Антенна для датчика и удалённого узла

Датчик обычно оснащён маленькой антенной на плате или коротким штырём. Если датчик стоит далеко от шлюза или в экранированном месте, к нему подключают внешнюю антенну. Для связи с одним известным шлюзом выгоднее направленная антенна: Яги 9–13 дБи наводят на шлюз, и её усиление работает в обе стороны — датчик и слышит шлюз лучше, и сам слышен лучше.

• Компактная KADAMM ADY-806-960-9 (9 дБи, 470 мм) — для крыши частного дома или фасада.
• KADAMM ADY-806-960-13 (13 дБи, 1470 мм) — для дальнего узла с прямой видимостью на шлюз.
• Антенны Яги ставят с вертикальной поляризацией, как и всенаправленные антенны шлюзов.

О наведении направленных антенн — в статье об антенне Яги.

Антенна на транспорт

Для трекеров и телеметрии на транспорте подходит автомобильная KADAMM AM-80055 (806–960 МГц, 5,5 дБи, 400 мм). Крепление и кабель в салон — как у автомобильных антенн для раций: см. статью о магнитном основании.

Как оценить дальность

Потери в свободном пространстве на 868 МГц: L ≈ 91 + 20 lg d дБ (d в км) — около 91 дБ на 1 км и 111 дБ на 10 км. Это на 6 дБ больше, чем на 433 МГц на том же расстоянии: длина волны вдвое короче. Зато антенна с тем же усилением на 868 МГц вдвое компактнее. В застройке к потерям добавляются стены (от единиц до десятков децибел) и рельеф, поэтому расчёт по свободному пространству даёт верхнюю оценку дальности.

Шлюз рядом с базовой станцией сотовой связи

Мачты и крыши часто общие с сотовыми операторами. Передатчики LTE-800 и GSM-900 работают совсем близко по частоте и с гораздо большей мощностью. Чтобы они не оглушали приёмник шлюза, антенну шлюза разносят с сотовыми антеннами по вертикали, а при необходимости ставят полосовой фильтр на вход шлюза. О фильтрах — в статье о режекторном фильтре, ФНЧ и ФВЧ.

Энергетика линии: где теряется запас

Приёмники LoRa очень чувствительны: на самых медленных скоростях порядка −137 дБм. Передатчик датчика обычно излучает около +14 дБм. Разница — около 150 дБ, к которым прибавляется усиление двух антенн. По свободному пространству такого запаса хватило бы на сотни километров, но в реальной сети он уходит на другое:

Поэтому антенну выбирают не «на максимум усиления», а так, чтобы закрыть самое слабое место сети: датчики в подвалах лучше слышит низко висящая антенна с широким лучом, дальние датчики на открытой местности — высоко поднятая антенна 10 дБи или направленная Яги.

Счётчики в подвалах и колодцах

Самая трудная задача для сетей 868 МГц — счётчики воды и тепла в подвалах, приямках и колодцах. Бетон, грунт и металлическая крышка ослабляют сигнал на десятки децибел. Помогают три приёма:

• Вынести антенну датчика из колодца или подвала на коротком кабеле — под крышку с отверстием, в приямок или на стену у окна подвала.
• Поставить шлюз ближе и выше: на крышу ближайшего дома, а не на далёкую вышку.
• Взять на шлюз антенну с широким вертикальным лучом (5–6 дБи): датчики под антенной и рядом с ней она слышит лучше, чем узколучевая 10 дБи.

Разъёмы и кабели

На 868 МГц потери в кабеле примерно в полтора раза выше, чем на 433 МГц. Тонкий кабель длиной 10 м съедает больше, чем даёт разница между антеннами 6 и 10 дБи, поэтому к шлюзу на мачте ведут толстый кабель с малыми потерями или ставят шлюз рядом с антенной.

Проверка после монтажа

• КСВН антенны шлюза — прибором с кабелем, на частоте сети.
• Уровень сигнала и отношение сигнал/шум от нескольких датчиков в интерфейсе сети: ближние должны приходить с запасом, дальние — хотя бы с минимальным.
• Для направленных антенн датчиков — подстройка по азимуту по уровню сигнала шлюза.
• Герметизация разъёмов на улице: влага в разъёме — частая причина «пропадающих» датчиков.

Как выбрать антенну 868 МГц

• Диапазон — должен включать рабочие частоты сети: подходят антенны 800–900, 806–960, 810–970 МГц.
• Шлюз — всенаправленная коллинеарная, усиление по застройке: 5–6 дБи в городе, 10–10,5 дБи на равнине.
• Датчик или узел — направленная Яги 9–13 дБи на шлюз.
• Разъём — N у стационарных антенн; к модулю с SMA или U.FL нужен кабель-переход.
• Кабель — короткий: на 868 МГц потери в тонком кабеле заметно выше, чем на 433 МГц.

Частые ошибки

• Антенна 433 МГц на модуле 868 МГц. Разъём подходит, но антенна не согласована и теряет большую часть мощности.
• Шлюз на уровне земли. Подъём антенны на крышу даёт больше, чем любое усиление.
• Слишком узкий луч в городе. Антенна 10 дБи на высокой мачте плохо слышит близкие датчики.
• Длинный тонкий кабель к шлюзу. Съедает усиление антенны целиком.

Модели

KADAMM AC-80005

Шлюз, город

Коллинеарная 800–900 МГц, 5 дБи, 600 мм.

Открыть карточку

KADAMM AC-80010

Шлюз, равнина

Коллинеарная 806–960 МГц, 10 дБи, 2500 мм.

Открыть карточку

KADAMM AC-820105

Мощный узел

Коллинеарная 821–894 МГц, 10,5 дБи, 500 Вт, 7/16 DIN.

Открыть карточку

KADAMM ADY-806-960-9

Датчик, компактная

Яги 806–960 МГц, 9 дБи, 470 мм.

Открыть карточку

KADAMM ADY-806-960-13

Дальний узел

Яги 806–960 МГц, 13 дБи, 1470 мм.

Открыть карточку

KADAMM AM-80055

Транспорт

Автомобильная 806–960 МГц, 5,5 дБи.

Открыть карточку