SWR, Gain i inne parametry anten na przykładzie TBS Crossfire i Mox od Actuna.pl

Hasło „Polak potrafi” ma długi rodowód i wciąż jest bardzo chętnie używane. Również w dziedzinie FPV możemy się pochwalić świetnymi produktami, w tym doskonałymi ramkami Adama (i nie tylko) z demonrc.eu, udanymi konstrukcjami Jacka z monsterquads.eu, czy też znanymi antenami Wojtka z actuna.pl, czy Kacpra, który konstruuje takowe m.in. dla DemonRC. Nasi rodacy tworzą świetny sprzęt, który jest rozpoznawalny nie tylko w kraju, ale i na świecie, dbają o swoich klientów i w zasadzie są to wystarczające powody, żeby to właśnie u nich robić zakupy. Oczywiście, namawiam do zakupów w Chinach ze względu na ceny, ale jeżeli zależy nam na jakości i wspieraniu rodzimego biznesu, to lepiej wspomagać naszych lokalnych przedsiębiorców, a nie obce firmy. Szczególnie, gdy robią coś lepiej niż producenci np. TBS. Zaraz – Team Black Sheep? To ci od nadajnika FPV Unify Pro, anten TBS Triumph i Crossfire? Tak, dokładnie o tej firmie mówię. I o antenach, które pomierzone i opracowane przez Wojtka z actuna.pl są po prostu lepsze niż oryginał. Czy to jest wpis sponsorowany? Nie! Jest poparty danymi, którymi chętnie się z Wami podzielę! Zapraszam!

Wiele miesięcy temu zamówiłem zestaw TBS Crossfire Micro Bundle, który składa się z nadajnika do aparatury Taranis (X9D lub Q X7) oraz odbiornika.

Zestaw TBS Crossfire Bundle, źródło: GetFPV.com

Wyjątkowość tego kompletu polega na tym, że działa on nie na częstotliwości 2.4GHz, ale dużo niższej – 868 MHz. Można jej legalnie używać w Europie, a różnica polega na tym, że fale są bardziej przenikliwe i zapewniają wielokrotnie większy zasięg, niż jest nam w stanie zapewnić każdy link na 2.4GHz, np. FrSky. Z tej przyczyny bardzo wiele osób „przesiada” się na nowe, choć nietanie rozwiązanie wyprodukowane przez TBS, a ja nie jestem tu wyjątkiem. Motywacja jest prosta – wkładamy zestaw Crossfire do aparatury i koptera, a następnie zapominamy o RSSI, ponieważ szansa na to, że stracimy połączenie pomiędzy aparaturą i kopterem zanim zaniknie nam obraz FPV jest w zasadzie zerowa. Jeżeli doświadczyliście kiedyś tzw. Failsafe, czyli de facto upadku koptera z wysokości ze względu na utratę sygnału sterującego i idące za tym wyłączenie silników (jeśli tak FS ustawiliśmy) to zapewne nie wspominacie tego najlepiej. Ja też nie. Dlatego wysupłałem niemałą kwotę i zamówiłem zestaw Crossfire wprost od TBS, aby ta jedna rzecz już nigdy mnie nie zawiodła.

Cechą charakterystyczną zestawu od Team Black Sheep są nietypowo wyglądające anteny. Obie z nich w odróżnieniu od standardowych, prostych mają kształt litery T. Jest to tak zwany podwójny dipol (ang. double dipole antenna). Zarówno przy aparaturze, jak i po stronie koptera mocujemy antenę o podobnym kształcie, aby zapewnić sobie najlepszą możliwie jakość odbioru. Zanim jednak zdążyłem otrzymać i zmontować swój zestaw, za moim przyzwoleniem zabrał go Wojtek z Actuna.pl, aby pomierzyć parametry anten, które były w komplecie. Nie będę w stanie przeanalizować tego tak dokładnie, jak zrobił to kolega, ale spójrzmy sobie na trzy wykresy pokazane poniżej:

Wyniki pomiaru oryginalnej anteny dipolowej od TBS do odbiornika Crossfire: http://team-blacksheep.com/products/prod:stock_tx_antenna. SWR dla 868MHz wynosi 1.34. Źródło: Actuna

Wyniki pomiaru anteny TBS Immortal-T nadajnika Crossfire: http://team-blacksheep.com/products/prod:stock_tx_antenna, SWR dla 868MHz wynosi 1.25. Źródło: Actuna

Antena TBS Immortal-T zamocowana na nadajniku Crossfire


Wyniki pomiaru dla anteny Actuna MOX: https://www.actuna.com/Mox-868MHz-915MHz-TBS-Crossfire-Edition-p21193. SWR dla 868MHz wynosi jedyne 1.09. Źródło: Actuna

Antena Actuna MOX zamocowana do uchwytu aparatury i przykręcona do nadajnika Crossfire

Wykresy przedstawiają stosunek SWR zależnie od częstotliwości. SWR to współczynnik fali stojącej (ang. Standing Wave Ratio) i numerycznie wyraża on stosunek sygnału, który wypromieniowuje (wysyła) antena, do tego, który zostaje odbity i wraca do nadajnika. Idealna wartość wynosi 1.0 – wtedy cała moc zostaje wypromieniowana przez antenę, a nic się nie odbija. Wraz ze wzrostem tej wartości, coraz więcej sygnału zostaje odbite np. przy 1.5 jest to już 4%, a przy 1.94 już ponad 10%. Każda strata mocy, którą wypromieniowuje antena, przekłada się bezpośrednio na maksymalny zasięg, w jakim jesteśmy w stanie sterować modelem. W naszym interesie jest więc to, aby antena była możliwie dobrze dopasowana do danej częstotliwości, a więc miała dla niej możliwie niskie SWR. Zauważmy, że anteny od TBS mają ten parametr na poziomie: 1.25-1.34, zaś antena od Actuny jedynie 1.09 – spora różnica. Co ciekawe dla 915MHz wyniki są zaskakująco słabe dla anten od TBS z ponowną przewagą naszego rodzimego rozwiązania.

Tabela pokazująca policzoną już zależność SWR i procentowego odbicia sygnału do nadajnika: http://radio.feld.cvut.cz/personal/matejka/download/VSWR%20table.pdf

Anteny są strojone na pewien zakres częstotliwości, w których mają pracować. Z tego względu nie powinniśmy np. używać anten dla 5.8GHz z nadajnikiem, który nadaje na 2.4GHz, ponieważ parametr SWR dla niej może być niepokojąco wysoki. W skrajnym wypadku, gdy do nadajnika wróci większość wypromieniowanej mocy, to może się on spalić. Dlatego właśnie tak przestrzega się przed uruchamianiem nadajników FPV z odkręconą anteną, jak i aparatury. W oczywisty sposób nie dotyka to urządzeń odbiorczych, ponieważ one jedynie pasywnie przyjmują sygnał. Bez anteny, do odbiornika dotrze znacząco słabszy sygnał i nic więcej.

Po tej dygresji wracamy do anten dla Crossfire. Moduł ma możliwość pracy na częstotliwości 915MHz oraz 868MHz. Ta pierwsza jest zarezerwowana dla Stanów Zjednoczonych, ponieważ w Europie nakłada się ona nasze pasma GSM, więc nie możemy legalnie jej używać, ponieważ zakłócałyby łączność w sieciach komórkowych. Z tego względu dla naszego regionu oddano pasmo 868MHz. Jak widać na wykresach powyżej, wszystkie anteny są dostosowane lepiej do naszego regionu. Autor pomiarów twierdzi jednak, że TBS nie uwzględnia w swoich badaniach połączenia z aparaturą, w przeciwieństwie do anteny Mox. Zgodnie z tym, co podaje jej twórca, SWR był mierzony już fizycznie na aparaturze, której druga antena (od modułu FrSky) też może wprowadzać zakłócenia.

Kolejnym elementem, który decyduje o maksymalnym zasięgu jest tzw. zysk anteny. Określenie to nie do końca jest intuicyjne, ale zaraz sobie je wyjaśnimy. Zacznijmy od tego, że w teorii istnieje coś takiego, jak antena idealnie izotropowa. Wysyła ona sygnał równomiernie w każdym kierunku w trójwymiarowej przestrzeni (propagacja ma kształt kuli). Gdybyśmy mieli taką w naszej aparaturze, to kopter znajdujący się w stałej odległości od nas (niezależnie od tego z której strony i na jakiej wysokości) otrzymywałby tak samo mocny sygnał. Oczywiście taka jest teoria. W praktyce każda antena w jedną stronę wysyła sygnał mocniej, w drugą słabiej. W przypadku dipolowej, najbliższej izotropowej, propagacja ma kształt obwarzanka, w którym w osi sygnał jest bardzo słaby, by mocno narastać aż do maksymalnej wartości – prostopadle do ustawienia anteny. Teraz już wiecie, że ktoś, kto celuje ostrzem antenki w kierunku koptera, nie za bardzo wie, jak ona działa. Jednocześnie jest to intuicyjne, więc wiele zabawkowych aparatur posiada atrapę, a właściwa antena jest zamocowana na przedniej ściance, właśnie prostopadle do tej udawanej, co daje efekt, którego nieświadomi użytkownicy się spodziewają.

Uproszczona charakterystyka promieniowania anteny w rzucie bocznym. Antena dipolowa promieniuje najmocniej w poprzek swojej osi, a najsłabiej wzdłuż. Ustawmy więc antenę bokiem do modelu, a nie w jego kierunku.

Jeden z poprawnych sposobów ustawienia anteny względem modelu – prostopadle w jego kierunku. Najgorsza propagacja sygnału będzie w bok od aparatury (wzdłuż anteny), ale będziemy mieli dobre pokrycie, gdy model będzie dokładnie nad nami.

Również poprawny sposób na ustawienie anteny – w górę, wciąż bokiem do modelu. Pogarszamy pokrycie nad sobą, ale uzyskujemy w miarę równomierne wokoło.

Niewłaściwie ustawiona antena – skierowana dokładnie w stronę modelu. Kopter znajdując się dokładnie w jej osi otrzymuje dużo słabszy sygnał, niż gdyby była bokiem do niego.

No dobrze, ale co z tym wzmocnieniem? Otóż moc, którą możemy wypromieniować naszą anteną jest określona przez przepisy prawa i np. dla 2.4GHz w Polsce jest to 100mW. Dokładniej należałoby powiedzieć, że EIRP nie może wynosić więcej niż 20dBm, ale w tym momencie nie wchodźmy w szczegóły. Wracając, nie możemy wypromieniować przez antenę więcej mocy, ale możemy sprawić, aby była ona bardziej skoncentrowana w jednym kierunku. W ten sposób jesteśmy w stanie zwiększyć zasięg sterowania, ale trzeba pamiętać, że odbywa się to pewnym kosztem. Otóż taka antena wypromieniowuje większość mocy np. w przód, kosztem pozostałych kierunków. Oznacza to tyle, że jeśli kopterem latamy nie tylko przed sobą, ale także za i obok, to szansa na utratę kontroli nad nim będzie większa, niż w przypadku anteny izotropowej (bez zysku kierunkowego). Oczywiście nie są to rzeczy ekstremalne i wciąż mówimy tu raczej o setkach metrów (w przypadku CrossFire nawet kilometrów), ale należy mieć świadomość, że nasze ustawienie względem modelu będzie miało znacznie większy wpływ na jakość sygnału. Na mniejszych odległościach (parędziesiąt/-set metrów) nie powinno to robić różnicy, ale już dalej, może się okazać, że straciliśmy łączność z modelem, co nie stałoby się przy standardowej antenie dookólnej. Warto więc znać ograniczenia takich rozwiązań.

Uproszczony schemat pokazujący działanie anteny kierunkowej i izotropowej. Widok z góry. W rzeczywistości charakterystyka nie jest tak idealna, więc traktujmy to jako rysunek poglądowy.

To oczywiście odwołanie także do wspomnianej już w poprzednim artykule kombinacji anteny dookólnej i kierunkowej w odbiornikach Diversity np. do gogli FPV.

Moje gogle FPV z odbiornikiem True-D i dwiema antenami – kierunkową i dookólną. Tak, korzystam z Pagody-2 od Actuny 🙂

Dużo wartościowych schematów i uzupełniających artykuł rysunków jest na tej stronie: https://www.dronetrest.com/t/the-complete-guide-to-fpv-antennas-for-your-drone/1473

Podsumowanie

Moje doświadczenie odnośnie latania FPV wyraźnie wskazuje na to, że w gąszczu dyskusji o ESC, silnikach, soft mountach i lekkich ramach, miejscami gubi się kwestię związaną z wizją i sterowaniem. Moim największym błędem na początku drogi z kopterami, było oszczędzanie na nadajnikach, kamerach i właśnie antenach. Tak naprawdę, w trakcie lotu nie widzimy naszego koptera, widzimy tylko obraz z kamery. Im lepszej będzie jakości i im mniej zakłócony, tym łatwiej będzie nam sterować. Podobnie, nie skupiamy się tak mocno na aparaturze, która działa, dopóki nie usłyszymy groźnego „telemetry lost” i nie stracimy nad nim kontroli – tzw. FS, lub rozwinięcie – FailSafe.
Po zabawach z różnymi rozwiązaniami odnośnie anten do FPV, począwszy od tradycyjnych „bacików”, po tanie koniczynki, albo niemarkowe, albo nawet Aomway, tak naprawdę dopiero po przesiadce na TBS Triumph na kopterze i Pagodę w goglach jestem zadowolony z jakości wizji. Nie narzekałem, gdy moje koptery XR225 latały na Pagodzie-2 od Actuny, ale kiedy z niej korzystałem, nie było jeszcze wersji Stub (krótkiej), a śmigła i parę upadków skutecznie ją zniszczyły. Stąd na razie mam ją wyłącznie w goglach. Nie zmienia to faktu, że tenże typ anteny używam od momentu przejścia na odbiornik Diversity (z dwoma antenami i osobnymi układami odbiorczymi) w połączeniu z panelową od ImmersionRC. Z chęcią sięgam również po VeeRace – również Actuny, która nie daje się praktycznie zniszczyć i ma naprawdę świetne parametry, szczególnie tam, gdzie „duże” anteny po prostu są przesadą. Koptery od 3 cali w dół wyposażam wyłącznie w antenki dipolowe od Actuny, choć ostatnio pojawiła się też „Gem”, czyli niewielka antena na złączu u.fl. z polaryzacją kołową – coś na kształt zminiaturyzowanej koniczynki.

Actuna Gem, czyli naprawdę mała antena z polaryzacją kołową do mniejszych kopterów.

Nie tak dawno temu, nasz czytelnik „grzywa10” testował zasięg VeeRace w 2-calowym kopterze i na nadajniku od Eachine (VTX03 – 200mW) doszedł do dystansu 1.7km. Jak na tak drobny kopter, wynik jest godny podziwu.

Dla wszystkich, którzy teraz drapią się po głowie odnośnie tego, czy i ile otrzymałem za reklamę, podpowiem – nic. Wpisy tworzę w zgodzie z własnym sumieniem i krytykuję, jeśli uważam za stosowne, ale też chwalę i polecam, jeśli uważam to za zasłużone. Sam robię zakupy w Actunie, korzystam z produkowanych anten i jestem zadowolony. Co więcej, towar jest dostępny w Polsce, a jego jakość przebija wielokrotnie Banggoodowe wynalazki i z tego względu wolę się zaopatrywać na naszym, rodzimym rynku.

Życzę Wam udanych lotów i obrazu bez zakłóceń! 😉

%d bloggers like this: