Антенные перестрелки в Pro Audio. Часть 2 — Направленная антенна
Нижеприведённая статья написана на основании измерений, проведённых MAVEN во время Pro Audio Antenna Shootout 2020. MAVEN — это сингапурская компания, аббревиатура от Microwave, Audio-Visual Engineering Company. Статья переводная, исходник https://www.mavenproject.sg/case-study/antenna-shootout-professional-audio-part-2-directional-antenna?fbclid=IwAR2scxVo6_GDa2LuJcARd_UsJ0oYUapfMf6k_MW5QNe6LPvJ2imxBJV2MGU
Перевод Александра Карнаухова.
Вступление
В предыдущей части этой серии статей мы рассмотрели, почему антенны являются важной частью вашей беспроводной системы, а также производительность некоторых всенаправленных антенн в двух различных испытательных установках (на открытом воздухе и в помещении). В этой части мы рассмотрим направленные антенны, такие как логодипольные (обычно известные как Fin) и спиральные антенны, и их производительность с помощью тех же тестов на открытом воздухе и в помещении, которые упоминались в предыдущем посте. Мы также обсудим некоторые характеристики различных направленных антенн и их влияние на производительность.
Направленные антенны отличаются от всенаправленных антенн. Всенаправленные антенны излучают одинаково во всех направлениях, перпендикулярных ее оси. Направленные антенны излучают преимущественно в одном направлении. Направленные антенны концентрируют радиочастотный (RF) сигнал от передатчика и распространяют его в виде «луча» на главной оси. Угол этого «луча» или его ширина определяется направленностью антенны. Следует отметить, что хотя этот «луч» имеет гораздо более сильный радиочастотный сигнал, антенна все же в некоторой степени излучает беспроводной сигнал в других направлениях, хотя и на гораздо более низком уровне. Кроме того, поскольку антенный элемент является пассивным устройством, этот эффект фокусировки применяется как для передачи, так и для приема антенны; где РЧ-сигналы в пределах ширины луча антенны будут иметь гораздо более высокую мощность, чем РЧ-сигнал за пределами ширины луча антенны.
Мы протестируем различные беспроводные антенны Professional Audio как на открытом воздухе, так и в помещении ( условия теста описаны в части 1 https://vk.com/@tridentsound-sravneniya-antenn-chast-1-vsenapravlennye-antenny ), чтобы проиллюстрировать характеристики различных типов антенн и то, как они работают в условиях реальной среды, часто выходящей за рамки условных технических характеристик. Во второй части серии мы будем оценивать и сравнивать пассивные направленные антенны для беспроводных систем Professional Audio, а именно:
- Audio Technica
- Mipro
- Professional Wireless
- RF Venue
- Sennheiser
- Shure
- Wisycom
Измеренные результаты этого эксперимента основаны на физических и электрических условиях каждой конкретной антенны, доступ к которой есть у команды Maven для облегчения эксперимента. Для заинтересованных читателей в таблице ниже будет представлена индикация мощности беспроводного сигнала (обычно показываемое на профессиональных беспроводных приемниках) с соответствующим цветовым отображением.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Перейдем к результатам экспериментов, начнем с лог-дипольных антенн.
Audio Technica ATW-A49
Измеренная диаграмма направленности Audio Technica ATW-A49 показывает, что это широко направленная антенна с относительно широкой шириной луча (измеренная ширина луча 3 дБ при 171 °). Уровень сигнала остается высоким в прямом направлении и постепенно падает на 10 дБ в обратном направлении. Поскольку между прямым и обратным направлением все еще есть различие, этот лог-диполь по-прежнему хорошо работает в качестве направленной антенны. Большая ширина луча отражена в тесте покрытия в помещении, с очень хорошим покрытием мощности сигнала по всему месту проведения, с небольшим ослаблением в некоторых точках (желтая зона в правом верхнем углу зала).
Shure PA-805SWB
Shure PA-805SWB показывает очень четкую диаграмму направленности направленной антенны при измерении под углом 101 °. В прямом направлении антенна имеет наивысший уровень сигнала, который затем постепенно уменьшается до уровня половинной мощности или -3 дБ симметричным образом. Сзади уровень сигнала быстро падает. Эта антенна имеет умеренную ширину луча с хорошим обратным отражением для предотвращения нежелательных радиопомех. По результатам теста «В помещении» покрытие площадки сигналом было хорошим, за исключением внешних краев помещения, где из-за более узкой ширины луча сигнал оказался немного ниже.
Mipro AT-90W
Антенна Mipro AT-90W имеет интересный результат диаграммы направленности. Хотя она тоже имеет высокий пиковый уровень сигнала, пик немного отклоняется от оси на 337,5 °. Диаграмма направленности также не очень симметрична, остается относительно высокой на всем протяжении и наклоняется в обратном направлении. Это приводит к относительно равномерному покрытию для теста «В помещении», в то время как мощность сигнала снижается с правой стороны помещения из-за смещения оси. Значительное снижение уровня сигнала (желто-оранжевая зона) в верхнем левом углу зала; это явление вызвано эффектом замирания из-за многолучевого распространения в помещении.
Sennheiser A 2003-UHF
Измеренная ширина луча антенны Sennheiser A 2003-UHF на половинной мощности (3 дБ) составляет 91 °, а его пик немного отклоняется от оси на 325 °. Диаграмма направленности также не является симметричной, правая ось антенны ведет себя аналогично всенаправленной антенне, при этом на левой оси антенны наблюдается падение уровня сигнала до -30 дБ. Результат измерения покрытия на открытом воздухе будет означать более слабое покрытие в левой части зала у условиях закрытого помещения , особенно в верхнем левом углу помещения. При этом покрытие в закрытом помещении хорошее и достаточно равномерное.
Wisycom LBN2
Wisycom LBN2 имеет относительно направленную диаграмму направленности по сравнению с другими логодипольными антеннами с расчетной шириной луча 90 °. К тому же диаграмма очень симметричная. Анализируя результат покрытия в помещении, видим область в пределах ширины луча, которая имеет значительно более высокий уровень сигнала, чем области за пределами ширины луча, что является результатом довольно узкой направленности антенны. Такая характеристика может быть очень полезной в зашумленной РЧ среде, где антенна может обеспечить высокое постоянное усиление на узком пространстве луча для обеспечения минимального уровня РЧ-шума.
Professional Wireless HA-8089
Другой тип направленной антенны - спиральная антенна, и HA-8089 является типичным представителем таких антенн. Спиральные антенны, как правило, очень направленные. Это видно на диаграмме направленности, полученной при испытании на открытом воздухе. Сила сигнала максимальна в прямом направлении и быстро падает, что приводит к узкой ширине луча -3 дБ, равной 61 °. Следует отметить, что под углом 90 градусов от передней оси в любом направлении наблюдается значительный провал мощности сигнала, известный как «ноль» антенны. Схема покрытия в помещении показывает очень четкую разницу в зоне, где уровень сигнала намного выше, а уровень сигнала резко падает за пределами этой зоны.
Professional Wireless HA-8091
HA-8091 показывает диаграмму направленности, очень похожую на HA-8089, только с немного большей шириной луча и более симметричными характеристиками излучения. Также отсутствует значительный ноль под углом 90 ° от прямого направления по сравнению с HA-8089. На диаграмме покрытия HA-8091 также видна отдельная зона с гораздо более высоким уровнем сигнала в ширине луча. По сравнению с HA-8089, HA-8091 имеет гораздо более равномерный и немного более высокий уровень сигнала в областях за пределами ширины луча из-за большей ширины луча антенны.
RF Venue CP Beam
Антенна CP Beam также является довольно направленной по сравнению с антеннами, перечисленными в этой части эксперимента, с узкой шириной луча 73 °. По сравнению с другими направленными антеннами, он имеет самое высокое подавление сигнала в обратном направлении, более 20 дБ относительно пика. Такая узкая ширина луча приводит к появлению отдельной области с высоким уровнем сигнала в схеме покрытия. Высокое обратное подавление делает антенную систему менее подверженной эффектам многолучевого распространения и обеспечивает более стабильную диаграмму покрытия с меньшими колебаниями.
RF Venue Diversity Fin
И наконец антенна RF Venue Diversity Fin Финал RF Venue Diversity Fin - уникальный случай для этого эксперимента. По сути, это два антенных элемента, размещенных в одной антенне, а именно: логодипольная антенна (LDPA) с вертикальной поляризацией и дипольная антенна (Whip) с горизонтальной поляризацией. Разница функционала этих двух позиций требует двух измерений для каждого антенного элемента. LDPA имеет относительно широкую ширину луча 149 ° и он довольно симметричный с обратным отклонением около 10 дБ. Как и ожидалось, он обеспечивает хороший уровень сигнала в зале, как и другие антенны с аналогичными характеристиками. Результат измерения штыревой антенны несколько противоречив. Диаграмма направленности кажется довольно неустойчивой, но в некоторых направлениях все еще сохраняет относительно приличный уровень сигнала. Следует отметить, что, хотя дипольная антенна является всенаправленной, она действительна только в направлениях, перпендикулярных ее первичной оси. В случае дипольной штыревой антенны антенна устанавливается горизонтально, и измеренная диаграмма направленности не дает хорошей всенаправленной характеристики. Измерение покрытия внутри помещения ясно показывает этот эффект, когда также имеется центральный луч с высоким уровнем сигнала, а уровень сигнала значительно ухудшается за пределами луча, полученного при испытании в помещении.
Обсуждение
Важная характеристика антенн, которую следует выделить в этот момент, - это то, что все радиочастотные волны обладают свойством, называемым поляризацией. Проще говоря, это способ перемещения электрического поля в пространстве, который обычно делится на два типа: линейная и круговая поляризация. Эти два типа дополнительно подразделяются на вертикальную и горизонтальную для линейной поляризации, а также левостороннюю (LHCP) и правостороннюю (RHCP) для круговой поляризации, как показано в таблице ниж
Поляризация радиочастотной волны определяется поляризацией антенны, внутренней характеристикой антенны. Например, дипольная антенна с линейной поляризацией, расположенная вертикально, будет излучать радиочастотные волны с вертикальной поляризацией.
Вообще говоря, большинство антенн одномерной или двумерной формы, таких как диполи и лог-дипольные антенны, имеют линейную поляризацию, в то время как спиральные антенны поляризованы по кругу. Ключевой вывод заключается в том, что каждый тип антенны подходит только для определенных поляризаций радиочастотных волн, как показано в таблице ниже.
Мы также провели измерение покрытия в помещении с помощью двух антенн с разной поляризацией, чтобы проиллюстрировать этот эффект. Для антенны с линейной поляризацией Shure PA805SWB устанавливается вертикально вдоль оси Z. Professional Wireless HA-8089 будет использоваться в качестве примера антенны с круговой поляризацией. Обе антенны будут настроены на передачу радиосигнала, а зона покрытия будет измеряться в 2 сценариях. Один раз, когда приемная дипольная (линейная поляризация) антенна вертикально поляризована, и один раз для приемной антенны горизонтально поляризована.
Линейная поляризация: Shure PA805SWB
Круговая поляризация: Professional Wireless HA-8089
Из результатов измерений очевидно, что в случае PA805SWB, когда приемная антенна имеет вертикальную поляризацию, которая совпадает с передающей антенной, диаграмма покрытия отличная, с высоким уровнем сигнала. Когда приемная антенна имеет горизонтальную поляризацию, наблюдается значительное падение общей мощности сигнала по всему объекту, а в некоторых местах даже достигается лишь удовлетворительный уровень мощности (желто-оранжевая зона).
Сравнивая вышеприведенное с HA-8089, измерения в обоих случаях дают очень похожую картину покрытия с некоторыми небольшими отклонениями. Это ожидаемо, поскольку антенна имеет круговую поляризацию и может принимать как вертикальные, так и горизонтальные линейно поляризованные радиочастотные волны.
Проницательный читатель может задаться вопросом, почему в случае PA805SWB с горизонтальной поляризацией приемной антенны уровень принимаемого сигнала все еще довольно хороший (светло-зеленый), хотя теория говорит, что принимаемого сигнала почти не должно быть. Ответ заключается в том, что в помещении передаваемый сигнал может проходить по множеству возможных путей, отражаясь от различных объектов и объектов в помещении, прежде чем достигнет приемника. Эти отражения могут привести к небольшому сдвигу поляризации РЧ-волны, в результате чего приемник сможет обнаружить небольшую часть РЧ-сигнала, учитывая, что пространство проведения эксперимента в закрытом помещении достаточно мало.
Всенаправленные или направленные?
До сих пор мы исследовали две основные категории антенн: всенаправленные и направленные. На этом этапе было бы уместно обсудить, почему вы можете выбирать между всенаправленной или направленной антенной для вашей радиосистемы. Как было показано в предыдущей части, всенаправленные антенны излучают сигнал одинаково во всех направлениях и, таким образом, хорошо подходят для случаев, когда необходимо покрыть большую площадь в разных направлениях. Однако это также будет означать, что сигналы будут распространяться в ненужных направлениях и, таким образом, расходовать электромагнитную (ЭМ) энергию. Кроме того, поскольку передаваемый сигнал распространяется равномерно во всех направлениях, эффективный диапазон может быть весьма ограничен. Направленные антенны могут помочь в этом, поскольку они фокусируют радиочастотный сигнал в луч, который может покрыть интересующую область в некоторых ситуациях. Таким образом, результирующая мощность сигнала в пределах ширины луча будет выше, а эффективный диапазон легко может быть в два-три раза больше, чем у всенаправленных антенн.
Еще одна вещь, которую следует учитывать, - это использование антенны для приема радио сигналов. Бывают случаи, когда даже если уровень сигнала от всенаправленной антенны достаточен, вы все равно можете рассмотреть возможность использования направленной антенны. Как упоминалось ранее, поскольку антенна является пассивным устройством, диаграмма направленности одинакова для случая передачи и приема. Используя направленную антенну, приемник будет улавливать РЧ-сигнал только с конуса луча антенны, в то время как РЧ-сигналы, поступающие из-за пределов ширины луча, будут значительно уменьшены. Это особенно полезно в случае, когда на площадке может быть значительное количество радиочастотного шума или мешающих сигналов. За счет ограничения принимаемых сигналов только интересующей областью качество беспроводного соединения будет улучшено за счет уменьшения количества шума, принимаемого антенной, несмотря на то, что мощность передачи остается прежней.
Заключение
До сих пор мы рассматривали как направленные, так и всенаправленные антенны, но ограничивались только пассивными конструкциями. В следующей части этой серии мы рассмотрим активные антенны.
Часть 1 https://vk.com/@tridentsound-sravneniya-antenn-chast-1-vsenapravlennye-antenny
Часть 3 https://vk.com/@tridentsound-sravnenie-antenn-chast-3-aktivnaya-antenna