Изготовление антенны для 4G модема

После расчёта приступаем к изготовлению частей антенны. Особая аккуратность нужна при сгибании собственно провода антенны и изготовлении балуна.

Сгибание провода

Я ни секунды не сомневался, что не смогу просто взять и согнуть провод с соблюдением всех радиусов и расстояний, поэтому на моём CNC3018 я изготовил шаблон, куда готовый антенный провод должен входить без усилий:

Практика показала, что эта штука полезна для окончательной выправки антенны, но собственно согнуть помогает слабо. Нужно было ещё сделать один угол чтобы сгибать провод только на нём, но теперь мне это уже не актуально

Посмотрю какой длины медный провод мне нужен:

octave:2> quad_size*8
ans =  224.38

отмечу это расстоянии в блокноте и уложу в шаблон простой 22AWG:

Отметка должна совпадать с чертежом в блокноте:

Аккуратно сгибаем медный провод: Я спаиваю антенну сразу.

Балун

Непосредственно к антенне будет присоединён кабель RG174 (диаметр первого экрана 1.98мм, диаметр жакета 2.79мм). Я рассматривал возможность использования балуна-базуки, но два соображения заставили меня отказаться от этой идеи:

1. у меня нет трубки диаметром $>3\cdot1.98=5.94$мм, а именно при таком соотношении диаметров этот тип балуна становится эффективным;
2. балун типа базука соединяется по окружности экрана коаксиального кабеля на определённом расстоянии ($>=\frac{\lambda}{4}$ или меньше, если балун свернутый) от вибратора, я очень сомневаюсь, что смогу сделать это аккуратно и равномерно по всей окружности такого маленького провода. Я видел и читал про варианты когда балун соединяется прямо к вибратору, но я думаю, что при таком соединении балун превращается в дополнительный вибратор, а мне очень не хочется повторять расчёт антенны с учётом этой вибраторной поверхности.

Так что я решил реализовать менее эффективный, но более простой в изготовлении балун из отрезка провода.

Кроме осторожных манипуляций с внешней оболочкой коаксиального кабеля желательно не перегреть экран: может расплавиться внутренний диэлектрик и характеристики кабеля ухудшаться.

Рефлектор

Теперь можно переходить к другим деталям конструкции. Вот как выглядит антенна во FreeCAD:

Альтернативная ссылка на видео

Два вибратора располагаются под углом $90^\circ$ друг к другу и под $45^\circ$ к горизонту.

Я предоставляю полные исходные тексты моделей, для работы с которыми понадобится AppImage версии не раньше 2020.08.18. Их можно скачать по ссылке.

Антенна задумывалась как подвесная под потолок на проволочную петлю — две треугольных гребёнки вверху рефлектора позволяют выбирать угол антенны в горизонтальной плоскости. Подставка под модем имеет вырез для кабеля USB и также имеются два крючка для мягкого закрепления верхней части модема.

На лицевой стороне рефлектора нужно располагать немного деталей чтобы минимизировать нарушение отражающей поверхности, которая, кстати представляет собой обыкновенную фольгу для запекания всяких вкусных вещей.

Самая важная деталь рефлектора — стойки крепления вибраторов. Они выполняют важную функцию сохранения расчётной формы вибраторов и расстояния между вибраторами и отражающей поверхностью рефлектора.

Отдельно скажу о материале стоек. В то время как все остальные части антенны можно делать почти из чего угодно, то стойки вибраторов должны быть радиопрозрачны на частоте антенны. Моя частота близка к излучению внутри микроволновки, так что нагревание кусочка пластика в течении пары минут показало его пригодность (нет обугливания и других неприятных проявлений взаимодействия с излучением). Есть мнение, что в точках нулевого потенциала можно использовать любой материал для стоек вплоть до металла, иногда стойки даже припаивают к отражателю. Я так не делаю по следующим причинам:

• сомневаюсь, что я идеально изготовлю вибраторы, поэтому точки нулевого потенциала таковыми являться не будут;
• я рассчитывал антенну исходя из изоляции воздухом между вибраторами и рефлектором. Если использовать металлические стойки, то нужно и рассчитывать и проводить симуляцию с учётом этих дополнительных вибраторов.

У меня нет 3D принтера поэтому изготовление стоек это забавная задачка. Пришлось сделать вспомогательный фиксатор чтобы точно вырезать канавки на торцах стоек. Вот первый вариант фиксатора, неудачный:

Вспомогательный фиксатор с усиленной жесткостью:

Рефлектор много больше рабочего стола моего CNC3018, но это решаемо:

Пайка кабелей и балунов к вибраторам, последний этап перед волнующим тестированием антенны:

Тестирование

Вид сзади награды за дизайн не получит:)

Модемы Huawei имеют удобный механизм оценки качества сигнала на странице по адресу http://192.168.8.1/html/antennapointing.html

Итак просто модем без антенны:

Модем с антенной:

Отлично! Условия приёма изменились и ушли в полностью зелёную зону. Справка по параметрам сигнала LTE

Заключение

Это было забавно и я узнал много нового для себя. Кстати, первоначальный вариант с креплением антенны под потолком не оправдал себя: на столе условия приёма значительно лучше.

Так что пришлось спроектировать простую подставку:

Также можно почитать

• 29 Jun 2020 » Антенна для 4G модема
• 22 Mar 2020 » FPGA и датчик угла поворота
• 12 Sep 2019 » Подключение клавиатуры PS/2 к БК11М

---