Привет Хабр! Меня зовут Александр, я инженер-электроник. Около пяти лет назад я разрабатывал с нуля GPS приемник. Когда более-менее ожил первый макетный образец, оказалось, что в офисе на окне спутники почти не ловятся - ни телефоны ни контрольный приемник в виде модуля U-blox даже не захватывали хотя бы пару спутников в слежение.
В здании находилось производство и я первым делом грешил на наличие больших сетевых помех, перегружающих усилитель в активной автомобильной патч-антенне через которую я пытался отлаживаться. Чтобы исключить фактор помех и повысить чувствительность я решил сделать полноразмерную патч-антенну на воздушном диэлектрике, о которой хочу поведать далее.
Конструкция
Профессионально антенны я не разрабатываю. Антенна была рассчитана в САПР для моделирования антенн:
Результаты моделирования:
По этим размерам я собственно и изготовил антенну из куска какой-то жести для патча, а обломок текстолита послужил полигоном земли. Патч держится в воздухе на полосках текстолита, припаянных снизу к середине каждой стороны патча:
У меня есть измерительная лаборатория радиолюбителя в виде комплекса приборов OSA103 mini + OSA-6G - там есть генератор СВЧ колебаний, анализатор спектра, векторный анализатор цепей и осциллограф. Всё это работает до 6ГГц. Все реальные измерения проводились на этом комплексе. На Хабре он уже упоминался.
Реальный минимум КСВ антенны пришелся на диапазон ГЛОНАСС, наверно из-за подставок из текстолита.
КСВ самодельного патча не превышает 1.7 в диапазоне L1 и минимум 1.07 на 1609МГц
Попытка сравнения антенн между собой
Ок, я смастерил антенну. Вроде даже с нормальными параметрами. Но как теперь её сравнить с другими антеннами? С тем же покупным дешевым патчем? Спутников-то может и не быть...
Обычно, усилительные свойства антенн характеризуют в dBi - децибел изотропных. Это усиление антенны относительно сферического равномерного поля излучаемого идеальной антенной. Это вещи гипотетические, а что, если нет под рукой идеального излучателя? Почему бы не взять вместо идеальной антенны тот же диполь и мерить всё относительно поля излучаемого диполем? Взять два одинаковых диполя: один приемный, другой - передающий, разместить их на определенное фиксированное расстояние и замерить уровень сигнала с генератора через приемный диполь с помощью анализатора спектра. Полученный уровень сигнала взять за условный 0-уровень мощности и потом просто менять приемную антенну тем самым сравнивая антенны между собой по уровню сигнала:
Я изготовил два диполя из полосок текстолита обмотанных медной фольгой под термоусадкой:
Диполи довольно широкополосные и значение КСВ в диапазоне L1 слабо изменялось, оно было не выше 1.25.
КСВ диполей
Всего сравнивались между собой следующие антенны:
2 самодельных диполя;
самодельная патч-антенна;
ноунейм активная GPS-ГЛОНАСС автомобильная патч-антенна со своим штатным тонким кабелем;
многодиапазонная активная квадрифилярная антенна HX-CH7609A от одного геодезического приемника (после разработки того приемника я стал искушенным человеком и иногда использую приемник геодезистов в качестве навигатора).
Результаты измерений
Антенны ориентированы друг на друга максимумом диаграммы направленности. Активные антенны, естественно, были запитаны через инжектор питания.
Спектрограммы сигналов из приемных антенн
Приемная антенна | Передающая антенна | Уровень сигнала в приемной антенне | Усиление относительно диполя |
Диполь | Диполь | -39,40 dBm | 0 dB |
Самодельная патч антенна | Диполь | -33,13 dBm | +6,27 dB |
Автомобильная патч антенна | Диполь | -30,45 dBm | +8,96 dB |
Квадрифилярная антенна | Диполь | -19,85 dBm | +19,55 dB |
Квадрифилярная антенна оказалась очень качественной. Жаль что раньше у меня её не было.
Выводы
Амплитуда поля излучения вблизи антенны неоднородна, и на неё накладываются осциллирующие колебания которые убывают с увеличением расстояния между антеннами. В связи с этим приходилось грубо искать максимум излучения на определенном расстоянии около 0.5м. Такая оценка очень грубая и по-хорошему надо чтобы между антеннами было хотя бы метра 2-3. И ещё надо было вращать передающий диполь в своей плоскости чтобы найти максимум излучения по круговой поляризации патчей.
Известно, что диполь имеет усиление +2,15 dBi. По моим грубым измерениям самодельный патч имел усиление +6,27 dB относительно диполя. Выходит, что патч имеет усиление +8,42 dBi (моделирование показывало +10,54 dBi).
Даже самодельная пассивная патч-антенна с качественным радиочастотным кабелем вполне сопоставима с маленькой активной дешевой патч антенной на керамике. Активная антенна в данном случае превосходит самоделку всего на 3dB.
В дальнейшем я смастерил платку с полосовым фильтром(-4dB) и усилителем (+20dB) и включил её сразу после самодельной антенны. Тогда я получил результат, сопоставимый с квадрифилярной антенной, но платка осталась в офисе, пишу это по памяти.
А макет GPS приемника завелся, корреляция была получена и макет был передан профильным программистам. В дальнейшем спутники принимались на разные антенны, просто раньше было пасмурно.
73!