Виготовлення спіральної антени для бездротових мереж діапазону 2.4 ГГц

Спіральну антену, яку наприкінці 40-их винайшов Джон Краус (John Kraus, W8JK), можна назвати  найпростішою реалізацією Wi-Fi антени, яку собі можна уявити. Особливо це стосується частот в діапазоні 2-5 ГГц. Ця конструкція саморобної антени дуже проста, практична і при цьому надійна. Ця стаття описує, як самостійно зробити спіральну антену для частот в районі 2.4 ГГц яка може бути використана, наприклад, для високошвидкісних радіочастотних (S5-psk, 1.288 Мбіт/сек), 2.4 Ггц безпродротових мереж і любительських супутникових (Ao40). Розвиток устаткування бездротових мереж дозволяє легко отримати високошвидкісний радіодоступ з використанням стандарту IEEE 802.11b (Wi-Fi).

Короткий  огляд теорії

Спіральна Wi-Fi антена може бути описана як пружина з кількістю витків N з відбивачем. Коло (C) витка складає приблизно довжину хвилі (L), а дистанція (d) між витками складає приблизно 0.25c. Розмір відбивача (R) складає C або L і може мати форму круга або квадрата. Конструкція випромінюючого елементу викликає кругову поляризацію (КП), яка може бути як право-, так і лівобічною (П і Л відповідно), залежно від того, як намотана спіраль. Для того, щоб передати максимум енергії, обидві сторони з’єднання повинні мати однакову спрямованість поляризації, крім випадків, коли використовується пасивний відбивач радіохвиль на шляху передачі сигналу.

Посилення (G) антени щодо ізотропії (dbi) може бути розраховане за наступною формулою:

G = 11.8 + 10 * log {(C/l)^2 * N * d} dbi (1)

Згідно  з висновками Др. Даррела Емерсона (Dr. Darrel Emerson, Aa7fv) з Національної Радіоастрономічної Обсерваторії, результат обчислення за формулою [1], також відомою як формула Крауса (Kraus formula), 4-5 Db надто  оптимістичний. Др. Ріж Крос (Dr. Ray Cross, Wk0o) проаналізував результати дослідження Емерсона в програмі аналізу антен ASAP.

Характеристика  повного опору (імпендансу) (Z) отриманого лінією передачі, емпірично описується формулою:

Z = 140 * (C/l) Ohm                                    (2)ґґ

Реалізація  для частоти 2.43 Ггц (aka S-band, ISM band, 13 cm amateur band)

L = (0.3/2.43) = 0.1234567 m  (12.34 cm)           (3)

Діаметр витка (D) = (l/pi) = 39.3 mm         (4)

Стандартна  каналізаційна пластикова труба  із зовнішнім діаметром 40 мм є ідеальною основою для виготовлення саморобної Wi-Fi антени, до того ж, вона доступна в магазинах “Зроби сам” або у будь-якого сантехніка Спіраль може бути намотана зі стандартного мідного дроту, який застосовується в домашньому господарстві для мережі 220 В змінного струму. Цей дріт має кольорову полівінілхлоридову ізоляцію і мідне осердя діаметром 1.5 мм. Обмотка дротом труби дасть результуючий діаметр D = 42 мм завдяки товщині ізоляції.

D = 42 mm, C = 42*pi = 132 mm (which is 1.07 l)    (5)

d = 0.25c = 0.25*132 = 33 mm                       (6)

Для дистанцій  від 100 м до 2.5 км. в межах прямої видимості, 12 витків (N = 12) цілком достатньо. Отже, довжина труби буде близько 40 см (3.24 l). Обмотайте дріт навколо  труби і приклейте його полівінілхлоридним або будь-яким іншим клеєм, який містить тетрагідрофуран (THF). Це дозволить ущільнити намотування, як це можна побачити на малюнку 1 нижче.

Малюнок 1. Використані матеріали з розмірами.

Опір  Wi-Fi антени:

Z = 140 * (C/l) = 140*{(42*pi)/123.4}= 150 Ом      (7)

вимагає відповідності мережі для використання стандартного 50 Ом UHF/SHF коаксіалу і коннекторів.

Зазвичай  використовується заглушка в 1/4 хвилі  з опором (Zs)

Zs = sqrt(Z1*z2)= sqrt(50*150)= 87 Ом               (8)

Завдяки спіральній конструкції це відповідає 1/4 витка. Проте, з погляду механіки, враховуючи те, що необхідно потурбуватися про водонепроникність, якщо антена буде використовуватись на відкритому повітрі, є більш прийнятні методи досягнення спіралі опору 50 Ом. Першою думкою було емпірично збільшити d для першого і другого витка і досягнути потрібного значення методом проб і помилок, вимірюючи результат за допомогою спрямованого блоку сполучення і генератора сигналу. Після пошуків в Інтернеті ми знайшли спіралі, які узгоджувалися в такий спосіб, але також несподівано знайшли сторінку Джейсона Хеккера (Jason Hecker). Він знайшов елегантне вирішення узгодження, використовуючи мідну лопатку відповідно до ARRL Handbook. Отже всі похвали на адресу - ARRL і Джейсону, для антени були використані його розміри. Чесно кажучи, ця сторінка практично дублюю його сторінку, за винятком того, що спіраль намотана в протилежному напрямку).

Малюнки 2a і 2b. Ідея, розміри і монтаж вирівнювача. Гіпотенуза трикутника повинна бути продовженням дроту.

Тепер необхідно припаяти вирівнювач до спіралі, приклеїти їх і приготуватися до з’єднання з ковпачком, як показано на Мал. 3.

Малюнок 3. Майже закінчена спіральна антена.

Готово! (Мал. 4)

Малюнок 4. Закінчена 12-тивиткова 2.4 ГГц спіральна антена, G = 17.5 dbi або 13.4 dbi (відповідно за Краусом або Емерсоном).

Характеристики  антени були заміряні. Результати - на Мал. 5a і 5b:

Малюнок 5a. Втрати на віддзеркаленні (db) від 2300 до 2500 Мгц

Малюнок 5b. Діаграма Сміта 2300-2500 Мгц

Малюнок 6a. Установка для вимірювання

Малюнок 6b. “Спіральна антена за годину” і аналізатор Rohde & Schwarz

І нарешті, спіральна антена у дії.

Малюнок 7a. Випромінює на мій LAP (Local Access Point

Малюнок 7b. Вигляд знизу