Антенны мобильной связи

Распределение частот между сотовыми операторами РФ в диапазонах 900 МГц и 1800 МГц

Антенна «пушка Креосан» 8 дисков

Особенности изготовления и конструктив антенны достаточно хороши видны на чертеже ниже. Отметим только, что толщину пластин можно менять в пределах 0,3..1 мм (рефлектор как несущий диск лучше взять толще, около 2 мм), а шпильки использовать не больше М6. Однако вероятность отрицательного результата будет намного меньше, если вы откажетесь от шпилек и будете паять диски на стальной или латунный штырь диаметром 2-3 мм (например на сварочный электрод как в оригинальной сборке). На самом деле применение шпилек с гайками не есть изобретение видеоблоггеров, а применялось намного раньше. Просто гайками удобно подстроить уже готовую антенну по приборам. Если у вас нет приборов, от шпилек и гаек лучше отказаться и применить в качестве разделителей между дисками отрезки металлической трубки. Очевидно, что загоняя в конструкцию немалой толщины гайки, вы расстраиваете антенну.

Вообще правильно антенны рассчитываются в специализированных программах электромагнитного моделирования, о чем подробно написано например здесь. Поэтому в этой статье мы представляем читателю антенну с 8-ю дисками, рассчитанную, как и положено, в такой программе для основных диапазонов цифровой связи. Усиление антенны около 12,5 dBi, КСВ во всех диапазонах не превышает 1,6. Отношение усиления вперед/назад не хуже 15 dB. Входное сопротивление 75 Ом. Диски крепятся к шпильке не гайками, а с помощью распорок в виде «втулок-проставок» из трубки диаметром А. Гайки присутствуют только на концах антенны, где их влияние минимально. Расчетная толщина дисков 0,5 мм.

Какой металл можно применять для изготовления антенны? В поиске ответа самым важным является понимание того факта, что на высоких частотах ток течет не во всем сечении проводника, а только в тонком поверхностном слое. Это явление носит название скин-эффект. За толщину скин-слоя принято брать расстояние от поверхности металла, на котором величина тока равна 0.37 от величины на поверхности. При этом сопротивление скин-слоя такой толщины на данной частоте равно его сопротивлению на постоянном токе. Толщина скин-слоя уменьшается с ростом частоты. При этом уже в ДМВ диапазоне она составляет единицы микрон. Из этого следует вывод, что для нас важно из чего изготовлен поверхностный слой материала и не важен состав ее середины.

Сразу исключим непригодные металлы для антенны — это ферромагнетики — железо, никель и сплавы на их основе, например, сталь. Однако биметаллические материалы со стальной серединой и медным покрытием (БСМ, БСМГ), очень даже пригодны. Именно благодаря наличию скин-эффекта. А конкретнее — все металлы и сплавы, которые можно применять в качестве внешнего слоя элементов антенн, можно разделить на две группы:

1. серебро, медь, алюминий.
2. латунь, цинк, дюралюминий.

Внутри групп металлы мало отличаются по потерям и практически равноценны. Антенны из металлов и сплавов 2-ой группы уступят по усилению антеннам из металлов 1-ой группы от 0.04 до 0.16 dB, что на практике почти не ощутимо. Очевидно, что годится не только биметалл с медным покрытием, но и сплошной материал из любого из шести вышеперечисленных металлов.
О всевозможных сплавах следует сказать отдельно. Примеры:

• в сплаве манганин меди 85%, а его сопротивление в 30 раз выше, чем у чистой меди.
• нихром — сплав никеля 70% + хрома 15% + железа 15% имеет сопротивление в 10 раз выше, чем у любого из его компонентов.

Поэтому совершенно не стоит рассчитывать, что присутствие слова «медь» или «алюминий» в названии или в составе сплава обеспечит ему малое сопротивление.

При подключении кабеля снижения к антенне в месте контактов разных металлов возможна электрохимическая коррозия. В следующей таблице указана совместимость разных металлов в контактном соединении на открытом воздухе :

Сопрягаемый металл или покрытие	Медь и ее сплавы	Сталь	Алюминий и его сплавы	Сталь нержавеющая	Олово и припои марки ПОС	Цинк (металл и хроматированное покрытые)	Никель и никелевое покрытие	Кадмий (металл и хроматированное покрытые)
Медь и ее сплавы	+	—	—	+	+	—	+	0
Сталь	—	+	—	—	—	—	—	—
Алюминий и его сплавы	—	—	+	0	0	+	—	+
Сталь нержавеющая	+	—	0	+	+	—	+	—
Олово и припои марки ПОС	+	—	0	+	+	0	+	0
Цинк (металл и хроматированное покрытые)	—	—	+	—	0	+	—	+
Никель и никелевое покрытие	+	—	—	+	+	—	+	—

«+» — совместимые, «—» — не совместимые, «0» — нейтральные.

 

 

Размеры элементов антенны сведены в таблицу:

Размер [мм]	Диапазон (Band) [МГц]
	800	900	1800	2100	2400	2600
X0 / L0	16 / 16	13 / 13	7 / 7	6 / 6	5 / 5	5 / 5
X1 / L1	18 / 17.5	16 / 15.5	9 / 8.5	8 / 7.5	7 / 6.5	7 / 6.5
X2 / L2	89 / 70.5	78 / 61.5	41 / 31.5	35 / 26.5	31 / 23.5	29 / 21.5
X3 / L3	165 / 75.5	145 / 66.5	77 / 35.5	66 / 30.5	58 / 26.5	54 / 24.5
X4 / L4	240 / 74.5	211 / 65.5	111 / 33.5	96 / 29.5	84 / 25.5	79 / 24.5
X5 / L5	320 / 79.5	282 / 70.5	149 / 37.5	129 / 32.5	112 / 27.5	105 / 25.5
X6 / L6	395 / 74.5	348 / 65.5	185 / 35.5	160 / 30.5	139 / 26.5	130 / 24.5
Dr (Rr)	312 (156)	270 (135)	145 (72.5)	126 (63)	109 (54.5)	102 (51)
D0 (R0)	198 (99)	176 (88)	91 (45.5)	79 (39.5)	69 (34.5)	64 (32)
D1 (R1)	171 (85.5)	151 (75.5)	80 (40)	69 (34.5)	60 (30)	56 (28)
D2 (R2)	123 (61.5)	108 (54)	57 (28.5)	49 (24.5)	43 (21.5)	40 (20)
D3 (R3)	123 (61.5)	108 (54)	57 (28.5)	49 (24.5)	43 (21.5)	40 (20)
D4 (R4)	120 (60)	106 (53)	55 (27.5)	47 (23.5)	42 (21)	39 (19.5)
D5 (R5)	120 (60)	106 (53)	55 (27.5)	47 (23.5)	42 (21)	39 (19.5)
D6 (R6)	117 (58.5)	104 (52)	54 (27)	46 (23)	41 (20.5)	38 (19)
S	35	31	17.5	14.5	13.5	12
A	16	14	10	8	8	8
Длина шпильки	460	410	240	215	195	180
Шаблон			PDF		PDF	PDF

где: Rx — радиус соответствующего диска (мм); Lx — длина втулки между соответствующими дисками (мм).

Почему мы предлагаем антенну на 75 Ом когда входное сопротивление модемов/роутеров 50 Ом? Раз уж вам понадобилась внешняя эффективная антенна, то вероятнее всего она будет размещена на высоте не менее 5 м. При этом затухание в чаще всего используемом кабеле на 50 Ом — RG-58 составит более 4 дБ. При 10 метрах фидера затухание будет уже 8 дБ. И что останется от 12 дБ усиления антенны? Избежать этой проблемы позволяет использование толстого кабеля 50 Ом. Но такие кабели весьма и весьма дорогие. По этой причине многие специалисты предлагают использование обычного «телевизионного» недорого фидера RG-6 с 75-омной антенной. Рассогласование по входу с 50-омным роутером в таком случае повысит общий КСВ системы до двух. Это вполне приемлемая величина и потери от этого будут на порядок меньше, чем применение тонкого RG-58. Подробнее о подключении 75-омной сборки к 50-омному оборудованию можно прочитать здесь.

Не будем говорить, что представленная в этой статье 8-дисковая пушка самая крутая. Это просто один из бесконечных вариантов данной антенны, не лучший, но и вовсе не худший. Выбор на него пал, потому что это один из вариантов с максимально возможным количеством дисков и, соответственно усилением, который можно собрать без настройки по приборам. Диаграмма направленности антенны примерно одинаковая во всех рабочих диапазонах:

Несмотря на наличие круглых элементов, поляризация у антенны линейная. Ось поляризации проходит через центр круга и центр коннектора. Таким образом, если мы разместим антенну так, что коннектор будет находиться на вертикальной оси, проходящей через центр антенны (вверху или внизу — без разницы), то антенна будет иметь вертикальную поляризацию. Если повернуть антенну вокруг оси на 90° так, что коннектор окажется сбоку от центра (справа/слева — без разницы), то поляризация антенны станет горизонтальной. Имейте это ввиду. На частотах 4G антенну можно использовать как MIMO, для этого достаточно подключить второй вход к активному диску под 90° к первому и на одинаковом расстоянии s от края диска (Как показано на рисунке). Те, кто прочитал статью о технологии MIMO, знают, что нам нужно иметь модем с двумя входами и две отдельных антенны с ортогональной Х-поляризацией. В случае круглого патча мы можем объединить эти две антенны в одной. Это позволяет существенно уменьшить расходы на «железо», что является большим преимуществом данной антенны. Хочу особо обратить внимание, что не нужно делать никакой гальванической изоляции между рефлектором и активным диском, а также между входами MIMO. При двух MIMO входах развязка между ними, при ортогонально поляризованных каналах, составляет около 18-20 дБ. При одном входе вообще нет внятной причины делать изоляцию между дисками. Более того, такая изоляция может привести к выходу модема из строя по причине атмосферной статики. В конце концов нужно понимать, что короткое замыкание, измеренное по тестеру, в тоже самое время на СВЧ может оказаться бесконечным сопротивлением, т.е. как раз той самой изоляцией.

Необходимо обратить внимание на точку подключения фидера к антенне. На рисунке ниже изображен монтаж коннектора на фронтальной стороне рефлектора. Характеристики антенны очень существенно зависят от исполнения этого узла, в том числе от диаметра штыря и формы выступающей части диэлектрика у некоторых разъемов. Поменяли на разъем другой конструкции — характеристики уплывут. Нужно пересчитывать и настраивать под конкретный разъем. Например, даже дорогие N-коннекторы имеют несколько разных модификаций. Этот момент совершенно не учитывается всевозможными профессиональными радистами на ютрубе. Самодельщикам же можно и нужно подключаться непосредственно коаксиальным кабелем. На это и рассчитана наша 8-дисковая пушка. При этом рекомендуется продлить экранирующую оплетку выше рефлектора на высоту около (0.5..0.75)*X0. Это уменьшает паразитную индуктивность центрального штыря и улучшает характеристики антенны.

Выше можно видеть как правильно подключается коаксиальный кабель к «пушке». Применение переделанных F-коннекторов, как у Креосана, не только допустимо, но и рекомендуется. Только желательно продлить экранирующую оплетку как показано выше.

Конструктивные схемы антенны «пушка Креосан» 6 дисков

 

Конструктивная схема антенны «пушка Креосан» 20 дисков MIMO UMTS-2100 (3G)

Коэффициент усиления данной антенны 12.9-14.0 dBi. Подробную информацию об этой конструкции можно найти на https://ypylypenko.livejournal.com/74215.html

Скачать шаблон дисков для 20-ти дисковых антенн типа «пушка Креосан» на 2100ГГц (3G). Длина шпильки — 450 мм.

 

 

 

Подготовлено по материалом статей:

• https://3g-aerial.biz/wi-fi-3g-4g-pushka-analiz-i-raschet
• https://sdelaysam-svoimirukami.ru/4835-3g-4g-antenna-s-radiusom-dejstvija-bolee-30-km.html
• https://ypylypenko.livejournal.com/

Дополнительная информация по антеннам

• https://habr.com/ru/articles/373107/

 

Антенны, собранные по материалам статьи выше