关于无人机改装增程天线的几点见解

李业良

本帖更偏重于技术讨论，某些内容可能涉及到专业术语，为了便于理解会做些类比和比喻，如有不准确，敬请谅解。本人十分欢迎技术上的交流和讨论，谢绝不当言论。

         本人曾经是摄影的资深爱好者，同时从事天线行业多年。近年来，随着无人机越来越流行，同时也带来了诸多的震撼作品，尤其是在自然风光领域，结合自己了解的领域，所以想聊聊无人机增程天线的问题，分享一些观点和产品。

    归正题，第一个要讨论的问题：是否有必要对无人机进行增程改装和优缺点。大家在买到无人机之后，有一部分人会问，为什么所明书中的飞行控制距离，我们再实际使用时无法达到？无人机的控制和图传距离与很多因素有关，比如电磁环境，自然环境，图传数据量，电池状态等等，这好比品牌手机所谓的通话时间是一样的，真实使用状态和理想使用状态差别还是很大的。

    关键问题，对于使用者来说在现实情况下，是否满意现在的距离？对额外的距离有多大的渴望？这个问题或许来的更现实。作为普通玩家，几百米的飞行距离应该是够用的，视距分辨力之外，的确还是有些风险的。如果作为自然风光爱好者或资深玩家，我认为增程改装还是很必要的，主要是无人机可以将镜头带到本人很难到达的地方，比如更高的高度，进而提供更佳的角度；更远的更不容易到达的地方，省去一些体力；更清晰的图像，让你感受到更美丽的风景；甚至有些户外爱好者用它来探路，省去来来回回的麻烦。可能每个期望增程改造的使用者有不同的目的，但在行动之前，一定要清楚自己的需求，切勿盲目。

    增程改造的优点：估计就只有控制飞行距离更远，回传图像更清晰。改造后，到底能改变多少？如果选择正确的天线和正确使用，可以实现2~3倍的距离，如果期望更远，那就需要更深入的改装，涉及的问题会更多（以后会讨论）。

   主要讨论增程改造的缺点：

   首先：拆机换线。既然拆机就有风险，有损坏遥控器的可能性，其实就是换个同轴转接线，实现IPEX到SMA转接。如果仔细认真的操作，损坏的可能性很低很低，但并不代表没有。同时产生一个更关键的问题，拆机了质保是不是成问题了？这个需要无人机厂家回答。

   其次：拆掉了原有的棒状天线，引出了SMA转接头，外观发生了变化。产品的外观对厂家来说十分重要，因为体积是厂家之间比拼的重要指标，多数客户还是希望无人机小巧，甚至是口袋式。改装后的无人机，莫名多出一大块天线面积和厂家的设计理念有些违背，所以厂家不得不做些妥协。本人更建议厂家给消费者增加一个备选项，不就是增加一个转接线吗？客户更方便了更满意了，销售量可能会更好。

   第三：由自带天线变成额外天线，给保存，安装，使用都会带来一定的麻烦。如果某天忘了带天线，那无人机就是个摆设了。比如有人认为做了改装，就万事大吉，其实这仅仅是个开始，你需要了解很多天线使用的常识，否则会出现效果比原来还差的情况。

   第四：无人机可以飞更远了，作为主人你要考虑无人机别飞丢了，要不没电了，走不回来了，需不需要买一个额外的保障？

   总的来说，无人机增程是小部分人需要考虑的事情，因为无人机的标配天线已经满足了大部分客户的需求。

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飞来峰

坐等更新，此贴必火，期待加精

李业良

       第二个要讨论的问题—无人机增程的途径
       既然说到增程，就不可避免简单讨论一下无人机的无线系统（本人没有设计过无人机，可能存在偏颇之处）。
        这种无线系统存在两个链路，上行链路和下行链路。
        假定上行链路：遥控器到无人机，这个过程是：发射功率（遥控器端）天线（遥控器端）空间距离衰减天线（无人机端）接收信号灵敏度（无人机端）；
        假定下行链路：无人机到遥控器，这个过程：发射功率（无人机端）天线（无人机端）空间距离衰减天线（遥控器端）接收信号灵敏度（遥控器端）。
       发射功率和接收信号灵敏度是设备自身设计好的，可调整空间很小。比如增加发射功率，你就要考虑电池能耗和是否满足无线电发射功率要求（FCC/CE/SRRC）等。

这是有国家标准的，如果超出，那就要小心了。当然假如发射功率是26dBm，那就比20dBm信号传的远。比如提高接收信号灵敏度，那就更困难了，因为涉及的器件更多。通常在考虑价格合理的情况下，厂家都会选择灵敏度高的器件。
      还有两个重要的方法是调整遥控器端天线和无人机端天线。天线本身是一个无源被动元件，也就是说对信号的功率没有放大作用，不像放大器那样可以把能量放大，但天线却可以进行信号空间放大。是不是有点绕？先讲一下被动元件是什么意思，比如你给天线输入1瓦能量，他能辐射出去多少？必然少于1W，其他的能量哪儿去了，一部分返回到发射机，一部分被消耗。常见的被动元件就是电阻，电容，电感，其实天线在某一频率下，就可以分解成它们。再讲一下空间信号放大，就是指在某些特定角度或角度范围内，信号增强了，所以实现了空间信号放大了。两个综合起来讲，由于某些方向信号增强了，其他方向信号自然就减弱了，总体能量不变（其实是少了点）。
       这好比家用的电灯泡（白炽灯），挂在屋子，让光在屋子内均匀分布。由于照在屋顶上的光没什么用，就增加了灯罩，其结果是屋顶上的光变暗了，屋子其他地方变亮了，相对于均匀分布，地面的光增强了（空间信号放大）。如果把灯罩再进行改进，最后就变成了探照灯，只有一个角度有强光。灯泡还是那个灯泡，空间角度亮度却变化很大（天线的增益，指的就是某个方向角上的放大能力）。100W的白炽灯有多少能量转换成光能，很可惜只有百分之几，其他多数的能量就被消耗掉变成热能。如果换成LED灯，转换率就高很多了。灯是将电能转换成光，天线是将电能转换成电磁波，可以说有些类似。
       先说：无人机端天线增益。因为其是活动平台，正常而言，期望天线的增益是各个方向是均匀的（全向天线）。作为活动平台，时高时低，时左时右，时前时后，如果天线存在特别明显的方向性，就会导致信号传输十分不稳定，造成很多麻烦。当然，如果无人机只往高处飞（相对于遥控器），不往低处飞，无人机端的天线就可以做成有点方向性的，提高向下辐射的增益，进而实现增程。通常，不建议更改无人机端的天线，是因为天线是飞行器的一部分，如果更改是否会影响到无人机的预定飞行平衡状态？
      再说：遥控器端天线增益。遥控器掌握在操作者的手中，天线的方向相对可控，只要将遥控器天线的增益指向与无人机一致即可（增益的大小决定了对准精度）；即使天线大一点重一些，不影响无人机的飞行状态，只可能导致操作有点不便。
      除此之外是否还有其他途径呢？采用分集天线系统，采用多通道系统，更好的编解码方式？这些不在普通改装的范围内，是设备设计者需要考虑的事情，我就不多讲了。
      除了以上硬件改造，还有什么和增程有关？简单讲讲客观环境吧，比如电磁干扰，在城市中无线设备较多，电磁干扰较大，最后导致接收信号灵敏度下降；比如雨天雾天，多云天气，就会导致无线电在自由空间传输衰减增大，进而影响飞行距离。这些情况只能具体情况具体分析，我也不多讲了。
      总而言之，常见的增程改造途径：

1，  调整发射功率。基本不可调，专业人士可尝试。

2，  无人机端天线。特别应用场景是可以的，提前做好分析。

3，  遥控器端天线。可调整空间大，但需要注意正确选择天线和使用方法。

4，  接收灵敏度。基本不可调，专业人士可尝试。

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神经病

营养好文，楼主辛苦了

天线老兵

  第三个问题：为什么频段是2.4G和5.8G？

     上次大家注意到没有，无人机的发射功率EIRP有两个频段2.4G和5.8G。这两个频段有什么区别，各自的优缺点是什么，怎么选择？

     通常无人机使用的频段都是公共开放的频段（无委会对各个频段的应用做了划分），当然公共频段有很多，如433M，900M，2.4G，5.8G等等，大家都可以使用，但要控制发射功率，也就是每个设备有最大地盘限制，不能无限大，不能把所有人的地盘都占为己有。另外，同一频段内还可以存在多种不同协议的设备，比如2.4G频段，可以有zigbee，BT，WiFi AP等设备。BT的有效范围十米左右，WiFi AP（路由器）的范围百八十米左右，ZigBee则是极低数据量传输，间歇式工作。现在我们不得不面对一个问题，就是随着无线设备的普及，即使控制了设备的发射功率，同一地盘内，还是出现了很多同频设备，导致地盘严重重合。你的信号，对你是有用的，但对别人来说就是无用的，相当于产生了干扰，影响到别人信号的传输。同理，别人的设备也影响你的设备信号传输。为什么无人机在市区飞的近，在郊区或野外飞的远，这是重要的原因之一。

      为什么选择2.4G和5.8G？

      在这之前，先讨论一下无人机系统上行链路和下行链路传输的内容，上行链路（遥控器到无人机）的信息主要是一些控制信号，以便无人机按照操作者意图飞行，这条链路上传递的信息量相对较少，估计几百k每秒；下行链路（无人机到遥控器）的信息，除了位置信息，飞行状态信息等，最关键的是图像信息，前半部分的信息不大，但图像信息是巨大的，即使采用低分辨率并进行高度压缩，也有几兆到十几兆每秒。如果无线频带不够宽，就很难流畅的显示回传图像。通常载频越高，协议规定的频带会越宽，所以带图传的无人机基本不会使用1GHz以下的频率，但不需要图传的无人机可选择的频率相对多些。

      中国2.4G和5.8G频段：2.412 ~2.472 GHz  13个信道；5.725 ~5.825 GHz  4个信道。

由上图可见，规划的信道带宽为22M，但实际每个信道的间隔为5M，也就是说相邻信道有频带重合，必然会影响信号传输。如果大家同时使用同一信道，并且距离不远，那传输速率就可想而知了。假如三个无人机爱好者一起去玩，体验最不好的就是使用同一信道，次之是使用相邻信道，如果想互不影响，可以选1,6,11信道。5.8G的信道是相互独立的，每个信道20MHz，不存在频带重合。

       2.4G和5.8G频率自身有什么特性？

       电磁波具有波粒二象性，频率越高，粒子特性越明显，越像光；频率越低，波的特性越明显，越像声波。频率越高，绕射衍射的能力越差，同时也更容易衰减，所以说5.8G的绕射能力相对2.4G就差了。如果无人机和遥控器之间有建筑，山体等遮挡，信号基本就很难传过来了。比如2.4G有一定的绕射能力，同时穿墙能力较强，一堵墙没什么问题，再多几堵，衰减就很大了。再比如雨雪天气，对5.8G的影响会比2.4G大一点点。

频段不同对天线有什么影响？

       终于说到正题上了，讲了两天和天线没什么直接关系的内容，但又不得不讲。频率是天线设计时第一个需要考虑的因素，频率对天线最大的影响就是体积。以定向天线举例，相同增益情况下，频率越低，天线体积越大。比如定向2.4G天线7dBi，体积大小为65*65*5mm；定向5.8G天线7dBi，体积大小40*40*5mm。同一频率下，如果想增益变高，天线的体积也会变大，5.8G的体积为65*65*5mm，增益可以为12dBi左右。

链接地址

       另外，频宽也很重要，频带越宽，天线体积也会大些，设计难度会大一些，但只要满足相应的公共开放频段即可，如果是2.4G，只要包含2.4G~2.4835GHz，如果是5.8G，国内就要包含5.725G~5.85G。如果只是针对无人机的应用，在频带太宽也没什么用，但天线的频带太窄，那就会影响到信道的使用。

       总结起来，非图传无人机比如航模，可以选择一些较低的频段，绕射能力强，传输距离远；图传无人机最好选择高信道带宽的2.4G和5.8G，这两个用哪个频段，主要看周围的自然环境和相应频道的使用情况，避免干扰源；然后根据实际需求情况，安装合适体积的天线。

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天线老兵

好像这个帖子，也没什么人看，或者这些大家都懂，也没什么问题，看来再更几期就得撤了

飞来峰

天线老兵 发表于 2020-6-19 12:24
好像这个帖子，也没什么人看，或者这些大家都懂，也没什么问题，看来再更几期就得撤了 ...

好东西，历久弥香，怎么能撤？

♚FAN♚

有人看，顶起来

枫叶天线

学习了

SLhtEC

原理多了点，大家可能更关心实操改装的

evenlin

学习了，谢谢

000100^

学习了
很不错的文章，

天线老兵

SLhtEC 发表于 2020-6-19 14:00
原理多了点，大家可能更关心实操改装的

恩，本文的前半部分或许对系统级增程改装有些帮助。

天线老兵

SLhtEC 发表于 2020-6-19 14:00
原理多了点，大家可能更关心实操改装的

恩，本文前半部分可能比较枯燥，或许对系统级改造有点帮助。你说的实操改造是指下面哪一种？

天线老兵

实操改造天线可以有下面几种, 大家趋向于哪一种？
1，手中已有的天线改造，尽可能提高点性能
2，市面上可买到的天线，用到自己的无人机上
3，自己设计，自己改造

Yvonne123456

收藏一下

13132992240

顶

天线老兵

      第四个问题：常见无人机端天线分析
      无人机端的天线主要有GPS天线和WIFI天线。我们就讨论一下DJI的几款产品天线方案，不知道版主和工作人员是否有意见，如有不当，请见谅。其实大疆的天线方案总体是很好的，可以看出大疆对天线的重视程度。
       一、GPS天线接收定位信号，除了经纬度，也应该包含高度，它是通过多卫星信号之间的时差进行运算定位的，如果包含了高度，那必须要有足够的搜星能力，如果是用于测绘的无人机，定位要求更高，就可以采用多GPS系统增强定位精度。卫星都在天上，所以GPS天线都是定向的，主瓣都指向天空，理想状态是半球型的，也就是说增益不能太高，不能变成探照灯，否则搜星数量会急剧减少。由于带宽很窄很窄，体积又不能太大，陶瓷天线就成了首选方案。

前一个是普通消费级无人机，GPS天线位于设备内部，和主板结合紧密，结构简单，性能够用。

P4的GPS天线是单独分开的，就是保证其位于设备最高处，同时与主板间有一块很大的铜箔进行隔离（铜箔的使用合理性还需探讨，在此不下定论），性能比前面一个会好一点点。

M600使用的额外GPS天线，通过线缆连接位于设备上方，半球形的方向图得到进一步保证，同时使用多天线系统，把定位计算误差降到最低，达到厘米级的定位应该问题不大。

GPS系统的信号是右旋极化的，而从前两个天线来看，基本都是线极化的，这个和天线体积大小有些关系，右旋极化的天线可能制作有点难度，毕竟不需要向某些武器系统那样有极高的要求。

二、WIFI天线系统，主要是用于无人机和遥控器之间信息传输。在无人机这端，天线最好是球形的，就是三维空间各个方向性能一致（这是理想状态，只存在于理论中）。一般在天线领域讨论的全向天线指的是水平截面为全向（360度内尽可能差别不大），比如常见的半波波长偶极子天线（理论水平全向增益2.1dBi）。实际中，全向天线水平面各个角度的增益也不是一样，一般有1~2dB的差异也算正常，这样就会导致无人机在同一位置上在不同姿态下，图传质量有好有坏，比如前后效果好，左右效果差一点。如果是这种要求，常见的偶极子天线或类偶极子天线就可以满足，毕竟性价比高，够用就行。

从消费级的无人机天线设计来看，大疆的确关注天线的性能，天线的位置十分合理，没有因为外观，而放弃对性能的追求，细节之处显真章啊。MIMO 2X2系统，图像回传效果应该还好吧，如果用4x4系统，价格有可能就上去了。这种类偶极子天线，全向性应该还可以吧。

P4无人机在天线的变化就大了，升级为4天线，并且靠近支架的最下方，长度位置都得到了保证，天线性能应该比较好。只是这些支柱可能妨碍了镜头的拍摄。

M300也是用了4天线，采用MIMO 4*4系统，为了镜头的拍摄便利，改变了天线的位置。有位网友说，M300流畅图传可以达到15km，如果是实测数据，的确惊人。其实M300的天线性能应该不如P4，如果能达到这么远的流畅图传距离，M300的信号处理系统一定是改进很多，同样价格也摆在那里了。

总结来说，大疆无人机端的天线已经不错了，消费级注重性价比，专业级注重性能，测绘级追求误差最小和镜头拍摄便利，不足由其他地方补全。还是那句话，无人机端的天线最好别改装，不是因为它的性能没有提升空间，而是涉及到的因素太多，尤其是无人机的平衡性，隐患太大。

天线老兵

我朋友说，我写的东西太杂了，没有针对性，如果大家有问题，想交流可以走线下。
我建了个微信群，大家可以去那里面聊，同时我的回复会更快些，推荐合适的产品也方便。

mcmoyou

好东西，谢谢分享！