Dronele, quadcopterele sau UAV-urile (vehiculul aerian fără pilot) nu pot fi imaginate fără antene. Pentru operarea cu succes a dronelor recreative, industriale sau militare – puterea semnalului este cel mai important factor. Pentru a obține cele mai bune rezultate, diverse antene specifice sunt proiectate în acest scop și sunt simulate pe computer.
O antenă este un traductor, care transformă energia electrică în unde electromagnetice și invers.
O antenă poate fi folosită fie ca antenă de transmisie, fie ca antenă de recepție.
- Antena de transmisie convertește semnalele electrice în unde electromagnetice și le radiază.
- Antena de recepție convertește undele electromagnetice de la fasciculul primit în semnale electrice.
- În comunicația bidirecțională, aceeași antenă poate fi utilizată atât pentru transmisie, cât și pentru recepție.
Câteva tipuri comune de antene pentru drone:
Antene pentru telecomandă. Sunt utilizate pe controlerul de la sol (RC– Remote Control) pentru a comunica cu drona. Pot fi antene interne integrate în controler sau antene externe conectate prin cabluri. Cele mai utilizate tipuri de antene pentru telecomandă sunt antenele omnidirecționale și antenele direcționale.
Antene pentru recepție GPS. Majoritatea dronelor comerciale utilizează tehnologia GPS pentru a obține informații despre poziție și navigație. Antenele GPS care recepționează semnale de la un satelit pot fi antene mici, montate pe dronă sau integrate în partea electronică.
Antene pentru transmisie video în timp real. Transmisia video live de pe dronă către un dispozitiv de la sol, are nevoie de o antenă video. Aceste antene proiectate pentru a transmite semnalul video în timp real, pot fi antene omnidirecționale sau direcționale.
Antene WiFi. Dacă drona are capabilități de conectare la rețele WiFi disponibile, atunci o antenă va asigura comunicația pentru transmitere de date sau pentru a controla drona utilizând aplicațiile mobile.
Specificațiile antenelor pot varia în funcție de producătorul dronelor și de modelul acestora. Antenele pot fi modificate sau înlocuite pentru a îmbunătăți performanța sau pentru a se potrivi nevoilor specifice ale utilizatorilor.
Sistem de control radio (TX/RX)
Dronele pilotate de la distanță necesită un sistem de control radio care constă dintr-un transmițător și un receptor, necesare pentru a opera un UAV (Unmanned Aerial Vehicle). În plus, pentru a evita pierderea dronei, aceasta trimite înapoi la telecomandă informații vitale precum nivelul bateriei și puterea semnalului – caracteristică numită telemetrie.
De obicei, telecomenzile (RC – Remote Control) au una sau două antene monopol (numite și antene terminale în formă de bară). Când antenele sunt poziționate în sus, cel mai puternic semnal este pe o linie perpendiculară pe ele, în timp ce orice locație paralelă cu antenele va primi un semnal mai slab. Prin urmare, cel mai bine este să reglați direcția antenelor în funcție de poziția aeronavei și să evitați să zboare aeronava direct deasupra vârfului antenelor pentru a menține o conexiune radio puternică.
Cum se alege o antenă TX/RX pentru dronă?
Frecvența este unul dintre cele mai importante criterii în alegerea unei antene potrivite. Fiecare antenă este reglată pentru a funcționa bine cu o anumită gamă de frecvențe. Deci, o antenă monopol de 2,4 GHz nu va funcționa bine cu o configurație de 5,8 GHz și invers. Cele mai multe drone (cu excepția FPV – First Person View) funcționează în banda radio de frecvență 2,4 GHz. În general, antenele cu frecvență inferioară au dimensiuni mai mari decât cele cu frecvență mai înaltă.
Antene pentru drone cu vizualizare la prima persoană (FPV)
FPV este folosit în sportul curselor cu drone. Pilotul vede doar ceea ce vede drona când zboară.
Frecvență de operare. Dronelor le este permis să opereze în diferite game de frecvențe, în funcție de reglementările locale și de aplicația specifică. Exemple de frecvențe utilizate:
Frecvență de 2,4 GHz. Este una dintre cele mai utilizate frecvențe în comunicațiile cu dronele. Este o frecvență fără licență și oferă o bună acoperire și penetrare a semnalului. Este utilizată pentru comunicația între controlerul dronei și dronă, cât și conectivitatea WiFi.
Frecvență de 5,8 GHz. Este adesea utilizată în transmiterea video în timp real de la o dronă FPV către controler sau alte dispozitive. De asemenea, este folosită pentru anumite comunicații de control a dronei și pentru conexiuni WiFi.
Majoritatea dronelor FPV folosesc antene de 5,8 GHz. La 5,8 GHz este o calitate video și audio mai bună decât benzile de frecvență mai joase, datorită ratei de date mai mari. Însă, scade distanța și raza de acțiune – este de așteptat un maxim de 500 de metri în condiții ideale, în care nimic nu stă între operator și dronă. Pentru a avea o transmisie foarte bună cu 5,8 GHz, folosirea antenelor FPV bine alese este extrem de importantă.
Frecvențe de 900 MHz și 433 MHz. Aceste frecvențe sunt utilizate în special pentru comunicații pe distanțe mai lungi, deoarece au o putere de penetrare mai mare și capacitatea de a acoperi distanțe mai mari. Sunt utilizate în principal în aplicații comerciale și industriale pentru drone.
Important! Gama exactă de frecvențe utilizate de drone poate varia în funcție de reglementările locale și de regiunea geografică. Este important să rețineți că legile locale și reglementările pot impune restricții asupra frecvențelor de operare și distanței maxime de zbor a dronei. Verificați întotdeauna reglementările locale și respectați limitele impuse. Există o gamă largă de antene disponibile pentru dronele FPV. Aceste antene sunt proiectate pentru a oferi o recepție și transmisie optime pentru semnalul video între drone și echipamentele FPV, cum ar fi ochelarii sau monitorul.
Câteva tipuri comune de antene utilizate în FPV:
Antenele Omni au fost create pentru a emite semnalul într-un model sferic, oferind astfel o acoperire în toate direcțiile. Sunt potrivite pentru zborurile în jurul operatorului și acoperirea generală a zonei.
Antenele Patch sunt realizate sub forma unui panou plat sau a unei plăci și au un model de radiație unidirecțional. Se utilizează la distanțe mai mari, oferind o recepție mai bună într-o anumită direcție.
Antenele Helical au forma unui șurub și oferă un model de radiație puternic circular polarizat. Sunt potrivite pentru zborurile în jurul obiectelor și pot reduce interferențele semnificativ.
Antenele Cloverleaf și Skew-Planar sunt cunoscute pentru performanțele lor bune în condiții de multiplexare și în mediile cu obstrucții. Ele oferă o acoperire omnidirecțională și o imunitate mai bună la interferențe.
Antenele potrivite pentru sistemul FPV se aleg luând în considerare distanța, mediul de zbor și frecvența de operare. Uneori, o combinație de antene poate fi utilizată pentru a maximiza acoperirea și calitatea semnalului. În plus, calitatea și amplasarea corectă a antenelor pot avea un impact semnificativ asupra performanțelor FPV.
Polarizarea antenei – liniară sau circulară
Primul concept ce trebuie înțeles este polarizarea antenei. Polarizarea antenei se referă la orientarea câmpului electromagnetic generat sau recepționat de către antenă. Aceasta determină direcția în care undele radio se propagă în spațiu. Polarizarea poate fi liniară sau circulară și poate fi verticală, orizontală, diagonală sau înclinată.
Polarizarea liniară se referă la orientarea câmpului electromagnetic într-o direcție specifică, cum ar fi verticală sau orizontală. O antenă cu polarizare verticală va emite sau recepționa undele radio cu câmpul electric orientat vertical, în timp ce o antenă cu polarizare orizontală va avea câmpul electric orientat orizontal. Este important ca antena de transmisie și antena receptorului să aibă aceeași polarizare pentru a asigura o transmisie eficientă a semnalului.
Polarizarea circulară (CP) implică o rotație a câmpului electromagnetic în timpul propagării. Există polarizare circulară dreaptă – RHCP (câmpul electromagnetic se rotește în sensul acelor de ceasornic) și polarizare circulară stângă – LHCP (câmpul electromagnetic se rotește în sens invers acelor de ceasornic). Polarizarea circulară este folosită adesea în comunicațiile prin satelit și radare.
Alegerea polarizării corespunzătoare a antenei ajută la optimizarea performanțelor sistemului de comunicații și la minimizarea interferențelor cu alte semnale.
La polarizarea circulară ar fi ideal ca antenele de emisie și de recepție să aibă aceeași polarizare circulară pentru a asigura o compatibilitate maximă între ele. Acest lucru facilitează transferul eficient de semnal între cele două antene.
În practică, există situații în care antenele de emisie și de recepție pot avea polarizări diferite, însă acest lucru poate duce la o pierdere de semnal sau la o atenuare a performanței sistemului. Atunci când antenele au polarizări diferite, apare ceea ce se numește pierdere de polarizare sau atenuare încrucișată (cross-polarization loss) fiindcă semnalul emis de antena de emisie nu este captat eficient de antena de recepție și invers.
Antena „Lollipop” – antenă polarizată circular pentru zborul cu drone FPV
Distanța maximă în ceea ce privește transmiterea semnalului FPV depinde de mai mulți factori: puterea și calitatea sistemului de transmisie utilizat, antenele folosite, frecvența de operare și interferențele din mediu.
Cu tehnologia și echipamentele FPV actuale, unele drone pot obține distanțe de transmisie a semnalului de până la câțiva kilometri, în funcție de condițiile de zbor și de echipamentele utilizate.
Distanța maximă de transmisie a semnalului poate varia în funcție de obstrucții: copaci, clădiri sau teren accidentat. Aceste obstrucții pot afecta semnalul și pot reduce raza de acțiune efectivă.
Notă. Pentru a obține cea mai bună performanță în transmiterea semnalului FPV la distanțe mari, este recomandat să utilizați echipamente de calitate, antene direcționale sau cu caracteristici bune de radiație în toate direcțiile, să evitați interferențele cu alte dispozitive și să găsiți un echilibru între puterea semnalului și durata de viață a bateriei dronei.
În orice caz, este important să evaluați cu atenție factorii specifici pentru mediul de zbor și să experimentați în mod responsabil pentru a obține cea mai bună performanță în transmiterea semnalului FPV la distanțe mari.
Care este cea mai bună amplasare a antenei pentru antena receptorului de pe o dronă?
Ideal, antena controlorului ar trebui să fie într-o poziție în care o linie teoretică poate fi întotdeauna trasă vizual fără obstrucții între ea și antenele de control (LoS – line of sight) ale dronei.
Există câteva principii generale de urmat pentru a obține o bună recepție a semnalului.
Amplasarea în partea superioară a dronei poate fi benefică deoarece minimizează obstrucțiile și interferențele pentru semnalul radio. Această poziție asigură o comunicație mai bună a semnalului și o acoperire mai largă în direcții multiple.
Distanța față de alte componente electrice. Antena receptorului ar trebui să fie amplasată la o distanță suficientă de alte componente electrice de pe dronă, cum ar fi motorul, variatorul de viteză sau bateria. Aceste componente pot genera zgomot electromagnetic ce poate interfera cu semnalele radio.
Evitarea obstrucțiilor. Antena receptorului ar trebui să fie amplasată într-un loc unde nu este obstrucționată de alte componente ale dronei sau de structura acesteia. Obiecte metalice mari sau alte componente electronice amplasate în imediata apropiere pot reduce semnalul și pot crea interferențe.
Orientarea antenei. Orientarea antenei receptorului este importantă pentru a maximiza calitatea semnalului. În funcție de tipul antenei și de specificațiile sistemului, trebuie urmate instrucțiunile producătorului pentru orientarea optimă a antenei și a obține cea mai bună recepție.
Siretta Alpha 1A. Antenă Wi-Fi dublă, 5G/4G. T-bar, 104 x 10,8 x 4 mm, suport adeziv. Alpha 1A este reglată pe GSM (2G), UMTS (3G), LTE (4G), NR (5G), Wi-Fi în bandă duală (2,4 GHz și 5 GHz) și frecvențele ISM de 2,4 GHz.
Siretta Tango 1. Antena GSM/GPRS, dipol de ¼ de undă reglat la 900 și 1800 MHz. Câștig de vârf 2 dBi.
Design robust pentru aplicații mobile în camioane sau autobuze. Antenă cu profil redus pentru utilități în mobilier stradal.
Siretta Delta 41. Multibandă 2G/3G/4G și tehnologii WiFi. Antena plată, pivotantă. Câștig de vârf 3 dBi Omnidirecțională. Polarizare verticală.
Aceste recomandări sunt generale și pot varia în funcție de tipul de dronă și de echipamentul specific utilizat. Trebuie consultat manualul de utilizare furnizat de producător pentru a obține cele mai precise instrucțiuni referitoare la amplasarea antenei receptorului pe dronă.
Siretta Tango 25A. Antenă miniatură (22 x 22 mm), Wi-Fi / WLAN Dual Band 2,4/5,8 GHz. Câștig mare 9,34 dBi la 2,4 GHz. Omnidirecțională. Polarizare verticală.
Siretta Tango 19. Antenă combinată, cu două antene integrate într-un singur pachet.
Siretta Tango 44. 5G / 4G / Dual Band Wi-Fi / Bluetooth / LoRa / SigFox. Polarizare liniară verticală. Performanța RF excelentă, clasificată IP67 pentru utilizare în aer liber. Montare sigură anti-vandal și ascunsă.
Siretta
Utilizările pentru antene sunt nelimitate și cresc rapid odată cu disponibilitatea și diversitatea dispozitivelor IoT. Antenele Siretta acoperă o gamă largă de piețe:
- Drone conectate la WiFi
- Fermă solară: Colectarea datelor din panouri
- Contoare inteligente de energie
- Contoare de apă
- Monitorizarea senzorilor și colectarea datelor
- Chioșcuri pentru auto-check-in, furnizare de informații sau ca terminale de vânzări
Notă: Consumul de energie al unei drone poate fi influențat de mai mulți factori. Cei mai importanți dintre aceștia, care pot afecta consumul de energie al unei drone, sunt:
Greutatea și dimensiunile: Dacă o dronă are o greutate mare sau dimensiuni mari, aceasta va necesita mai multă energie pentru a se menține în zbor. Un design aerodinamic și o greutate redusă pot reduce consumul de energie.
Tipul de motor: Motoarele mai eficiente energetic pot reduce consumul de energie al dronei.
Viteza și stilul de zbor: Viteza la care se deplasează o dronă și stilul de zbor (cum ar fi zborul rapid, manevrele agresive sau zborul stabil) pot influența consumul de energie. Zborul la viteze mari sau efectuarea de manevre solicitante pot determina o creștere semnificativă a consumului de energie.
Vremea și condițiile atmosferice: Vântul puternic sau alte condiții atmosferice dificile solicită dronele să compenseze forțele externe pentru a menține stabilitatea și controlul, consumând mai multă energie.
Utilizarea sistemelor auxiliare: Unele drone pot fi echipate cu sisteme auxiliare, cum ar fi camere de înaltă rezoluție, stabilizator gimbal (sistem de stabilizare a mișcării pe una sau mai multe axe) sau dispozitive de iluminare. Componentele suplimentare necesită energie pentru a funcționa, deci crește consumul total de energie al dronei.
Bateriile și eficiența sistemului de propulsie: Bateriile de înaltă calitate și sistemul de propulsie eficient pot contribui la o durată de zbor mai mare și la un consum redus de energie.
Constantin Savu
Director General – Ecas Electro
ECAS Electro | www.ecas.ro
ECAS Electro asigură aprovizionarea și servicii pentru produsele Siretta
Detalii tehnice:
Ing. Emil Floroiu (emil@floroiu.ro)
birou.vanzari@ecas.ro
Referințe WEB
https://www.digikey.ro/en/blog/antenna-polarization-what-it-is-and-why-it-matters
https://www.cenos-platform.com/post/drone-antenna-types-simulation
https://www.dronetrest.com/t/the-complete-guide-to-fpv-antennas-for-your-drone/1473
https://dronersguides.com/drone-antenna
https://oscarliang.com/best-fpv-antenna
https://forum.dji.com/thread-75947-1-1.html