Расчёт и изготовление простой антенны для ТВ и WiFi тройной квадрат

Приветствую, друзья, на связи Тимур Гаранин.

Сегодня рассмотрим простую и эффективную однодиапазонную направленную антенну с усилением около 9 dBi. Тройной квадрат.

На основании такой антенны часто делают многоэлементные директорные петлевые антенны. Они теоретически могут выдать до 14 dBi, но какой ценой! Многоэлементная антенна становится очень узконаправленной, очень узкополосной и чувствительной к погрешностям при изготовлении.

В то время как трёхэлементная антенна допускает погрешности +- 5% и спокойно работает с усилением около 9 dBi.

Перейдём непосредственно к структуре антенны.

Антенна представляет собой полный аналог волнового канала, только вместо полуволновых элементов, квадратные петли длиной в целую волну.

Сигнал активного вибратора складывается в противофазе, иначе говоря вычитается, с сигналом рефлектора, поэтому излучение в направлении назад уменьшается. Но с сигналом директора сигнал вибратора складывается в фазе, что увеличивает излучение в направлении вперед.

Автор этой антенны, Владимир Павлович Шейко даёт следующие соотношения для размеров директора, вибратора и рефлектора, и расстояния между ними. Без учёта коэффициента укорочения.

При этом он утверждает, что достигается усиление в 14-15 дБ, нужно понимать изотропных. Эти показания сильно приукрашены. Реальное усиление тройного квадрата немного больше 9 dBi.

Входное сопротивление антенны достаточно велико, и чтобы согласовать её с кабелем нужно либо использовать четвертьволновый трансформатор, либо гамма-согласование.

Сейчас давайте для примера рассчитаем такую антенну с гамма-согласованием для сигнала цифрового ТВ с горизонтальной поляризацией. При этом в качестве полотна возьмём трубку диаметром 7-8 мм.

Рассчитаем например для частоты 600 МГц:

Длина волны λ:  499.7  мм

Сторона директора D: 116.5  мм

Сторона вибратора V: 131.8  мм

Сторона рефлектора R: 144.5  мм

Расстояние вибратор-директор v-d:  121.7  мм

Расстояние вибратор-рефлектор v-r:  101.7  мм

Длина шлейфа H:  119.9  мм

Ширина шлейфа W:  15.5  мм

Суммарная длина провода Lw:  2099 мм

Расчетное усиление антенны Ga:  9.3 dBi

Полоса пропускания по уровню КСВ 2:  44.4  МГц

Как видим, антенна обладает весьма узкой полосой, поэтому подойдёт только для одного канала. И это недостаток всех директорных антенн, всех волновых каналов – все они узкополосны.

Если мы применяем гамма согласование, то на шлейфе нужно найти такую точку, в которой согласование с кабелем будет наилучшим.

Сам Шейко предлагает не гамма-согласование, а следующее согласующее устройство:

Это четвертьволновый отрезок, который сверху соединяется с одним плечом антенны и с центральной жилой кабеля, а с другой стороны с оплёткой кабеля.

Входное сопротивление антенны с таким согласующим устройством составляет 70 Ом.

Но если нам нужно получить входное сопротивление 50 Ом, то лучше применять согласующий трансформатор 1:4.

Для этого можно использовать либо U-колено, о котором был отдельный ролик, либо классическую схему трансформатора 1:4 из двух четвертьволновых отрезков.

Однако многим будет легче использовать именно гамма согласование. Гамма-согласование требует поиска точки с нужным входным сопротивлением.

Если у Вас нет анализатора, тогда по теории подключать кабель нужно в начало шлейфа, в ту точку, где он соединяется с антенной. В этой точке находится максимум тока и минимум потенциала, соответственно минимальное сопротивление.

Фидер нужно отводить перпендикулярно поляризации, т.е. вдоль шлейфа.

Давайте для примера рассчитаем ещё одну антенну на частоту 2432 МГц – пятый канал WiFi диапазона 2.4 GHz.

Длина волны λ:  123.3  мм

Сторона директора D: 29.9  мм

Сторона вибратора V: 32.7  мм

Сторона рефлектора R: 34.9  мм

Расстояние вибратор-директор v-d:  25.8  мм

Расстояние вибратор-рефлектор v-r:  23.1  мм

Длина шлейфа H:  29.6  мм

Ширина шлейфа W:  3.8  мм

Диаметр провода dw:  1.78  мм

Суммарная длина провода Lw:  520 мм

Расчетное усиление антенны Ga:  9.6 dBi

Полоса пропускания по уровню КСВ=2:  112.4  МГц

Мы получаем достаточно широкую полосу, которая покрывает весь диапазон 2.4 ГГц и прекрасное усиление для такой простой антенны.

Поляризация WiFi по стандарту вертикальная, поэтому точка подключения и согласующий шлейф будут находиться сбоку.

Теперь хочу сказать пару слов по поводу материала траверсы. Есть много схем таких антенн, где предлагается траверсу делать из того же куска провода, что и антенну. Мол, траверса находится в точке нулевого потенциала, поэтому её можно делать проводящей.

Но это работает только в том случае, когда сигнал у нас имеет чистую линейную поляризацию. Например, горизонтальную поляризацию как у ТВ сигнала.

Но WiFi, хоть по стандарту обладает вертикальной поляризацией, на практике имеет поляризацию абсолютно любую. Хоть диагональную, хоть круговую. А это означает, что траверса теперь не попадает в точку нулевого потенциала, следовательно начинает замыкать излучающие элементы между собой, влияя и на диаграмму направленности, и на согласование.

Поэтому, если Вы работаете с нестабильной поляризацией, как WiFi, тогда я настоятельно рекомендую траверсу делать из диэлектрика.

Можно ли в этой антенне вместо квадратных петель использовать круглые? Разумеется, и даже нужно.

Про преимущества круглых петель перед квадратными я уже говорил в предыдущих роликах. В нашем случае это добавит полдицебела, и мы получим усиление уже около 10 dBi. Что просто великолепно для такой простой и лёгкой конструкции.

Друзья, если ролик был для Вас полезен, прошу поддержать канал комментариями, репостами, и любой другой активностью. Предлагайте новые темы в комментариях.

Подписывайтесь, смотрите другие ролики на канале, изучайте материалы в описании.

Спасибо, друзья! Удачи!

Запись опубликована в рубрике Образовательные ролики с метками , , , , , , , , , , , , , , , , , , . Добавьте в закладки постоянную ссылку.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *