Коллинеарная антенна (+8dB) для Meshtastic из кабеля RG213

С RG-213 у меня всё получилось со второй попытки.

Для начала я выбрал RG-58 — он дешевле, тоньше и с ним проще работать: легче паять и формировать конструкцию. Но на практике он дал плохой результат — резонанс «уехал» примерно на 40%, и нормально настроить антенну не удалось.

Одно из объяснений — особенности самого кабеля. У более тонких коаксиалов, вроде RG-58, обычно выше погонная ёмкость. Это влияет на электрическую длину линии: антенна «ведёт себя» так, будто она длиннее или короче, чем рассчитано.

Вторая версия — нестандартный коэффициент укорочения у конкретного экземпляра кабеля. Вместо ожидаемого значения 0.66 он оказался заметно другим (0.85), и расчётная длина отрезка перестала совпадать с реальной.

В итоге с RG-213, у которого параметры стабильнее и ближе к ожидаемым, конструкция нормально заработала после пересчёта.

Но давайте по порядку.

2. Конструкция антенны и расчёт длины

Начну с описания самой конструкции и того, как выполнялся расчёт длины излучающего элемента.

Антенна собрана из одинаковых отрезков коаксиального кабеля, соединённых последовательно по схеме «жила–оплётка».

Каждый участок оплётки фактически работает как отдельный излучающий / принимающий элемент. В результате все сегменты работают совместно, складываясь и обеспечивая усиление антенны.

Итак, теперь нам нужны размеры элементов, а именно:

• Длина отрезка кабеля

• Длина балуна

• Длина штыря

Длина отрезка кабеля равна половине длины волны, с учетом коэффициента укорочения (velocity factor). Длина балуна и штыря — четверть длины волны также с учетом коэффициента.

Но давайте сначала разберемся — что такое коэффициент укорочения и как его измерить с помощью популярного векторного анализатора NanoVNA.

3. Коэффициент укорочения и как его измерить

Коэффициент укорочения (velocity factor) показывает, насколько медленнее сигнал распространяется внутри кабеля. Из-за этого физическая длина отрезков не равна их электрической длине, и это напрямую влияет на резонанс антенны.

Измерение коэффициента укорочения.

1. Выставляем на NanoVNA рабочий диапазон частот с небольшим запасом — процентов по 20 в обе стороны. Наш диапазон для Meshtastic — порядка 868 МГц, следовательно диапазон для калибровки — примерно от 780 до 950 МГц

2. Проводим стандартную калибровку — OPEN / SHORT / LOAD

3.Берем наш пока еще не разрезанный кабель и как можно более точно измеряем его длину. Желательно, чтобы она составляла метр-два и более, так будет точнее.

4. Подключаем кабель к NanoVNA. Я подпаивал к одному из концов кабеля разъем, чтобы подключить его к прибору. Второй конец кабеля — разомкнутый.

5. На приборе включаем отображение TDR в главном меню:

6. В меню TDR выставляем VELOCITY FACTOR равный 100%, режим — BANDPASS и ищем пик на графике, и в верхнем правом углу видим измеренное значение длины кабеля в метрах:

7. Теперь дело за малым — делим реальную длину кабеля на измеренное NanoVNA значение — и получаем искомое значение Velocity Factor.

В моем случае длина кабеля была 1.97 метра, измеренное значение на скриншоте выше: 2.93, следовательно, velocity factor булдет равен 1.94 / 2.93 = 0.662. Согласно даташиту, velocity factor для RG-213 составляет 0.66.

4. Расчёт элементов антенны

Длина излучающей части кабеля находится по формуле:

Lэл = c / F / 2 * V

где

с — скорость света в вакууме
f — искомая частота в герцах
V — наше измеренный \ взятый из параметров кабеля velocity factor.

Таким образом, для частоты 868 МГц получаем:

L = 299792458 / 868000000 / 2 * 0.662 = 0,1143м = 114,3мм

Длина штыря — четверть волны:

Lшт = с / F / 4 = 0,0863м = 86.3мм

Длина балуна — четверть волны с учётом небольшого velocity factor. Для трубки 8мм velocity factor равен 0.95, тогда:

Lб = с / F / 4 * Vт = 299792458 / 868000000 / 4 * 0.95 = 0,082м = 82мм

5. Сборка антенны

Итак, мы рассчитали длину излучающей части кабеля. Но для сборки необходимо оставить некоторую часть оплётки для пайки а также небольшой отрезок жилы.

Удобно паять, если длина жилы составляет примерно 4мм, изоляционный слой (чтобы измежать короткого замыкания) — хотя бы 1мм, и зачистить изоляцию с запасом — на 3мм:

Я делал антенну из 8ми элементов. Нарезаем кабель по 124.3мм. Кабель толстый, удобнее всего сначала резать оплётку ножом для бумаги или скальпелем, а жилу — отпиливать ножовкой по металлу.

Для увеличения механеческой прочности на отрезки оплетки я намотал тонкую медную проволку (жила от Ethernet кабеля подошла идеально), вот так:

Так как эта часть будет полностью облужена, дополнительной иннуктивности такая «оплётка» не добавит. Кстати, оказалось очень удобно измерять длину излучающего элемента по этой дополнительной оплётке и затем разделывать по нему остатьлую часть кабеля. Получается вот так:

Спаиваем элементы между собой:

Допаиваем с одной стороны балун, с другой — штырь:

В итоге получается вот такая конструкция:

Изменяя размеры штыря (откусывая кусачками) и размеры балуна по NanoVNA подбирают минимум КСВ, обеспечивая лучшее согласование.

У меня не получилось добиться идеального согласования. Длина отрезков критически важна, штырь и балун лишь ненамного смещают согласование. На целевой частоте удалось достичь такого результата:

Далее — корпус.

Идеальный вариант — обычная трубка ПВХ диаметром 20мм. Дабы кабель не касался трубки, я напечатал на 3д принтере полукольца, которые фиксируются на кабеле:

Два колпачка — также на 3D принтере, нижний фиксирует балун и кабель.

Результат антенны в корпусе:

STL-файлы для печати можно скачать вот тут.

6. Тестирование

Буду краток — работает! Вот сравнение с GP-антенной, которая стояла на моей ноде ранее (трейс до другой стационарной ноды):

До линии — результат с GP, после — с коллинеарной, описанной выше.

Надеюсь, этот опыт кому-нибудь будет полезным :)