Dragoslav Dobričić, YU1AW AMOS ANTENA SA POLUKRUŽNIM DIJAGRAMOM ZRAČENJA ZA 2.4 G...
Kratak spoj na kraju voda treba da bude fizički vrlo kratak da bi velika struja koja teče unjemu dala što manje parazitno ...
Dobijena vrednost pojačanja za Amos antenuDobijeni računski rezultatiNa ovaj način dobijena je antena sa vrlo širokim dija...
Geometrijske dimenzije i konstruktivni detalji Amos antene
Horizontalni i vertikalni ugao zračenja Amos antene
Prednji i bočni pogled na 3D dijagram zračenja
Pogled na 3D dijagram zračenja odozgo i sa strane
Jačina i raspored struja u elementima Amos antenePore enje dijagrama zračenja Amos i optimalne Biquad antene
Mehanička konstrukcija anteneAntena sa sastoji iz dva komada bakarne žice debljine 2 - 2.3 mm i ukupne dužine 299.3mm. Sva...
Način izrade zračećeg elementa Amos antene Izgled montiranih elemenata pre lemljenja petlje i kablaDužina petlje ...
Polutalasna petlja se pravi od komada koaksijalnog kabla čija dužina zavisi odupotrebljene vrste kabla! Ako se koristi kab...
Zaštita od atmosferskih uticajaOvu zaštitu najbolje je izvesti tako što se antena još dok je bakar svetao i bez korozijepr...
Polietilenska zaštita kablova i lemnih tačaka
Izgled gotove Amos antene sa nosačem i priključnim kablom
Položaj za rad u vertikalnoj polarizaciji
Mehaničko pričvršćenje za stubOvo pričvršćenje se može izvesti na bilo koji pogodan način koji će omogućiti slobodnopomera...
C=0.543D=0.158E=0.180F=0.032G=0.081Prečnik žiced=0.0162ReflektorH=3.70I=0.50Dužina polutalasne petljeP= 0.5 * vv= 0.66 za ...
˝otaca˝ američke države. Anegdote kažu da je imao pripitomljenog miša po imenu Amos.Miš je ime dobio po starozavetnom pror...
Laboratorijska merenja AmosaRezultati laboratorijskih merenjaNakon završetka Amos antena je podvrgnuta laboratorijskim mer...
Izmerena transmisija prilikom korišćenja dipola kao prijemne anteneIzmerena transmisija prilikom korišćenja Amosa kao prij...
Pojačanje Amos antene je mereno metodom pore enja sa poznatom antenom, u ovomslučaju polutalasnim dipolom pojačanja 2dBi. ...
of 21

Napravite wireless antenu za 1dan

Published on: Mar 3, 2016
Published in: Education      
Source: www.slideshare.net


Transcripts - Napravite wireless antenu za 1dan

  • 1. Dragoslav Dobričić, YU1AW AMOS ANTENA SA POLUKRUŽNIM DIJAGRAMOM ZRAČENJA ZA 2.4 GHzUvodU WiFi komunikacijama je česta potreba za antenama sa kružnim dijagramom zračenja uhorizontalnoj ravni. Antene sa kružnim dijagramom zračenja mogu imati onolikopojačanje koliko se suzi njihov vertikalni dijagram zračenja. U tu svrhu se koriste antenesa zračećim dipolima složenim po vertikali. Kada se želi kružni dijagram, a koristi severtikalna polarizacija, onda to slaganje polutalasnih dipola može biti izvedeno poprincipu poznate Frenklinove antene.Naime, otvoreni polutalasni dipol napajan u sredini, produžen je na obe strane sa pojednim neprekinutim provodnikom, koji na svakih pola talasne dužine biva savijen u vidučetvrt-talasne kratko-spojene deonice simetričnog dvožičnog voda. Ovim se vrši pravilnofaziranje polutalasnog dipola koji sledi u nizu. Ovakva žičana antena je korišćena,uglavnom u horizontalnoj polarizaciji, još u samim počecima radija na srednjim ikratkim talasima i poznata je kao Frenklinova antena prema imenu njenog autora. Izgled horizontalne Frenklinove anteneProblem sa impedansom i parazitnim zračenjem deonica za faziranjeKorišćenje ove antene na VHF i UHF opsezima je tako e dosta često i to upravo uvertikalnoj polarizaciji u kojoj ona ima kružni dijagram zračenja. Me utim, sapovećanjem frekvencije javljaju se sve veći problemi sa vodovima za faziranje izme udipola, pošto oni postaju fizički sve veći u odnosu na talasnu dužinu, što kao posledicuima sve veći uticaj zračenja ovog dela antene na ukupni dijagram antene. Ovo neželjeno,parazitno zračenje deonica za faziranje antene rešavano je na razne načine (uvijanjemdvožičnog voda oko ose antene, zamenom dvožičnog voda kalemom i sl.) sa manje iliviše uspeha.Me utim, za rad na 2.4 GHz ovaj problem postaje značajan i zbog ograničenja kojepredstavlja relativno velika debljina provodnika antene u odnosu na talasnu dužinu, asamim tim i fizičkih dimenzija dvožičnog voda. Ove dimenzije odre uju karakterističnuimpedansu, ali i parazitno zračenje ovih deonica, a naročito kratko-spojnika na krajudvožičnog voda (nešto dalje u tekstu i na crtežu označenog sa E).
  • 2. Kratak spoj na kraju voda treba da bude fizički vrlo kratak da bi velika struja koja teče unjemu dala što manje parazitno zračenje. Njegovo skraćivanje smanjuje rastojanje žica udvožičnom vodu, a time i snižava impedansu dvožičnog voda. Čak i uz prihvatanjeposledica ovako snižene impedanse, fizička dužina ovog dela voda ne može biti dovoljnokratka da ne bude prilično značajan deo talasne dužine na ovoj frekvenciji, a time iprilično efikasan radijator elektromagnetne energije. Ovo parazitno zračenje u velikojmeri može da modifikuje ukupni dijagram zračenja antene.Za postizanje većeg pojačanja antene potrebno je složiti veći broj dipola po vertikali.Povećavanje broja dipola ima za posledicu da se u tačci napajanja antene impedansaveoma brzo povećava i postaje nepraktično velika za jednostavno i efikasno napajanjeantene koaksijalnim kablom. Frenklinova antena sa dodatim reflektoromRešenje problema uz promenu dijagrama zračenjaMe utim, postavljanjem Frenklinovog niza dipola ispred jednog relativno uzanogreflektora omogućilo je rešenje ovih problema, ali uz ˝žrtvu˝ da antena više ne budekružnog nego polukružnog zračenja.Postavljanjem reflektora u blizini kratko-spojenog kraja dvožičnog voda postignuto je dase žica, koja kratko spaja dvožični vod (označena sa E), sa reflektorom koji joj je veomablizu ponaša kao transmisioni vod impedanse oko 150 oma. Time je njeno parazitnozračenje prilično redukovano. Osim toga sada je bilo moguće dužinu te žice povećati dopostizanja željenog rastojanja žica i potrebne vrednosti karakteristične impedansedvožičnog voda.Postavljanjem dipola ispred provodne reflektorske ravni snižena je impedansa u tačcinapajanja antene na oko 200 oma, čime je omogućeno vrlo jednostavno i efikasnonapajanje antene koaksijalnim kablom karakteristične impedanse 50 oma prekopolutalasne petlje vezane kao transformator impedanse 4:1. Reflektor je veoma uzan,svega pola talasne dužine, tako da u što manjoj meri sužava horizontalni dijagramzračenja.
  • 3. Dobijena vrednost pojačanja za Amos antenuDobijeni računski rezultatiNa ovaj način dobijena je antena sa vrlo širokim dijagramom zračenja u horizontalnojravni, koji iznosi preko 120 stepeni za -3dB i oko 180 stepeni za -6dB opadanja polja.Strogom simetrijom geometrije antene i struja u njoj dobijen je veoma čist dijagram uvertikalnoj ravni sa širinom glavnog snopa od svega 15 stepeni i sa vrlo dobro potisnutimsporednim snopovima zračenja. Visoka otpornost zračenja antene obezbedila je nizak Qfaktor antene i veliku širinu radnog frekvencijskog opsega, što se vidi sa dijagramaulaznog prilago enja antene.Pojačanje antene od preko 12 dBi je veoma blizu teorijskog maksimuma za ovakvukonfiguraciju i sasvim je prihvatljivo za antenu sa ovako širokim dijagramom zračenja uhorizontalnoj ravni. Ovo je postignuto brižljivom optimizacijom na računaru korišćenjemprofesionalnog programa za simulaciju i optimizaciju antena NEC2 (4NEC2) i proveromna NEC4. Ulazno prilago enje Amos antene
  • 4. Geometrijske dimenzije i konstruktivni detalji Amos antene
  • 5. Horizontalni i vertikalni ugao zračenja Amos antene
  • 6. Prednji i bočni pogled na 3D dijagram zračenja
  • 7. Pogled na 3D dijagram zračenja odozgo i sa strane
  • 8. Jačina i raspored struja u elementima Amos antenePore enje dijagrama zračenja Amos i optimalne Biquad antene
  • 9. Mehanička konstrukcija anteneAntena sa sastoji iz dva komada bakarne žice debljine 2 - 2.3 mm i ukupne dužine 299.3mm. Svaki komad žice je savijen na identičan način kako je prikazano na slikama.Pre savijanja treba odmeriti i odseći dužinu od 299.3 mm, a potom izmeriti i obeležitiflomasterom mesta na kojima će žica biti savijena pod pravim uglom. Pre savijanja trebanapraviti i navući na žicu polietilenske stubiće koji služe kao izolatori i nosači zračećihelemenata antene. Noseći izolacioni stubići i kalup za njihovu izraduStubići se prave od izolatora nekog debljeg koaksijalnog kabla (RG-8, RG213 i sl.) takošto su uklonjeni unutrašnji i spoljašnji provodnici. Dužina (visina) stubića je oko 15-18mm, a tačno na 10 mm od jednog kraja treba popreko kroz stubić probušiti rupu od oko2-2.5 mm kroz koju prolazi žica dipola. Stubići se učvršćuju tako što se sa zadnje stranekroz reflektorsku površinu zavrnu zavrtnji za lim u postojeću rupu od uklonjenogunutrašnjeg provodnika koaksijalnog kabla u njima. Rastojanje žice koja prolazi krozstubić mereno od ose žice do površine reflektora mora biti tačno 10 mm! Mereno odpovršine žice do površine reflektora je za poluprečnik žice manje, tj. 9mm!Reflektorska površina je napravljena od bakarnog, mesinganog ili aluminijumskog limadebljine 0.5-1.5 mm. Može se napraviti i od jednostruko pobakrenog pertinaksa ilivitroplasta standardne debljine 1.6 mm.Reflektor se može sastaviti i od dva komada pertinaksa, da bi se dobila potrebna dužina.Sastavljanje se vrši tako što se ivice koje se sastavljaju prvo pokalajišu u širini od oko 3mm. Potom se uzme tanka bakarna folija širine oko 6 mm pokalajiše sa jedne strane ionda zalemi na pokalajisani deo na ivicama koje se spajaju. Spoj treba dobro ˝ispeglati˝da bude što ravniji. Sa zadnje strane se dvokomponentnim lepkom nalepe dva komadavitroplasta radi mehaničkog učvršćenja spoja. Tako je ura eno i na probnom modelu.U reflektoru se na sredini probuši rupa prečnika 5 mm kroz koju taman može komotno dapro e napojni koaksijalni kabl tipa RG-58A, RG-58C ili CFD200.Rupe za stubiće se buše na 53 i 150 mm od centra prečnika oko 3mm (zavisno odupotrebljenog zavrtnja) . Kabl nema električni spoj sa reflektorskom površinom u tačci ukojoj prolazi kroz reflektor.
  • 10. Način izrade zračećeg elementa Amos antene Izgled montiranih elemenata pre lemljenja petlje i kablaDužina petlje u zavisnosti od kabla i način povezivanja sa kablom i antenom
  • 11. Polutalasna petlja se pravi od komada koaksijalnog kabla čija dužina zavisi odupotrebljene vrste kabla! Ako se koristi kabl sa punim dielektrikom, kao što su kablovitipa RG58A, onda je faktor skraćenja za takav kabl v=0.66 i dužina petlje je 40.7 mm.Me utim, ako se koristi kabl sa penastom izolacijom, kao što je tip CFD200, ondadužina petlje treba da bude 51 mm, jer je faktor skraćenja za tu vrstu kabla v=0.83.Kao dužina kabla uzima se dužina spoljašnjeg provodnika pre savijanja, s tim dadužina unutrašnjeg provodnika ne sme biti duža od 1-2 mm. Sve mora da budezalemljeno što kraće da bi se izbeglo pomeranje rezonantne frekvencije antene usledparazitnih induktivnosti žica kojima se vrši spajanje. Prethodno se krajevi postave uformi trougla, tako da se dva kraja polutalasne petlje vezuju što kraće na dipol, a napojnikabl postavljen u sredini vezuje se na jednu od strana dipola, svejedno koju. Oklopi obakraja polutalasne petlje i napojnog kabla spajaju se direktno jedni za druge i nigdeviše! Veoma je važno da se ova spajanja izvedu što je moguće kraće! Priprema i lemljenje petlje i kabla
  • 12. Zaštita od atmosferskih uticajaOvu zaštitu najbolje je izvesti tako što se antena još dok je bakar svetao i bez korozijeprefarba auto-lak sprejom u tankom sloju. Prethodno se samo mesto lemljenja kablova iotvoreni poprečni preseci kablova u tankom sloju prevuku polietilenom pomoću pištoljakoji tope polietilenske šipke i u tečnom stanju nanose ovu plastičnu masu. Sloj treba dabude nepropustan za vodu, ali što tanji! Dakle, pogrešno je stavljati velike količineplastične mase u debelom sloju na spoj, jer ničem ne služi osim što kvari prilago enjeantene! Tako e, na ovom mestu upotreba silikona je zabranjena zbog njegovehemijske agresivnosti i velikih gubitaka na visokim frekvencijama! Izgled zalemljene petlje i kabla za antenu
  • 13. Polietilenska zaštita kablova i lemnih tačaka
  • 14. Izgled gotove Amos antene sa nosačem i priključnim kablom
  • 15. Položaj za rad u vertikalnoj polarizaciji
  • 16. Mehaničko pričvršćenje za stubOvo pričvršćenje se može izvesti na bilo koji pogodan način koji će omogućiti slobodnopomeranje antene po horizontali i vertikali radi preciznog usmeravanja antene u željenomsmeru. Nosač, tako e, može da bude izveden tako da sa zadnje strane dodatno ukrutireflektorsku površinu ukoliko je ova izra ena od tanjeg lima ili pertinaksa nedovoljnekrutosti za datu dužinu. Za prototip je korišćena poniklovana gvozdena šipka prečnikaoko 25 mm kupljena na buvljaku za 330 din koja je već bila savijena u obliku slova S.Nisu dozvoljeni nikakvi metalni (pogotovo feromagnetni) ili plastični delovi u blizinidipola ili reflektora, jer mogu povećati gubitke, promeniti dijagram zračenja antene iulazno prilago enje a time i njen pravilan rad. Sva učvršćenja i mehaničke konstrukcijemoraju se nalaziti sa zadnje strane reflektorske površine. Antenu treba isturiti ispred osenosećeg stuba za oko 15-30 cm radi smanjenja uticaja stuba na dijagram zračenja.Ukoliko se želi napajanje antene debljim kablom, može se na tanki kabl staviti Nkonektor i onda dalje voditi debeli kabl do ure aja. Tako e se može na zadnju stranureflektora montirati ženski N konektor i kroz rupu u reflektoru spojiti tanki kabl koji idedo petlje i dipola, slično kao što se to radi kod Biquad antena. Ne preporučuje seuvo enje debelog kabla direktno do petlje i dipola, jer ga je teško kratko zalemiti pošto jefizički glomazan, pa je moguće razdešavanje rezonantne frekvencije antene.Usmeravanje antenePrilikom usmeravanja antene treba voditi računa o tome da antena ima vrlo širokdijagram u horizontalnoj ravni, pa ne treba očekivati oštar maksimum sa promenomhorizontalnog ugla! Sa druge strane, u vertikalnoj ravni ugao zračenja je vrlo uzan amaksimum prijemnog signala vrlo oštar i treba antenu vrlo pažljivo i tačno podesiti uželjenom smeru!Antena je prevashodno predvi ena za rad sa vertikalnom polarizacijom zbogspecifičnog dijagrama zračenja koji ima kada se tako koristi. Antena je posebno pogodnaza Access Point-e zbog svoje velike širine pokrivanja u horizontalnoj ravni.Preračunavanje antene za druge frekvencijeAmos polukružna antena se može koristiti i za druge frekvencije ako se njene fizičkedimenzije preračunaju za novu radnu frekvenciju prema datim dimenzijama u talasnimdužinama:Talasna dužinaLambda= 299.8 / f(MHz) metaraUkupna dužina žice (u talasnim dužinama)L=2.42 (2kom.)A=0.320B=0.574
  • 17. C=0.543D=0.158E=0.180F=0.032G=0.081Prečnik žiced=0.0162ReflektorH=3.70I=0.50Dužina polutalasne petljeP= 0.5 * vv= 0.66 za RG58, RG213, RG8 i sl.v= 0.83 za CFD200Ime anteneAntena je dobila ime zahvaljujući sasvim neočekivanim asocijacijama koje sam imao doksam je projektovao. Pošto je ona u osnovi poznata Frenklinova antena postavljena ispreduzanog reflektora, o čemu je već bilo reči na početku, mislio sam tako da je i nazovem.Me utim, to ime mi je izgledalo mnogo dugačko i rogobatno. Prezime Frenklin me jeasociralo na još jednog čoveka istog prezimena, Bendžamina Frenklina, naučnika,političara i diplomate, koji je živeo otprilike jedan vek ranije. Prorok Amos iz Tekoe Miš Amos i Ben Frenklin u Diznijevom crtanom filmuOn je bio fizičar i pronalazač koji je, izme u ostalog, pomoću zmaja koga je puštao zavreme nevremena pokazao da je munja ustvari elektricitet, pronašao gromobran,bifokalne naočare i poznatu Freklinovu peć. Ali, on je bio i vrstan političar koji jepotpisao poznatu Povelju o nezavisnosti. Danas je jedan od najomiljenijih osnivača i
  • 18. ˝otaca˝ američke države. Anegdote kažu da je imao pripitomljenog miša po imenu Amos.Miš je ime dobio po starozavetnom proroku Amosu iz malog mesta Tekoa nedaleko odJerusalima koji je živeo u 8. veku pre Hrista.Volt Dizni je još pedesetih godina napravio sjajan crtani film po noveli RobertaLawsona ˝Ben and Me˝ o životu i stvaralaštvu ovog velikog čoveka i, naravno, mišAmos je u tom filmu prava zvezda!Eto tako je i ova antena dobila svoje neobično ime - po jednom neobičnom mišu! ☺ Rolexovo rešenje jednostavnog kalupa za preciznu izradu stubićaZahvalnostŽelim da se zahvalim mojim prijateljima iz BG Wireless-a na pomoći i saradnji okorealizacije ovog projekta, a posebno Rosić Nebojši - Rolexu, koji je vrlo brzo i pedantnonapravio prvi primerak ove antene za merenje. Posebno bih istakao njegovo pronicljivorešenje alata, odnosno kalupa, za izradu izolacionih stubića. Kalup je napravljen pomoćukomada iverice debljine 18 mm sa izbušenom rupom kroz koju tačno prolazi izolacijadebelog koaksijalnog kabla od koje se prave stubići. Sa strane u iverici je na 10 mm odjedne ivice probušena rupa od oko 2.2 mm. Plastika se gurne kroz ivericu poravna sajedne strane, kroz rupu sa strane se probuši u njoj rupa za žicu i pre va enja burgije seodseče i sa druge strane. Na ovaj način je moguće brzo i lako napraviti veliki brojidentičnih izolacionih stubića. U rupu sa strane ubacio je i šuplji deo pop-nitne kaozaštitu da se ne bi rupa ˝razlokala˝ od većeg broja bušenja!Rolex je, tako e, napravio i optimalnu verziju Biquada koji je već ranije opisan.
  • 19. Laboratorijska merenja AmosaRezultati laboratorijskih merenjaNakon završetka Amos antena je podvrgnuta laboratorijskim merenjima. Merenja suobavljena na profesionalnim instrumentima, pre svega na HP Network analizatoru.Mereno je ulazno prilago enje antene i dobijene vrednosti su pokazale dobro slaganje saračunarskim predikcijama. Pre svega rezonantna frekvencija antene i opseg u kome jeona prilago ena su se vrlo dobro slagali sa proračunima. Maksimalna vrednost povratnogslabljenja ulaznog signala je oko -22dB što je za oko 5-6 dB manje od očekivanog, što jedelimično i posledica nesavršenih uslova merenja, tj. postojanja izvesne komponenteprostornog reflektovanog talasa. Opseg u kome je dobro prilago enje nešto je širi odproračunskog. Ovo ukazuje na nešto nižu, a time i povoljniju, vrednost Q faktora i neštoveću širinu radnog frekvencijskog opsega antene. Prilago enje Amos antene
  • 20. Izmerena transmisija prilikom korišćenja dipola kao prijemne anteneIzmerena transmisija prilikom korišćenja Amosa kao prijemne antene
  • 21. Pojačanje Amos antene je mereno metodom pore enja sa poznatom antenom, u ovomslučaju polutalasnim dipolom pojačanja 2dBi. Merena je transmisija izme u zračeće iprijemne antene na fiksnom rastojanju, s tim što je kao prijemna antena jedanput korišćendipol a drugi put Amos. Prilikom korišćenja dipol antene transmisija je iznosila -30.5 dB,a sa Amosom -19.9 dB, što daje pojačanje od 10.6 dB u odnosu na referentni dipol od2dBi. Rezultati su potvrdili pojačanje Amos antene od oko 12.6 dBi sa mogućomgreškom od oko +/- 1dB usled nesavršenih uslova merenja.Rezultati praktične provere radaAmos antena je praktično upore ena sa već ranije opisanom klasičnom korner reflektorantenom od oko 12dBi koju koristim za WiFi i dobijeni rezultati su se vrlo dobro slagalisa očekivanim. Amos antena je primala signale AP-a sa gotovo identičnim nivoom kao iklasična korner reflektor antena, što se i očekivalo s obzirom na približno isto pojačanje.Me utim, broj primljenih AP signala je bio nekoliko puta veći zbog velike širinehorizontalnog dijagrama! Zbog ove osobine Amos antena je prevashodno namenjenakao antena za AP! Mada se može koristiti i za klijente kada je potrebno, bez pomeranjaantene, ostvariti komunikaciju sa nekoliko AP-a koji se nalaze u raznim smerovima.ZaključakU ovom radu je pokazana i merenjima potvr ena mogućnost korišćenja Frenklinovogniza polutalasnih dipola ispred relativno uzane reflektorske površine kao efikasne antenena 2.4 GHz. Antena ima vertikalnu polarizaciju i polukružni dijagram zračenja uhorizontalnoj ravni.Problem parazitnih zračenja deonica dvožičnog kratko-spojenog voda za faziranje rešenje postavljanjem reflektorske površine u blizinu kratko-spojnog provodnika čime je ontransformisan u transmisioni vod impedanse oko 150 oma i time intenzitet njegovogzračenja značajno redukovan. Na ovaj način je uticaj parazitnog zračenja na ukupandijagram zračenja smanjen.Pored ovoga, postavljanje reflektorske površine modifikovalo je ulaznu impedansu navrednost koja je pogodna za efikasno prilago enje antene na koaksijalni napojni vod.Stroga geometrijska i električna simetrija antene obezbedila je čist, simetričan i uzanvertikalni dijagram. Korišćenjem vrlo uzanog reflektora očuvana je velika širinahorizontalnog dijagrama. U Beogradu, 4. maja 2005.