Как соединить две антенны?
Если вместо одной использовать две соединенные в стек антенны, то мы получим удвоение мощности сигнала на входе. Правда, не стоит забывать, что в «децибельном» выражении это удвоение означает прирост всего на +3dB. Поэтому, в случае слабого сигнала от базы, вместо применения стека, возможно стоит задуматься о выборе более эффективной антенны, например зеркальной. Кроме того, многие попадают на эту страницу в поисках ответа на вопрос: «как просуммировать сигнал от двух телевизионных антенн на разные каналы?» Этого не нужно делать, нужно выбрать эффективную широкополосную антенну для DVB-T2, чему у нас на сайте посвящен целый раздел. Однако антенные решетки из двух-четырех антенн довольно часто применяются, поэтому не будем уходить от вопроса: как же все-таки соединить несколько антенн вместе? Давайте рассмотрим подробнее.
Если уж возник такой вопрос, то конечно же понятно, что просто запараллелить две антенны не получится. В лучшем случае мы получим половину от 50 Ом на входе фидера снижения, а в худшем — непредсказуемое комплексное сопротивление с реактивной составляющей. В любом случае согласование будет нарушено и КСВ запредельно возрастет. Поэтому нужно применять специальное устройство сложения под названием сплиттер. Как оно работает?
- Во-первых, каждая антенна должна «видеть» у себя на фидере согласованную нагрузку, например 50 Ом.
- Во-вторых, сигналы от антенн должны складываться синфазно.
- В третьих, модем или другое ваше устройство, к которому подключена антенная решетка, должен «видеть», что он нагружен на 50 Ом.
Простейший сплиттер, удовлетворяющий всем трем условиям, представляет из себя звезду из N+1 сопротивлений, где N — число ответвлений. В случае сплиттера 1-вход на 2-выхода, величина сопротивления 16,7 Ом. Онлайн калькулятор такого сумматора находится здесь. Такой сплиттер очень широкополосен, но имеет один, и очень существенный недостаток: он вносит затухание в 3dB. Поэтому применение его не имеет смысла , т.к. мы полностью теряем в сплиттере весь прирост сигнала от второй антенны. Если вы решили не заморачиваться проблемой и купить на радиорынке или заказать в Китае готовый широкополосный сплиттер, по типу того, что изображен в начале статьи, то скорее всего вы попадете на резистивный сумматор. Если заглянем внутрь такого сумматора, то мы в этом убедимся. В данном случае звезда заменена на эквивалентный треугольник сопротивлений.
Избежать потерь позволяет другая, резонансная схема сплиттера, которая носит название Y-разветвитель или мост Вилькинсона (онлайн калькулятор со схемой). Такой сумматор имеет полосу пропускания 10-15% от центральной частоты и потери не более 1dB. На сантиметровых волнах такой сплиттер выглядит примерно так:
Можем ли мы изготовить такой сплиттер своими руками? Конечно можем. Если заменим спиральную линию на эквивалентные четвертьволновые отрезки коаксиального кабеля. Тогда схема такого сумматора будет выглядеть вот так:
Р1 — кабель снижения, Р2, Р3 — к антеннам. 71-омный кабель, без существенных ухудшений параметров сумматора, можно заменить на 75-омный. Онлайн калькулятор для расчета коаксиального Y-сумматора — здесь. Практическая конструкция выглядит примерно так:
На частотах до 800 МГц можно применять сплиттеры, основанные на ферритовых широкополосных трансформаторах.
Кроме мостовых схем согласования, которые мы рассмотрели, существуют схемы на четвертьволновых трансформаторах сопротивлений на линиях передачи из отрезков коаксиальных кабелей. Такой подход давно используется в телевизионном приеме. В основе лежит принцип, что для согласования двух сопротивлений Z1 и Z2 можно применить четвертьволновый отрезок кабеля с волновым сопротивлением Z0 = √ Z1·Z2 Вот примеры соединения двух и четырех антенн с помощью такого способа:
Длину четвертьволновых отрезков кабеля можно посчитать с помощью онлайн калькулятора у нас на сайте. Не забывайте, что длина волны в кабеле короче, чем в воздухе. Схемы довольно несложные, но на сантиметровых волнах четвертьволновые отрезки получаются очень короткие и сложные для монтажа. Торчащие центральные жилы не должны быть больше 1-2 мм, иначе паразитные индуктивности монтажа сведут все согласование на нет и сумматор не будет работать. Следует иметь ввиду, что длины ¼λ ¾λ и т.д. (нечетное число четвертей длины волны) — эквивалентны и трансформируют сопротивление одинаково. Однако при увеличении длины таким образом резко сужается полоса пропускания сумматора. Учитывая вышесказанное, такие сумматоры на коаксиальных линиях лучше применять на частотах ниже 800 МГц, а на 3G-4G и Wi-Fi лучшей конструкцией будет сплиттер на воздушной линии, который рассмотрим ниже по тексту.
Обойти сложности монтажа коаксиальных четвертьволновых линий можно, если сделать такую линию воздушной. Преимущество здесь в том, что волновое сопротивление согласующего четвертьволнового отрезка мы можем сделать любым необходимым, а не выбирать из стандартного набора — 50,75 Ом. Вот одна из популярных и зарекомендовавших себя на практике схем сплиттера на воздушной линии, которую можно применять на 3G и Wi-Fi:
Наружная квадратная трубка может быть алюминиевой, из оцинкованной жести, внутренняя — круглая, желательно латунная или медная, так как алюминий плохо поддается пайке. Размеры коаксиальной линии рассчитываются в бесплатной англоязычной программе AppCAD, которую можно скачать по следующей ссылке. 
Вместо программы можно воспользоваться онлайн калькулятором у нас нас сайте. В отличии от программы, в калькуляторе можно вычислить размер квадратного экрана по известному Z0 и диаметру внутренней трубки. Вот так выглядит место соединения коннекторов и коаксиальной линии:
Основной тудностью при изготовлении такого СВЧ сумматора своими руками является подбор по нужным диаметрам квадратной и круглой трубок. Можно упростить задачу заменив круглую трубку на металлическую полоску, как предложил W3RJW (см. ссылку ниже). Такую полоску всегда можно подрезать или подточить до нужного размера. Еще один плюс такой конструкции — наружную трубку можно сделать прямоугольной, а не обязательно квадратной. Онлайн расчет прямоугольной коаксиальной линии с центральным проводником в виде полоски тоже присутствует у нас на сайте. Как видим изготовление своими руками сумматора для двух или более антенн на высоких частотах представляет собой довольно непростую, но вполне разрешимую задачу. Нужно только соблюдать точность изготовления и условие синфазности сложения от двух антенн. Для этого антенны нужно располагать в одной плоскости, перпендикулярной падающей волне, а длины отрезков фидера от сплиттера до каждой из антенн должны совпадать с точностью до миллиметра.
Все вышесказанное относится к случаю суммирования сигнала от двух и более антенн, принятого от одного источника. В крайнем сучае таким образом можно объединять на один фидер две антенны, принимающие от разных источников, работающих в разных каналах, с разных направлений, но в одном частотном диапазоне. Если же у вас появится необходимость объединить в один фидер две антенны, работающие в разных диапазонах, то нужно применять другое устройство под названием диплексор. Это своего рода фильтр, отсекающий на рабочей частоте одну антенну от другой. Причем если сделать своими руками подобный диплексор/сумматор МВ/ДМВ еще можно попробовать, то собрать подобное устройство на СВЧ (например диплексор WiFi 2.4/5 ГГц), без настройки по дорогостоящим приборам — нереальная задача. Поэтому такие устройства достаточно дороги.
Ссылки с подробными фото конструкций: