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

Фотро 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 припаян к точке соединения 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. Соединение двух вибраторов.

Фото 3. 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. КСВ решётки. 1,8 - 2,1 МГц КСВ в пределах 1,5.

 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 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.

Фото 8. Размеры вииибратора.

Рис. 1. Контактная площадка для распайки коаксиальных кабелей.

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. Было 45 мм, стало 36 мм.

Фото 10. Макет антенны на 2 - 2,7 ГГц.

Фото 11. 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.