Wifi облучатель спутниковой тарелки

Универсальный 3G/4G/Wi-Fi MIMO облучатель для спутниковой тарелки — WBME

Довольно часто в погоне за интернетом в деревне возникает необходимость в антенне с высоким коэффициентом усиления, 20 dBi и выше. Практически единственным вариантом такой антенны для изготовления DIY-шнику своими руками в домашних условиях остается использование зеркальной спутниковой антенны. Нужно только стандартную головку Ku-диапазона спутникового телевидения заменить на свой облучатель. В этой статье вашему вниманию предлагается простой в изготовлении, но весьма эффективный широкополосный универсальный 3G/4G/Wi-Fi MIMO облучатель WBME для бытовой спутниковой тарелки на частоты 1700..2700 МГц…

Сразу возникает вопрос. Можно ли в качестве облучателя применить любую подходящую антенну, желательно по мощнее, например «Сдвоенный квадроэллипс»? Ответ — нет. Облучатель — это не отдельная антенна, которая просто «суммируется» с тарелкой. Они работают как единое целое и параметры облучателя зависят от параметров тарелки. Критерии выбора облучателя следующие:

Облучатель должен по возможности равномерно осветить всю поверхность тарелки или, другими словами, иметь вполне определенную ширину главного лепестка диаграммы направленности. А поскольку коэффициент усиления любой антенны связан с шириной ее главного лепестка, оптимальная величина усиления облучателя также вполне определена. Зависит она от отношения фокусного расстояния зеркала к его диаметру (f / D). Если мы возьмем облучатель с усилением выше оптимального, он будет узким лучом освещать только центр тарелки, а края ее окажутся в тени. Если меньше, то своим широким лепестком он будет светить за края тарелки. В обоих случаях эффективность всей параболической антенны (тарелка + облучатель) будет уменьшаться.
Форма главного лепестка диаграммы направленности облучателя как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскости должна быть примерно одинакова . Таким образом любая секторальная антенна не пригодна в качестве облучателя. Она будет освещать только узкую полосу на тарелке, а большая ее часть окажется в тени.
Облучатель должен иметь как можно меньший уровень заднего и боковых лепестков , поскольку они существенно ухудшают параметры параболической антенны.
Необходимо учитывать влияние зеркала и облучателя друг на друга . Волна от зеркала проходит через облучатель и меняет его входной импеданс. В результате КСВ антенны меняется. Сам облучатель тоже затеняет зеркало. Для уменьшения этих эффектов применяют офсетное расположение облучателя.
В офсетке мы не просто взяли и сдвинули облучатель куда-то в сторону. Сама тарелка офсетки является вырезом с боковой поверхности большого параболического виртуального отражателя , а облучатель остается в его фокусе. Это налагает дополнительные сложности в расчетах.
Фазовый центр облучателя должен быть точечным, а не размазанным в пространстве и помещаться в фокусе тарелки . Подробнее об этом ниже.

Как видим, проектирование облучателя для произвольно взятого зеркала (например самодельного) — задача совсем не простая. Но нам в помощь тот факт, что тарелки для спутникового телевидения стандартизированы (f / D = 0,5..0,6), иначе пришлось бы использовать для них не стандартные Ku-головки, а для каждой тарелки подбирать отдельную. Оптимальное усиление облучателя для такой тарелки около 9,5dBi. Облучатель WBME как нельзя лучше подходит для использования с такой бытовой спутниковой тарелкой.

WBME — Wide Band Magneto-Electric dipole — предложен двумя китайским учеными — Kwai-Man Luk из Гонконгского университета и Mingjian Li из Висконсинского университета в Мадисоне (США) в 2012-2015 годах. Его можно представить как суперпозицию двух элементарных излучателей. Первый излучатель представляет из себя полуволновый вибратор, который эквивалентен элементарному электрическому диполю . Второй излучатель — короткозамкнутый четвертьволновый патч, излучающая щель которого эквивалентна элементарному магнитному диполю. Вместе патч и полуволновой вибратор составляют магнитно-электрический вибратор , который, в свою очередь, эквивалентен хорошо известному в теории элементу Гюйгенса с диаграммой направленности в форме кардиодиды.Обратим внимание читателя, что понятия «магнитный диполь», «электрический диполь», «элемент Гюйгенса» — это виртуальные математические абстракции из электродинамики и теории антенн. «Полуволновой вибратор», «короткозамкнутый четвертьволновый патч», «магнитно-электрический вибратор» — реальные антенны, которые можно пощупать руками. Отметим, что абстрактный элементарный электрический диполь и реальный вибратор — это две совершенно разные сущности. Однако в англоязычной литературе они обозначаются одним словом — dipole. Это легко может привести к путанице понятий. По сути абстракции призваны упростить расчеты и понимание физики явлений, но для практика, привыкшего работать с реальным железом, абстракции воспринимаются довольно туго. А тут еще и с реальными антеннами называются одним словом! Тут и до каши в голове недалеко. Имейте это ввиду.

Перейдем теперь непосредственно к железу. Наш MIMO облучатель состоит из двух ортогонально вложенных друг в друга магнитно-электрических вибраторов с общим рефлектором в виде короба. Каждый вибратор возбуждается с помощью П-образного зонда, который по совместительству является балуном-симметризатором. Короб-рефлектор имеет размеры 116х116х36 мм. Внутри него на стойках из алюминиевого профиля 15х15 мм высотой 34.5 мм закреплены крылья вибраторов 28х28 мм из алюминия толщиной 0.5 мм. В щели шириной 7 мм между стойками расположены П-образные возбуждающие зонды из медной ленты шириной 5 мм одним концом припаянные к центральному проводнику разъема питания (их два для MIMO — «порт1» и «порт2»). Зонды не должны иметь контакта между собой. Толщина полосок зондов не критична — 0,3..0,7 мм. Проведя от углов короба диагонали, мы найдем центр рефлектора антенны, от которого следует плясать, делая разметку.

Облучатель, предлагаемый в этой статье, рассчитал yurik82 под стандартные материалы, которые можно купить в любом строительном супермаркете. Характеристики облучателя и параболической антенны — офсетки диаметром 0,9 м с этим облучателем можно посмотреть на изображениях ниже (кликните на изображение для увеличения):


Входной импеданс	КСВ	Усиление

Подавление заднего лепестка [dB]	Диаграмма направленности	Связь между MIMO портами [dB]

Диаграмма направленности зеркало + облучатель	Усиление зеркало + облучатель	Коэффициент использования зеркала [%]

КСВ в пределах рабочего диапазона не более 1.7 как при 75-омной, так и при 50-омной нагрузке. Поэтому антенну резонно использовать с более дешевым 75-омным фидером. Усиление 8-10 dBi. Ширина главного лепестка по уровню 6 дБ около 60°. Отношение излучения вперед/назад не хуже 26 дБ. Развязка между MIMO портами не хуже 36 дБ. При использовании совместно с зеркалом диаметром 0.9 м общее усиление параболической антенны достигает 21..24,5 dBi при коэффициенте использования поверхности зеркала не хуже 40%.

Облучатель должен быть помещен в фокус тарелки, там где стояла головка Ku конвертера. Но, поскольку облучатель не маленький, возникает вопрос. Что конкретно поместить в фокус, ведь облучатель довольно объемный объект? Обычно этому вопросу не придается должное значение, а от этого во многом зависит эффективность параболической антенны. В фокус тарелки должен быть помещен фазовый центр облучателя. Если мы в пределах главного лепестка диаграммы направленности облучателя выберем фронт волны с одинаковой фазой, то он будет представлять из себя сегмент от виртуальной сферы. Центр этой сферы и будет фазовым центром антенны. Она как бы светит из этой точки. В широкополосной антенне фазовый центр не постоянен. Меняется частота — меняется длина волны, меняется положение фазового центра. Ниже на графике приведено рассчитанное положение фазового центра облучателя в зависимости от частоты, расстояние рассчитывается от вышеупомянутого центра рефлектора по оси вектора излучения:Как видим, фазовый центр лежит в плоскости поверхности патчей-вибраторов на частоте около 2160 МГц. На более высоких частотах он лежит ближе к рефлектору облучателя, на более низких — дальше. При использовании антенны в широкодиапазонном варианте допускается выбор фазового центра для одного из диапазонов. Тогда в остальных диапазонах коэффициент использования зеркала будет несколько меньше оптимального. В широкополосном варианте с тарелкой 0,9 м выбрано оптимальное среднее значение 40 мм. В конструкции крепления облучателя следует предусмотреть возможность перемещения его вдоль оси для точной установки фазового центра в фокус и вращения вокруг оси для подстройки поляризации.

Подводя итоги подчеркнем достоинства данной конструкции:

Конструкция отвечает всем критериям выбора облучателя для офсетки, которые мы перечислили в начале статьи.
Конструкция является широкополосной и универсальной для любого СВЧ диапазона передачи данных, как 3G/4G, так и Wi-Fi.
В силу своей широкополосности конструкция имеет высокую повторяемость и при аккуратном изготовлении не требует подстройки.
Для изготовления антенны используются доступные и недорогие материалы.

Из недостатков следует отметить отсутствие контура короткого замыкания по постоянному току по входу антенны, но поскольку П-зонд возбуждения надежно укрыт от внешней среды внутри заземленной системы диполей, а короб закрыт пластиковой крышкой, то накопление на нем заряда практически исключено и антенна не нуждается в дополнительной защите от статики.

В заключении отметим, что широкополосные антенны на основе WBME вибратора предлагаются как перспективные конструкции для сетей 5G, в которых каналы передачи данных работают одновременно в разных диапазонах.

A Wideband Magneto-Electric Dipole Antenna — Lei Ge and Kwai Man Luk, 2012.
Wideband Magnetoelectric Dipole Antennas With Dual Polarization and Circular Polarization — Mingjian Li and K.M. Luk 2015.
Простой 3G /4G излучатель MIMO — Обсуждение этой конструкции на Lan23.
WBME 1700-2700 MIMO 2×2 (50 or 75 Ohm) — расчет модели WBME облучателя в HFSS, лежит в основе этой статьи.
Фазовый центр антенны (ФЦА) и его поиск в Ansys HFSS — Habr.
Probe-fed Dipole over Ground 1700-2700 MHz UWB — упрощенный (не MIMO) облучатель WBME.
Конструкции облучателей параболических антенн — теория от DL2KQ
Теория щелевых антенн — теория от DL2KQ. Попытка избавиться от абстрактных понятий «магнитный диполь» и «магнитный ток». По-моему, для людей далеких от теории только усложняет понимание, поэтому для начала лучше все же пользуйтесь классическими учебниками.
Не выбрасывай старую Спутниковую Тарелку! ? Сделай Сверх-Мощный усилитель 4g, 3g и Wi-Fi — видео Youtube от Креосана. Все правильно сказал, за исключением того, что тарелка и облучатель суммируются с «двойным усилением».
Калькулятор усиления параболической антенны при коэффициенте использования поверхности зеркала 55%.

Источник