О сайте

Всем доброго времени суток! Я, Вячеслав Юрьевич, или просто В.Ю. приглашаю Вас в свой блог. Почему блог так называется? Я дедушка и, как все деды, люблю поговорить о былом и поучить молодёжь. Читайте мои посты с советами обо всём, а особенно о здоровье.
До новых встреч!

среда, 28 сентября 2016 г.

Самодельные антенные решётки диапазона 1,8 - 2,1 ГГц и 2,0 – 2,7 ГГц.


Фото 1.
 Это продолжение темы пассивного ретранслятора для мобильного Интернета. Предыдущий пост был посвящён изготовлению антенны на частоты 1,8 – 2,4 ГГц. А если антенна пассивная, то необходимо добиться от неё максимального усиления, и один из способов – это поэтажно складывать одинаковые антенны, чтобы увеличить направленные свойства полученной конструкции и, таким образом, поднять её усиление. В процессе изготовления антенны я столкнулся с подводными камнями, на  которых можно высечь соответствующие выводы.

Вывод первый - не покупать на эти частоты дешёвые антенны, зачем бросать деньги на ветер.
Вывод второй – не покупать дорогие антенны с рук.
Вывод третий – пожалуй, это максимум удовольствия, на личном опыте убедиться, что самодельная антенна работает.
 Дело в том, что себестоимость антенны на эти частоты будет на целый порядок отличаться от себестоимости антенны на частоту в 2 раза ниже. Прежде всего, это связано с материалами, из которых она сделана, включающая в себя антенно-фидерный тракт. Так только 1 метр коаксиального кабеля для частоты 2 ГГц стоит в 20 раз больше всем известного коаксиального кабеля RG 58, который обычно используют для частот ниже 1 ГГц.  С ростом частоты коэффициент затухания коаксиального кабеля возрастает, соответственно растут потери, что приводит к необходимости применения совершенно других материалов, способных работать на сверхвысоких частотах (СВЧ).  Вместо текстолита используется стекло или керамика, вместо  вспененного полиэтилена – фторопласт, а медная оплётка идёт с серебряным покрытием, а отсюда и высокая цена изделия. Достаточно несовпадения одного размера на 1 мм, небрежно разделанный и распаянный коаксиальный кабель и это уже не антенна.
 Конечно, когда я стал делать такую конструкцию, то столкнулся со всеми перечисленными трудностями и подводными камнями, но путём проб и ошибок нашёл вариант вполне доступный для самостоятельного изготовления. 

Фото 2. Разомкнутый отрезок коаксиального кабеля распаян к точке сложения двух вибраторов.
Суть метода сложения нескольких антенн – это использование в качестве согласующего элемента разомкнутого шлейфа, выполненного из отрезка коаксиального кабеля (фото 2). Такая настройка очень удобна.

                             Настройка антенной решётки.

  Сначала проверяю КСВ каждой антенны. Затем соединяю их одинаковыми отрезками кабелей в одну точку. Понятно, что при параллельном соединении антенно-фидерного тракта, его волновое сопротивление уменьшается, и новое значение КСВ уже никуда не годится. 

Фото 3. Сложение двух вибраторов. L - одинаковые отрезки коаксиальных кабелей. L1 - разомкнутый отрезок коаксиального кабеля, элемент настройки. L2 - коаксиальный кабель снижения.
Теперь к точке слияния коаксиальных кабелей припаиваю отрезок этого же кабеля  размером 1/4 длины волны. В схеме сильнейшее рассогласование и характеристика КСВ полностью отсутствует. Укорачиваю кусачками разомкнутый отрезок коаксиальной линии, сначала по 5 мм, потом по 3 мм, по 1 мм…. На экране уже характеристика, как для одного вибратора, время остановиться! Нет, ещё миллиметр и будет ещё лучше! Ай! Сорвалась! Перерезал и процесс повторяю снова, но уже с новым отрезком линии.
 Сначала я соединил две антенны и настроил их по минимальному значению КСВ. Усиление такой антенной решётки будет на 3 дБ больше, чем усиление одного вибратора.  Аналогично сделал манипуляции с другой парой вибраторов, а потом равными отрезками кабелей соединил две антенные решётки. Повторно поочерёдно чуть укорачиваю разомкнутые отрезки каждых решёток до лучшего значения КСВ. Только будьте готовы, что резонанс такой конструкции сместится вниз по частоте и произойдёт сужение частотной характеристики, которая в большинстве случаев совпадает с оптимальным значением КСВ. Получилась антенная решётка из 4-х вибраторов.  Её усиление стало на 6 дБ больше по отношению к аналогичному одиночному вибратору, а общее значение усиления антенной решётки равно 12 дБ.

Фото 4. Антенная решётка из 4-х вибраторов. Разомкнутые отрезки коаксиальных кабелей уменьшились до 10 мм. 
Фото 5. Частотная характеристика КСВ сместилась вниз по частоте.
 Измерения я проводил относительно штыревой антенны с противовесом, усиление такой антенны примерно считается равным полуволновому вибратору, поэтому значения привожу в дБ, а не в дБи (значение относительно эталонного изотропного излучателя, то есть антенны излучающей мощность во все направления). На фото 6 штыревая антенна с противовесом, настроена на частоту 2,1 ГГц (с 1937 года её ещё называют коаксиальной).
 1 – разъём типа SMA. 2 – кабель коаксиальный RG316. 3 –  пластиковая центровочная втулка. 4 – противовес, полый цилиндр (гильза) из латуни с внешним диаметром 8 мм.  5 – центральная жила коаксиального кабеля. 

Фото  6. Измерительная антенна.
 Теперь, чтобы получить дополнительно ещё 3 дБ усиления, потребуется точно такая же антенная решётка из 4-х вибраторов, которую необходимо будет соединить вместе. И так, как на рыбалке, от сачка для ловли мальков до рыболовной сети, с которой  можно ожидать более крупный улов.

                Конструкция антенной решётки на диапазон 1,8 – 2,1 ГГц и материалы.

фото 8. Рефлектор
Фото 7.
 Для изготовления вибраторов использован односторонний фольгированный стеклотекстолит толщиной 0,5 мм. Экраном может быть лист алюминия. Для простоты изготовления рефлектора я использовал самоклеящуюся алюминиевую ленту, обернув ею плотный лист картона. На аналогичном прессованном картоне зафиксировал вибраторы. Расстояние между рефлектором и вибраторами составляет 36 мм. Разомкнутые отрезки коаксиальных кабелей составляют 10 мм. Коаксиальный кабель RG 402.
Рис 1. Монтаж кабельного соединения.
На рисунке 1 представлен вариант печатной платы для распайки коаксиальных кабелей.
1 – печатная плата с размерами.  2 – места распайки оплётки коаксиального кабеля. 3 – оплётка коаксиального кабеля.  4 – зазор в печати в монтажной плате. В случае использования в качестве подложки текстолита, зазор желательно сделать воздушным.
Рис 2.
 На рисунке 2 - я попытался нарисовать эскиз соединения коаксиальных кабелей для антенной решётки.
1,4 – разомкнутые отрезки коаксиальных кабелей. Их размер соответствует длине оплётки коаксиального кабеля. Для антенной решётки 1,8 - 2,1 ГГц их длина составляет 10 мм, а для антенной решётки 2,0 – 2,7 ГГц - их длина равна 3 мм.
2, 5, 6, 9 – соединительные кабели одинакового размера 100 мм (10 см).
3, 7 – соединительные кабели одинакового размера 25 мм.

 Здесь немного отвлекусь и расскажу, какая неудача (подводный камень) случилась с коаксиальным кабелем РК 50-2-26 (у него аналогичные отличные характеристики, но цена примерно в 2 раза меньше предыдущего). Для экономии я решил использовать старый, бывший в употреблении кабель. Коаксиальный кабель РК 50-2-26 – гибкий (этим он только отличался), с ним удобно работать, но видимо в процессе постоянного движения его характеристики со временем изменились, короче со старым кабелем на этих частотах ничего путного не получилось. Вывод сделаете сами, всему своё время.
 Но наращивая, таким образом, антенную решётку, в результате смещения резонанса потеряны несколько важных частот. Этот частота Wi-Fi - 2,4 ГГц и частоты 2,5 - 2,68 ГГц  для  4G (зависит от региона и оператора).

               Конструкция антенной решётки на диапазон 2,0 – 2,7 ГГц.

 Теперь, чтобы подняться вверх по диапазону делаю аналогичную антенную решётку, но уже с вибраторами другого размера. Таким образом, уже с новыми размерами родилась антенная решётка с диапазоном частот от 2 до 2,7 ГГц. Основное отличие в 3-х разных размерах. 

Фото 9. Уменьшил длину щелей.
Фото 10. Минимальные расстояния между вибраторами.
Фото 11. Частотная характеристика КСВ  антенны из 4-х вибраторов.
Уменьшил длину щелей в вибраторах, настраиваясь, таким образом, на частоту 2,5 ГГц. Вместо 45 мм теперь стало 36 мм. Соответственно уменьшилось расстояние от экрана до плоскостей вибраторов с 36 мм до 30 мм, как ни странно, но на практике это расстояние чётко стремиться к 1/4 длине волны. Короткозамкнутые отрезки линии в этом случае получились по 3 мм. За счёт уменьшения отверстий щелей диапазон антенны расширился и составил 700 МГц против 300 МГц первого варианта антенны. 

29 комментариев:

  1. Здравствуйте! На фото10 указаны минимальные расстояния между вибраторами, т. е. может быть и больше? И для диапазона 1,8-2,1ГГц так же, как и для 2,0-2,7ГГц?

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. Здравствуйте. Это минимальные размеры между вибраторами. Эти же размеры для диапазона 1,8 – 2,1 ГГц. Расстояния между вибраторами могут быть и больше, но в разумных пределах, учитывая потери в кабеле и его стоимость.

      Удалить
  2. Здравствуйте! Вячеслав Юрьевич, какими приборами Вы пользуетесь для настройки этих антенн?

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. Здравствуйте. Для настройки антенн использовался анализатор цепей R3765CH Network analyzer (фото 5).
      Графическое изображение получено с использованием анализатора цепей E8358A PNA Series Network analyzer (фото 11).

      Удалить
  3. Отличная статья! У вас не было мыслей - приемная антенна она же и излучающая? Если использовать фазированную решетку и полностью печатный монтаж?

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. Здравствуйте. На всякий случай напомню, что этот пост – продолжение темы пассивного ретранслятора для мобильного интернета. В пассивном ретрансляторе одна и та же антенна служит как для приёма, так и для передачи.
      Использование полностью печатного монтажа на этих частотах, в радиолюбительских целях, очень дорогое удовольствие.

      Удалить
  4. Вячеслав Юрьевич,-великолепно! Я озабочен такой же проблемой: низкий уровень сигнала для 3G модема на рабочем месте. Сделал баночную антенну, сделал рупорную (http://3g-aerial.biz/onlajn-raschety/raschety-antenn/horn-antenna-calculator); вживлял и подключал pigtail...
    Успеха не принесло. Качество интернета не улучшилось. Очевидно, что не выполнено согласование, но без должных приборов это сделать невозможно. Вы могли бы изготовить ФАР "на заказ" или настроить изготовленную мной? С пересылкой Почтой РФ. Уж очень надоел этот "мартышкин труд", а без интернета просто нельзя!

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. Здравствуйте, Александр.
      Сразу скажу, что на заказ я не работаю. Прежде всего, потому, что одному мне не справиться с поставленной задачей, так как в антеннах я начинающий и не какой не разработчик, а по роду деятельности больше испытатель. Просто мои первые статьи, посвящённые самодельным антеннам, вызвали интерес у посетителей, и я решил продолжить данную тематику. Самому пришлось тормошить знающих людей, чтобы помогли померить или подсказали, как сделать правильно. А данный пост вообще направлен на то, чтобы показать, что самоделка на этих частотах работать не будет.
      А вы уверены, что в вашем регионе 3G вещает на частотах 2,1 ГГц? В зонах, где количество абонентов мало, Интернет работает на более низких частотах, около 900 МГц. Может стоит вернуться назад, на первую статью, посвящённую пассивному ретранслятору?
      Самодельный пассивный ретранслятор мобильного телефона и интернета.

      Удалить
    2. В.Ю., прочитано. Огорчили... Это, наверное, опечатка:? "А данный пост вообще направлен на то, чтобы показать, что самоделка на этих частотах работать не будет."
      Ведь работает же Ваше изделие!
      Да, вещает на этой частоте. Используя программу MDMA с того же сайта,-это видно.
      И вообще-очень приятно говорить на одном языке (радиоинженерном) )).
      Или Вам вдруг будет интересно проверить промышленные образцы внешних антенн для 3G на предмет заявленных характеристик (КСВ, КНД). Я бы купил по Вашим рекомендациям тУ модель. А так-всё кот в мешке... {Мой е-мыл: kav17@mail.ru}

      Удалить
  5. Спасибо за статью.
    После успешного и быстрого изготовления комнатной антенны для DVB-T2, решил и для WiFi смастерить.
    Скажите, что предпочтительнее:
    1. Антенна Харченко с медным проводом и металлической пластиной (плюс - найти медную проволоку и лист металла/фольги можно где угодно) http://richadm.ru/attachments/Image/Image-8_9.jpg
    2. Антенна из 2 кусков текстолита - на одном вытравить дорожки, второй будет стоять сзади (плюс в том, что соблюдено растояние - чётко две параллельные плоскости) http://i.ebayimg.com/images/g/3ooAAOSw8gVX85Jm/s-l1600.jpg
    3. Спиральная антенна (как я понял, нужно намотать спираль на трубу диаметром чуть меньше 40 мм).
    Заранее благодарю за ликбез.

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. Доброго времени суток. Предпочтительнее сделать по второму пункту. Скорее всего, вы перескочили предыдущий пост, поэтому задаёте такие вопросы.
      Самодельная антенна на 1,8 – 2,4 ГГц.
      « Дело в том, что конструкции моих самодельных проволочных антенн на указанные в оглавлении частоты требовали тщательного соблюдения геометрических размеров и сильно зависели от материала. Из-за острого резонанса трудно было добиться согласования на нужной частоте, а поэтому вслепую, без настройки обойтись было нельзя.
      «На этих диапазонах только пластинки будут работать, всё остальное – сплошная бутафория, чтобы собирать деньги», - говорили мне профессионалы, когда я консультировался с ними. Ну что? Пластинки, так пластинки – так я опять вернулся к антенне «Харченко».

      Удалить
    2. Читал, но сомнения остались. На текстолитовой плате толщина меди в микронах, боюсь, что для антенны этого мало будет.
      Скажите, а как расчитать размер дорожки? У меня получается так: биквадрат с длиной стороны каждой стороны 31,25 мм. Но толщина-то будет не 0.5 и даже не 1 мм, а скорей всего 2-3, а то и все 4 мм, следовательно, нужны какие-то коэффициенты укорочения.
      И ещё. Лучше протравить плату или вырезать под линейку ножом?
      Заранее спасибо.

      Удалить
    3. А я так и не понял, какую антенну вы делаете? На какую частоту? На какой диапазон частот? Вы делаете антенну или антенную решётку? О каких размерах идёт речь (толщина-то будет не 0.5 и даже не 1 мм, а скорей всего 2-3, а то и все 4 мм)? Это толщина стороны квадрата, проволоки или толщина пластинок

      Удалить
    4. Уточняю насчёт толщины и ширины: слой металла на фольгированном гетинаксе равен нескольким десяткам микрон (это я назвал толщиной), а протравленная дорожка в итоге будет 3 мм (это я назвал шириной). А если рука дрогнет, то и 4 мм.

      Антенна биквадрат для диапазона 2.4 ГГц (Wi-Fi). Сторона квадрата равна 300000 / 2 400 000 / 4 = 0,03125 метра или 31,25 мм. Это если делать из тончайшей проволоки. А если из текстолита, то размеры чуть другие будут. Какие - мне неизвестно.
      Сзади - просто прямоугольник из текстолита, чтобы направленность была 180*. Размеры этого прямоугольника мне опять-таки неизвестны.

      Удалить
    5. Если вы делаете антенну по другому описанию, то почему вопросы задаёте мне? В этом посту и в предыдущем даны все размеры антенн на эту частоту. Ещё раз повторно привожу текст: « С другой стороны самоделка не только обладает универсальностью, объединяя несколько частот, но и имеет хорошую повторяемость, а, следовательно, возможность самостоятельного изготовления без процесса настройки. Дело в том, что конструкции моих самодельных проволочных антенн на указанные в оглавлении частоты требовали тщательного соблюдения геометрических размеров и сильно зависели от материала…. ».
      Чтобы проверить как работает другая антенна мне необходимо её сделать самому, но мне кажется, что вам это будет интереснее узнать самому.

      Удалить
    6. Просто хотел проконсультироваться. Я в этом деле полный ноль, вы же - опытный человек.
      Ещё раз приведу ссылку того, что хотелось бы видеть в итоге: http://i.ebayimg.com/images/g/3ooAAOSw8gVX85Jm/s-l1600.jpg

      Удалить
    7. Мне тоже нечем похвастаться, я только учусь и это моя первая самодельная антенна, сделанная на эту частоту. Не хочется опять повторяться, что пришёл я к этой конструкции путём проб и ошибок и мне дорого то, до чего я дохожу сам и вам того же желаю.

      Удалить
    8. Тогда попробую сам. Получится - отпишусь.

      Удалить
    9. Нарисовал пока на бумаге "биквадрат для wifi" для последующего вырезания из текстолита.
      Параметры такие: длина внешней стороны квадрата - 34.5 мм, внутренней - 26.5 мм, при толщине дорожки 4 мм среднее - те самые 30.5 мм. Растояние между контактами (куда припаиваться) - 4 мм, растояние до рефлектора - 15 мм, размер рефлектора 100х50 мм, также будет сделан из текстолита. Оплётку к рефлектору не подключаю.
      Можете прокомментировать? Также интересует, применять ли в данном случае коэффициент укорочения - дорожки-то широкие?

      Удалить
  6. RG316 тяжело найти. А если у меня будет около 40 см кабеля RG58, как сильно это отразится на качестве?

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. В целом периметр квадрата совпадает с тем, что используется для антенны на частоту 2,4 ГГц. Что касается ширины стороны квадрата – чем она шире, тем больше вероятность попасть в резонанс на нужной частоте, то есть антенна будет более широкополосной, поэтому применять коэффициенты укорочения я не рекомендую.
      Меня больше беспокоит расстояние до рефлектора. У разных авторов, изготовивших подобные антенны, оно различно. От этого расстояния будет зависеть коэффициент направленного действия антенны (он отвечает за её усиления) и её согласование, то есть коэффициент стоячей волны (КСВ), который в идеальном случае на частоте резонанса должен стремиться к единице. Здесь я ничего не могу сказать, надо пробовать.
      Из-за малой длины кабеля потери будут незначительные.

      Удалить
    2. И ещё вопрос: оплётку к рефлектору паять или нет?
      Текстолит нашёл и купил. Рефлектор сделаю с регулировкой, а вот кабель найти - задача не из простых. Даже rg58 не продают (но предложили какой-то советский 50-омный).

      Удалить
    3. Опыт приходит во время проведения опыта. Паять или не паять? Выберите самый простой вариант!

      Удалить
    4. Что ж... попробовал. И очень разочаровался. Биквадрат в условиях моей квартиры вещает ровно так же, как и штатная антенна. Думал, вдруг штекер с браком и контакта нет, откручиваю - резко сигнал снижается. Что рядом, что на растоянии - штатный четвертьволновой штырёк и биквадрат на текстолите показали абсолютно одинаковый результат.

      Удалить
    5. Меняется ли результат от ориентации антенны в пространстве?

      Удалить
    6. Я ожидал направленность на 180 градусов. Но когда нахожусь "сзади" антенны, сигнал, судя по программе InSSIDer, сильно не глохнет, впрочем, при направлении чётко на ноутбук, усиливается незначительно.
      То есть, условно антенну можно считать всенаправленной.
      Единственное "но": при расположении на подоконнике, роутер уверенно поймал публичную сеть из соседнего парка, однако, подключиться к ней не смог. Не знаю, обычный "штырь" поймает эту сеть так же уверенно или хуже.
      Сама антенна: http://www.lan23.ru/forum/attachment.php?attachmentid=24495&d=1484724059

      Удалить
    7. Пробовали менять поляризацию антенны? Если конфигурация антенны изображает цифру 8, то антенна принимает волны с горизонтальной поляризацией. Если цифра 8 на боку – вертикальная поляризация. Если поляризация передающей и приёмной антенны не совпадает, то передача сигнала уменьшится на 6 - 20 дБ. Такой разброс усиления зависит от типа антенн и от внешних условий.

      Удалить
    8. Пробовал. И канал менять пробовал. Задал вопрос на другом форуме, ответили, что "восьмёрка" слишком большой получилась. Правда, нужные размеры не подсказали.

      Удалить
    9. И всё же чем выше канал, тем лучше связь. Хоть и незначительно.
      Думаю, такой антенной попал гораздо выше 2400.

      Удалить