Kollineár antenna készítése 868MHz frekvenciára

A következőkben egy kollineáris antenna készítését és behangolását fogom bemutatni 868MHz frekvenciára. Ez a korábbi, monopólus antennához képest szintén egy alacsony költségvetésű megoldás, ami szinte tényleg pár száz forintos befektetéssel megvalósítható néhány egyszerű hozzávaló felhasználásával. A monopólus antennához képes ennek már némileg bonyolultabb az elméleti háttere, ugyanakkor kis odafigyeléssel a gyakorlati kivitelezése kevésbé nehezebb.

Építésnél szintén a műhelyben fellelhető anyagokra hagyatkoztam. Kültéren sajnos jelen formájában nem igazán állna helyt, hiszen mérete és felépítése miatt eléggé sérülékeny. Ennél az antennánál a kedvező tulajdonságai miatt viszont már elgondolkodtam a burkolatba építésről, bár megfelelő anyagok hiányában ezt a kísérlet után végül nem tettem meg.

Kis elmélet az antennáról

A kollineáris antenna olyan dipólus, vagy negyedhullámú antennák tömbje, melynek elemei közös tengely mentén helyezkednek el, egymással párhuzamosan. A dipólokhoz és a monopólus antennákhoz hasonlóan függőleges helyzetben egyenletes sugárzási mintázatot nyújtanak a térben, az antennára merőleges irányban. A vertikális tömbbe rendezés célja, hogy növekedjen a vízszintes irányban kisugárzott energia, illetve csökkenjen az ég, illetve föld felé sugárzott energia, ami a felhasználás során nem hasznosul. Az ilyen módon összekapcsolt antennák sugárzási intenzitása elméletileg összeadódik, gyakorlatilag viszont keletkeznek veszteségek. Az összekapcsolt tagok között 180 fokos fáziseltolást szükséges megvalósítani.

Elkészítés

Ezeket az antennákat házi körülmények között is viszonylag olcsón és könnyen el lehet készíteni. Az elkészítésre ilyen módon kétféle lehetőség is kínálkozik. Gyakran készítenek ilyen antennát koaxiális tápvezetékből is oly módon, hogy negyedhullámú hosszúságú kábeleket forrasztanak össze egymás után sorban. Az összekötést úgy alakítják ki, hogy az első darab tápvezetője a második darab árnyékolóköpenyével, az első darab árnyékolása pedig a második darab tápvezetőjével kerül összekapcsolásra, majd így tovább, minden újabb darab az előzővel ellentétesen kerül összekötésre. Az összekötési pontok ilyen módú kialakítása fogja biztosítani az antennák közötti kapcsolatot úgy, hogy közben a 180 fokos fázisfordítás is megvalósul. Ez az antennaszerkezet azonban gyenge ahhoz, hogy képes legyen önmagában függőelegesen állni, ezért ezt a konstrukciót rendszerint szükséges valamilyen műanyag, vagy üvegszál erősítésű csőbe építeni, ami megfelelő stabilitást tud biztosítani a számára.
További nehézség, hogy a kábeldarabokat nagyon pontosan kell méretre vágni, forrasztásra előkészíteni, valamint ismerni kell a felhasznált kábel tulajdonságait is.

Talán egyszerűbben és gyorsabban kivitelezhető az a verzió, mikor az antenna egyetlen vezetőből kerül kialakításra. Ebben az esetben az elemek közötti kapcsolatot fázistekercsek biztosítják a szükséges fáziseltolás elérése érdekében. Az így készült antenna már egy stabilabb szerkezet, de kültéri alkalmazás esetén ebben az esetben is elengedhetetlen valamilyen burkolattal ellátni.

Az én kollineáris antennám

Úgy döntöttem, hogy az egy huzalból kialakítható konstrukciót választom az egyszerűbb elkészíthetősége miatt. Egyébként ebben a témában sokféle elkészítési példa fellelhető az interneten. Én https://martybugs.net/wireless/collinear.cgi weboldalon ismertetett megoldás alapján készítettem el a saját változatomat.

Az antennámhoz a következő anyagokat használtam fel:

  • 1,7mm átmérőjű tömör rézvezeték (villanyszereléshez használatos)
  • Forrasztható SMA csatlakozó (később N csatlakozóra cseréltem a nagyobb stabilitás érdekében)
  • Derékszög rögzítőelem
  • Néhány csavar, kötegelő és farúd az árbócra szerelés demonstrálásához
  • VNA

Ha minden anyag rendelkezésre áll, első lépésként fontos meghatározni az antenna méreteit, melyet a hullámhosszból lehet kiszámolni, amit az a frekvencia fog meghatározni, amire az antennát készítjük. 868MHz frekvenciájú a jel hullámhossza 345,38302mm. Az egyszerűbb tervezés érdekében előre kiszámoltam néhány további fontos méretet.

  • ½ hullámhossz = 172,69151mm
  • ¼ hullámhossz = 86,345755mm
  • ¾ hullámhossz = 259,037265mm

A hurkok átmérője 15mm méretben van meghatározva a fent említett oldalon, ugyanakkor ahány példát láttam, annyiféle méretet a hurok átmérőjére. Ahogy én észrevettem, ezt a cső belső átmérőjéhez igazítják, melybe majd a kész antenna kerül behelyezésre. További eltérés az elmélethez képest, hogy a legtöbb építésnél ¼ hullámhosszú tagok helyett ¾ hullámhosszú tagokkal dolgoznak.

Mivel nem volt tapasztalatom még ilyen típusú antenna építésében, igyekeztem a gyakorlatiasabb példákat követni, hiszen a mérés alkalmával úgyis be fog bizonyosodni, hogy mennyire jó a méretezés.

Építés

Első lépésben kiegyenesítettem, majd lecsupaszoltam a megfelelő átmérőjű rézvezetéket. Ezzel kis idő azért elment, mire egy feltekert, összehajtogatott rézhuzalból valamennyire egyenes darabot sikerült hajtogatni. Más példákban láttam, hogy az AWI hegesztésnél használatos pálcák is alkalmasak antenna készítésére, de nekem ilyenem sajnos nem volt, illetve nem tudom, hogy mennyire forrasztható az az anyag. A vörösrézzel kapcsolatban ilyen aggodalmaim nem voltak.

A kiegyenesített huzalból elsőként kialakítottam egy ½ hullámú tagot. Ennek végén elkészítettem a fázisfordító tekercset, majd ezt követte két további ¾ hullámú tag tekerccsel elválasztva. Tudomásom szerint az antenna tetején lévő tagnak valamivel rövidebbnek kell majd lenni, mint ¾ hullámhossz, de gondoltam, hogy majd a hangolással rövidíteni fogom. Visszavágni könnyebb, mint toldani.

Mivel ez csak egy kísérlet és elsősorban beltéren fogom kipróbálni, így elegendőnek láttam egy SMA csatlakozóval megoldani az antenna csatlakozását. Ennek leginkább csak praktikussági okai voltak, hiszen a műszerem és hosszabbító kábeleim mind SMA csatlakozóval szereltek.

Rögzítettem a csatlakozót, amire ráforrasztottam a korábban elkészített antennát. A számításom olyan szempontból bejött, hogy az első mérés masszív alulhangolást mutatott, így elkezdtem az antenna utolsó tagjának rövidítését. Mivel 868MHz-en továbbra sem sikerült számomra kielégítő eredményt elérni, elkezdtem más részeket is módosítani.

A középső ¾-es tagot is megpiszkáltam kicsit, de így durván elrontottam a dolgokat, így visszaállítottam az eredeti méretet. Csak simán összeforrasztottam a kettévágott elemet, és némi szöszmötölés után sikerült visszaállítani az eredeti mérési eredményt. Ezt követően lettem figyelmes arra, hogy a csatlakozóra történt ráforrasztással az ½ -es tag hossza nagyobb lett 2,3mm-rel. Javítottam a hibát és a csúcs további piszkálgatásával (~1mm visszatoldás) végre sikerült egy egész jó eredményt mérni.

Kozepfrekvencia

Kozepfrekvencia_adatok

Földelés javítása

Több képet is láttam olyan kollineáris antennákról, melyeknél a monopólus antennához hasonló földelést alkalmaztak. A korábbi antennás kísérletem kapcsán használtam ilyet, ahol is a földhatás javítása céljából a föld síkjától 45 fokos szögben lefelé hajtott rézpálcákkal kellett beállítani a megfelelő földelést. Gondoltam hátha tudok még extra hatásfok növekedést elérni, ha ilyen módon megtámogatom a földelést. Elsőként két pálcával tettem kísérletet, majd miután pozitív volt a mérésem eredménye még felszereltem további kettőt. Ezzel már minimálisan ugyan, de még mindig pozitív irányba sikerült befolyásolnom az antenna paramétereit. Végül megszületett a végleges eredmény, ami az alábbi képen látható.

Antenna

Antenna_foldeles

Antenna_hurok