Лучшая всенаправленная антенна, круговая поляризация.
Домашние любительские антенны. Инструкции и диаграммы.
Обзор лучших спутниковых антенн и анализ мнений - показал, что в настоящее время, наиболее предпочтительным вариантом - является применение всенаправленной спутниковой антенны с круговой поляризацией ... И, лучшим выбором, из множества схем - могут стать варианты : ...
=#= QFH APT - четырехзаходная спиральная антенна ...
=#= Усечённая версия QFH APT Parasitic Lindenblad с наклонными вибраторами ...
=#= Коммерческая антенна EggBeater с отражающими противовесами и возможностью переключения RHCP / LHCP поляризаций ...
Все эти варианты являются последующими модификациями антенной системы перекрещенных диполей, под кодовым наименованием - турникет / turnstile ... Единственное принципиальное отличие между QFH, Lindenblad и EggBeater, так это - то, что на первых двух конструкциях (геометрически жестко привязанных к вращению сигнала в пространстве) - невозможно простым способом изменить RHCP / LHCP поляризацию принимаемого сигнала - так, как это технически просто и доступно реализовать для версии антенны EggBeater ... А, смена поляризации, может стать - категорически полезным функционалом и достоинством, определяющим выбор типа конструкции антенны ...
Коммерческая антенна EggBeater в среднем предлагается за $350 долларов / более 25000 рублей на русские деньги (весьма приличная сумма) ... Но, в ее конструкции - нет ничего сверхъестественного, чтобы это было нельзя повторить своими руками ... И, подобная документация для самостоятельного изготовления одной из лучших антенн для приёма спутников - была найдена в интернете ...
Часть 1. Расчеты и конструкция. Сложности.
... Антенна состоит из двух полноволновых петель, установленных под прямым углом друг к другу, затем соединённых вместе, сдвинутые по фазе на 90 градусов, над горизонтальным круглым отражателем или сборкой противовесов ... С этой конфигурацией - получается всенаправленная антенна с круговой поляризацией ... Изменение подключения фидера из одного контура к другой петле - эффективно изменит поляризацию между RHCP и LHCP ... Рефлектор - дает заметный выигрыш, как мы увидим позже ... Таким образом, эта конструкция, может быть особенно хороша для низкоорбитальных LEO спутников и ISS / МКС ... Фактически - это улучшенная конструкция антенны Турникет ... По горизонту, поляризация - линейная и горизонтальная ; с увеличением высоты она становится - более круговой, пропорционально увеличению угла приёма ...
Смена поляризации - не обязательна, но обеспечивает дополнительное преимущество, особенно в случае целенаправленного приема LHCP ... Ручной переключатель или реле изменяют полярность подключения кабеля в точках C и D ... Обычно, длительность инвертированных сигналов, часто оказывается - коротка ... Следует также знать, что поляризация некоторых спутников - окажется перевернутой, после их прохождения по своей траектории - через зенит, относительно приемной наземной станции радио мониторинга ...
Заземляющий отражатель обычно состоит из 8 противовесов, соединенных только в одной центральной точке, и обязательно закрытых алюминиевой решеткой (москитная сетка подойдёт идеально) ... Для чего нужна сетка отражатель, если коммерческая антенна - не имеет её ? ... Сетчатый отражатель, алюминиевый или медный диск, сглаживая и округляя - улучшают диаграмму направленности ... Балун или ферритовые сердечники на кабеле будут способствовать получению ещё более идеально сбалансированной картины поля ... Само собой, на время первичных испытаний - можно обойтись и без дополнительных улучшений, доустановив их - по мере приобретения / изготовления ...
Формулы расчётов длины излучателей ... Полоса пропускания антенны довольно широкая, и результаты - можно округлить ...
Расчёт длины петли : 30632,4 см / Fмгц = ... (Также, необходимо добавить +4% к ее первоначальной длине на УКВ и +10%
на УВЧ диапазоне - видимо для возможности регулировки укорачиванием, так как рабочая частота - понижается) ...
Расчёт фазирующей линии : 7498,08 см * коэффициент скорости VF / Fмгц = ... Длина фазирующей линии составляет 1 / 4 волны ... Кабель с импедансом 98 Ом ... VF = 0,86 ...
Расстояние от рефлектора до антенны
составляет 1/8 длины волны ...
Антенна EggBeater, фазовая линия, схема подключения, вариант 1.
Поскольку, сами авторы указывают, что в первой части руководства есть избыточные сложности - использую ее, как вводную информацию и надеюсь получить более лучшие результаты - из второй части ...
Часть 2. Пересмотрено. Новый простой способ сборки антенны EggBeater.
... В этом документе представлен новый, более простой способ создания антенны Eggbeater, и технически, более правильный - для достижения наилучшего результата ... Чтобы избежать дисбаланса в антенной системе - требуется фидерная линия, несущая равные и противоположные токи между двумя контурами ... Это даст - только параллельная двухпроводная линия питания ... Такой тип системы согласования, называемый фазовой линией, построить - просто ...
Расчёт длины витка кольца.
30000 / Fмгц = длина волны, см ...
145 МГц = 207 см, диаметр = 65,9 (66 см) ...
435 МГц = 69 см, диаметр = 21,9 (22 см) ...
Как и планировалось, петли колец изготовлены из того же коаксиального радиокабеля RG-58 50 Ом ... Концы внутренней жилы и внешней оплетки / экрана - спаяны между собой, а сами отрезки - продернуты внутри опорных пластиковых колец, что исключает их деформацию и ветровые сдвиги, а сам пластик труб, как показали дальнейшие испытания и тестирования - не оказывает значительного влияния на проходимость радиоволн ...
Расчёт длины фазовой линии.
Коэффициент скорости для RG-58 = 0,66 и является его обычным значением ...
(( 30000 / Fмгц ) / 4 ) * 0,66 = длина линии, см ...
145 МГц = 34,15 см ...
435 МГц = 11,38 см ...
Примечание : на мой взгляд, длина фазовой линии считается - без учёта длины выводов подключения ... То есть, это - то место коаксиального кабеля, где его проводники - идут фиксировано и параллельно (где сигнал - будет биться в фазовом канале, замедляя скорость своего прохождения) ... Длина выводов подключения - должна быть, по возможности - как можно короче ... К микрополосковым технологиям, это утверждение - не может и относится (там может играть роль, как вся длина печатной дорожки, так и только девяносто градусная змейка фазовых переходов / поворотов) ... Но, может быть - я ошибаюсь, и оплётка кабеля, это всего лишь - обычный экран фазового проводника фиксированной длины ...
Петли соединены друг с другом - линией, из двух параллельных отрезков коаксиального кабеля РГ-58, два отрезка длиной четверть волны ... Оплётки спаяны вместе на обоих концах ... При таком подключении полное сопротивление фазирующей линии составляет - 100 Ом ... Поскольку контуры соединены параллельно, импеданс в точках С - D и / или А - В равен 50 Ом ... К радиоприёмнику антенна подключается кабелем 50 Ом ...
Антенна EggBeater, фазовая линия, схема подключения, вариант 2.
VHF / УКВ, 144 МГц : 3 x 2643540002 Fair-Rite 25 - 300 MHz высокочастотный силовой ферритовый балун, импеданс 250 Ом @ 100 МГц, внутренний диаметр 6.35 mm, внешний диаметр 14.28 mm, длина 28.58 mm ...
UHF / ДМВ, 435 МГц : 3 x 2661540002 Fair-Rite 200 - 1000 MHz высокочастотный силовой ферритовый балун, импеданс 250 Ом @ 100 МГц, внутренний диаметр 6.35 mm, внешний диаметр 14.28 mm, длина 28.58 mm ...
Нужно предотвратить протекание тока по внешней оплетке кабеля, создающее разбалансировки и искривления диаграммы направленности ... Это может сделать балун, но с развитием новых технологий стало проще установить на кабель (как можно ближе к антенне) - три ферритовых цилиндра / гильзы ... Эффект будет - тот же самый : ферритовые втулки остановят любое излучение кабеля ... Однако, мощность передатчика - может быть ограничена нагревом ферритовых втулок ...
Расчёт размеров вибраторов / заземляющих противовесов.
Я нигде не нашел указания на длину противовесов, но визуально они примерно составляют λ / 4 ...
Количество противовесов = 8, соединение в общей точке, расстояние до антенны λ / 8 ...
(30000 / Fмгц) / 4 = длина заземляющих радиалов, см ... (30000 / Fмгц) / 8 = отступ заземления, см ...
145 МГц = 51,7 (52 см) ... Отступ = 25,86 - 26 см ...
435 МГц = 17,25 см ... Отступ = 8,62 - 9 см ...
λ / 200 - λ / 20 = поперечный диаметр вибратора, от 1 до 10 мм ... Довольно доступные медные трубки 8 мм - вполне подходят для диапазона 145 МГц, но чуть великоваты (0,3 - 3,45 мм) для 435 МГц ...
Противовесы ... Очень желательно сделать их съемными и соединять в одной точке ... Интересно, кружок из железной пластины - может являться этой единой точкой, или появятся блуждающие токи Фуко ? ))) ... Имеется ввиду : резьбовые шпильки на концах заземляющих вибраторов и общая втулка / или пластина с резьбовыми входами для быстрого монтажа всех отражателей - закрепленная на днище опорной стойки антенны ...
Часть 3. Механические доработки. Жесткость.
Как известно из описания к изготовлению витой спирали QFH APT - необязательно использовать медные трубки, достаточно спаять центральную жилу кабеля и оплётку, чтобы получить работоспособный вибратор ... Вопрос заключается в другом : как задать жёсткость кабелю ? ... Одно из примитивных и простых решений созрело практически сразу : изготовить направляющий обруч из PP-R полипропиленовой трубки, размером 20 х 2,8 мм, армированной стекловолокном ... Таким образом - будет задана предварительная жесткость антенны и можно обойтись широко распространенным радиокабелем, например - для первых экспериментов с ней ... Имейте в виду, что некоторые трубы из ПВХ имеют очень плохие диэлектрические характеристики в диапазоне ОВЧ или УВЧ, и антенна может никогда не войти в резонанс ...
Отсюда - ещё одно умозаключение : при необходимости - располовинить трубки поперёк, чтобы получились опорные желоба, удобные для укладки круговых диполей и с меньшим влиянием на их работоспособность ... Кстати, нижние места соединений трубчатых колец - так и так придётся модернизировать спиливанием части окружности, чтобы иметь доступ для подключения фазирующих линий и кабеля связи ... Для придания дополнительной жесткости : остатки сечений желобов труб (полукольцевой формы) - можно просверлить, сшить грубыми нитками и промазать клеем ...
Чтобы исключить толщину стенок пластиковых трубок, диаметр изгиба лучше взять на 10 мм меньше указанного для колец ... Нет, нет ... Это - неправильно ... Частично прогретая пластмассовая труба будет стремиться вернуться - в прямолинейное исходное состояние, то есть против усилия деформации ... Соответственно, ограничивающий упор будет логически правильно разместить - по внешней стороне окружности пластиковой трубки, чтобы удерживать её в заданном диаметре круга ... В качестве упора может выступать - металлическая упаковочная лента, дополнительно отцентрованная и укреплённая шурупами / саморезами в фанерное основание ... Таким образом, внешний радиус упорного ребра шаблона изгиба / лекала должен быть - на +10 мм, а диаметр - на +20 мм больше стандартного значения размеров круга петли (в зависимости от диапазона частоты приема МГц) ...
Шаблон лекало для изгиба пластиковых труб в кольцо.
Планирую использовать тепловой фен с насадкой, чтобы изнутри прогреть и размягчить пластмассовые трубы, чтобы затем изогнуть из по шаблону и остудить под напряжением ... Впоследствии, в них будет удобно проложить, как кабель, так и медные трубки ... Ещё одно условие : хотя бы противовесы антенны - должны быть разборные (для удобства хранения и транспортировки) ...
Однако, изгиб пластмассовой трубы - дело, весьма нетривиальное ... Требуется довольно высокая температура для отпуска пластика (рабочая T = 90 градусов Цельсия), и возможно следовало обратить внимание на полипропиленовую трубку для систем теплых полов, с Tмах = 50 гр. Ц. (и без пояса армирования) ... Особенно тяжело обрабатывать концы, вернее - лучше начинать с них, так как середина - более податливая и изгибается намного округлей ... Зато, остывшее кольцо - практически соответствует заданному размеру ... Может быть, имеет смысл - сначала гнуть кольцо на больший диаметр, а затем обрезать испорченные концы и догибать до нужного размера ... Ограничений в выборе технологий производства и изготовления - нет ...
Изготовление кольца в шаблоне нагревом и изгибом.
Я решил изготовить небольшой изогнутый вставыш, из железного прутка диаметром 10 мм, чтобы сначала сформировать концы трубки, а затем - использовать его, как - соединитель концов при форматировании кольца в форме ... Хотя, это решение - почти не сработало, как ожидалось, все же оно помогло - не расплющить концы колец, как это произошло при первой пробной попытке изготовления ...
Пробное кольцо с деформированными краями.
Далее - нужно сделать пазы, чтобы соединить кольца под углом 90 градусов и с частичным проникновением друг в друга ... Найти центр, легче всего - по отвесу, с помощью простой нитки и гайки ... На одном кольце - выбрать паз сверху, на другом - снизу, шириной 20 мм, по центру ... Нижние разрезы - оформить в виде конверта : вдоль - по диагоналям квадрата, и поперечным срезом - под углом 45 градусов ... Позже, эти концы труб - будут смонтированы на стойке антенны, в которой будет спрятана фазирующая линия и ввод кабеля подключения ... Кстати, обычная соединительная муфта ПП Ду 50 или М 50 (равнопроходная с уплотнительными кольцами под заглушки), часто используемая радиолюбителями, как корпус балуна или Mini Whip антенного усилителя - как нельзя кстати подходит под стойку держатель этой конструкции ...
Кольца антенны с вырезом сопряжения.
Первичный вид. Крепление колец нитками.
Разметка цилиндра стойки основания антенны.
По внешнему увеличенному кольцу пластиковой водопроводной втулки 50 мм - диаметр 62,8 mm = длина окружности (π * D) = 197,1 mm ... Чтобы получить 4 равно удаленных паза по окружности - вполне логично разделить 197,1 mm / 4 = 49,3 мм ... Но, это - будет работать только при измерении по окружности (например курвиметром или наклеенной бумажной лентой / линейкой) ... Я же - исхожу действовать проще : просто разметив точки надрезов - обычным штангель циркулем (то есть - по прямой) ... В этом случае, соосности - не добиться, так как измерение будет проводиться по сегменту круга : не по дуге окружности, а по хорде - секущей прямой, пересекающей кривизну круга в двух точках ... Естественно, хорда - будет короче дуги ...
Разметка вырезов стойки.
Правильные размеры разметки окружности при измерении штангельциркулем ...
44,5 mm - для четырех пазов крепления колец ... Отступ = 20 мм по толщине опорной трубки ...
23,8 mm - для восьми отверстий гаек противовесов ... Отступ = 11 мм по толщине ребра гайки съёмных заземляющих вибраторов / противовесов ... Обычная удлинённая гайка под ключ на 10 с диаметром резьбы М6, по выступающим угловым граням - размер составляет около 11 мм ...
Рассчитаем коэффициенты укорочения по пропорции ... Это значение равносильно уменьшению числа Пи ...
D 62,8 mm / 4 = L 44,5 mm / x ... x = 4 * 44,5 / 62,8 = 178 / 62,8 = 2,834 ...
D 62,8 mm / 8 = L 23,8 mm / x ... x = 8 * 23,8 / 62,8 = 190,4 / 62,8 = 3,031 ...
То есть, грубо говоря - деление круга на 4 хорды : дает квадрат, вписанный в круг ... Деление круга на 8 хорд - дает вписанный восьмиугольник ... Соответственно, хорда сечения круга = длине стороны многоугольника ...
...
...
Но если вы не хотите морочиться с подбором размеров в калькуляторе - самое время использовать пропорцию и известные коэффициенты укорочения ... Расчет разметки пазов для нижней крышки / заглушки пластиковой водопроводной втулки на 50 мм ...
D 49,9 mm / 8 = x / 3,031 ... x = 49,9 * 3,031 / 8 = 151,25 / 8 = 18,90 mm ... Отступ = 5 мм (ширина паза) ... Ошибка будет равна паре миллиметров, что - не является критичным для этого элемента узла основания антенной системы ...
Заземляющий лучевой отражатель.
Набросок разметки пазов заземляющих противовесов.
Изготовление шаблона для заливки гаек противовесов. Глубина фрезеровки.
Шаблон для заливки гаек крепления вибраторов противовесов изготовил из куска дерева обычной доски, возможно сосна или тополь, но было бы лучше использовать более твердые породы, например - берёзу ... Из обычного сверла - заточил двух заходную фрезу ... Конечно, потребовалось несколько проходов по высоте, до достижения нужного размера ...
Размещение гаек противовесов в шаблоне для заливки.
Деревянный шаблон - не идеален ))), но согласитесь, это - лучше, чем - ничего ))) ... Тем более, идея сделать противовесы съёмными - до сих пор не отпускает меня ))) ... Заливка производилась обычным свинцом, полученным из аккумуляторных клемм и расплавленных в примитивном тигле ручной газовой горелкой на баллончике для портативных плит ...
Заливка гаек свинцом из аккумуляторных клемм.
Перед заливкой вкрутил в каждую гайку короткую шпильку длиной 10 мм, чтобы предотвратить попадание расплавленного свинца внутрь резьбы гайки, а также - обеспечить дополнительную прочность этого узла ... По внешнему диаметру заливки гаек можно было бы предусмотреть дополнительный паз для создания подобия пояса армирования жесткости, - но это потребует безукоризненного исполнения шаблона, недоступного в домашних условиях ... Для стационарных конструкций - наверное было бы проще спаять или залить - непосредственно сами заземляющие противовесы / вибраторы, что может значительно облегчить поставленные технические задачи конструирования этой антенной системы ...
Полученное изделие требует механической доработки до кондиции.
За счет создания единой плоскости связывания противовесов - их длина была уменьшена до 140 мм, что от центра заливки - дает требуемые 172 мм на диапазон 435 МГц ... В каждый заземляющий вибратор из медной трубки 8 мм - была обжата (опрессована) шпилька М6 длиной 28 мм, с выступающей частью крепления к гайке : около 8 - 9 миллиметров ...
Нижняя крышка обоймы противовесов.
Сначала я планировал разместить 8 направляющих на нижней крышке, но позже - решил, что хватит и четырех, а в освободившееся место - продеть пластиковые хомуты для усиления жесткости сборки корпуса ...
Пред окончательный вид 1 механической части антенны EggBeater.
Пред окончательный вид 2.
Из-за сопутствующих домашнему технологическому процессу отклонений - обнаружено, что система колец - не очень устойчиво сидит на опоре (так как отсутствует верхняя точка крепления / центровки) и это вынуждает обратить необходимое внимание на фиксацию подвижности и де-ориентации колец в пространстве - специальными дополнительными мерами удерживания заданного конструктива ... Но окончательное внимание на жесткость - следует уделить, лишь после распайки фазирующего и вводного радио антенных кабелей связи ...
Как оказалось, радиокабель 50 Ом - явление редкое и дорогое, так что пришлось заказать сразу бухту 100 метров на различные радио технические поигрушки ... Тем более, вход RTL SDR имеет 50 Ом и всегда подключался только через телевизионный кабель 75 Ом, пусть и хорошего качества ... Пусть, тоже - порадуется, даже если это мероприятие - не принесёт никакого положительного результата ))) ...
Финишная прямая.
Вот и подходит к концу увлекательная, почти трёх недельная постройка всенаправленной антенны с круговой и правой поляризацией ЕггБеатер ...
Подключение согласования фазовой линии и выхода коаксиального кабеля к радио.
Подключение фазовой линии выполнено - прямо буквально - как на рисунке, то есть : масса точки A к массе точки B, а оплётка экрана вывода петли С - к выводу D ... Все места возможного контакта - заизолированы ... Вообще, на этом этапе - я не стал морочиться с переключением поляризаций RHCP / LHCP, хотя, как вы можете увидеть сами - есть достаточно места, чтобы реализовать это ... В целом - я не стал уделять внимания специальным креплениям, закрепив все компоненты - на изоленту ... Получилась - достаточно жесткая конструкция ))) ...
Antenna EggBeater, окончательный вид сверху.
Antenna EggBeater, окончательный вид снизу.
Впереди - самое важное : технологические испытания работоспособности самодельной конструкции антенны, сделанной своими руками - с радиоприёмником / донглом RTL SDR ... Пока не забыл - рекомендации :
* - Заменить компьютерную Bluetooth мышь - на проводную ...
* - Подальше убрать сотовый телефон ...
* - При необходимости - отключить Wi-Fi роутер домашнего интернета (также, как и Вай-Фай адаптер / сеть на ПК) ...
* - Забыл одеть ферритовые гильзы на коаксиальный кабель (как можно ближе к точке подключения к антенне, в том числе и разместив, их - прямо в пластиковой трубе стойки / подставки) ...
* - Всё это делается - для снижения уровня возможных радиочастотных помех на RTL SDR приёмник ...
Несмотря на значительные усилия по сборке этой антенной системы - здесь всё ещё остается место модернизациям и модификациям для получения дополнительных улучшений данной конструкции ... Но, подумать об этом - можно будет и значительно позже ... Потому-что сейчас, весь разум - занят предвкушением практических испытаний радио приёма ))) ...
Как происходит в большинстве подобных случаев, первые пробы начинаются в жутких условиях для прохождения радиоволн - внутри промышленного ангара, так как уличные испытания - требуют особой специфической подготовки, тем более - в суровых условиях холодного зимнего уральского климата ... И, вы знаете ... Первичные испытания - показали весьма неординарные способности в области радиоприёма этой всенаправленной самоделки ...
Базовый диапазон 433 МГц - наблюдаются сильные сигналы неустановленных передатчиков.
Можно подумать, что это - внутренние помехи RTL SDR dongle, которые часто можно наблюдать и спутать с реальными передачами радиосигналов ... Но - взгляните на следующие картинки ...
Приём на участке радио волн 450 МГц, вид на водопаде без подключения антенны.
Скриншот сигналов на водопаде - без подключения антенны ...
Радио диапазон 450 МГц - с подключенной антенной EggBeater.