Делаем простейшую антенну

В обзоре векторного анализатора nanoVNA я обещался написать, как спроектировать простейшую антенну. Выполняю обещание — все настолько просто, что даже я с этим справился. А значит, это любому по плечу. Для высокорослых даже еще проще :)

Будем делать ненаправленную (до какой-то степени) антенну на 868 МГц — например, для трансмиттера LORA может пригодиться. Когда-то я аналогичную использовал для управления самолетиками и передачи телеметрии с них — как-то я это описывал здесь.

Очень удобно — на пенопластовое крыло просто наклеиваются две полоски медной фольги — вот и вся антенна. Очень легкая, места не занимает и работает очень даже хорошо.
Попробуйте увидеть на фотографии антенну.

— Видишь суслика?..
— Нет…
— И я не вижу… А он есть!

Казалось бы, проще четвертьволнового штыря ничего не бывает. Но не тут-то было — явной земли у такой антенны нет, в качестве земли выступает корпус вашего аппарата, хорошо еще, если он зеленый и плоский большой и металлический. Но в любом случае, никаким подсчетам такая «земля» не поддается. Но даже при идеальной земле волновое сопротивление такого штыря, если склероз не изменяет, 36 ом, что плохо согласуется с импедансом приемников/передатчиков, обычно равным 50 ом. Надо делать согласующие цепи или противовесы. С противовесами конструкция становится слишком громоздкой.
Второй очевидный вариант — диполь. С землей проблем нет, но волновое сопротивление в районе 73 ом, для телевизоров с их 75-омным входным сопротивлением — очень хорошо, а для 50-омной техники — без согласования никак.
Слава богу, нам сильно думать над решением не надо — все уже украдено придумано до нас.

И это решение — V-образная антенна. Тот же самый диполь, но его лучи идут не под 180 градусов друг от друга, а под более острым углом. Вся фишка в том, что уменьшая угол между лучами, мы уменьшаем и волновое сопротивление. И можем подогнать его под нужные нам 50 Ом. Правда, при этом уползает резонансная частота антенны — поэтому для расчета лучше воспользоваться программой, благо уже много-много лет (по-моему, с 80-х годов) существует бесплатная программа MMANA-GAL. С тех пор появились и более интересные программы, и бесплатных среди них хватает — но воспользуемся классикой.



Эта программа не проектирует антенну сама, она лишь позволяет симулировать спроектированную вами антенну. Ее ограничение — антенна должна состоять из отрезков прямых линий. Т.е. любимый FPV-шниками клевер надо представить прямыми отрезками, вручную нарисовать такую антенну нереально. Патчи, керамические и лихо закрученные антенны — это тоже не для нее. А наша пара проводков — это самое то.
Работает MMANA под Windows, под Wine в Linux запускается без проблем.

Пользовательский интерфейс не совсем очевидный и кривоватый, подробное описание на русском можно найти вот в этой книжке — И. Гончаренко Компьютерное моделирование антенн. Все о программе MMANA.

Если вам надо антенну посложнее, тот же хеликс или клевер — лучше найти другую программу, например, 4nec2 — тоже бесплатная, но я ей не пользовался. Там проектирование выглядит попроще.
Кратко опишу, как я делал.

Главная вкладка «Геометрия» — по логику вещей вроде как тут и надо определять геометрию антенны — не обольщайтесь, замучаетесь. Здесь нужно задать название антенны и частоту, на которой она должна работать. И определить, в чем будем измерять — в метрах или лямбдах (длина волны). Диаметр провода проще определить в миллиметрах, а все остальное — в лябдах. Еще эта вкладка понадобится для определения источника сигнала — место, куда вы подведете энергию к антенне. У меня это w1b. Это просто подключение к проводу 1 (w1) и следующая буква b — начало. Может быть e — конец или c — середина. Это самые простые случаи, остальные — в книжке описаны.



Следующая вкладка — «Вид». Здесь можно увидеть, что вы нарисовали и где находится источник.



Обратите внимание, у каждого провода определены начало и конец, и на этой вкладке вы можете их поменять.



Но самая удобная вкладка дальше. Во вкладке «Вычисления» есть кнопка «Правка провода» — вот это самое оно и есть. Этим редактором и будем пользоваться.



По сути дела будем играться с длиной сегмента для установки частоты и зенитным углом для установки сопротивления. Острее угол — меньше сопротивление, короче провод — выше резонансная частота. Для начала выбираем значение от балды, но не совсем — длина провода будет четверть длины волны, а угол — строго какой попало. Не забывайте — у нас два провода, менять все нужно симметрично.



Выбрали — выходим из редактора и симулируем, жмем кнопку «Пуск» на вкладке «Вычисления».
Жамкаем «Графики», чтобы увидеть наглядно, что нужно подстраивать.



Если частота с минимумом КСВ отличается от нужной — подгоняем длину провода, укорачивая для увеличения частоты и удлиняя для уменьшения.



Для настройки сопротивления меняем зенитный угол: меньше угол, меньше и сопротивления. Настройки взаимозависимы, идем маленькими шагами к цели. Когда надоело — можно попробовать нажать кнопку «Оптимизация» — с такой простой антенной, которая более-менее близка к цели, оптимизация скорее всего удачно сработает.
Итак, получилось два луча длиной 84.2 мм с углом между ними 47.9х2=95.8º — очень близко к температуре кипения воды :)

С направленностью проблема, она связана с землей.
Представим себе сферического коня в вакууме — т.е. наша антенна в абсолютно свободном пространстве. Диаграммы направленности выглядят вот так:



Теперь опустимся ближе к грешной земле — для примера, антенна поднята на 2 метра над идеальной землей:



У MMANA много вариантов выбора типов земель — играться можно, но все-равно на практике будет что-то другое. Помнится, в университете был даже курс — «Распространение радиоволн» — но через несколько десятков лет в памяти, кроме названия курса, ничего не осталось.

Теперь берем проводки — я использовал сварочную проволоку для полуавтомата диаметром 0.8мм — она пружинистая и сверху покрыта медью, для небольших антенн очень неплохой материал, обычная медь слишком мягкая. Вот такая антенна получилась:



Подключаем к векторному анализатору, как им пользоваться, я уже описывал здесь (не забудьте про калибровку перед измерением!)



Напомню, нас интересует красная точка на диаграмме Смита:



Что видим: КСВ 1.34, сопротивление 39 Ом на частоте 869 МГц. Т.е. угол выставлен неправильно, слишком острый.



Чуток разгибаем провода:



Теперь КСВ 1.03, сопротивление 51 Ом на частоте 868.5 МГц. На этом, пожалуй, стоит и остановиться, куда уже лучше?

На сим позвольте откланяться, про антенны и векторные анализаторы торжественно обещаю больше никогда не писать, тем более, что я в них ничего не понимаю.

Уважаемый редактор, может, лучше про реактор?
Про любимый лунный трактор? Ведь нельзя же, год подряд
То тарелками пугают, дескать, подлые, летают,
То у вас собаки лают, то руины говорят.