Антенна сдвоенный квадрат эллипс своими руками

Большинство конструкций СВЧ антенн для 3G/4G, представленных на нашем сайте, можно назвать любительскими непрофессиональными антеннами. В отношении антенны «Эллипс-патч 2х2» такого не скажешь. Чем отличается профессиональная антенна от любительской? Если провести «медицинскую» аналогию, то это как разница между БАД-ами и сертифицированными лекарствами. Возможно первые и помогают, но они не признаны профессиональным сообществом за лекарства. Та же ситуация и с антеннами. И точно также, как среди БАД-ов сплошь и рядом можно встретить откровенные фейки, так и в области антенн есть свои мифы и фейки. В профессиональной среде для диапазонов Wi-Fi/3G/4G особой популярностью пользуются патч-антенны. Они имеют ряд неоспоримых преимуществ в СВЧ диапазоне и антенна «Эллипс-патч 2х2» относится именно к этому классу антенн.

Почему профессионалы выбрали именно патч для диапазона СВЧ? В чем его преимущества? Вот их неполный список:

Возможность прямого выхода на коаксиальный кабель без применения специальных симметрирующих устройств (балунов);
Возможность подстроить как на 50 так и 75 Ом входное сопротивление путем незначительных модификаций конструкции;
Ровная симметричная диаграмма направленности с очень малым уровнем боковых лепестков;
Небольшая глубина панельной компоновки по сравнению с антенной Харченко и другими рамочными (зазор вибратор-рефлектор очень маленький);
Для симметричных по вращению на 90° патчей (круг или квадрат) можно от одного патча получить два ортогональных MIMO выхода с развязкой 23. 30 dB, что приводит к солидной экономии на железе;
Проще сделать стек (ФАР) из-за простоты изготовления полосковых линий над сплошным экраном с любым необходимым волновым сопротивлением;
Большое подавление внеполосных излучений, что в условиях современной сложной электромагнитной обстановки играет немаловажную роль;
Гальваническое короткое замыкание по цепи питания, что важно для защиты от атмосферной статики;
Из недостатков можно отметить повышенный вес и парусность, однако это больше создает проблемы при изготовлении патч-антенн для частот ниже СВЧ;

Wi-Fi диапазон имеет относительную полосу частот всего 2%. В отличии от него, диапазон UMTS(LTE) 2100 Мгц занимает полосу уже более 12%. Как видите, это две большие разницы, поэтому нужно понимать, что любая, даже профессиональная Wi-Fi антенна, которую мы промасштабируем на частоту 2100 МГц, становится уже «любительской». Для этого диапазона нужно проектировать другую широкополосную эффективную антенну.

Для создания такой широкополосной антенны нам нужно выбрать подходящую форму и размер патча. Чтобы понять как работает патч в формировании дальнего поля антенны можно применить принцип эквивалентности излучающей щели проволочному вибратору. В таком случае с некоторыми упрощениями патч можно представить как некую эквивалентную виртуальную рамку, расположенную над рефлектором, с «магнитным током» эквивалентным электрическому в реальной рамке. Периметр такой рамки равен периметру патча. Для уменьшения добротности и расширения полосы пропускания рамки мы применяем более толстый провод, что в нашем случае эквивалентно увеличению расстояния патч/рефлектор. Однако на этом пути имеется жесткое ограничение. При увеличении зазора выше некоего предела (примерно около 7..9 мм на частотах до 2700 МГц) появляются нежелательные моды излучения высоких порядков и направленность антенны резко падает. Другой способ расширения полосы — многоэтажные патчи по типу «пушки» или Patch-Yagi. Каждый этаж в отдельности это высокодобротный резонатор, а в целом эта система эквивалентна многозвенному полосовому фильтру с полосой шире, чем у отдельного контура. Третий путь расширения полосы, который мы уже применяли для создания антенны Харченко для DVB-T2, — это применение более высокоомных рамок (в нашем случае патча) с периметром 1,5 или 2 длины волны. Такие рамки менее добротны и более широкополосны за счет более высокого сопротивления излучения (не путать с входным сопротивлением и сопротивлением потерь). Специальные исследования показывают , что наиболее эффективен патч с периметром в 2 длины волны в форме эллипса с соотношением сторон 0.6 (с эксцентриситетом 0.8). В этом случае приходится отказаться от прямого выхода на фидер и появляется проблема согласования такого высокоомного патча, которая относительно просто решается с помощью четвертьволнового отрезка полосковой длинной линии. Впервые такой патч был предложен UVE на форуме lan23 в 2010 году (здесь вы видите авторское фото). Используя стек из нескольких таких патчей в сочетании с полосковыми линиями можно создать широкополосную эффективную антенну с высоким усилением для диапазона 2100 МГц. Таких конструкций было предложено несколько, с дополнительными техническими решениями, ссылки на некоторые них собраны в конце статьи. Здесь же для повторения предлагается конструкция «Эллипс-патч 2х2» авторства yurik82, которая, как отмечает автор, является модификацией популярной модели «Энтропия» авторства ведущего инженера НПП «Антекс» Сергея Сычугова (ее изображение можно видеть в шапке статьи).

Усиление антенны в пределах рабочей полосы частот 15.. 15.7 dBi, КСВ в пределах рабочего диапазона не превышает 1,25. Поляризация — вертикальная. Антенна имеет две модификации с входным сопротивлением 50 и 75 Ом. Эти модификации различаются только конструкцией и местом расположения точки питания. Подробные характеристики антенны с графиками КСВ, усиления и т.д. доступны на авторском ЖЖ по двум последним ссылкам в конце статьи. Конструкция антенны состоит из сплошного рефлектора над которым с помощью пластиковых втулок и болтов крепятся четыре эллиптических патча. Каждый патч запитывается с помощью металлического лепестка, который припаивается посередине широкого края эллипса. Все патчи соединяются по последовательно/параллельной схеме проволочными фазированными несимметричными длинными линиями. Подробная инструкция по изготовлению антенны:

Рефлектор 30х24 см изготавливается из оцинкованной или нержавеющей стали. При толщине менее 1 мм желательно армировать поперечинами из уголков или другого профиля.
Патчи эллиптические, 110х66 мм из подходящего цветного металла толщиной 0.5-1 мм на высоте 19 мм от рефлектора. Распечатать шаблон можно из CorelDraw, AutoCAD или любой векторной программы. Присылайте свои шаблоны, опубликуем здесь. Отверстия для крепления патча болтом смещены на 8 мм от центра эллипса.
Шаг фазированной решетки — 150 мм по горизонтали, 120 мм по вертикали по центрам эллипсов. Так как отверстия для болтов крепления смещены на 8 мм от центра, то по вертикали разнос между отверстиями для крепления патчей в рефлекторе будет 136 мм.
Патчи крепятся на любые пластиковые широкие втулки (например из 1/2″ ПВХ трубы) высотой 19 мм с помощью металлических болтов и гаек М3. М5 (любые подходящие). Через эти болты эллипсы имеют гальванический контакт с рефлектором.
Лепестки питания патчей шириной 12 мм и высотой 17 мм + небольшой запас для изгиба и пайки. Длина лепестков должна быть такая, чтобы с учетом этого изгиба лепесток не доходил 2 мм до рефлектора. Расстояние 53.5 мм между патчами по вертикали на схеме указано с учетом толщины лепестка 0.25 мм. Умельцы не испытывающие дефицита в материалах могут вырезать патч и лепесток из одного куска металла.
Три фазированные линии передачи изготавливаются из медного провода электропроводки 4 мм 2 (Диаметр 2.25 мм).
Длина вертикальной фазированной линии около 76.8 мм (77 мм) от торца лепестка до торца лепестка. Линия изгибается в 2 точках вокруг трубки диаметром 14-15 мм. Точность формы не принципиальна (при сохранении общей длины), но должна быть максимально похожей на чертеж с примерно равными зазорами по полтора сантиметра между горизонтальными участками и патчами.
Все три линии монтируются на высоте 2 мм от рефлектора по всей своей длине. На время монтажа удобно подложить калибровочные подкладки соответствующей толщины. Затем в нескольких точках можно капнуть термо-клеем для фиксации.
В версии на 50 Ом нужно вырезать из любого подходящего металла кружок диаметром 12 мм и припаять сверху на высоте примерно 4 мм от поверхности рефлектора к центру горизонтальной фазированной линии. Кружок нужен для компенсации реактивности входного импеданса антенны. Непосредственно по центру этого кружка снизу к фазированной линии подключается порт питания.
В версии на 75 Ом кружок уже не нужен. Необходимо вырезать из латуни 0.3 мм (проще паять) или другого металла прямоугольник 15х38 мм (+1 мм запас), работающий в качестве трансформатора сопротивлений. У одного края прямоугольника обрезать углы, чтобы получить сужение с 15 до 11 мм, по 2 мм с каждого края убрать на длине 5 мм. Прямоугольник припаять к центру горизонтальной фазированной линии так, чтобы он по всей длине был на расстоянии 4 мм от рефлектора. Расстояние от центра горизонтальной фазированной линии до порта питания 38 мм.
Фидер 75 Ом вводится через рефлектор с помощью F-гнезда и припаивается к обрезанному краю прямоугольного трансформатора.
Всю конструкцию можно упрятать в подходящую пластиковую коробку. Это позволит избежать воздействия атмосферных осадков. При запасе в полосе пропускания, влиянием коробки на характеристики антенны можно пренебречь.

В заключении несколько слов для антенщиков DIY-шников, попавших сюда с ю-трубы и изготовивших не одну «пушку Креосана». Чем эта антенна лучше знаменитой «пушки»? Кроме того, что она профессиональная, а не любительская, можно выделить следующие преимущества:

Источник

Настройка антенны «;Двойной квадрат»;

EW8AU
Владимир Приходько,
246027 Гомель а/я 68, Беларусь
Email — dmitry.by (at) tut.by

Перед установкой антенны, на рамках в месте крепления шлейфов установить временные приспособления для дистанционной регулировки шлейфов. Установить и закрепить симметрирующий мостик. Допустим, мы настраиваем антенну двадцатиметрового диапазона, центральная частота 14,150 МГц. Длина симметрирующего мостика должка быть равной 5 м 10 см. После этого для измерений параметров антенны нужно подготовить отрезок кабеля, равный или кратный лямбда 2, полуволновой повторитель, с учетом длины кабеля, входящего в симметрирующее устройство. Если мы применяем кабель с полиэтиленовым наполнителем, то с коэффициентом укорочения длина полуволнового повторителя равна 6,975м. Минимальная высота установки антенны -10 метров от земли. Измерительные приборы будут находиться у основания мачты, значит, длину кабеля выбираем 1,5 лямбда. Это будет равно 20м.925мм. Сразу следует пояснить, питание антенны будет осуществляться нерезонансным методом и общая длина кабеля от антенны до трансивера может быть произвольной. Отрезок кабеля, равный 1,5 лямбда нам нужен только для измерений и настройки антенны, потом он дополняется кабелем снижения до необходимой длины. Дополнительно можно проконтролировать длину кабеля 1,5 лямбда с помощью высокочастотного моста, но, как показывает практика в диапазоне КВ. расчетная погрешность настолько мала, что ей можно пренебречь.

Итак, подготовив антенну и кабель, поднимаем и устанавливаем антенну на мачту на высоту ее постоянной эксплуатации. Мачта расчаливается оттяжками, причем, если оттяжки в несколько ярусов, то сразу устанавливают все ярусы оттяжек, полный комплект. К мачте крепится временный технологический кронштейн, на котором установлен ГИР. ГИР должен находиться недалеко от шлейфа активного элемента рамки, и иметь возможность дистанционного управления. Для этого в схему ГИРа, параллельно конденсатору переменной емкости, необходимо поставить варикап. В идеальном случае, один элемент двойного квадрата должен иметь возможность передвижения, для регулировки расстояния между рамками. На кабель полуволнового повторителя установить коаксиальные реле типа РЭВ-15 по схеме Рис.1.

Если нет коаксиальных реле, коммутацию придется проводить вручную, переключая кабели согласно схеме. С одной стороны первого реле подключают высокочастотный мост для измерения активного сопротивления антенны. Желательно, чтобы мост своим разъемом прикручивался прямо на реле, без кабеля, в противном случае придется учесть этот кусок кабеля (от реле до ВЧ моста) и вычесть такой же отрезок из повторителя 1,5 лямбда. С другой стороны первого реле, через отрезок кабеля произвольной длины подключается второе репе, соединяющее ВЧ мост и кабель снижения, который идет к трансиверу. Кабель, соединяющий второе реле и ВЧ мост так же произвольной длины. В трансивере установить минимальную мощность, то есть такую, которая необходима для работы ВЧ моста. Со стороны активного элемента рамки, в направлении приема антенны, в дальней зоне не менее 1 лямбда поставить ВЧ генератор, нагруженный на небольшой диполь горизонтальной поляризации, размер плеч диполя примерно 0,5м. Антенна этого генератора должна находиться на такой же высоте, как и измеряемая антенна.

Настройку антенны проводят два человека. Один находится возле антенны, второй у трансивера. Если есть возможность, трансивер установить возле антенны, иначе придется наладить телефонную связь или воспользоваться портативными радиостанциями. Порядок работы при измерении и настройке. Включаем трансивер на прием и с помощью ГИРа определяем резонанс активной рамки. С пульта дистанционного управления ГИРом, изменяя смещение на варикапе регистрируем провал по напряжению, следя за показанием индикатора ГИРа. Установив (провал), сообщаем по телефону напарнику, который находится у трансивера. Он должен настроиться на сигнал ГИРа и сообщить частоту. Оператор, который находится у пульта управления ГИРом должен проманипулировать кнопкой питания, включая и выключая ГИР, чтобы убедиться в правильности настройки. Ведь можно ошибочно настроиться на несущую какой — нибудь мощной радиостанции. Определив резонансную частоту активной рамки, смотрим, в какую сторону по частоте нужно сместить резонанс рамки.

Подстройку производим регулировкой длины шлейфа активной рамки, контролируя приемником резонансную частоту. Настроив активную рамку на частоту 14,150, переходим к другой операции. Допустим, нам нужно настроить антенну на максимальное усиление вперед. Включаем генератор, находящийся в дальней зоне и работающий на частоте 14,150, следя за показаниями S-метра трансивера, подстраиваем шлейф рефлектора, на максимальную амплитуду сигнала. После настройки рефлектора, проверяем еще раз по ГИРу резонанс активной рамки. Резонанс может сместиться в сторону. Подстраиваем еще раз шлейф активной рамки. Теперь переходим к измерению входного сопротивления антенны. Переключаем коаксиальные реле, включаем трансивер на передачу (с необходимой для измерения мощностью) и, балансируя ВЧ мост, определяем активное сопротивление антенны на частоте 14,150. Если сопротивление отличается от 75 Ом, значит, неправильно выбрано расстояние между рамками. При сопротивлении, большем 75 Ом, рамки нужно сблизить, если меньше 75 Ом — раздвинуть. После коррекции расстояния между рамками необходимо еще раз провести измерения резонансной частоты активной рамки и по генератору, находящемуся в дальней зоне, еще раз настроить рефлектор. После этого делается еще одно измерение входного сопротивления антенны.

Допустим, мы настроили антенну по сопротивлению, но стрелка ВЧ моста при балансировке не доходит до нуля. Это говорит о том, что в антенне присутствует реактивность емкостного или индуктивного характера. Компенсировать эту реактивность можно настройкой симметрирующего мостика, укорачивая или удлинняя мостик: индуктивный характер 0,24 лямбда. Чтобы не удалять часть оплетки с кабеля симметрирующего мостика, можно воспользоваться емкостной закороткой. В конце мостика, возле перемычки, там, где оплетки кабелей соединяются между собой, на два параллельно идущих кабеля положить кусок мягкой медной фольги или белой жести прямоугольного сечения примерно 100х100 мм. Края фольги обвернуть вокруг кабеля с одной и другой стороны. Такая перемычка, охватывая каждый кабель, двигается по полиэтилену, позволяя замкнуть два кабеля по переменному току (типа емкостной закоротки). Таким образом, двигая эту перемычку, можно в небольших пределах компенсировать реактивную составляющую антенны.

Настроив антенну в резонанс и согласовав ее по сопротивлению, скомпенсировав реактивность, мы можем быть уверены, что и КСВ будет единица. Вообще КСВ — метр в основном служит только для контроля за состоянием антенны и фидера. Не понимая этого, можно настроить антенну по КСВ 1 и при этом иметь очень низкий КПД антенны, то есть превратить антенну в согласованную нагрузку. К тому же надо иметь в виду, что длинный кабель улучшает КСВ, это связано с потерями в кабеле. Поэтому настройка антенны с помощью одного КСВ — метра неверна. При настройке антенны можно применять простейшие самодельные приборы, такие как ГИР, ВЧ мост, а в качестве генератора, который установлен в дальней зоне, — самодельный генератор на фиксированную частоту с кварцевой стабилизацией. Если у Вас простейший ВЧ мост, не позволяющий увидеть реактивность, то есть определить, какого она характера, емкостного или индуктивного, это не беда. Просто, двигая перемычку на симметрирующем устройстве, Вы добиваетесь минимального отклонения стрелки при балансе моста; тем самым Вы компенсируете реактивность, не зная ее характера.

Если Вам при настройке антенны не удаюсь полностью компенсировать реактивность или подогнать сопротивление антенны под кабель, по ряду конструктивных или иных причин, пойти компромисс, подобрав общую длину кабеля от антенны до трансивера кратной лямбда/2. При этом Вы будете уверены, что антенна правильно настроена и согласована, а кабель запитан в режиме бегущей волны. Подбором длины кабеля Вы устраняете только небольшой процент рассогласования. Теперь насчет диаграммы направленности. Для корректных измерений диаграммы направленности необходимо создать определенные условия при установке образцовой и измеряемой антенны, что не всегда возможно для данного диапазона и окружающей обстановки. Например, в городских условиях среди железобетонных зданий с их краевым эффектом, в лучшем случае Вы снимете не диаграмму аправленности Вашей антенны, а голограмму данного микрорайона. Чтобы убрать влияние земли для диапазона 14 МГц, антенну пришлось бы поднять на высоту 80 м и отодвинуть зонд на несколько лямбда, что практически невыполнимо для данного диапазона. Поэтому достаточно измерить соотношение вперед – назад. После завершения настройки и согласования антенны, опустить антенну и заменить подвижные шлейфы рамок, впаяв жесткие перемычки необходимой длины.

EW8AU, Владимир Приходько,
246027, г. Гомель — 27, а/я 68
БЕЛАРУСЬ

Источник