Записки программиста

В ISM диапазоне 2.4-2.5 ГГц работает множество беспроводных протоколов, не исключая всем известных Wi-Fi и Bluetooth. Закономерным образом встает вопрос об изготовлении антенн на эти частоты. Направленные антенны представляют особый интерес, поскольку позволяют повысить дальность связи и определить направление к источнику сигнала. Среди таких антенн заслуживает внимания спиральная антенна. Она эффективна и проста в изготовлении.

Так как я не эксперт по антеннам, то воздержусь от пересказа теории. Теорию лучше всего черпать из специализированных книг. Например, из известной книги Антенны КВ и УКВ за авторством Игоря Гончаренко, DL2KQ. Глава, посвященная спиральным антеннам, доступна онлайн на сайте Игоря.

Из книги мы узнаем, что антенна представляет собой спираль, которая крепится к рефлектору круглой или квадратной формы. Также приводится вся необходимая информация для расчета диаметра спирали, ее шага, и так далее. Будет уместно отметить, что существует и несколько онлайн-калькуляторов спиральных антенн, например, первый и второй. Онлайн-калькуляторы я без острой необходимости предпочитаю не использовать. В масштабах 10+ лет они обычно куда-то исчезают, да и к используемым методам расчета имеются вопросы.

Спираль удобно мотать на каком-то каркасе. Я воспользовался моделью каркаса, разработанной @sgcderek. Модель предназначена для печати на 3D-принтере. Она создана в OpenSCAD и является полностью параметрической. А еще в ней можно прописать формулы прямо из «Антенн КВ и УКВ». В частности, графики усиления и оптимального диаметра спирали аппроксимируются формулами:

Таким образом, получаем модель каркаса со встроенным калькулятором. Осталось только проверить, что калькулятор считает правильно. В качестве эксперимента рассчитаем с его помощью спиральную антенну на 2450 МГц из пяти витков.

Отладочный вывод OpenSCAD:

В моем исполнении антенна получилась такой:

У меня в запасах нашелся алюминиевый лист 150x150x2 мм. Он был использован в качестве рефлектора, целиком. Просто было лень обрезать. Судя по соседней статье Игоря, небольшое отклонение от расчетов здесь не критично. Также в запасах я нашел разъем Type-N.

Каркас напечатан из PETG. Это не самый подходящий материал для задачи. Он гигроскопичен, а вода прекрасно поглощает энергию радиоволн на 2.4 ГГц. В этом легко убедиться, разогрев стакан воды в микроволновой печи. Более удачным выбором является полипропилен. Но напечатать каркас требуемой формы из полипропилена оказалось не так-то просто. Модель разрывает усадкой. Данную проблему решают композитные материалы. Однако стеклонаполненного полипропилена у меня не нашлось.

Спираль намотана медной проволокой диаметром 2.5 мм. Надеть ее на каркас будет существенно проще, если предварительно намотать катушку виток в витку на цилиндре подходящего диаметра, а затем эту катушку растянуть.

Ожидаемое входное сопротивление антенны составляет 140 Ом. Спрашивается, как же они согласуются с 50 Ом? Для решения проблемы часть первого витка спирали идет параллельно рефлектору. Длина параллельной части определяется в коде переменной Parallel_turn.

Идея, как я ее понимаю, состоит в следующем. Провод диаметром D, идущий на высоте H над проводящей землей, представляет собой однопроводную линию передачи. Волновое сопротивление линии для воздушного диэлектрика:

В «Антеннах КВ и УКВ» формула приводится в разделе «3.2.2. Основные типы линий передач». В нашем исполнении линия имеет коэффициент укорочения около единицы. При длине линии 30 мм на частоте 2450 МГц она представляет собой λ/4 трансформатор. При H = D получаем Z = 83. Таким образом, линия преобразует входное сопротивление антенны:

… примерно в 50 Ом. По крайней мере, на бумаге.

Для измерения антенны я воспользовался ARINST VNA-PR1. Измерять следует через короткий коаксиальный кабель с низкими потерями. Со стороны антенны надеваем на кабель ферритовую защелку. В обязательном порядке выполняем OSL калибровку.

Была получена следующая диаграмма:

Согласование работает в точности как и задумано.

Для оценки усиления, диаграммы направленности и поляризации антенны были использованы HackRF, генератор MAX2870 и QSpectrumAnalyzer. Расстояние от передатчика до антенны должно быть во много раз больше физических размеров антенны. Иначе получится ерунда, я проверял.

Антенна имеет круговую поляризацию, и как будто бы даже не перекошенную (не эллиптическую). Обладает ярко выраженной направленностью. При приеме сигнала на «эталонный» диполь видим уровень -32 dB. При приеме его же на спиральную антенну получаем -26 dB. Отсюда усиление составляет 6 dBd или 8.15 dBi. К ним нужно прибавить 3 dB для учета поляризационных потерь. Итого, измеренное усиление антенны составило ~11.2 dBi, при расчетных 12.6 dBi.

Само собой разумеется, с тем же успехом можно сделать спиральную антенну на 1090 МГц, 1545 МГц, или любую другую частоту. Если увеличить количество витков, то антенна будет обладать большим усилением. Так, антенна из 25 витков имеет расчетное усиление 17 dBi.

Метки: Антенны, Беспроводная связь.