Выбор антенны для датчика влажности почвы

Здравствуйте,
Пытаюсь построить датчик влажности почвы на основе двух трансиверов cc2500 на 2,4ГГц.
За счет б`ольших потерь сигнала при его прохождении через увлажненную почву, по изменению RSSI, планирую вычислять влажность почвы.
Цель - бесконтактный датчик влажности почвы, измеряющий влажность не точечно (как напр. емкостной датчик), а "в объеме".
Прототип из двух полипропиленовых труб с заглушками, погруженных в почву на расстоянии 20 см друг от друга, внутри которых по трансиверу.
Из опытов сделал вывод, что нужна узконаправленная передающая антенна, причем, желательно, небольшого размера.
Теперь, планирую передающий трансивер с цилиндрической спиральной антенной в режиме осевого излучения разместить на поверхности в коробке, а приемный с четвертьволновым штырем - оставить в трубе под землей.
Но, из-за трудностей изготовления спиральной антенны, посоветовали изучить патч-антенны.
Посоветуйте, что выбрать и что почитать.
В теме новичок.
На вашем сайте хорошо про патчи и про MIMO было расписано - потому и пишу на форум.
Спасибо и удачи!

Встречные вопросы.
1. В чем для вас заключаются трудности со спиральной антенной?
2. У вас есть какие-либо расчеты или экспериментальные данные на основе которых можно сформулировать техническое задание на интересующую вас антенну?

Я - совсем новичок в области приема/передачи СВЧ сигналов.
Начну с ответа на второй вопрос.

3G-Aerial admin пишет: 2. У вас есть какие-либо расчеты или экспериментальные данные на основе которых можно сформулировать техническое задание на интересующую вас антенну?

Экспериментальные данные получены мною в глинистой почве на прототипе из двух трансиверов cc2500 с четвертьволновыми штырями (медный провод l=31мм d=1,8мм после родного балуна, дорожка родной антенны-закорючки обрезана и провода не касается, см фото).

Моя программа на диапазоне частот от 2,4ГГц до 2,483ГГц в цикле:
- на передающем трансивере включает передачу несущей и проводит калибровку;
- на принимающем трансивере включает прием и проводит калибровку;
- после некоторой задержки считывает на принимающем трансивере RSSI в -dbm;
- выключает оба трансивера.
Причем, передающий и приемный поочередно менялись ролями.
Поскольку, настройки в cc2500 позволяют шаг по частоте в 1Гц, то,
для уменьшения времени сканирования, сделал двоичный поиск и сохранял в лог каждый час лучшие значения RSSI и на какой частоте.
Почва поливалась/просыхала.
Например (F12 Гц, RSSI12 -dbm, F21 Гц, RSSI21 -dbm),
для влажной почвы: 2446359296, 52.0, 2440341760, 52.5;
для сухой почвы: 2452431616, 55.0, 2440948480, 55.0.

Первая проблема в том, что контроллер управляет и приемным и передающим трансивером.
Да и питание общее.
Это значит, СВЧ сигнал может распространяться по проводам.
Как подобрать ферритовые кольца, чтобы, например, Rim росло после 100МГц?

Вторая проблема в том, что, при увлажнении, по самой идее датчика, RSSI должно показывать уменьшение мощности сигнала, а на эксперименте видим обратное.
Первоначально, погружал трансиверы в ящик с водой.
Там явно наблюдалась зависимость мощности принимаемого сигнала от расстояния между трансиверами.
Теперь мне очевидно, что в почве не так.
Первая мысль - увлажнение создает проводящие каналы в почве, по которым сигнал распространяется лучше.
Чтобы эту мысль проверить, мне и нужна антенна, которая сфокусирует сигнал передающего трансивера в сторону принимающего.
Думаю, сделать все возможное, чтобы направить основную часть сигнала вдоль воображаемой линии,
соединяющей оба трансивера.
И посмотреть, что получится.
К тому же, тогда и распространение сигнала через соединительные провода должно уменьшиться.

3G-Aerial admin пишет: 1. В чем для вас заключаются трудности со спиральной антенной?

Например, изначально непонятно, какой тип антенны лучше сфокусирует, при этом будет дешевле и проще в изготовлении и компактнее: патч или спиральная?
На каждую спиральную нужно по пол метра медного провода.
Прямоугольный патч из оцинковки, наверное, проще сделать и дешевле?
Или стоит сделать спиральную, чтобы качественно ответить на вопрос - быть ли такому датчику влажности почвы, а потом уже перейти на патчи?

Поскольку, из-за достаточно большой длины волны от 12см, антенна будет достаточно крупной,
в землю ее закапывать неудобно.
Предполагаю, передающий трансивер с фокусирующей антенной разместить на поверхности почвы в коробке,
а принимающий с четвертьволновым штырем - в трубе под землей.
Пристреливать угол наклона передающей антенны по RSSI.

По спиральной сделал такой расчет на 4 витка для компактности (см фото).
Но, в расчете нет диаметра медного провода.
Чем толще, тем лучше?

Оставлять ли родной балун, когда буду паять спиральную антенну к трансиверу?

Чем проверить качество изготовленной антенны?
Поколхозить, спаять еще один stm32 с cc2500 и выводить RSSI в цикле на экран,
используя четвертьволновой штырь как виртуальный щуп?
Или приобрести на али что-то типа анализатора NanoVNA V2?

Какую программу моделирования/расcчета антенн мне нужно начинать осваивать?


P.S.
Также на будущее, неясно, оставить на принимающем трансивере четвертьволновой штырь, или подобрать другую компактную принимающую антенну, у которой диаграмма направленности позволит сориентировать принимающую антенну в сторону передающей?

Благодарю за поддержку.

Большая проблема состоит в связи передающего и приемного узлов через общий контроллер и цепи питания. Избежать этого может помочь только автономное питание и беспроводная связь с контроллером комплекса находящегося на поверхности. Ферриты уменьшат связь, но скорее всего погоды не сделают. Основным преимуществом патч-антенны является как раз то, что она не требует балуна. Вы можете для предварительных испытаний взять любую простейшую недорогую конструкцию, например по этой ссылке:
ypylypenko.livejournal.com/26698.html
Возможно испытания дадут отрицательный результат. Если результат будет положительный, то тогда уже можно думать об усовершенствовании идеи.
Покупать NanoVNA, осваивать специализированные программы имеет смысл только в случае если вы в дальнейшем планируете заниматься антенной техникой серьезно, так сказать "в промышленных масштабах". В противном случае, имхо, это лишний расход ресурсов и времени.

Благодарю за ответы!

Выбрал патч по вашей ссылке
9.4 dBi @ 90x90mm reflector + 59.4x53.5mm @ 8.5 mm.

Естественно, первый патч - появились чайниковые вопросы.

1. Непонятно, толщина в 1мм чего указана на схеме - рефлектора или воздушного патча?
Или для обоих?
Будет ли фатальной ошибкой попробовать и для рефлектора и для воздушного патча оцинковку 0.5мм толщиной?

2. Диаметр входного отверстия 1.8мм - это диаметр отверстия в воздушном патче для помещения в отверстие и пайку центральной жилы пигтейла?

3. Так и не понял, как же проверить патч антенну до ее установки в прототип датчика влажности?
Поможет ли NanoVNA оценить КСВ антенны и хотя бы примерно ее эффективность/фокусировку ?

1. Можно конечно применять пластины толщиной 0,5 мм с небольшой корректировкой размеров.
2. 1,8 мм - это не диаметр отверстия, а диаметр провода соединяющего центральный штырь входного разъема и патч. Разъем монтируется в отверстии рефлектора.
3. С NanoVNA можно не только проверить, но и подстроить антенну. Неплохой канал ютуба по этому устройству:
youtube.com/playlist?list=PL8_wQSRnm2v1dRwGvvaF-4pfwJCiK2tKh

Если разъем не планируется, а к антенне непосредственно будет припаян например RG58, то я проверю этот случай в симуляторе. Пока проверил что есть и подкорректировал размеры под 0,5 мм пластину

1. патч 54х60 мм
2. высота h=8,5 мм - от поверхности рефлектора до внутренней стороны патча
3. сдвиг стойки крепления вниз относительно центра 5 мм (вместо 6,5 мм)

Остальные размеры как есть.