Широкополосная 4G антенна Харченко 1800+2100МГц

Антенна Харченко имеет большую популярность у радиолюбителей. Начав свой жизненный путь в 60-х годах прошлого века как телевизионная антенна метровых волн, в настоящее время она продолжает его в 3G/4G диапазонах уже на сантиметровых волнах. Мы подробно описывали достоинства этой конструкции, но недостатки у нее тоже имеются, как и у любой другой антенны. Особо следует выделить трудность ее согласования и симметрирования с коаксиальным фидером на СВЧ диапазонах. В результате в сети полно конструкций с подключением двумя проволочками как на изображении в шапке статьи, либо просто напрямую к коаксиалу, что совершенно недопустимо. Кроме того такая антенна имеет недостаточную ширину полосы пропускания в самом широком диапазоне — 2100 МГц. Оба эти недостатка позволяет решить предлагаемая конструкция, причем с лихвой. Так, что антенна Харченко превращается в двухдиапазонную. В настоящее время с расширением сетей 4G такие конструкции становятся весьма актуальными...

Для согласования антенны с фидером можно использовать коаксиально-щелевой балун. Однако, если его модернизировать и сделать из плоских пластин, его свойства почти не изменятся, а изготовление значительно упростится. Такой балун можно рассматривать как трех-проводную длинную линию, которая обладает тремя очень важными свойствами:

1. По схеме подключения она является по сути 1:1 балуном напряжения Рутрофа. Это позволяет легко добиться симметрирования или отсечки тока во внешней оплетке фидера.
2. Ее длина близка к четверти длины волны. Это позволяет, путем подбора волнового сопротивления этой трех-проводной линии, задействовать ее в качестве трансформатора сопротивлений, если входное сопротивление излучающего элемента отличается от волнового сопротивления фидера.
3. Внешние два «холодных» проводника этой линии имеют короткое замыкание в точке перехода к коаксиалу и эквивалентны четвертьволновому короткозамкнутому шлейфу, подключенному параллельно рамке. Такой шлейф по свойствам подобен параллельному колебательному контуру. Сам же зигзаг Харченко по свойствам подобен последовательному колебательному контуру. Чтобы наглядно это увидеть нужно сравнить как изменяется реактивность этих структур в точке резонанса. Для этого воспользуемся HFSS design и Circuit design, которые входят в один пакет программ ANSYS Electronics Desktop:Для нас важен тот факт, что в точке резонанса реактивность параллельного контура меняет знак с плюса на минус или другими словами, меняется с индуктивной на емкостную, а у последовательного контура наоборот. При последовательном подключении таких структур их реактивности взаимно компенсируются. Это свойство широко используется для создания широкополосных фильтров способных перекрыть несколько октав. Радиолюбители, использующие программу LTSpice, могут в папке examples\Educational посмотреть модели таких фильтров:Подобным образом работает и последовательное соединение зигзага Харченко с трех-проводным балуном. Мы получаем широкополосную конструкцию, которая не только легко перекрывает диапазон 2100 МГц, а даже способна захватить два диапазона 1800 и 2100 МГц одновременно.

Конструктивно такой балун можно реализовать и другими способами, совершенно не похожими на коаксиально-щелевой. Можно все проводники трехпроводного балуна расположить в одной плоскости. Кроме того, его можно сделать в виде тонкослойного «сандвича» с диэлектрическими прокладками между проводниками. Это дает возможность реализации этой идеи в виде плоских или печатных конструкций, подробнее с фото можно посмотреть здесь. Кроме того, такой балун можно сделать не только из плоских пластин, но и из круглого провода.

 У классической конструкции антенны Харченко, которую рассчитывает наш калькулятор, для достижения входного сопротивления рамки близким к (50)75 Ом приходится значительно уменьшать расстояние offset от рамки до рефлектора. Это дополнительно сужает полосу пропускания антенны. При работе рамки совместно с балуном мы можем задать это расстояние близким к оптимальному значению λ/4. Рассчитано три варианта конструкции. С балуном из плоских пластин с входным сопротивлением 50 или 75 Ом и 75-омный вариант с проволочным балуном. Как выбрать входное сопротивление антенны можно посмотреть здесь. Как правильно согнуть рамку и почему важна общая длина провода? На эти вопросы даны подробные ответы вот тут. Входное сопротивление антенны 50 или 75 Ом. КСВ в пределах рабочего диапазона 1700-2100 МГц не превышает 1.25. Усиление около 11dBi. Поляризация антенны вертикальная.  Все размеры сведены в таблицу ниже.

Рефлектор антенны сделан в виде коробчато-рупорного ящика, который закрывается пластиковой крышкой. Кроме основной своей «электрической» функции он защищает конструкцию от атмосферных осадков и пыли. Выкройка рефлектора:Как вырезать и согнуть коробку подробно изложено в описании патч-антенны 800 (900) МГц, где мы использовали подобный короб, только с квадратным дном. Просто в данном случае размеры по ширине и высоте отличаются, но алгоритм выреза выкройки и складывания короба остается тем же. Не забываем, что диагонали S дна короба должны быть одинаковыми. В точке пересечения диагоналей сверлим отверстие под коннектор. Зигзагообразная рамка изготавливается из провода диаметром dw и крепится на лепестки балуна. Крайние точки по размеру L можно закрепить на металлические или диэлектрические стойки к рефлектору.Рамка изгибается по направляющим диаметром Dg. При этом важно выдержать точность общей длины провода. Точность размеров L и T не так важна. Размеры  qs1 и  qs2 — это расстояния между соответствующими точками на проводе с учетом поворотов. Сумма этих двух размеров равна четверти общей длины провода. Подробнее об этом здесь.

Балун можно вырезать из плоской жести толщиной 0,3...0,5 мм или сделать из того же провода как и сама рамка. Волновое сопротивление проволочного балуна сильно зависит от расстояния gap. Играют роль десятые доли миллиметра. Это недостаток такого решения, однако владельцы антенных векторных анализаторов, например такого, могут легко подстроить антенну подгибая/отгибая «холодные» провода балуна. Вторым недостатком проволочного балуна является его повышенное излучение, которое немного искажает диаграмму направленности антенны. Однако несомненное преимущество этого решения в его простоте.

Характеристики антенны выглядят следующим образом (кликните для увеличения):

Характеристики антенны 50 Ом с плоским балуном

Входной импеданс	КСВ	Усиление dBi	Диаграмма направленности	Отношение излучения вперед/назад dB

Характеристики антенны 75 Ом с плоским балуном

Входной импеданс	КСВ	Усиление dBi	Диаграмма направленности	Отношение излучения вперед/назад dB

Характеристики антенны 75 Ом с проволочным балуном

Входной импеданс	КСВ	Усиление dBi	Диаграмма направленности	Отношение излучения вперед/назад dB

Такую конструкцию с применением балуна для расширения полосы пропускания антенны можно использовать не только с проволочными рамками, но и с вибраторами или другими симметричными антеннами. Нужно только проследить, чтобы реактивность излучающего элемента в точке резонанса меняла знак с минуса на плюс. Так бывает не всегда. В случае волнового вибратора или в щелевой антенне, например в Батвинге, характер изменения реактивности противоположный, и их использование совместно с таким балуном может наоборот уменьшить полосу пропускания антенны. В щелевых антеннах вообще-то все наоборот. Достаточно вспомнить, что в них течет «магнитный ток» вместо привычного электрического.

Ссылки по теме:

• Согласование и симметрирование;
• Широкополосное согласование параллельным LC контуром в точке питания - DL2KQ;
• BiQuad 1-Lambda 1600-2200 MHz + Balun Ruthroff @ 50 Ohm - прототип моделей антенн данной статьи;
• L4 microstrip slot-balun - различные варианты трехпроводного балуна;