Thursday, February 21, 2013

Double BiQuad 3.5 GHz WiMAX antenos Analizė ir Testavimas

Įvadas

Internetai pilni informacijos kaip reikia sutverti teisingą Wi-Fi (2.4 GHz) anteną, bet kas liečia WiMAX antenas dirbančias 3.5 GHz dažniu, tai man nepavyko rasti nė vieno teisingo vadovo su teisingais skaičiavimais. Tebūnie šita analizė ir keli testavimai įveda šiokios tokios tvarkos konstruojant savadarbę išorinę 3.5 GHz Double BiQuad anteną, skirtą Mezon interneto ryšiui susitiprinti.

Apžvalga

Antenos simuliacija, optimizacija ir analizė atlikta su kompiuterine programa 4nec2, v. 5.8.11.

Mano taikinys – antena 3475 MHz dažniui.

Taigi:
Bangos ilgis vakuume dažniui 3477 MHz lygus bangos ilgiui žemės atmosferoje, ore, kurios dažnis 3475 MHz. Lambda=86.2446mm=8.62446cm

Simuliatoriuje naudoti NEC konfiguraciniai failai:

Simuliatoriuje naudoti trumpiniai:

  • ED  - Element square diagonal length / 2  (kvadratų įstrižainės, padalytos iš dviejų)
  • WR - Wire radius (vielos diametras, padalytas iš dviejų - spindulys)
  • S - Spacing between element and reflector (radiatoriaus kvadratų aukštis nuo reflektoriaus)
  • RH - Reflector height / 2 (reflektoriaus aukštis, padalytas iš dviejų)
  • RL - Reflector  length / 2 (reflektoriaus ilgis, padalytas iš dviejų)
  • LH - Height of reflector "lips" (reflektoriaus "lūpų" matmenys)
Visi matmenys NEC failuose ir grafikuose pateikti bangos ilgio santykiu.


Pagrindinis 4nec2 langas (antena su „lūpomis“ kairėje; „be lūpų“ dešinėje)



  Geometrija (antena su „lūpomis“ kairėje; „be lūpų“ dešinėje)


 
Smith lentelė

3D Išspinduliuojamas spindulys ir Smith lentelė.




 Tot-Hor Stiprinimas (Gain) (antena su „lūpomis“ kairėje; „be lūpų“ dešinėje)

Ši antena turėtų rodyti geriausius rezultatus horizontaliai poliarizuota.




  Radiatoriaus vielos spindulys (antena su „lūpomis“ kairėje; „be lūpų“ dešinėje)


Plonesnė viela duoda dagiau Gain, bet pagrindinis kriterijus yra SWR. Kaip matot su „lūpom“ rodo geresnius rezultatus.
Su „lūpom“ 0.0059×86.2446×21.017mm≈0.1cm
Be „lūpom“ 0.007×86.2446×21.207mm≈0.12cm
Vielos.spindulio.santykis*lambda*2


Radiatoriaus aukštis virš reflektoriaus (antena su „lūpomis“ kairėje; „be lūpų“ dešinėje)


SWR ir Refl.coef. grafikai rodo reikšmingą poveikį radiatoriaus aukščiui. Tai reiškia, jog radiatoriaus aukštis turi būt kuo tikslesnis visoje reflektoriaus plokštumoje! 
„Lūpos“ duoda geresnį rezultatą.
Su „lūpom“  0.0915×86.24467.891mm0.8cm 

Be „lūpom“  0.0805×86.2446≈6.943mm≈0.7cm
Radiatoriaus.aukščio.santykis*lambda


Radiatoriaus dydis (antena su „lūpomis“ kairėje; „be lūpų“ dešinėje)


SWR ir Refl.coef grafikai rodo milžinišką įtaką radiatoriaus dydžiui. Vadinasi, radiatorius turi būt simetriškas ir kuo tikslesnis rekomenduojamam dydžiui (2.18cm).
Su „lūpom“   2/2×0.1789×86.2446≈21.820mm≈2.18cm
Be „lūpom“  2/√2×0.1777×86.244621.673mm≈2.17cm


Reflektoriaus ilgis (antena su „lūpomis“ kairėje; „be lūpų“ dešinėje)


Optimalus reflektoriaus ilgis 20.2cm
Su „lūpom“  1.169×86.2446×2
201.639mm20.2 cm
Be „lūpom“  1.17×86.2446×2
201.812mm20.2 cm
Ref.ilgio.santykis*lambda*2




Reflektoriaus aukštis (antena su „lūpomis“ kairėje; „be lūpų“ dešinėje)

SWR ir refl.coef. grafikuose matyti, jog naudojant reflektorių su „lūpom“ būtina išlaikyti rekomenduojamą reflektoriaus aukštį (9.1cm). Pastebėkim - reflektorius be „lūpų“ ne toks jautrus netikslumams.
Su „lūpom“  0.5282×86.2446×2
91.074mm9.1cm 
Be „lūpom“  0.555×86.2446×295.732mm9.6cm
Refl.aukščio.santykis*lambda*2





Reflektoriaus „lūpų“ dydis


Optimalus „lūpų“ aukštis 2.3cm. Pagrindinis kriterijus SWR ir ref.coef.
0.27×86.2446=23.286mm
2.33cm
Lūpų.ilgio.santykis*lambda




Dažnių lentelė (antena su „lūpomis“ kairėje; „be lūpų“ dešinėje)


SWR ir ref.coef. grafikai parodo, jog antena geriausiai funkcionuoja ties 3477 MHz dažniu. „Lūpos“ prideda parako.


Testavimas

Radiatoriaus aukštis ir jo vielos storumo testavimas

Kadangi 4nec2 analizė rodo reikšmingą įtaką radiatoriaus vielos storiui, aukščiui ir kitiems parametrams, nusprendžiau išbandyti 4 įvairaus storumo vielas, du aukščio parametrus ir 2 poliarizacijas. Super tiksliam testavimui laboratorijos neturiu, tad viską atlikau namų sąlygomis. Stengiausi viską išpildyti kuo kruopščiau. Manau už tai kalba pats testavimo laikotarpis – dvi pilnos savaitgalio dienos. Viso apie ~200 testų su įvairias parametrais.
Testavimui pasidariau 4 radiatorius iš įvairaus storumo vielų.
Išlankstyti vieną pavyzdingą radiatorių trunka apie valandą su trupučiu. (Pastaba: Kuo storesnė viela, tuo sunkiau ją teisingai išlankstyti!) 
Naudokit šį PDF dokumentą radiatoriaus išlankstymui. Jei atspausdinsit nepakeitę originalaus mastelio, spausdinio kvadratėlių kraštinės bus 2.18cm.

Iš kairės į dešinę: varis - 1mm; varis - 1.2mm, aliuminis - 2mm ir paskutinis varis - 2.2mm



~200 testų vidurkiai:
VP – vertikaliai poliarizuota; HP – horizontaliai poliarizuota.

CINR [dB] - Carrier to Interference + Noise Ratio (kartais SINR, CNR, SNR or C/N). Didesnės reikšmės geriau.
RSSI [dBm] - Received Signal Strength Indicator. Gaunamo radijo signalo stiprumas. Didesnės reikšmės geriau. (Pastaba: tai neigiamas skaičius, daugiau yra skaičius arčiau nulio.)

Pagrindinis kriterijus CINR – nurodo kanalo „kokybę“, pagal kurią yra galimybė pasirinkti aukštesnį signalo moduliaciją (= greitesnis internetas).

Taigi, testai įrodo, jog galima pasitikėti programinės įrangos 4nec2 analizės rezultatais. Pirmenybė teikiama varinei vielai 1mm diametro; radiatoriaus aukštis 0.8cm.
Aliuminė vielutė rodo stebėtinai gerus rezultatus, nežiūrint į jos storį. Visgi aš nerekomenduočiau jos naudotis, ją lituoti beveik neįmanoma.




Išvados

  • Pirmenybė teikiama varinei 1mm arba 1.2mm diametro vielai ir 0.8cm radiatoriaus aukščiui.
  • Reflektorius su „lūpomis“ rodo šiek tiek geresnius rezultatus, nei be „lūpų“.
  • Radiatoriaus turi būt simetriškas ir kuo tikslesnis rekomenduojamam dydžiui (2.18cm).
  • Laikytis reflektoriaus rekomenduojamų dydžių.
  • Anteną naudoti horizontaliai poliarizuotą. (antena horiz. poliarizuota bus kai reflektorius bus vertikalioje padetyje)



Schemos

Visi matmenys paprastose schemose, kad net arklys suprastų


Schema antenai su „lūpomis“


Schema antenai be „lūpų“


Antenos sutverimo vadovas: čia


Paskutinis atnaujinimas: 2014 Liepos 08.


2 comments:

  1. Šaunu, dideli dažniai, maži matmenys!
    O koks turėtų būti reflektorius 3,5 GHz dažniui pagal http://www.freeantennas.com/projects/template/index.html ?
    Nes kai pastatai ir pririši Teltonikos modemą stačią metalinio bliūdo (dubens) viduryje, ir įstatai tą konstrukciją į langą, turi internetą už 3,5 km nuo veikimo zonos pabaigos pagal mezon aprėpties žemėlapį. Būt geriau lengvesnis reflektorius...

    ReplyDelete
  2. nežinau tiesa pasakius ir neturiu dabar laiko tuo domėtis. Galiu pasakyti tik tiek, kad kiek teko pasižaisti su visokio dydžio bliūdais - nieko jie tokio stebuklingo neparodė lyginant su Double BiQuad antena.

    ReplyDelete