Простая коллинеарная антенна для wifi 2.4 ГГц
Мы уже ранее рассматривали простую коллинеарную антенну Франклина. К её недостаткам можно отнести высокое входное сопротивление и гамма согласование, которое без анализатора произвести сложно.
Как на основе антенны Франклина сделать простую коллинеарную антенну, не нуждающуюся в сложном согласовании?
Для начала рассмотрим структуру полотна антенны. Делать будем для частоты 2412 МГц.
Для этой частоты длина волны составляет 124 мм, с учётом коэффициента укорочения для провода диаметром 2 мм можно считать 121-123 мм.
Само полотно имеет такую же структуру, как обычная антенна Франклина.
Размечаем на полотне отрезки по половине волны, 60-61 мм.
Полуволновые синфазные отрезки соединяются противофазными, выполненными в форме четвертьволновых шлейфов. Промежутки в шлейфах рекомендуется делать по 6 мм, чтобы исключить возникновение ёмкости между верхней и нижней половинами шлейфа.
Входное сопротивление такой антенны Франклина будет составлять где-то 140 Ом. Подключать кабель 50 Ом в точку максимума потенциала нельзя. Что делать?
Нужно укоротить отрезок на подключаемом конце до примерно 31-31,5 мм, т.е. четверти длины волны. И тогда мы подключаемся в точку максимума тока, как в обычной штыревой антенне.
Однако, при таком включении нам понадобится противовес. Его лучше всего выполнить в форме четвертьволнового стакана длиной 30-31 мм, надетого на кабель и припаянного сверху.
Под стакан рекомендуется подложить диэлектрик, чтобы защитить от короткого замыкания на кабель, если вдруг оплётка кабеля открыта.
Входное сопротивление такой согласованной коллинеарной антенны близко к 50 Омам.
Шлейфы, как уже говорилось в предыдущем ролике об антенне Франклина, можно загнуть кольцом. Так гораздо легче поместить антенну в корпус.
Последний полуволновый отрезок иногда требуется укоротить, не более чем на 10%, для компенсации емкостной составляющей сопротивления антенны и для более точной настройки рабочего диапазона. Но делать это лучше, разумеется, с анализатором.
Двухсекционная антенна даёт усиление в 5 с копейками dBi.
Трёхсекционная – более 7 dBi.
Четырёхсекционная – чуть больше 9 dBi.
С ростом количества отрезков сужается рабочая полоса антенны, диаграмма направленности становится более плоской, и сама антенна становится более чувствительна к погрешностям.
Более четырёх излучающих отрезков делать не советую. Антенна с количеством секций до 4 достаточно широкополосна, чтобы покрывать весь диапазон WiFi 2.4 ГГц. При этом легко повторяема.
Друзья, если ролик был полезен, поставьте лайк и напишите комментарий в поддержку канала. Предлагайте темы для новых видео. Подписывайтесь, смотрите другие ролики на канале. Изучайте материалы в описании.
Коллинеарная антенна
Вертикальная коллинеарная антенна является всенаправленной антенной с повышенным коэффициентом усиления. Она известна давно и за рубежом часто называется антенной Marconi-Franklin. Коллинеарная антенна представляет собой антенную решетку из синфазных полуволновых вибраторов с последовательным питанием вытянутых в одну линию, отсюда название — collinear.
Есть несколько способов сформировать такую антенную решетку. Один из них — с помощью четвертьволновых отрезков линий — классический вариант антенны Франклина. На его примере можно на пальцах понять как это оно получается. Справедливости ради необходимо отметить, что в классическом варианте рассматривается горизонтальная симметричная антенна, но мы упростим модель до уровня «чайника».
Допустим мы имеем вертикальный штырь с длиной кратной половине длины волны. Ток высокой частоты распределяется по ней так, что в соседних отрезках длиной λ/2 он течет в противофазе. Диаграмма направленности такого штыря будет состоять из множества лепестков под разными углами к горизонту. Тогда мы, оставляя отрезки с одой фазой тока, отрезки с противоположной фазой сворачиваем пополам, получая из них четвертьволновые отрезки двухпроводной длинной линии. Поверьте мне, ток высокой частоты, ничего не заметит. Он так и будет пробегать ту же длину. Иначе говоря общая электрическая длина штыря не изменилась. Однако, в излучении такой антенны принимают участие только линейные отрезки, поскольку двухпроводная линия не излучает, а эти отрезки у нас все синфазные и их излучение суммируется. Кроме того, четвертьволновый отрезок линии трансформирует короткое замыкание на одном своем конце в бесконечное сопротивление на другом и все линейные отрезки как бы видят себя изолированными друг от друга. В итоге такая коллинеарная антенна излучает под низким углом к горизонту и имеет коэффициент усиления больше чем у полуволнового диполя. Чем больше сегментов имеет антенна, тем выше ее усиление, но при этом сужается полоса пропускания. Не надо думать, что с удвоением числа сегментов усиление удваивается (+3dB), ведь питание у коллинеарной антенны последовательное и до последнего сегмента уже доходит мало энергии, она ушла на излучение предыдущими вибраторами.
На основе коллинеарной антенны создана довольно удачная конструкция антенны Амос. Есть еще хорошая конструкция проволочной антенны Франклина для Wi-Fi с удлиненными элементами как на рисунке в начале этой статьи. Здесь же, уважаемый аноним, мы рассмотрим популярный способ реализации коллинеарной антенны для Wi-Fi отрезками коаксиального кабеля, так называемую CoCo-антенну. Излучающие элементы в ней сделаны из отрезков λ/2 коаксиального кабеля и соединены между собой полуволновыми отрезками длинной линии из того же кабеля, которые не излучают. Способ не новый, был запатентован еще в 1962 году. Для реализации такой антенны надо брать кабель со сплошной полиэтиленовой внутренней изоляцией, поскольку она имеет более-менее стабильный коэффициент укорочения Ку = 0,66. При практической реализации антенны надо не забывать о согласовании с фидером (например — четвертьволновый стакан) и о компенсации концевой емкости. Вот конструкция такой антенны:
Последний четвертьволновый штырь «P» представляет собой отрезок коаксиального кабеля с которого снята внешняя изоляция и оплетка. Согласующий четвертьволновый стакан сделан из медной трубки с диаметром не менее трех диаметров коаксиального кабеля. Один конец такого стакана припаян к внешней стороне оплетки фидера, второй изолирован. Можно обойтись без пайки стакана с помощью конструкции на рисунке. Стакан в ней состоит из двух частей. В медном «наперстке» монтируется переходник F-F и на него плотно надевается медная трубка как продолжение стакана. Фидер подсоединяется к нему с помощью F-коннекторов. Белый — фидер снижения, черный — его продолжение внутри стакана. Теоретически это продолжение может иметь произвольную длину, но на практике точку подключения фидера к антенне следует делать как можно ближе к срезу стакана. Для дополнительного симметрирования на фидер снижения надевают три ВЧ ферритовых кольца на расстоянии примерно λ/2 от первого излучающего элемента. Они служат для внесения дополнительного затухания в паразитный ток во внешней стороне оплетки фидера, который просочился через стакан. Затухание вносится за счет потерь в феррите, поэтому здесь не следует искать какой то особый феррит. Подойдут амидоновские кольца из 43-го материала подходящего диаметра, например FT50-43.
Внешний вид антенны без стакана:
Как соединять элементы между собой (размеры выводов на чертеже конструкции):
Всю эту конструкцию для механической прочности необходимо упаковать в радиопрозрачную пластиковую трубку подходящего диаметра и тогда ваша самодельная антенна будет неотличима от фирменной.
Приведенный ниже калькулятор поможет рассчитать конструктивные размеры антенны
Конструктивный расчет коллинеарной антенны из коаксиального кабеля:
Необходимо отметить, что коллинеарная антенна весьма чувствительна к «кривым рукам» . Причем чем больше элементов, тем повторяемость антенны хуже. Это существенный недостаток для самодельных антенн. Иногда старый добрый Ground Plain может работать лучше неудачно выполненной коллинеарки.
Для владельцев смартфонов на операционной системе Андроид расчет антенны CoCo доступен в мобильном приложении Canennator. Вы можете скачать его нажав на кнопку ниже или по QR-коду.
Не забудьте оставить отзыв о приложении.
Простая проволочная коллинеарная антенна Wi-Fi
В этой статье мы рассмотрим конструкцию простой и эффективной проволочной коллинеарной всенаправленной антенны для Wi-Fi. Антенна предложена радиолюбителями Brian Oblivion и Capt.Kaboom и доработана австралийским инженером Martin Pot, который и является автором конструкции о которой пойдет речь. При наличии у радиолюбителя под рукой всех необходимых материалов и инструментов, изготовление ее займет совсем немного времени. Входное сопротивление антенны около 50 Ом, коэффициент усиления около 6 dBi.
Итак, для изготовления такой антенны нам понадобятся следующие материалы:
- Около 300 мм медной проволоки сечением 2.5 мм 2
- N-коннектор с приборным монтажом под гайку
- радиопрозрачная пластмассовая трубка 250 мм длиной и диаметром около 20 мм.
- 2 концевых колпачка на 20 мм трубку
Проволоку для антенны можно взять из обрезка электропроводки соответствующего сечения:
Вот так выглядит необходимый нам N-коннектор:
Трубку с концевыми колпачками можно взять такую:
Нашу проволоку нужно освободить от изоляции, согнуть определенным образом и припаять к N-коннектору. Размеры конструкции показаны на следующем схематичном изображении:А как изогнуть проволоку в петли и припаять к коннектору изображено здесь:
 | |
 |
Диаметр проволочных петель — 13 мм, но без существенных изменений в характеристиках антенны может изменяться от 10 до 16 мм. Вот еще одно изображение конструкции антенны:
В одном из колпачков проделываем отверстие и крепим к нему с помощью гайки N-коннектор:
И в конечном итоге, герметизировав антенну с помощью трубки и второго колпачка мы получаем готовую конструкцию:
Чтобы конструкция стала более понятной, добавим, уважаемый аноним, немного теории. Рассматривая с вами теоретические основы коллинеарной антенны, мы попутно рассмотрели ее практическую конструкцию из отрезков коаксиального кабеля. В случае с CoCo-коллинеаром, отдельные излучающие элементы разнесены в пространстве на расстояние λ/2 с помощью отрезков коаксиальной линии передачи. Коэффициент усиления такой антенны максимально возможный, поскольку апертуры соседних излучающих элементов не перекрываются. Чего нельзя сказать о классической проволочной антенне Франклина, в которой соседние излучающие элементы находятся вплотную друг к другу. В антенне Харченко за счет частичного перекрытия апертуры соседних рамок, мы также немного не добираем в коэффициенте усиления. Чтобы апертуры не перекрывались, можно немного разнести рамки в пространстве. В результате, мы приходим от антенны Харченко к антенне Quados.
В случае с классической проволочной коллинеаркой мы можем поступить таким же образом. Правда при этом нам не удастся воспользоваться неизлучающей линией передачи, как в случае Quados или CoCo, и удлинять приходится сам полуволновой вибратор. При этом на его концах появляются участки с противоположным током, однако итоговое усиление при этом все же растет вплоть до разноса вибраторов на расстояние λ/4 друг от друга. При этом вибратор удлиняется от λ/2 до 3λ/4. Поскольку длина вибраторов возросла, для сохранения общей электрической длины антенны длину провода шлейфа необходимо сократить с λ/2 до λ/3. Кроме того, шлейф можно свернуть в виде кольцевой петли. В итоге мы получаем очень простую и эффективную всенаправленную антенну с коэффициентом усиления около 6 dBi. Чтобы не усложнять конструкцию, автор антенны отказался от симметрирующего устройства в виде четвертьволнового стакана в месте подключения фидера. Для согласования антенны с фидером первый отрезок выбирается длиной λ/2, а последний отрезок делается короче для компенсации концевой емкости антенны. Увеличив число элементов до 6, мы можем поднять усиление примерно до 8 dBi:
В заключении отметим, что в конструкции можно применять любые подходящие коннекторы и защитные колпачки. Вот пример такой антенны с SMA коннектором:
- Home-brew Compact 6dBi Collinear Antenna — оригинальный текст от автора антенны (Martin Pot).
- CoCo антенна — теоретические основы коллинеарной антенны и практическая конструкция из коаксиального кабеля.