В этой статье мы рассмотрим конструкцию простой и эффективной проволочной коллинеарной всенаправленной антенны для Wi-Fi. Она была предложена радиолюбителями Brian Oblivion и Capt.Kaboom и доработана австралийским инженером Martin Pot, который и является автором конструкции о которой пойдет речь. При наличии у радиолюбителя под рукой всех необходимых материалов и инструментов, изготовление ее займет совсем немного времени. Входное сопротивление антенны около 50 Ом, коэффициент усиления более 5 dBi. Здесь представлена новая редакция статьи с учетом комментариев и результатов исследования в электромагнитном симуляторе.
Коллинеарная антенна с фазирующими «катушками»
Для изготовления такой антенны нам понадобятся следующие материалы:
- Около 300 мм медной проволоки сечением 2.5 мм2
- N-коннектор с приборным монтажом под гайку
- радиопрозрачная пластмассовая трубка 250 мм длиной и диаметром около 20 мм.
- 2 концевых колпачка на 20 мм трубку
Проволоку для антенны можно взять из обрезка электропроводки соответствующего сечения:
Вот так выглядит необходимый нам N-коннектор:
Трубку с концевыми колпачками можно взять такую:
Нашу проволоку нужно освободить от изоляции, согнуть определенным образом и припаять к N-коннектору. Размеры оригинальной авторской конструкции показаны на следующем схематичном изображении:
А как изогнуть проволоку в петли и припаять к коннектору изображено здесь:
 |  |
 |
Диаметр проволочных петель — 9...10 мм. Как показал анализ в ANSYS HFSS, речь о котором пойдет ниже, свободное изменение диаметра в пределах 10...16 мм, как советует автор, приводит к полной расстройке антенны. Это в принципе допустимо делать при настройке по анализатору, но следует иметь ввиду, что резонанс антенны серьезно зависит от диаметра этих катушек. Вот еще одно изображение конструкции антенны:
В одном из колпачков проделываем отверстие и крепим к нему с помощью гайки N-коннектор:
И в конечном итоге, герметизировав антенну с помощью трубки и второго колпачка мы получаем готовую конструкцию:
Чтобы конструкция стала более понятной, добавим, уважаемый аноним, немного теории. Рассматривая с вами теоретические основы коллинеарной антенны, мы попутно рассмотрели ее практическую конструкцию из отрезков коаксиального кабеля. В случае с CoCo-коллинеаром, отдельные излучающие элементы разнесены в пространстве на расстояние λ/2 с помощью отрезков коаксиальной линии передачи. Коэффициент усиления такой антенны максимально возможный, поскольку апертуры соседних излучающих элементов не перекрываются. Чего нельзя сказать о классической проволочной антенне Франклина, в которой соседние излучающие элементы находятся вплотную друг к другу. В антенне Харченко за счет частичного перекрытия апертуры соседних рамок, мы также немного не добираем в коэффициенте усиления. Чтобы апертуры не перекрывались, можно немного разнести рамки в пространстве. В результате, мы приходим от антенны Харченко к антенне Quados.
В случае с классической проволочной коллинеаркой мы можем поступить таким же образом. Правда при этом нам не удастся воспользоваться не излучающей линией передачи, как в случае Quados или CoCo, и удлинять приходится сам полуволновой вибратор. При этом на его концах появляются участки с противоположным током, однако итоговое усиление при этом все же растет вплоть до разноса вибраторов на расстояние ¼λ друг от друга. При этом вибратор удлиняется от ½λ до ¾λ (с каждого края полуволнового вибратора появляются добавки длиной ⅛λ). Поскольку длина вибраторов возросла, для сохранения общей электрической длины антенны длину шлейфа необходимо сократить с λ/4 до λ/6. Кроме того, шлейф можно свернуть в виде кольцевой петли. С одной стороны — это одновитковая катушка индуктивности, но на этих частотах справедливо ее рассматривать как отрезок длинной линии. В любом случае эта петля выполняет функцию фазирования элементов антенны. Для тех, кто хочет подробнее ознакомиться с теорией, рекомендуем сборник из 6-и книг И.Гончаренко (DL2KQ) «Антенны КВ и УКВ». Коллинеарные антенны описаны в 4-й части §6.2.1.
В итоге мы получаем очень простую и эффективную всенаправленную антенну с коэффициентом усиления около 5 dBi. Чтобы не усложнять конструкцию, автор антенны отказался от симметрирующего устройства в виде четвертьволнового стакана в месте подключения фидера. Сразу отметим, что это решение ошибочно. В идеальном случае требуется наличие и токового балуна и противовесов, которые на этих частотах имеет смысл делать в виде сплошного земляного полигона, а не в виде радиалов. Частично роль противовеса может выполнять металлическое шасси устройства к которому подключена антенна в приборном варианте без фидера.
По мотивам комментариев VK под этой статьей, мы провели исследование этой антенны в симуляторе ANSYS HFSS с добавлением такого «противовеса»:
Размеры оригинала пришлось несколько подкорректировать. Результирующие характеристики антенны:
 |  |
| Входной импеданс | КСВ |
 |  |
| Усиление | Диаграмма направленности |
Из анализа характеристик следует, что антенна довольно узкополосна. Полоса пропускания по критерию КСВ < 2 не захватывает даже весь диапазон Wi-Fi. По этой причине повторяемость этой антенны довольно низкая. Добавление продольных элементов к антенне для увеличения усиления до 9 дБи, как рекомендует автор, только усугубит проблемы с повторяемостью. Радиолюбители, в распоряжении которых есть антенные анализаторы, могут попробовать подстроить антенну под определенный канал Wi-Fi. Проще всего это сделать растягивая и сжимая фазирующие петли, деформирую их как вдоль, так и поперек, изменяя в небольших пределах диаметр. Вообще-то удивляют радиолюбители, которые используют приборы для проверки конструкций на «туфту», а не для настройки. Для чего приборы, в принципе, и созданы.
Другие варианты коллинеарной антенны
Другие варианты коллинеарной антенны заключаются в применении фазирующих катушек другого диаметра, при этом увеличивается число витков, а также применение в качестве фазирующего элемента двухпроводного короткозамкнутого четвертьволнового шлейфа. В последнем случае сворачивание такого шлейфа в петлю слабо влияет на его свойства, в отличии от катушки.
При этом применяются суррогаты противовесов в виде косички из оплетки коаксиала или четвертьволнового стакана. Это делается с целью скрыть эти элементы внутри трубки. При этом все конструкции проволочной коллинеарной Wi-Fi антенны имеют общие особенности:
- При подключении «с конца» входное сопротивление антенны достаточно велико. Для согласования с фидером 50 Ом приходится подбирать условия фазирования катушками, как в конструкции простой антенны, описанной в этой статье. В случае двухпроводных шлейфов, как в оригинальной конструкции Франклина, возникает необходимость применение четвертьволнового трансформатора, однопроводного в виде утолщения провода, как на рисунке выше, либо коаксиального. В общем случае это приводит к сужению полосы пропускания.
- Сам по себе четвертьволновый стакан очень важен как средство отсечки тока во внешней оплетке кабеля, но его применение не в дополнение, а вместо противовеса, приводит к увеличению добротности всей антенной системы в целом и еще большему уменьшению полосы пропускания.
- Многие заблуждаются в том что можно невозбранно увеличивать число идентичных элементов и это приведет только к увеличению усиления и никак не повлияет на другие параметры антенны… Это не так. Увеличивается сопротивление излучения. Как следствие меняется входное сопротивление антенны, меняются условия согласования с фидером. В практическом плане даже настройка по приборам такой длинной многоэлементной антенны, как на изображении ниже, превращается в абсолютно безнадежное занятие.
Какой вывод из всего вышесказанного. Проволочная коллинеарная Wi-Fi антенна имеет очень низкую повторяемость. Вероятность того, что даже простая антенна сразу будет работать должным образом без настройки по приборам минимальна. Мериться друг с другом на морозе у кого длиннее и «децибельнее» — занятие совершенно бессмысленное. В то же время коллинеарные антенны достаточно популярны и эффективны на радиолюбительских диапазонах. Например, комбинация коллинеарной и J-антенны получила даже отдельное имя Super-J антенна. А тут мы утверждаем, что для диапазона Wi-Fi эта антенна является довольно некомфортной для самодельщиков. Почему так? Ответ прост. Длина волны двухметрового радиолюбительского диапазона и длина волны вай-фай диапазона отличаются на порядок. Во столько же раз возрастают и многочисленные проблемы, которые мы попробовали уместить в понятие «повторяемость антенны».
Ссылки по теме:
- Home-brew Compact 6dBi Collinear Antenna — оригинальный текст от автора простой коллинеарной антенны (Martin Pot);
- САМОДЕЛЬНАЯ КОЛИНЕАРКА -форум Lan23;
- Вертикальная коллинеарная антенна -форум Lan23;
- Проверенные самодельные коллинеары на 145 МГц -форум Radioscanner;
- CoCo антенна — теоретические основы коллинеарной антенны и практическая конструкция из коаксиального кабеля;