FPV антенна, что это такое, как работает и какие бывают

В этой большой статье вы узнаете, что такое FPV антенна, как она работает, устройство, а также какие бывают FPV антенны.

Аналогия лампочки

Начнем с простой аналогии для понимания принципа работы радиосвязи. Представьте, что вы стоите посреди поля в полной темноте. У вас есть квадрокоптер, на который вы повесили лампочку. Вы ее включили, дрон взлетел и начинает летать вокруг вас. Теперь вашей целью будет поставить около себя камеру, которая всегда должна улавливать свет от лампочки квадрокоптера, при том, что он летает.

Как вы это сделаете? Сделаете лампу яркой, чтобы она лучше светила и камере было проще видеть свет? Будете использовать объектив на 360 градусов? Или может несколько объективов с поворотными механизмами? Смысл этой аналогии в том, что свет, который излучает лампа, является формой электромагнитного излучения, подобного радиоволнам. Так работают и антенны, они должны уловить радиоволны.

Мы применим эту аналогию к системе видеопередачи с квадрокоптера:

• Интенсивность источника света представляет собой выходную мощность VTX (измеряется в милливаттах или мВт/mW).
• Тип источника света (лампочка, фонарик, флуоресцентный свет и т. д.) — это тип антенны на видеопередатчике.
• Тип объектива на камере, — это тип антенны на вашем шлеме или очках.
• Чувствительность камеры (часто выраженная в мегапикселях) — это чувствительность вашего шлема или очков.

Целью антенны является преобразование осциллирующей электрической энергии в электромагнитное излучение и наоборот: преобразование электромагнитного излучения в колебания электрической энергии в цепи.

Электромагнитное излучение — это научный термин для «радиоволн», это физическое «вещество», которое несёт видео, звук и данные по радиоволнам.

В обычном квадрокоптере есть две радиосистемы: система радиоуправления для управления дроном и видеосистема для трансляции видео через FPV камеру.

Передающими элементами этих двух систем будет радиопередатчик, который вы держите в руках (пульт), и передатчик видео на борту дрона, который называется видеопередатчик или VTX. Принимают сигналы приемники.

Более простое объяснение — вы поворачиваете стик, сигнал с пульта отправляется на приемник, который есть в квадрокоптере, он обрабатывает сигнал. Камера на дроне отправляет свой сигнал на видеопередатчик, который находится на борту квадрокоптера, он отправляет этот сигнал в приемник ваших очков или шлема и вы видите видео.

Давайте поговорим конкретно о видеосистеме квадрокоптера. В этой системе передатчик видеосигнала принимает аналоговый видеосигнал от камеры в качестве входного сигнала и преобразует его в импульсы электрической энергии, которые колеблются 5 800 000 000 раз в секунду или 5,8 GHz. Эта энергия направляется в антенну, которая преобразовывает ее в очень «яркие» радиоволны 5,8 GHz. При правильной настройке и позиционировании эти волны подхватываются второй антенной, установленной на ваших очках или шлеме FPV. В зависимости от того, насколько удален ваш квадрокоптер, эти волны будут значительно «тусклее» или «ярче». 

Антенна преобразует волны обратно в электрические колебания, а затем плата управления переходит к преобразованию этой энергии обратно в аналоговый видеосигнал —  противоположный процесс, который происходил в передатчике квадрокоптера — после этого вы видите видео на экране шлема.

 Нужна ли антенна для работы квадрокоптера?

Сейчас некоторые подумают — что за глупый вопрос? Возник этот вопрос вот почему: опытные пилоты наверняка замечали, что если включить передатчики без антенн, они все равно будут ловить сигнал, но слабенький. Происходит это потому, что у передатчиков есть SMA или любой другой разъем, он металлический и начинает работать в качестве антенны. Из этого сделаем вывод, что роль антенны может выполнять любой проводящий материал, в том числе медные дорожки на платах дрона и даже карбоновая (углеродная) рама вашего дрона.

Строение FPV антенны

Каждая FPV антенна, независимо от внешнего вида, имеет одинаковый набор компонентов:

Проводящий элемент

Формирует осциллирующий электрический сигнал и «передает» его в эфир в виде радиоволн. Каждая антенна имеет хотя бы один элемент. Некоторые могут иметь несколько элементов.

Земля/основание

Этот компонент делают металлическим, он соединен с квадрокоптером посредством коннектора, также, при правильном позиционировании, усиливает сигнал, который передается до/от квадрокоптера. Основание нужно располагать так, чтобы оно было параллельно земле.

Структура

В качестве материала пластик или акрил, не проводящий материал, служит для опоры проводящих элементов.

Коаксил

Коаксиальный кабель представляет собой специальный тип защитного провода, который может передавать электрические сигналы от одной точки к другой без излучения радиосигнала.

Коннектор

Коннектор это то, чем соединяется антенна к плате или передатчику на дроне. Служит проводящим элементом.

Как работает FPV антенна?

Так как эта тема для новичков, мы не будем углубляться в механику работы радиоволн, да и это не обязательно знать, чтобы использовать радиоуправление на дроне.
Принцип работы основан на теории резонанса, волны протекают по антенне со скоростью света. Предположим, что мы подаем на антенну импульс 5В, вначале импульса будет +5В, в середине -5В, в конце снова +5В, наглядно можете посмотреть на этой гифке:

Читайте также: Линейная поляризация и круговая, какая антенна лучше для квадрокоптера

Мощность передатчика

Помните ту аналогию с лампочкой? Чем мощнее передатчик будет генерировать сигнал, тем ярче будет гореть лампочка. Большинство видеопередатчиков на 200-400 mW и им не требуется дополнительное охлаждение, в то время как передатчикам на 1 W уже нужны специальные радиаторы, чтобы отводить тепло от платы, а видеопередатчики на 2 W оборудуются вентиляторами для обдува. На сегодня, радиаторы ставятся на видеопередатчики от 600 mW.

Чем больше мощности, тем больше будет различных радиошумов, так как вся электроника на дроне не экранирована. Еще одной особенностью будет то, что если вы увеличите мощность передатчика, от этого не увеличится расстояние, на которое сможет пробить сигнал этот видеопередатчик. Для увеличения расстояния, требуется более энергозатратное и мощное устройство, чем рядовой видеопередатчик.

Какие бывают антенны

Круговая поляризация / «Гриб» / «Грибовидная антенна»

У антенн с круговой поляризацией, диаграмма направленности напоминает бублик. На стержне антенны закрепляется такая конструкция, как на фото ниже. Благодаря своей универсальной поляризации, эти антенны отлично принимают и передают радиоволны почти в любом положении. Наибольшее усиление происходит в горизонтальной плоскости, а наименьшее в вертикальной. По факту, хуже всего такая антенна будет работать, если ее конец направить на квадрокоптер, но сигнал все равно будет.

Монополь или линейная

У монопольных антенн, диаграмма направленности тоже напоминает бублик, но более сжатый и с большим отверстием в центре. Основное отличие от антенны с круговой поляризацией заключается в том, что сигнал монопольной антенны работает лучше всего, когда антенны параллельны. Если такие антенны (прием и передача) расположить перпендикулярно или под прямым углом, а также, если они направлены прямо друг на друга, то сигнал будет очень плохой.

Диполь

Дипольная антенна тоже формирует диаграмму-бублик, но немного другой. Разница между дипольной и монопольной антенной заключается в том, что монопольный бублик намного более круглый с меньшим отверстием в середине. Это, дает дипольной антенне лучшие характеристики, чем монопольной, при более широком диапазоне углов.

Патч / Плата / Заплатка

Патч-антенны имеют трехмерную диаграмму направленности излучения в форме капли в одном направлении. Это означает, что у них высокий коэффициент усиления в одном направлении (направление, в котором находится патч), но очень низкий коэффициент усиления в других направлениях. Они идеально подходят для установки на приемник.

Спиральная антенна

Спиральные антенны — отличный способ получить высокую направленность из круговой поляризации антенны. Чем больше витков спирали, те мбольше мощность и направленность. Спиральные антенны с 1 или 2 оборотами имеют характеристики, очень похожие на патч-антенну. Однако добавление 6 и больше оборотов может значительно улучшить диапазон антенны.

Как установить антенну на квадрокоптер

Теперь вам нужно узнать, как правильно установить FPV антенну на квадрокоптер, потому что от это зависит качество сигнала.

Карбоновое волокно рамы блокирует радиоволны, в этом случае, антенны нужно ставить так, чтобы они как можно меньше экранировались рамой.

Расположение и установка антенн приемника 2.4 GHz квадрокоптера

У большинства приемников 2.4 GHz используются две линейные антенны. В идеале они должны устанавливаться под прямым углом 90° друг к другу.

Самый популярный способ крепления — это использовать пластиковые стяжки, как показано на фото ниже. Не менее популярным местом будет и расположение антенн со второго фото, когда антенны располагаются буквой V на хвосте дрона.

Для второго способа можно купить специальное крепление для антенн, либо распечатать модельку на 3D принтере. По нашим наблюдениям, со вторым способом помехи возникают реже.

Дипольные антенны и Crossfire 

Такие антенны нужно устанавливать так, чтобы было как можно меньше экранирования от карбоновой рамы. У антенн Crossfire на концах есть наконечники, для гонок на близком расстоянии ничего учитывать не нужно, а вот для фристайла и при полетах на дальние расстояния, нужно следить за тем, чтобы наконечники «не смотрели» на пульт управления. Ниже на фото показано расположение такой антенны.

Расположение и установка антенн видеопередатчика 5.8 GHz квадрокоптера

Правильно установленная антенна видеопередатчика обеспечит оптимальный сигнал. Антенна видеопередатчика должна быть установлена ​​перпендикулярно направлению камеры. Таким образом, он всегда будет направлен вверх, когда дрон летит вперед. Это касается и самолетов с неподвижным крылом. Это идеальный угол для установки антенн как с линейной, так и с круговой поляризацией. В идеале следует использовать антенну CP, такую ​​как Lumeneir AXII. Если использовать более дорогие варианты антенн, то будет обеспечена максимальная производительность.

Что касается размещения антенны VTX на дроне, ее следует располагать как можно дальше от рамы. В идеале антенна должна находиться в таком положении, чтобы между ней и антеннами на вашем шлеме или очках можно было провести воображаемую линию, при этом рама дрона не будет блокировать ее. Лучшее решение для этого — установить антенну под углом в ​​задней части квадрокоптера.

Важно хорошо закрепить антенну, чтобы в случае краша (аварии) антенна не сломала разъем видеопередатчика, так как крепление там жесткое.

Если собираетесь участвовать в гонках, то лучше использовать короткую антенну, которую сложнее повредить. Так как вы не будете далеко летать, то особого снижения качества видео не будет. Другое дело фристайл или полеты на дальние расстояния, тут нужна антенна более длинная.

Как расположить антенну на FPV очках и шлеме?

Расположение и тип антенн на шлемах и очках тоже имеет значения для качества сигнала. Если у ваших очков или шлема один приемник без разнесения, то нужно использовать антенну с круговой поляризацией. Если внутри шлема/очков два приемника или есть разнесение, то нужно использовать на одном разъеме круговую, антенну, а на другом — патч антенну. Так вы добьетесь наилучшего сигнала. Патч антенну не рекомендуется использовать там, где много шумов — где много электроники и линий электропередач, особенно в помещении.

Лучшим решением будет использование наземной станции для антенн, так ничего не будет зависеть от движений вашей головы.

Качество антенн

Качество антенн достаточно сильно влияет на производительность сигнала, его качество. Наверняка в интернет-магазинах вы видели антенны за 30-40 долларов и рядом за 10 или меньше. Дешевые варианты обычно плохо откалиброваны и у них наименьшая чувствительность. У дорогих антенн наоборот, максимальная чувствительность и хорошая калибровка в завода.

Ниже видео тестирования антенн с результатами. Видео на английском, но можно включить субтитры с переводом на русский.

Заключение

Надеемся, вы пополнили багаж своих знаний и теперь будете знать какие антенны где применять, как их располагать и почему не стоит покупать самые дешевые антенны.

Читайте также: Как собрать гоночный квадрокоптер 6S на раме TRANSTEC LASER S, собираем и настраиваем с фото