Wi-Fi/3G/4G пушка, анализ и расчет

Сегодня мы с вами, уважаемый аноним займемся тяжелым вооружением, а именно разнообразными Wi-Fi/3G/4G пушками. Не так давно это оружие попало на Ютуб благодаря известным видеоблогерам под ником KREOSAN. Оно было подано в присущей этому видеоблогу манере как некий суперкреатив, поэтому анонима терзают смутные сомнения, а можно ли верить в достоверность всего этого? Давайте займемся поиском ответа на этот вопрос…

Прежде всего обратим ваше внимание, что сама идея этой Wi-Fi пушки была предложена И.Панченко на форуме lan23.ru еще в далеком 2007 году, но ни в видео, ни в описании к нему об этом нет ни слова. Не хороший поступок для суровых креосанов, не правда ли, Карл?

Правда стоит отметить, что на странице антенны на lan23.ru в описании и на картинке внизу размеры совершенно разные. Сразу скажем, что оба варианта рабочие, но какой из них выбрать?. Более того, на самом форуме и в сети можно найти еще до 3-4 различных вариантов размеров. Да и в самом креосановском видео мелькает чертеж, на котором рефлектор выполнен с бортиком, а в видео он без бортика, что опять порождает некие сомнения. Вариант без бортика изначально был предложен И.Панченко, обкатан им на реальном линке и доведен до ума по приборам, так сказать в боевых условиях. Он же реализован в видео KREOSAN. Чтобы все это понять, надо перечитать внимательно все обсуждение на форуме. А представьте себе когнитивный диссонанс анонима, который слабо понимает о чем вообще на форуме идет речь (ну не специалист он в антеннах СВЧ!) и впервые нашел это описание с непонятными размерами. Так что спасибо KREOSAN'у, что живой помог анониму определиться с выбором варианта. При анализе модели в HFSS наглядно видно, что антенна должна быть без бортика.

Характеристики Wi-Fi Пушки Креосана

КСВ пушки с бортиком и без	Усиление vs частота	КСВ с 50-и и 75-омной нагрузкой

Как мы видим, по КСВ < 2 антенна имеет очень широкую полосу пропускания. Это обуславливает ее относительно неплохую повторяемость, скажем так - не нулевую, что очень важно.  Плюс к этому и другие существенные преимущества антенны, о чем пишет И.Панченко в описании. Антенна известна еще со времен исторического материализма и расово правильное ее название ребристо-стержневая антенна (прямой перевод английкого названия "CORRUGATED ROD ANTENNA"), а вовсе никакая не "пушка". Вы можете увидеть один из ее вариантов еще на фото советского лунохода. Сейчас "new generation", не помнящие седой старины, дали ей название Patch-Yagi, Disk-Yagi. Кроме того, с легкой руки компании "Bester", производящей подобные антенны, такая конструкция приобрела и новое имя - BDM.

Стержень с массивом дисковых пассивных элементов представляет собой поверхностно-волновую структуру, работающую в режиме медленных волн. По принципу работы такой «волновой канал» аналогичен массиву линейных пассивных элементов в Яги-Уда. Поэтому пассивные диски можно заменить на линейные директоры, но только для линейно поляризованной волны. Принципиальное отличие BDM от Яги-Уда – это разница в активном элементе. В BDM активным элементом является патч-антенна, образованная двумя первыми самыми большими дисками. Как мы уже говорили, такой излучающий патч можно представить как «воздушную излучающую петлю» по краю зазора между дисками в которой протекает «магнитный ток». В этом состоит принципиальное отличие патча от электрического линейного диполя, и он имеет ряд преимуществ:

• Конструкция не требует использования балуна;
• Для технологии MIMO требуются две антенны с X-поляризацией. Такая конструкция позволяет объединить две такие антенны в одну, что дает возможность сэкономить на материалах;
• Небольшие изменения в конструкции патча позволяют преобразовать эту антенну в антенну с круговой поляризацией. Однако в истории с луноходом, где тоже использовалась круговая поляризация, в качестве активного элемента выступала спиральная антенна;

Конструкция имеет "наследственные" особенности от Uda-Yagi:

1. Это не какая-то отдельная конструкция, а целый класс антенн с бесконечным набором вариантов размеров для заданных характеристик, другими словами поиск "фактических", "окончательных" правильных размеров не имеет смысла;
2. При большом числе элементов повторяемость падает, т.е. длинную "пушку" с большим числом директоров и усилением 20 dBi и более без настройки по приборам сделать не получится, работать она будет, но не лучше, а возможно даже и хуже короткой, другими словами изготовление "суперпушки" с числом директоров более 8-и в кустарных условиях не имеет смысла;
3. "Пушка" с 6-ю дисками и с 7-ю дисками – это две РАЗНЫЕ конструкции с разными размерами. Произвольно добавлять и убавлять диски нельзя. Каждая конструкция уникальна и таких конструкций может быть множество (см. п.1)

Однако постоянные поиски анонимом "правильных" размеров все же имеют под собой некое основание. В интернете и особенно на ютубе полно откровенно шарлатанских материалов со взятыми с потолка размерами. Либо эти размеры были пересчитаны не совсем корректно (см. ссылку 6 в конце статьи). Кроме того, появляются "радисты-специалисты", которые довольно аргументировано, в солидной лаборатории, с использованием зоопарка профессиональных измерительных приборов, утверждают, что все кругом шарлатаны, а вот их пушка как раз единственно правильная. Причем эти "единственно правильные" размеры могут и не дать, а просто предложить купить у них готовую антенну. И что делать бедному самодельщику? Повторяем еще раз, единственно правильных размеров не существует в принципе, как не существует и на 100% идеальных конструкций по всем параметрам.

Можно и здесь предъявить некие претензии, типа данный набор размеров от И.Панченко не оптимален, неидеален, не кошерный, не православный и т.д., особенно если не получилась практическая реализация пушки. А где вы видели идеальные антенны? Антенна просто довольно неплохая, а после подстройки с помощью анализатора и вообще очень хорошая, вот и все. Это подтверждается, кстати, непосредственными измерениями:

Калькулятор для пересчета этой 7-дисковой пушки на другие частоты доступен только в нашем андроид приложении Cantennator. Тапайте на QR-код, если вы зашли сюда с мобильного или планшета или сканируйте этот код мобильным, если вы смотрите эту страничку на мониторе десктопа чтобы перейти на Google Play для загрузки. Не забудьте оценить приложение и оставить отзыв.

Особенности изготовления и конструктив антенны можно достаточно подробно посмотреть по ссылкам ниже. Отметим только, что толщину пластин можно менять в пределах 0,3..1 мм (рефлектор как несущий диск лучше взять толще, около 2 мм), а шпильки использовать не больше М6. Однако вероятность отрицательного результата будет намного меньше, если вы откажетесь от шпилек и будете паять диски на стальной или латунный штырь диаметром 2-3 мм (например на сварочный электрод как в оригинальной сборке). На самом деле применение шпилек с гайками не есть изобретение видеоблоггеров, а применялось намного раньше. Посмотрите хотя бы статью "ушкуйника" по ссылке [3]. Просто гайками удобно подстроить уже готовую антенну по приборам (см. картинку выше, где пушка с гайками подключена к измерителю импедансов). Если у вас нет приборов, от шпилек и гаек лучше отказаться и делать по оригинальной статье (ссылка [1]), либо применить в качестве разделителей между дисками отрезки металлической трубки. Очевидно, что загоняя в конструкцию немалой толщины гайки, вы расстраиваете антенну.

Хотелось бы обратить внимание, что эта ваша 6/7-дисковая «пушка Креосана» была в свое время разработана для Wi-Fi диапазона. Поэтому она не оптимизирована для 3G/4G диапазонов, а также по критерию расхода железа на децибел усиления. Другими словами, это не самый эффективный вариант «пушки» из возможных и по согласованию и по усилению. О влиянии гаек мы упомянули, а уж тупо, без расчетов, понаставить на нее кучу дополнительных одинаковых дисков, как делают некоторые ютуберы, меряясь друг с другом длиной своих «пушек» - полностью бессмысленное занятие. Оптимизированные конструкции «пушки» на некоторые диапазоны можно посмотреть по ссылкам ниже. Особо необходимо отметить, что данный класс антенн в целом следует признать весьма неудачным вариантом для самодельщиков у которых нет векторного анализатора по критерию повторяемости конструкции. На нашем сайте можно найти намного более эффективные антенны для DIY-шников, например "Сдвоенный квадроэллипс" для 3G/4G.

Кроме того, обращаем ваше внимание, что простое масштабирование по частоте «пушки Креосана», хоть с 6-ю, хоть с 7-ю дисками, не самое лучшее решение. В этой антенне слишком много не масштабируемых элементов. В итоге, пушка пересчитанная со сравнительно узкополосного диапазона Wi-Fi в широкополосный UMTS-2100 будет иметь КСВ>3. Вообще правильно и кошерно антенны рассчитываются в специализированных программах электромагнитного моделирования, о чем на сайте подробно написано. Поэтому в новой редакции этой статьи мы представляем читателю антенну с 8-ю дисками, рассчитанную, как и положено, в такой программе для основных диапазонов цифровой связи. Усиление антенны около 12,5 dBi, КСВ во всех диапазонах не превышает 1,6. Отношение усиления вперед/назад не хуже 15 dB. Входное сопротивление 75 Ом. Диски крепятся к шпильке не гайками, а с помощью распорок в виде "втулок-проставок" из трубки диаметром А. Гайки присутствуют только на концах антенны, где их влияние минимально. Расчетная толщина дисков 0,5 мм. Расчеты в симуляторе показывают, что для изготовления дисков вполне можно применять двухсторонний фольгированный стеклотекстолит толщиной 0,5 мм. Мы подробно рассказывали о недопустимости применения такого материала для изготовления СВЧ антенн. Но стоит не забывать о наличии скин-эффекта при котором ВЧ токи протекают только в тонком поверхностном слое проводника. В таком случае, при двухсторонней (именно двухсторонней!) металлизации, диск для волны "выглядит" также как и из сплошного металла. Отличие от сплошного металла на краях PCB диска не оказывает существенного влияния на параметры антенны.

Схематичное изображение разреза антенны (кликните для увеличения):

Подробнее о частотах LTE диапазонов здесь. Размеры элементов антенны сведены в таблицу:

Набор характеристик антенны (кликните на нужное изображение для увеличения):

Характеристики антенны для диапазона 800 МГц

Входной импеданс	КСВ	Усиление dBi

Характеристики антенны для диапазона 900 МГц

Входной импеданс	КСВ	Усиление dBi

Характеристики антенны для диапазона 1800 МГц

Входной импеданс	КСВ	Усиление dBi

Характеристики антенны для диапазона 2100 МГц

Входной импеданс	КСВ	Усиление dBi

Характеристики антенны для диапазона 2300 МГц

Входной импеданс	КСВ	Усиление dBi

Характеристики антенны для диапазона 2400 МГц

Входной импеданс	КСВ	Усиление dBi

Характеристики антенны для диапазона 2600 МГц

Входной импеданс	КСВ	Усиление dBi

Почему мы предлагаем антенну на 75 Ом когда входное сопротивление модемов/роутеров 50 Ом? Раз уж вам понадобилась внешняя эффективная антенна, то вероятнее всего она будет размещена на высоте не менее 5 м. При этом затухание в чаще всего используемом кабеле на 50 Ом - RG-58 составит более 4 дБ. При 10 метрах фидера затухание будет уже 8 дБ. И что останется от 12 дБ усиления антенны, друзья? Избежать этой проблемы позволяет использование толстого кабеля 50 Ом. Но такие кабели весьма и весьма дорогие. По этой причине многие специалисты предлагают использование обычного "телевизионного" недорого фидера RG-6 с 75-омной антенной. Рассогласование по входу с 50-омным роутером в таком случае повысит общий КСВ системы до двух. Это вполне приемлемая величина и потери от этого будут на порядок меньше, чем применение тонкого RG-58. Подробнее о подключении 75-омной сборки к 50-омному оборудованию можно прочитать здесь.

Не будем здесь поднимать хайп как на ютубе и кричать, что представленная в этой статье 8-дисковая пушка самая крутая. Это просто один из бесконечных вариантов данной антенны, не лучший, но и вовсе не худший. Выбор на него пал, потому что это один из вариантов с максимально возможным количеством дисков и, соответственно усилением, который можно попытаться собрать без настройки по приборам. Диаграмма направленности антенны примерно одинаковая во всех рабочих диапазонах:

Несмотря на наличие круглых элементов, поляризация у антенны линейная. Ось поляризации проходит через центр круга и центр коннектора. Таким образом, если мы разместим антенну так, что коннектор будет находиться на вертикальной оси, проходящей через центр антенны (вверху или внизу - без разницы), то антенна будет иметь вертикальную поляризацию. Если повернуть антенну вокруг оси на 90° так, что коннектор окажется сбоку от центра (справа/слева - без разницы), то поляризация антенны станет горизонтальной. Имейте это ввиду. На частотах 4G антенну можно использовать как MIMO, для этого достаточно подключить второй вход к активному диску под 90° к первому и на одинаковом расстоянии s от края диска (Как показано на рисунке, ну и это показал KREOSAN в своем видео по ссылке [6]). Те, кто прочитал статью о технологии MIMO, знают, что нам нужно иметь модем с двумя входами и две отдельных антенны с ортогональной Х-поляризацией. В случае круглого патча мы можем объединить эти две антенны в одной. Это позволяет существенно уменьшить расходы на "железо", что является большим преимуществом данной антенны. Хочу особо обратить внимание анонима, пришедшего сюда с ютуба, что не нужно делать никакой гальванической изоляции между рефлектором и активным диском, а также между входами MIMO. При двух MIMO входах развязка между ними, при ортогонально поляризованных каналах, составляет около 18-20 дБ. При одном входе вообще нет внятной причины делать изоляцию между дисками. Более того, такая изоляция может привести к выходу модема из строя по причине атмосферной статики. Более того, большинство современных модемов переключаются с внутренней на внешнюю антенну только когда "видят" по входу внешней антенны низкое сопротивление близкое к короткому замыканию. В конце концов нужно понимать, что короткое замыкание, измеренное по тестеру, в тоже самое время на СВЧ может оказаться бесконечным сопротивлением, т.е. как раз той самой изоляцией. Поэтому можно не сомневаться, там нигде ничего не "коротнет". Конечно если вы сделаете все аккуратно. Вот такой парадокс, малята. Здесь на breadboard не проверишь, тестером не прозвонишь (и не надо звонить!), здесь рулят волны, фотоны, кванты и коты Шредингера...

P.S: Необходимо обратить внимание на точку подключения фидера к антенне. На первом рисунке ниже изображен монтаж коннектора на фронтальной стороне рефлектора. Характеристики антенны очень существенно зависят от исполнения этого узла, в том числе от диаметра штыря питания и формы выступающей части диэлектрика у некоторых разъемов. Поменяли на разъем другой конструкции - характеристики уплывут. Нужно пересчитывать и настраивать под конкретный разъем. Например, даже дорогие N-коннекторы имеют несколько разных модификаций. Этот момент совершенно не учитывается всевозможными профессиональными радистами на ютрубе. Самодельщикам же можно и нужно подключаться непосредственно коаксиальным кабелем. На это и рассчитана наша 8-дисковая пушка. При этом рекомендуется продлить экранирующую оплетку выше рефлектора на высоту около (0.5..0.75)*X0. Это уменьшает паразитную индуктивность центрального штыря и улучшает характеристики антенны.

Выше можно видеть как неправильно и как правильно подключается коаксиальный кабель к «пушке». Применение переделанных F-коннекторов, как у Креосана, не только допустимо, но и рекомендуется. Только желательно продлить экранирующую оплетку как сказано выше.  Покупать дорогие N-коннекторы для непрофессиональной самодельной антенны по меньшей мере нерационально.

Предлагаются для скачивания шаблоны «пушки» по таблице из этой статьи с добавлением 50-омной оптимизированной 20-дисковой пушки по третьей ссылке ниже по тексту. Шаблоны в формате PDF, можно распечатать на самоклейке и наклеить на лист металла. В архиве с шаблонами есть авторское описание с усовершенствованной таблицей, в которую добавлены радиусы дисков (циркулем удобнее с радиусами работать) и длины втулок с учетом толщины дисков (при условии толщины дисков 0,5 мм!). Скачать архив можно по этой ссылке.

Оптимизированные конструкции "пушек":

• Широкополосная "пушка" LTE MIMO 1700-1900 мгц. (чертежи пушек из 12, 8, 5 и 4-х дисков; 5-и дисковую можно использовать как облучатель тарелки);
• Двенадцатидисковая пушка WiFi-2440, 50 Ohm, 14.15 dBi, SISO + MIMO 2x2;
• Двадцатидисковая пушка MIMO UMTS-2100, 50 Ohm, 12.9-14.0 dBi;

Ссылки по теме:

1. Конструкция облучателя 2400 МГц offset от Bester. - первоисточник описания пушки И.Панченко с подробным описанием технологии изготовления (размеры те же, что и в видео KREOSAN);
2. Облучатель для OFFSET-ки 2,4ГГц - основная (неусохшая) ветка форума lan23, посвященная антенне;
3. Самодельная антенна WiFi. Аналог облучателя Bester - подробное описание технологии изготовления пушки на  give-all.biz;
4. Patch-Yagi антенна (MD24-12) - еще один вариант ребристо-стержневой антенны на lan23;
5. Wi-Fi пушка от KREOSAN - видео на Youtube;
6. Расчетные характеристики оригинальной Wi-Fi "пушки Креосана";
7. 3G пушка от KREOSAN - видео на Youtube;
8. О Patch антеннах - основы;
9. Простая Path-антенна на печатной плате;
10. «Обрезанная пушка» из консервной банки с усилением 8.5 dBi;
11. Модели квадратных патч-антенн от Ю.Пилипенко, альтернатива для тех кому квадраты вырезать проще чем круги.
12. Антенны Bester - для тех, кому проще купить готовую "пушку";
13. Широкополосная антенна Batwing для всех основных диапазонов 3G/4G и Wi-Fi одновременно.
14. Антенна «Гнутик» - простая проволочная антенна с усилением более 13 dBi для диапазонов 3G/4G и Wi-Fi
15. Антенна "Эллипс-патч 2х2" для диапазона 2100 МГц с усилением 15 dBi
16. Антенна сдвоенный квадроэллипс на диапазоны 3G/4G
17. Эффективная "пушка" с рупорным рефлектором на диапазоны 800 и 900 МГц