Антенна Batwing - суперширокополосные крылья летучей мыши для 3G/4G

Большинство популярных антенн представленных у нас на сайте, таких как антенна Харченко или Quados имеют один существенный изъян — недостаточно широкую полосу пропускания. Ее вполне хватает только для работы в Wi-Fi диапазоне, а вот в сетях 3G/4G у обычного DIY-шника, не имеющего специальных приборов, эти антенны с высокой долей вероятности будут работать из рук вон плохо. Кроме того, при бурном развитии сетей мобильного интернета, с выделением для этого все новых и новых диапазонов, возникает желание сделать универсальную широкополосную антенну для цифровых сетей на все случаи жизни, а не заниматься постоянной их переделкой или же пользоваться набором из нескольких антенн и делать себе нервы непрерывно их переключая туда сюда. Возможно ли это? Предлагаемая вашему вниманию усовершенствованная или расширенная антенна Batwing, авторство которой принадлежит пользователю с ником com666 (он же автор антенны "Гнутик"), способна удовлетворить это ваше заветное желание, уважаемый аноним...

Профессиональные конструкции

Отметим, что подобные широкополосные антенны уже имеются в продаже в красивых пластиковых корпусах. Если мы посмотрим на внутренности такой антенны, то мы скорее всего обнаружим там довольно сложно закрученную фигуру, например такую как на изображении. Слегка похожа по форме на советское бритвенное лезвие «Нева», не правда ли? Олдфаги помнят, что побриться наточенным топором было легче, чем этим изделием. А мы с вами можем прийти к выводу, что для изготовления такого «лезвия» в качестве антенны с необходимой точностью до десятых долей миллиметра, вам понадобится лазерный фрезер с ЧПУ. Что-то мне подсказывает, что тот, кто имеет средства на покупку такого станка, легко купит и готовую антенну. Тем не менее, тот кто готов повторить подобную конструкцию может подробно ознакомиться с ее характеристиками здесь. К вопросу о том, для чего профессиональные разработчики антенн делают такие замысловатые конструкции, мы еще вернемся в конце статьи. Но наличие в этой необычной антенне плавных линий быстро отбивает охоту по её изготовлению даже у самых безбашенных энтузиастов антенного дела. К тому же результат не слишком впечатляет. Полоса пропускания этой антенны по КСВ < 1,6 перекрывает только два смежных диапазона LTE1800+3G2100. А наша цель как раз помочь анониму изготовить простую и эффективную антенну с минимумом затрат так сказать в гаражных условиях, а не в специализированной мастерской с зоопарком современных станков. И собираемся мы при этом получить антенну на весь высокочастотный диапазон: LTE1800+3G2100+WIFI2400+LTE2600.

Классический «Batwing»

Для начала рассмотрим более простую конструкцию под названием Batwing, что в переводе означает крыло летучей мыши. Антенна запатентована R.W.Masters в 1945г. Полное описание принципа работы и этапы ее формирования из обычного вибратора подробно описаны во втором томе К.Ротхаммеля (стр 125-126). В советской литературе антенна фигурировала под названием Ж-образный вибратор. Антенна мало знакома радиолюбителям, поскольку использовалась в основном в составе супертурникетных передающих антенн на радио-телевизионных центрах. Но никто не мешает ее использовать как широкополосную приемную с добавлением рефлектора, что и сделал com666. На 3G/4G необходимо учесть, что поляризация у нас вертикальная. При этом совершенно нет необходимости делать вибратор из набора проводов, он изготовляется из листа оцинковки, из которого вырезаются два треугольника для придания нужной формы нашему «крылу». Затем оно режется пополам. По краям разреза припаиваются две проволочные перемычки. Рефлектор — также плоский квадратный лист из оцинковки. Автор монтирует антенну в промышленном корпусе G1208G от производителя Gainta. Вибратор в этом корпусе изображен в начале этой статьи, а более подробные фотографии процесса изготовления можно скачать с форума 4PDA. Чертеж антенны можно также посмотреть на 4PDA или на следующем изображении:

Антенна имеет три варианта авторских размеров, которые сведены в таблицу. Первый вариант рассчитан на одновременную работу в диапазонах DCS-1800MHz и 3G-UMTS-2100MHz, второй - одновременно в диапазонах Wi-Fi-2400MHz и 4G-LTE-2600MHz, а третий - на работу во всем диапазоне 1700 - 2700 Мгц.

КСВ в пределах рабочих диапазонов не превышает 1,5. Усиление около 9 dBi, соотношение излучения вперед/назад не хуже 11-13 dB. Входное сопротивление близко к 75 Ом, тем не менее она прекрасно работает как с 50-омным, так и с 75-омным фидером. Характеристики последнего варианта Батвинга для диапазона 1700-2700 Мгц можно посмотреть на изображениях ниже (кликните для увеличения:

Входной импеданс	КСВ
Усиление dBi	Диаграмма направленности

Усовершенствованный «Extended Batwing» на все диапазоны.

Представленные выше варианты антенны сделаны «по Ротхаммелю» и прекрасно себя зарекомендовали на практике. Однако нам никто не мешает воспользоваться современными цифровыми технологиями и усовершенствовать антенну с помощью электромагнитного симулятора, что и сделал автор. В результате мы имеем расширенные «крылья летучей мыши», которые способны охватить практически весь СВЧ диапазон, используемый для передачи данных. Схематичное изображение антенны:

Крылья крепятся с помощью небольших диэлектрических стоек в середине треугольников. Можно заказать подходящие стойки на Али. Рефлектор — лист размером 130х130 мм. Расстояние крылья — рефлектор 35 мм. Длина каждой перемычки по краям крыльев 12,4 мм. Расположение перемычек (во фронт, в бок) не имеет значения.

Пигтейл припаивается к крыльям как на схеме и затем отводится перпендикулярно к рефлектору, далее по рефлектору вниз. Пигтейл с основным фидером можно соединить с помощью переходника - разъема. Зачем такие сложности с фидером? Читайте ниже по тексту. Рефлектор и крылья изготавливаются из любого доступного вам и подходящего листового материала  (наример оцинковки) толщиной 0,3-0,8 мм. Антенну можно поместить в подходящий пластиковый корпус.

Входное сопротивление антенны 75 Ом и она рассчитана на работу с более доступными и дешевыми фидерами с таким же волновым сопротивлением. Полоса пропускания антенны по критерию КСВ < 1,4 от 1670 до 2730 МГц и включает в себя 3G/4G диапазоны 1800, 2100, 2600МГц, а также Wi-Fi 2400МГц. Усиление антенны около 10 dBi, соотношение излучения вперед/назад не хуже 17,5 dB. Характеристики антенны:

Входной импеданс	КСВ
Усиление dBi	Диаграмма направленности

Заметим, что как и антенна Харченко, Батвинг — антенна с симметричным входом и прямое подключение кабеля в точку питания неизбежно искажает диаграмму направленности по причине отсутствия симметризатора. В результате электродинамического моделирования автор показал, что для избежания взаимного влияния фидера и излучателя при несимметричном питании симметричной антенны, фидер достаточно отвести от вибратора перпендикулярно к рефлектору и затем вдоль него (или лучше даже за ним) вывести за пределы коробки. При этом диаграмма направленности антенны, как считает автор, уже не искажается, что позволяет отказаться от специальных схем симметрирования. Однако решение отказаться от балуна носит половинчатый характер. Чтобы убедиться в этом достаточно промоделировать антенну с достаточно длинным куском фидера выходящим за пределы рефлектора, что не сделал автор антенны com666. Тогда становится явно видно излучение внешней стороны фидера и искажение диаграммы направленности антенны. Однако эти искажения настолько малы, что решение, предложенное автором, можно признать вполне работоспособным. Другой способ симметрирования - по примеру антенны Харченко вывести пигтейл вдоль щели к точке нулевого потенциала (оно находится в центре замыкающего ушка) и оттуда сделать отвод. Это решение позволяет добиться намного лучшей отсечки тока, но при вертикальной поляризации полностью проблему все же не решает.  Полностью решить проблему симметрирования на СВЧ можно только применяя патч-антенны, например "сдвоенный квадроэллипс". Поскольку, как мы уже упомянули, на ушках находятся точки нулевого потенциала, то можно отказаться от четырех диэлектрических стоек и за эти ушки крепить антенну к рефлектору металлическими креплениями, что и сделал сам автор.

По мотивам комментариев к этой статье, добавляем еще один вариант антенны, в котором из одного куска жести можно вырезать крылья, замыкающие ушки и стойки крепления к рефлектору. Для увеличения усиления к рефлектору добавляются бортики в виде уголкового рупора. Обзор подобной антенны можно посмотреть в видео по ссылке в конце статьи.Щель в этой конструкции переменной ширины. В центре на расстоянии 8 мм ширина щели постоянна и равна 2 мм, а затем к краям крыльев она плавно расширяется до 7 мм. Замыкающие "ушки" встроены в металлические стойки шириной 15 мм. Характеристики этой антенны:

Входной импеданс	КСВ
Усиление dBi	Диаграмма направленности

Как мы видим, однозначного "правильного" варианта Батвинга не существует. Все варианты рабочие и вы в праве сами выбрать подходящую для вас конструкцию. Дальнейшее усовершенствование конструкции неизбежно приведет нас к вышеупомянутой "бритве". Почему? Смотрите ниже по тексту. Здесь же в итоге мы получаем универсальную антенну, практически на все диапазоны, с отличной повторяемостью, рассчитанную на работу с дешевым 75-омным фидером, при этом все линии для вырезания полотна антенны прямые. Чтобы промахнуться в рабочей полосе надо очень постараться и иметь совсем уж кривые руки. Характеристики антенны намного лучше зигзага Харченко, а при сравнимом усилении она намного качественнее и проще в изготовлении, чем популярная «пушка Креосана». Все эти преимущества позволяют антенне Батвинг, по мнению com666, претендовать на звание «антенна Харченко наших дней». Ведь при соответствующем масштабировании эту конструкцию можно использовать и в ДМВ диапазоне для приема DVB-T2. Батвинг можно использовать и для MIMO конструкций с общим рефлектором как показано на рисунке.

 В заключении несколько слов о том, для чего же профессионалы проектируют и изготавливают всевозможные вышеупомянутые «бритвы». Это делается не столько для того, чтобы усложнить повторение такой антенны условным Васей Пупкиным и тем самым обезопасить себя от снижения доходов. Причина в том, что такие конструкции с плавными переходами, в том числе и проволочные, на частотах СВЧ по определению лучше. Почему? Чтобы понять это, вовсе не обязательно углубляться в дебри дифференциального исчисления. Просто поведение электромагнитной волны и поведение жестко связанного с ней тока на поверхности проводника очень похожи на движение жидкости (привет эфирщикам и прочим альтернативщикам!). По сути этот факт и явился отправной точкой в самом открытии электромагнитной волны, поскольку основоположник электродинамики Д.К.Максвелл основательно изучал и гидродинамику тоже и первым обратил внимание на это подобие. Если жидкость быстро движется по какому-либо каналу, то в местах его излома это движение замедляется, появляются турбулентности, повышается давление на стенку канала. Замедление движения в нашем случае — это отставание по фазе, турбулентности — паразитные резонансы и отражения, давление — напряженность поля. Проще говоря, антенна с плавными переходами будет иметь более равномерную и более широкую полосу пропускания, меньше паразитных резонансов за ее пределами, меньше боковых лепестков в диаграмме направленности, т.е. будет более качественной. Ну что же, на то они и профессионалы. Но мы тоже не лыком шиты, не правда ли, уважаемый аноним?

Ссылки по теме:

• Передающие телевизионные антенны - использование Batwing или Ж-образного вибратора на радиотелевизионных центрах;
• Обсуждение антенны на форуме 4PDA;
• Обсуждение антенны на форуме Lan23;
• Пересчет антенны на ДМВ диапазон;
• Подробные результаты расчета антенны в HFSS.;
• Обзор варианта конструкции Батвинг с уголковым рефлектором на Youtube;
• "Царь-пушка" - конструкция Багвинг в ведре в качестве рупорного рефлектора от com666;
• Антенна "Гнутик" - другой проект от com666;