Коллинеарная (штыревая) антенна: как устроена и как выбрать усиление и длину

Штыревая и коллинеарная антенна

Простейшая штыревая антенна — вертикальный проводник длиной в четверть волны на металлическом противовесе: крыше машины, корпусе рации или радиалах. Её усиление близко к усилению полуволнового диполя (2,15 дБи), а противовес становится её второй половиной. Так устроены носимые и большинство автомобильных антенн.

Коллинеарная антенна идёт дальше: в одном стеклопластиковом обтекателе по вертикали стоят несколько полуволновых излучателей, а фазирующие элементы между ними (катушки или отрезки линии) включают их синфазно. Противовес такой антенне не нужен: она сама по себе симметрична.

Почему усиление растёт с длиной

Всенаправленная антенна не может сфокусировать энергию по горизонту — она излучает во все стороны одинаково. Зато может собрать к горизонту то, что диполь отправил бы вверх и вниз. Каждое удвоение числа элементов сужает вертикальный луч примерно вдвое и прибавляет около 3 дБ. Отсюда прямая связь усиления, длины и ширины луча — хорошо видно по исполнениям на 400–480 МГц:

На низких частотах та же логика даёт ещё большие размеры: на 134–173 МГц антенна KADAMM AC-1503A с усилением 3,2 дБи длиной 1,4 м, KADAMM AC-1506F с 6,5 дБи — 3,3 м, KADAMM AC-15010H с 10 дБи — 7,2 м и 11,3 кг. На 2,5–2,7 ГГц наоборот: KADAMM AC-2512 даёт 12 дБи при длине около метра.

Узкий луч: где он мешает

У антенны 10–12 дБи луч по вертикали 9–10°. Это хорошо для равнины и дальних корреспондентов, но:

• Рядом с антенной корреспонденты оказываются под лучом: при подвесе на 50 м луч 9° уходит над ними, сигнал вблизи слабее, чем у антенны 5 дБи.
• В холмах и в городе корреспонденты выше и ниже горизонта антенны теряют связь.
• На качающейся мачте узкий луч «гуляет» по вертикали.

Поэтому для городской сети и холмистой местности обычно выбирают 5–8 дБи, а 10–12 дБи — для равнины, протяжённых трасс и высоких мачт с дальними корреспондентами.

Серии коллинеарных антенн КАДАММ (KADAMM)

Все исполнения — в разделах коллинеарные антенны TETRA, UHF, VHF, LTE-450 и всенаправленные антенны.

Мощность, разъём и обтекатель

• Мощность у стационарных коллинеарных антенн 100–150 Вт, у усиленных — до 500 Вт (KADAMM AC-450470-8-500, KADAMM AC-15005-2).
• Разъём — N у большинства, 7/16 DIN у мощных, UHF и SL16 у части исполнений VHF.
• Обтекатель — стеклопластик: не боится ультрафиолета, обледенения и ветра.
• Крепление — хомутами на трубу или вершину мачты.

Установка

• Лучшее место — вершина мачты: тогда ничто не затеняет диаграмму.
• При боковой установке антенну относят от мачты на кронштейне: металл мачты рядом искажает круговую диаграмму и делает её направленной.
• Две антенны на одной мачте (приём и передача) разносят по вертикали — так развязка между ними больше, чем при разносе по горизонту.
• Кабель — с малыми потерями; на мачте 30–50 м потери в кабеле сравнимы с усилением антенны.
• Грозозащита и заземление — см. статью о грозозащите.

Коллинеарная или дипольная решётка

Другой вариант на УКВ — решётка диполей на мачте: усиление того же порядка, но диаграмму можно сделать направленной или смещённой. Подробно — в статьях о дипольной антенне и об антеннах УКВ для TETRA, DMR и LTE-450.

Две антенны на одной мачте: развязка

На узле радиосвязи часто ставят отдельные антенны на приём и передачу или несколько систем на одной мачте. Коллинеарные антенны разносят по вертикали, одну над другой: у всенаправленной антенны нули диаграммы смотрят вверх и вниз, поэтому вертикальный разнос даёт большую развязку при малом расстоянии. Для оценки используют формулу I ≈ 28 + 40 lg(d/λ) дБ, где d — расстояние между антеннами по вертикали. На 450 МГц (λ ≈ 0,67 м) разнос 3 м даёт около 54 дБ, 6 м — около 66 дБ. При горизонтальном разносе для той же развязки нужно расстояние в несколько раз больше.

Если развязки разносом не хватает, приём и передачу сводят на одну антенну через дуплексер.

Коллинеарные антенны для сотовых диапазонов и Wi-Fi

Тот же принцип работает и на высоких частотах, где длина волны в несколько раз меньше, а антенны компактнее. Для покрытия вокруг вышки или крыши применяют KADAMM AC-1911 (1920–2170 МГц, 11 дБи, разъём 7/16 DIN) и серию на 2500–2700 МГц от KADAMM AC-2505 (5 дБи, 250 мм) до KADAMM AC-2512 (12 дБи). Широкополосная KADAMM AC-61010 закрывает все сотовые диапазоны 617–2700 МГц с усилением 8,5–10 дБи, а для Wi-Fi есть стеклопластиковая KADAMM AOW2471-75 на 2400–7125 МГц. О выборе всенаправленных антенн для сотовой связи и Wi-Fi — в статье о всенаправленной антенне.

Обслуживание

• Раз в год проверяют КСВН со стороны аппаратной: рост КСВН — признак влаги в разъёме или повреждения кабеля.
• Разъём у основания антенны герметизируют: вода по кабелю стекает в разъём, если нет петли для стока.
• Стеклопластиковый обтекатель осматривают на трещины после бурь и обледенения.
• Хомуты крепления подтягивают: от ветровых колебаний они ослабевают.

дБи и дБд: как сравнивать усиление

Усиление коллинеарных и дипольных антенн указывают в двух единицах. дБи — относительно идеального изотропного излучателя, дБд — относительно полуволнового диполя. Диполь сам имеет 2,15 дБи, поэтому 0 дБд = 2,15 дБи, а антенна «6 дБд» — это 8,15 дБи. При сравнении двух антенн важно привести оба значения к одной единице: иначе антенна с 6 дБд кажется слабее антенны с 7 дБи, хотя на деле сильнее.

Во всех карточках КАДАММ (KADAMM) усиление приведено в дБи; если в техническом задании стоит дБд, прибавьте 2,15.

Как выбрать коллинеарную антенну

• Диапазон — должен включать все рабочие частоты с запасом.
• Усиление — по рельефу и высоте мачты: 5–8 дБи для города и холмов, 10–12 дБи для равнины и дальних корреспондентов.
• Длина и масса — по возможностям мачты: антенна 12 дБи на UHF — 7,3 м и 10,5 кг.
• Мощность — по передатчику, с запасом; при объединении нескольких передатчиков считают суммарную.
• Разъём — по фидеру: N или 7/16 DIN.

Модели

KADAMM AC-4005AT

UHF 400–480 МГц

5 дБи, 1200 мм, до 100 Вт.

Открыть карточку

KADAMM AC-4009E

UHF 400–480 МГц

8,5 дБи, 2500 мм.

Открыть карточку

KADAMM AC-1509MA

VHF 134–173 МГц

8,5 дБи, 4700 мм.

Открыть карточку

KADAMM AC-450470-8-500

UHF 450–470 МГц

8 дБи, до 500 Вт.

Открыть карточку

KADAMM AC-61010

617–2700 МГц

8,5–10 дБи, все сотовые диапазоны.

Открыть карточку

KADAMM AC-2512

2500–2700 МГц

12 дБи при длине 1020 мм.

Открыть карточку