Панельная антенна «Эллипс-патч 2х2» для диапазона 2100 МГц

Большинство конструкций СВЧ антенн для 3G/4G, представленных на нашем сайте, можно назвать любительскими непрофессиональными антеннами. В отношении антенны «Эллипс-патч 2х2» такого не скажешь. Чем отличается профессиональная антенна от любительской? Если провести «медицинскую» аналогию, то это как разница между БАД-ами и сертифицированными лекарствами. Возможно первые и помогают, но они не признаны профессиональным сообществом за лекарства. Та же ситуация и с антеннами. И точно также, как среди БАД-ов сплошь и рядом можно встретить откровенные фейки, так и в области антенн есть свои мифы и фейки. В профессиональной среде для диапазонов Wi-Fi/3G/4G особой популярностью пользуются патч-антенны. Они имеют ряд неоспоримых преимуществ в СВЧ диапазоне и антенна «Эллипс-патч 2х2» относится именно к этому классу антенн.

Почему профессионалы выбрали именно патч для диапазона СВЧ? В чем его преимущества? Вот их неполный список:

• Возможность прямого выхода на коаксиальный кабель без применения специальных симметрирующих устройств (балунов);
• Возможность подстроить как на 50 так и 75 Ом входное сопротивление путем незначительных модификаций конструкции;
• Ровная симметричная диаграмма направленности с очень малым уровнем боковых лепестков;
• Небольшая глубина панельной компоновки по сравнению с антенной Харченко и другими рамочными (зазор вибратор-рефлектор очень маленький);
• Для симметричных по вращению на 90° патчей (круг или квадрат) можно от одного патча получить два ортогональных MIMO выхода с развязкой 23...30 dB, что приводит к солидной экономии на железе;
• Проще сделать стек (ФАР) из-за простоты изготовления полосковых линий над сплошным экраном с любым необходимым волновым сопротивлением;
• Большое подавление внеполосных излучений, что в условиях современной сложной электромагнитной обстановки играет немаловажную роль;
• Гальваническое короткое замыкание по цепи питания, что важно для защиты от атмосферной статики;
• Из недостатков можно отметить повышенный вес и парусность, однако это больше создает проблемы при изготовлении патч-антенн для частот ниже СВЧ;

Wi-Fi диапазон имеет относительную полосу частот всего 2%. В отличии от него, диапазон UMTS(LTE) 2100 Мгц занимает полосу уже более 12%. Как видите, это две большие разницы, поэтому нужно понимать, что любая, даже профессиональная Wi-Fi антенна, которую мы промасштабируем на частоту 2100 МГц, становится уже «любительской». Для этого диапазона нужно проектировать другую широкополосную эффективную антенну.

Для создания такой широкополосной антенны нам нужно выбрать подходящую форму и размер патча. Чтобы понять как работает патч в формировании дальнего поля антенны можно применить принцип эквивалентности излучающей щели проволочному вибратору. В таком случае с некоторыми упрощениями патч можно представить как некую эквивалентную виртуальную рамку, расположенную над рефлектором, с «магнитным током» эквивалентным электрическому в реальной рамке. Периметр такой рамки равен периметру патча. Для уменьшения добротности и расширения полосы пропускания рамки мы применяем более толстый провод, что в нашем случае эквивалентно увеличению расстояния патч/рефлектор. Однако на этом пути имеется жесткое ограничение. При увеличении зазора выше некоего предела (примерно около 7..9 мм на частотах до 2700 МГц) появляются нежелательные моды излучения высоких порядков и направленность антенны резко падает. Другой способ расширения полосы - многоэтажные патчи по типу «пушки» или Patch-Yagi. Каждый этаж в отдельности это высокодобротный резонатор, а в целом эта система эквивалентна многозвенному полосовому фильтру с полосой шире, чем у отдельного контура. Третий путь расширения полосы, который мы уже применяли для создания антенны Харченко для DVB-T2, - это применение более высокоомных рамок (в нашем случае патча) с периметром 1,5 или 2 длины волны. Такие рамки менее добротны и более широкополосны за счет более высокого сопротивления излучения (не путать с входным сопротивлением и сопротивлением потерь). Специальные исследования показывают, что наиболее эффективен патч с периметром в 2 длины волны в форме эллипса с соотношением сторон 0.6 (с эксцентриситетом 0.8). В этом случае приходится отказаться от прямого выхода на фидер и появляется проблема согласования такого высокоомного патча, которая относительно просто решается с помощью четвертьволнового отрезка полосковой длинной линии. Впервые такой патч был предложен UVE на форуме lan23 в 2010 году (здесь вы видите авторское фото). Используя стек из нескольких таких патчей в сочетании с полосковыми линиями можно создать широкополосную эффективную антенну с высоким усилением для диапазона 2100 МГц. Таких конструкций было предложено несколько, с дополнительными техническими решениями, ссылки на некоторые них собраны в конце статьи. Здесь же для повторения предлагается конструкция «Эллипс-патч 2х2» авторства yurik82, которая, как отмечает автор, является модификацией популярной модели «Энтропия» авторства ведущего инженера НПП «Антекс» Сергея Сычугова (ее изображение можно видеть в шапке статьи).

Усиление антенны в пределах рабочей полосы частот 15.. 15.7 dBi, КСВ в пределах рабочего диапазона не превышает 1,25. Поляризация - вертикальная. Антенна имеет две модификации с входным сопротивлением 50 и 75 Ом. Эти модификации различаются только конструкцией и местом расположения точки питания. Подробные характеристики антенны с графиками КСВ, усиления и т.д. доступны на авторском ЖЖ по двум последним ссылкам в конце статьи. Конструкция антенны состоит из сплошного рефлектора над которым с помощью пластиковых втулок и болтов крепятся четыре эллиптических патча. Каждый патч запитывается с помощью металлического лепестка, который припаивается посередине широкого края эллипса. Все патчи соединяются по последовательно/параллельной схеме проволочными фазированными несимметричными длинными линиями. Подробная инструкция по изготовлению антенны:

1. Рефлектор 30х24 см изготавливается из оцинкованной или нержавеющей стали. При толщине менее 1 мм желательно армировать поперечинами из уголков или другого профиля.
2. Патчи эллиптические, 110х66 мм из подходящего цветного металла толщиной 0.5-1 мм на высоте 19 мм от рефлектора. Распечатать шаблон можно из CorelDraw, AutoCAD или любой векторной программы. Присылайте свои шаблоны, опубликуем здесь. Отверстия для крепления патча болтом смещены на 8 мм от центра эллипса.
3. Шаг фазированной решетки - 150 мм по горизонтали, 120 мм по вертикали по центрам эллипсов. Так как отверстия для болтов крепления смещены на 8 мм от центра, то по вертикали разнос между отверстиями для крепления патчей в рефлекторе будет 136 мм.
4. Патчи крепятся на любые пластиковые широкие втулки (например из 1/2" ПВХ трубы) высотой 19 мм с помощью металлических болтов и гаек М3...М5 (любые подходящие). Через эти болты эллипсы имеют гальванический контакт с рефлектором.
5. Лепестки питания патчей шириной 12 мм и высотой 17 мм + небольшой запас для изгиба и пайки. Длина лепестков должна быть такая, чтобы с учетом этого изгиба лепесток не доходил 2 мм до рефлектора. Расстояние 53.5 мм между патчами по вертикали на схеме указано с учетом толщины лепестка 0.25 мм. Умельцы не испытывающие дефицита в материалах могут вырезать патч и лепесток из одного куска металла.
6. Три фазированные линии передачи изготавливаются из медного провода электропроводки 4 мм² (Диаметр 2.25 мм).
7. Длина вертикальной фазированной линии около 76.8 мм (77 мм) от торца лепестка до торца лепестка. Линия изгибается в 2 точках вокруг трубки диаметром 14-15 мм. Точность формы не принципиальна (при сохранении общей длины), но должна быть максимально похожей на чертеж с примерно равными зазорами по полтора сантиметра между горизонтальными участками и патчами.
8. Все три линии монтируются на высоте 2 мм от рефлектора по всей своей длине. На время монтажа удобно подложить калибровочные подкладки соответствующей толщины. Затем в нескольких точках можно капнуть термо-клеем для фиксации.
9. В версии на 50 Ом нужно вырезать из любого подходящего металла кружок диаметром 12 мм и припаять сверху на высоте примерно 4 мм от поверхности рефлектора к центру горизонтальной фазированной линии. Кружок нужен для компенсации реактивности входного импеданса антенны. Непосредственно по центру этого кружка снизу к фазированной линии подключается порт питания.
10. В версии на 75 Ом кружок уже не нужен. Необходимо вырезать из латуни 0.3 мм (проще паять) или другого металла прямоугольник 15х38 мм (+1 мм запас), работающий в качестве трансформатора сопротивлений. У одного края прямоугольника обрезать углы, чтобы получить сужение с 15 до 11 мм, по 2 мм с каждого края убрать на длине 5 мм. Прямоугольник припаять к центру горизонтальной фазированной линии так, чтобы он по всей длине был на расстоянии 4 мм от рефлектора. Расстояние от центра горизонтальной фазированной линии до порта питания 38 мм.
11. Фидер 75 Ом вводится через рефлектор с помощью F-гнезда и припаивается к обрезанному краю прямоугольного трансформатора.
12. Всю конструкцию можно упрятать в подходящую пластиковую коробку. Это позволит избежать воздействия атмосферных осадков. При запасе в полосе пропускания, влиянием коробки на характеристики антенны можно пренебречь.

В заключении несколько слов для антенщиков DIY-шников, попавших сюда с ю-трубы и изготовивших не одну «пушку Креосана». Чем эта антенна лучше знаменитой «пушки»? Кроме того, что она профессиональная, а не любительская, можно выделить следующие преимущества:

• При сравнимом расходе «железа» она имеет усиление в среднем на 5 dB выше. Говоря проще, она в три раза мощнее «пушки». В ТРИ раза! В три раза, КАРЛ!
• Рукастые радисты знают как непросто настроить многозвенный полосовой фильтр. И уж тем более ожидать, что он заработает «искаропки» без настройки по приборам. «Пушка» же, как мы отметили выше, подобна такому фильтру. Поэтому маловероятно, что «пушка» с числом дисков больше 10 у вас вообще заработает, если у вас нет под рукой антенного анализатора. Высокоомные патчи широкополосны «по жизни», поэтому у вас больше шансов на положительный результат просто при аккуратном повторении конструкции.
• «Эллипс-патч 2х2» имеет большой запас в полосе пропускания по критерию КСВ<2 и значит ваши шансы на успех еще более возрастают. Говоря проще, в сравнении с «пушкой» антенна более повторяема или менее чувствительна к кривым рукам.
• Легче подобрать или изготовить пластиковую коробку для антенны.

Вы скажете, что сложно вырезать эллипсы? Да, не просто. Но, во-первых, ровный круг вырезать тоже не совсем просто. Во-вторых, можно немного и под напрячься, чтобы почувствовать себя профессионалом. В любом случае, при создании профессиональной антенны прямыми линиями не обойтись, что мы уже отмечали в статье про антенну Extended Batwing. Но вообще то можно и не эллипс, «квадроэллипс», если что...

Ссылки по теме:

1. Patch Ellipse 2x2, 1710-1880 MHz (GSM/LTE-1800) 16.4 dBi @ 50Ω - вариант "Энтропии" от Сергея Сычугова на диапазон 1800 МГц
2. Прототип антенны - широкополосный патч от UVE
3. Double Elliptic Patch Двойной Эллиптический Патч 12dBi от Jomy
4. Прототип стека из четырех эллипсов на lan23.ru
5. Панельная антенна «Энтропия» 15dbi 3G 1900-2200 мГц авторства инженера фирмы «Антекс» Сергея Сычугова.
6. Оригинальные чертежи и графики от yurik82 вариант 50 Ом - Patch Ellipse 2x2, 1920-2170 MHz (UMTS/LTE-2100) 15.1-15.7 dBi @ 50Ω
7. Оригинальные чертежи и графики от yurik82 вариант 75 Ом - Patch Ellipse 2x2, 1920-2170 MHz (UMTS/LTE-2100) 15.0-15.7 dBi @ 75Ω
8. Вариант с рупорным рефлектором с повышенным усилением от yurik82 - Patch Ellipse 2x2 Rupor, 1920-2170 MHz (UMTS/LTE-2100) 15.9-16.7 dBi @ 50Ω
9. Антенна сдвоенный квадроэллипс на диапазоны 3G/4G