Новичкам о дальности связи

[Alex]

Новичкам о дальности связи (UT7UX)

Очень часто - да что часто, почти всегда первым вопросом новичка про радиостанции будет вопрос о дальности связи. Простой и понятный вопрос, на который, впрочем, невозможно дать такой уж простой ответ. Попробуем в максимально упрощенной форме разобраться, что влияет на дальность связи, а заодно развенчать некоторые мифы, не углубляясь в физику слишком глубоко. Впрочем, совсем без физики не получится и, не поняв основы в самой упрощенной форме, невозможно понять, что влияет на успех радиосвязи. Продвинутых прошу не обижаться на вульгаризацию изложения.

Итак, что происходит при радиосвязи. Генератор (передатчик) генерирует электромагнитную энергию, передает ее по фидеру к антенне (кроме портативок - у них антенна прикручена непосредственно к генератору), а та излучает сгенерированную электромагнитную энергию в пространство. Приемная антенна адсорбирует электромагнитную энергию из пространства и передает ее по фидеру на приемник.

Важные выводы:
Важна не столько мощность генератора сама по себе, сколько количество излученной в сторону приемника электромагнитной энергии. А эта энергия равна мощности генератора, минус потери в фидере и плюс-минус КНД (Коэффициент направленного действия или "усиление") антенны. Если мощность большая, но фидер с приличными потерями и антенна направлена не туда, то толку будет мало или, наоборот, маломощный генератор при фидере с малыми затуханиями и сравнительно эффективной антенной даст достаточно электромагнитной энергии для уверенного приема. К приемнику это относится в равной мере, разве что вместо мощности генератора подставим чувствительность приемника - эффективная антенна и малые потери в фидере смогут дать достаточно энергии даже туповатому приемнику, а сверхмегачувствительный приемник ничего не услышит, кроме шумов, будучи подключенным к случайной антенне негодным фидером.

Как влияет мощность передатчика на уровень сигнала приемника? Поскольку (в идеальных условиях) напряженность электромагнитного поля обратно пропорциональна квадрату расстояния, то влияние мощности меньше, чем кажется. Если удалить приемник на в два раза большее расстояние от принимаемого передатчика, сигнал упадет в четыре раза. Если удалить приемник на в три раза большее расстояние - то в девять раз. В реальной жизни нет никакой разницы с точки зрения силы принимаемого сигнала между, например, передатчиками мощностью 5W и 4W. Никакой. Чтобы увеличить дальность вдвое, нужно увеличить мощность вчетверо, а не на одну четвертую. А вот разница в потреблении тока от аккумулятора и разница в нагреве очень существенна. По этому является признаком исключительной безграмотности любая попытка увеличить мощность на десяток-два процентов, поскольку она никак не скажется на дальности связи, но подвергнет сильному риску аппаратуру, а в портативном режиме еще и досрочно высадит аккумулятор. Тем не менее, на этот прием часто покупаются клиенты мастерских по обслуживанию таксистов и других незнакомых со связью пользователей, где новичку предложат подстроить передатчик на большую, чем предусмотрено производителем, мощность. Выгода такой мастерской очевидна - в случае обрыва антенны или слишком долгой передачи, клиент вернется к ним на замену дорогостоящей детали.

Важные выводы:
Линейное увеличение дальности связи в пределах прямого распространения радиоволн достигается ценой квадратичного увеличения мощности генератора. Незначительное увеличение мощности - самообман и необдуманный риск, т. к. реальной прибавки не будет, а радиостанцию можно легко испортить.

Так как же все-таки нарастить радиус действия, если небольшое прибавление мощности не дает желанного эффекта, а значительная прибавка невозможна технически или ограничена законом? Очень просто - уменьшением потерь в фидере и применением более эффективных антенн. Об антеннах можно говорить практически бесконечно, по этому, для краткости, рассмотрим только диаграмму направленности и КНД ("усиление"). Диаграмма направленности - характеристика антенны, показывающая, куда она излучает максимум, а куда минимум сигнала. Естественно, важно излучить максимум в сторону приемника (почти всегда это означает в сторону горизонта - не в небо, если только это не спутниковая или авиационная антенна, не в землю, а строго горизонтально). Иногда бывает важнее настроить антенну минимумом в сторону сильной помехи. Антенна - элемент пассивный, по этому термин "усиление" к ней неприменим прямо. Говоря об усилении, имеют в виду насколько много электромагнитной энергии распределено в сторону приемника за счет сокращения излучения в ненужные стороны. А приводя параметры "усиления", часто вводят в заблуждение покупателя, приводя сравнение не со стандартным диполем или стандартным изотропным излучателем, а непонятно чем, в результате чего получают чудесные цифры - не нужно обращать на них внимание.

Важные выводы:
Лучший усилитель - антенна. Она направляет электромагнитную энергию в сторону корреспондента на передаче и так же как бы фокусированно принимает ее от передатчика корреспондента, обеспечивая выигрыш за счет перераспределения имеющейся энергии и на передаче, и на приеме, а не за счет тупого роста мощности генератора на передаче и бессилия что-либо сделать из-за слабого сигнала на приеме. Хорошая антенна "стреляет" в сторону корреспондента - лучше малое "усиление" в нужную сторону, чем сколь угодно большое, если оно не направляется на корреспондента.

Теорию изучили, переходим к практике. Вернее еще немного теории. Радиоволны распространяются прямолинейно. Однако, они могут огибать некоторые препятствия. Чем выше частота (или чем короче волна), тем выраженнее прямолинейность распространения, большее подобие геометрической оптике. Короткие волны могут немного заходить за горизонт, а УКВ - нет. Да, конечно, иногда возникают условия, при которых дальность возрастает очень существенно, но мы их сейчас не рассматриваем умышлено - важно понять дальность уверенной связи прямой волной. По этому, если один из корреспондентов находится в глубоком овраге, туннеле или даже в плотной городской застройке, то дальность радиосвязи может упасть почти до нуля, с какой бы мощностью он ни работал и какая бы эффективная антенна у него не использовалась. По этому, говоря о радиусе действия той или иной радиостанции, рассматривают близкие к идеальным условия - ровная местность без особых перепадов высот и заметных препятствий. И тут главным препятствием оказывается горизонт, естественная кривизна земли. Чтобы преодолеть естественную кривизну земли, а заодно и локальные препятствия, нужно поднимать антенны как можно выше.

Что же имеем на практике? Есть эмпирические формулы расчета дальности связи, учитывающие кривизну земли и высоту подвеса антенны. Например, суммируем высоту антенн обоих корреспондентов (в метрах), извлекаем квадратный корень и умножаем на коэффициент (ориентировочно 4,124), чтобы получить дальность прямой видимости в километрах. При высоте антенн, скажем, 10 метров над землей каждая, это даст оценочно 18~19км. Всего лишь. Некоторая рефракция, тем большая, чем ниже частота, может увеличить дальность прямой связи, иногда довольно существенно, а реальные препятствия - столь же существенно сократить. Чем ниже частота, тем легче (точнее - тем большие) огибаются препятствия. Длинные волны (радиовещательного диапазона, например) успешно огибают горизонт и уходят намного дальше прямой видимости. Короткие волны хуже огибают препятствия, но все же на практике также уходят за горизонт. Ультракороткие волны намного ближе к оптике и практически бессильны даже перед небольшими препятствиями и почти не проникают за горизонт.

Важные выводы:
Дальность прямой связи ограничена не столько мощностью передатчика, сколько препятствиями - неровностями рельефа, плотной застройкой и, наконец, естественной кривизной земли, преодолеть которые ни мощностью, ни эффективностью антенны невозможно, но возможно поднимать антенны выше, над препятствиями. Чем выше частота, тем строже выполняется это правило. Два автомобиля с СиБи радиостанциями смогут работать на большем расстоянии, чем те же автомобили с УКВ радиостанциями. В нормальный условиях связи прямой волной автомобили скорее всего не услышат друг друга далее ~20км даже на СиБи, а на УКВ - и того меньше. Портативные корреспонденты даже в идеальных условиях едва ли могут рассчитывать на связь более чем в 6~8км с земли, как бы не наращивали они мощность своих портативок.

Итак, еще раз повторим основные тезисы:
- небольшое, на десятки процентов, увеличение мощности практически не сказывается на увеличении дальности связи
- выгоднее использовать хорошие антенны и снижать потери в фидере, чем наращивать мощность
- хорошая антенна направляет максимум сигнала на корреспондента и не обязательно имеет максимальный КНД, т. к. большой КНД сам по себе не означает автоматически максимум излучения в сторону корреспондента
- дальность связи чаще ограничена не мощностью передатчика или чувствительностью приемника, а рельефом местности или кривизной земли, по этому практическое увеличение дальности возможно только за счет подъема антенны над препятствиями
- чем выше частота, тем сильнее влияние препятствий на дальность связи, поскольку с ростом частоты снижается огибание препятствий радиоволнами, по этому для увеличения дальности целесообразно стремиться к более низким частотам

На что же могут рассчитывать пользователи радиостанций? Вот диапазон от реального до близкого к теоретическому максимуму исходя из из собственного опыта, очень и очень приблизительный, но достаточный для первого приближения. Разные источники дают немного отличающиеся цифры, более или менее оптимистичные. В любом случае, чем ниже частота при сохранении полноценной антенны и чем ближе условия к идеальным (отсутствие препятствий), тем ближе будет результат к максимальному. По этой причине сибишные портативки (со слишком укороченными антеннами) часто проигрывыают УКВ-портативкам, зато автомобили с почти полноценными антеннами или стационарные радиостанции с простыми полноразмерными антеннами нередко выигрывают у УКВ по практической дальности. В городе даже минимальные цифры из приведенных диапазонов окажутся слишком оптимистичными, разве что базовая антенна на крыше высотного здания очень сильно расширит радиус действия.

- портативка-портативка - 1~5км
- портативка-автомобиль - 2~7км
- автомобиль-автомобиль - 5~20км
- портативка-стационар - 4~15км
- автомобиль-стационар - 10~40км
- стационар-стационар - 20~80км
Это предельные цифры в зависимости от условий и используемой аппаратуры (в первую очередь антенн)!

А как же дальние связи? Ведь всем известно, что на коротких волнах возможна радиосвязь с любой точкой земли, да и на УКВ возможны связи на большие расстояния. Тут вмешиваются другие факторы - отражения коротких радиоволн от ионизированных слоев, рефракция и рассеивание ультракоротких волн на неоднородностях тропосферы и тому подобные эффекты. Но их не следует учитывать при расчете дальности радиосвязи прямой волной, расчете местной связи.