Почему запретили антенну ФА-20 для диапазона Wi-Fi и чем ее заменить?

 Не можем обойти вниманием легендарную антенну ФА-20 для диапазона Wi-Fi. Конструкция этой антенны известна уже очень давно, опубликована на множестве сайтов и действительно обросла всевозможными бородатыми легендами. Чего стоит легенда о том, что это «запрещенная» антенна, которая способна «бесплатно» предоставить вам доступ к какому угодно вай-фаю. Особенно доставляют ютуб-блогеры, которые предлагают «запрещенные кровавой гебней» чертежи ФА-20 из СССР. Понятно, что такие кричащие заголовки призваны увеличить число подписчиков, но зачем же распространять в сети такую откровенную дезинформацию, рассчитанную на совсем уж безграмотных хомячков, которые не отдают себе отчета в том, что в СССР и в помине не было никаких этих ваших «вайфаев». Почему же запретили ФА-20? Давайте разбираться…

В действительности антенна была скопирована где-то в начале этого века с какого то промышленного образца. Причем скопирована вольно, с доработками от анонимного автора копии. Ресурс, где первоначально был опубликован чертеж FA-20 уже давно не доступен, однако этот чертеж легко можно найти в интернетах, например здесь или здесь. Долгое время ФА-20 была хитом среди конструкций Wi-Fi антенн. Однако, после исследования в программе компьютерного моделирования HFSS ВНЕЗАПНО выяснилось, что мы имеем дело с весьма некачественной антенной. Оказалось, что реальное ее усиление около 17-18 дБи, КСВ в рабочей полосе больше двух, уровень отдельных боковых лепестков только на единицы децибел уступает уровню главного лепестка. По сути, это не боковые, а дополнительные основные лепестки. Именно это обстоятельство, а ни какой-то там мифический запрет, явилось главной причиной отказа специалистов от конструкции ФА-20. В принципе ее можно оптимизировать путем того же компьютерного моделирования и несколько улучшить характеристики (как на картинке ниже), но это не имеет смысла. Дело в том, что сама компоновка панели ФА-20 имеет принципиальные изъяны:

• Схема питания отдельных элементов панели, скажем так, не канонична. Патчи запитаны не синфазно и излучают вразнобой. Излучаемая мощность распределена между патчами неравномерно. Питающие линии тоже активно излучают, что дополнительно искажает диаграмму направленности.
• Соединительные длинные линии не имеют сквозного согласования с патчами по волновым сопротивлениям и работают в резонансном режиме. Как мы знаем, всегда можно подобрать параметры длинной линии и трансформировать любое сопротивление (в том числе и реактивное) к нужной нам величине. Однако если конструкция сплошь состоит из таких линий это радикально сужает полосу пропускания.
• Конструкция очень чувствительна к отклонению размеров от идеальных. Взяли другой коннектор, поменяли диаметр стойки на которой держится патч, незаметно уплыл какой то другой размер на доли миллиметра, — и все «веселые картинки», которые мы “наоптимизировали”, пошли прахом.

Другими словами, кроме низкого качества антенны, повторяемость конструкции ФА-20 близка к нулю. Причем совершенно случайным образом вы можете как улучшить, так и ухудшить параметры антенно-фидерной системы в целом. Поскольку питающие линии панели не работают в режиме бегущей волны, то играет роль даже длина фидера антенны. Никто же не измеряет, что в итоге получилось. Написано же черным по русски — усиление антенны до 22дБи, а в реальности у вас может выйти даже не более 12-и. Вы же не знаете сколько вам в действительности нужно? Зато с гордым видом можете хвалиться, что у вас «самая мощная, Вася, антенна!». А смысл городить огород, когда с меньшими затратами можно добиться лучшего результата?

Вместо изготовления стремной ФА-20 предлагаем анониму более простую, хорошо себя зарекомендовавшую на практике, повторяемую конструкцию из шести патчей, Path2x3:По усиленю антенна практически не уступает легендарной ФА-20, а по остальным параметрам значительно ее превосходит. Усиление антенны около 17,5 dBi, КСВ в пределах рабочей полосы не превышает 1,25, подавление задней полусферы излучения не менее 35 dB. Входное сопротивление 50 Ом.

Характеристики антенны

Конструктивно антенна состоит из короба 230х360х20 мм, закрытого сверху радиопрозрачной пластиковой крышкой. Для крепления передней пластиковой крышки борт короба может быть дополнительно отогнут по бокам, для этого необходимо добавить запас на отгибы к 20 мм его высоты. Внутри короба расположены шесть круглых патчей диаметром 65 мм. Разнос патчей по вертикали 116 мм, по горизонтали - 90 мм, высота над рефлектором 7 мм. Средний этаж лежит точно по центру рефлектора. Патчи и короб изготавливаются из оцинковки 0,3-0,8 мм толщиной. К рефлектору патчи крепятся болтами М3 через пластиковые втулки высотой 7 мм и диаметром около сантиметра. Между собой патчи соединяются отрезками медного провода сечением 4 мм² от электропроводки. Пайка сверху патчей. Нижняя перемычка должна иметь в выпрямленном состоянии длину точно 121 мм без учета напусков на пайку. Ее нужно плавно изогнуть по направляющим диаметром 10 мм. Расстояние между центрами этих направляющих около 78 мм. Из латуни или той же оцинковки вырезается полоса шириной 11.8 мм и через 66 мм загибается перпендикулярно. Полосу необходимо разместить на высоте точно 4.0 мм над рефлектором. Загиб припаивается к перемычке, лишнее обрезается. Второй конец  полосы припаивается к коннектору. Полоса представляет собой согласующий трансформатор сопротивлений.

Таким образом антенну ФА-20 никто никогда не запрещал. Более того, некоторые ушлые умельцы даже приторговывают этим изделием на Avito или других подобных площадках. При желании вы сами можете ее повторить, взяв размеры по приведенным ссылкам. Однако еще раз обратим ваше внимание на то, что повторяемость этой антенны очень низкая и вам с огромной долей вероятности не удастся достигнуть тех параметров, которые имеет опубликованная в этой статье антенна Path2x3. Эта антенна не полностью избавлена от недостатков присущих ФА-20. Например она имеет довольно высокий уровень боковых лепестков. Тем не менее, при усилении сравнимом с усилением ФА-20 она имеет большой запас по полосе пропускания. Поэтому повторяемость Path2x3 намного лучше и ее можно смело рекомендовать для повторения DIY-шникам антеннщикам не имеющим под рукой СВЧ измерителя импедансов.

Ссылки по теме:

• 3D-corner антенна с усилением 18 dBi - еще одна достойная альтернатива "запрещенной" ФА-20;
• Patch 2x3 @ 2440 MHz, 50Ω, 17+ dBi (+v2 75Ω) - авторское описание конструкции Patch2x3 от yurik82, в том числе вариант на 75 Ом;
• Характеристики оригинальной ФА-20;
• Ветка форума LAN23 посвященная антенне ФА-20;
• Половинка ФА-20 - оптимизированная схема из 4-х прямоугольных патчей с усилением до 15 dBi;