Double BiQuad antena Mezon internetui / 3.5 GHz / WiMAX

Įvadas

Bandysiu trumpaim bet pakankamai aiškiai parodyti kaip savo rankomis pasidaryti teisingą, išorinę, anteną Mezon internetui sustiprinti; veikiančia 3475 MHz dažniu ir teoriškai stiprinanti signalą apie 14 dBi (13 dBi jei reflektorius be „lūpų“)
Pastaba: dBi skalė yra logaritminė pagrindu 10, čia papildomi 3 dBi reiškia dvigubai stipresni signalą(Gain)! +1 dBi tolygu signalo sustiprėjimui 26%, o +2 dBi net 60%.

Visi matmenys parinkti atlikus kruopščią kompiuterinę analizę ir testavimą: žiūrėti čia

Lietuviškuose internetuose galima surasti kitą glaustą vadovą, kaip sutverti išorinę anteną mezon internetui, bet su labai netiksliais matmenų skaičiavimais. Žinoma antena veikia ir padarius nekuklias paklaidas, visgi siekiant geriausio rezultato reiktų vadovautis mano atliktais skaičiavimais, kurie paremti analize ir testavu.

Apžvalga

 Schema antenai be „lūpų“ 



Bangos ilgis -
Kvadrato kraštinė - 2/√2×0.1789×86.2446≈21.820 mm≈2.18 cm (analizė rodo, jog labai svarbu išlaikyti tinkamą dydį)
Radiatoriaus aukštis -  0.0915×86.2446≈7.891 mm≈0.8 cm
Reflektoriaus matmenys - 13.7x20.2 cm (arba mažesnių, pav. 9x20 cm. reflektorius be „lūpų“ – šiek tiek mažesnės galios antena.)
plačiau, žiūrėkite analizę

Reikalingos detalės 

Korpusinis lizdas N(famale), prisukamas varžtais (jei reikia varžtelių - Varžtų Pasaulis) – pati jungtis Lemonoje Reflektorius - Geriausia metalinė, varinė skarda. (Aš savo antenai išsikirpau iš stogo apdailos kampo.) Galima naudoti ir stiklotekstolitą, laminuotą variu 40cm Plonos varinės vielos, idealiausia apie 1mm – 1.2mm skersmens. Didesnio diametro nerekomenduojama. (kodėl žiūrim analizę ir testavimus) Kabelis - Kabelio tipas priklauso nuo modemo jungties. Aš naudojau SMA(m)<->N(m), Seowon 9200 modemui sujungti su antena. Labai svarbu, jog kabelio ilgis būtų kaip galima trumpesnis, nes per kiekvieną metrą prarandamas signalo stiprumas. Aš pirkau 2 metrus TriLAN 240 koaksialinio kabelio su profesionaliai uždėtomis jungtimis iš Erksa už 12 €; šio kabelio signalo slopinimas 3.5 GHz dažnyje: 0.55 dB/1m. Taigi, per 2 metrus kabelio, praradau mažiausiai 1.1 dB signalo. (Labai svarbu jog jungtys būtų profesionaliai uždėtos! Antraip bus dar didesnis signalo slopinimas) Jei pas jus USB modemas, jums reikia kitokio tipo jungčių ir kabelio, nes USB modemuose dažniausiai būna miniatiūrinės IP-9, CRC9 ar TS9 jungtys, o pastarosios jungiasi ant ypač mažo diametro kabelio. Jei ketinate antena statyti toliau nei per metrą nuo modemo, jums greičiausiai reikės naudoti trumpą pereinamąjį kabelį arba adapterį iš CRC9, TS9 ar IP9 į SMA(f), o nuo čia SMA(m) jungtis, kuri dedasi ant didesnio diametro kabelių (kuo storesnis kabelis, tuo mažiau slopinamas signalas! Taip pat pastebėtina, jog aukšto dažnio signalas teka vidiniu kontaktu. Išorinis ekranas tarnauja signalo apsaugai. Visi kabeliai ir jungtys turi būti vienodos varžos; priklausomai nuo įrangos gali būti 50 ar 70 Omų, dažniausiai pasitaiko 50 Omų, tad jei nežinot kokio jums reikia, jums reikia 50 Omų.) Plačiau apie kabelius ir jungtis skaitykite čia: Guide to Antenna Cables & Connectors Skirtukai, iš bet kokios nemetalinės medžiagos. Reikalingi radiatoriaus galuose sutvirtinimui ir tinkamo aukščio nuo reflektoriaus palaikyti. (Savuosius pasidariau iš to paties kabelio, iš kurio ir vario viela išsitraukiau.)

 Korpusinis lizdas N (female)   Stiklotekstolitas laminuotas variu 

 Antenos sutverimas

Toliau aš pateiksiu tik jau sutvertos antenos atvaizdus, nes nematau prasmės rodyti kaip reikia atrasti reflektoriaus centrą pasitelkus liniuotę, kaip ten išgręžti skylę, kaip lituoti ir pan. Tokiems veiksmams apžvelgti galit ir čia: http://www.ziva-vatra.com/index.php?aid=16&id=SGFyZHdhcmU=, http://martybugs.net/wireless/biquad/ arba http://martybugs.net/wireless/biquad/double.cgi
(Pastaba: šitos nuorodos į WiFi antenų gamybą, kurių darbinis dažnis 2,4 GHz. Nenaudokit ten nurodytų skaičių, jie netiks 3,5 GHz dažniui.)

Radiatorius ir Origami

 

Naudokit šį PDF dokumentą radiatoriaus išlankstymui. Jei atspausdinsite nepakeitę originalaus mastelio, spausdinio kvadratėlių kraštinės bus 2.18 cm.

Prieš pradedant lankstyti, ištiesinkite vielą kaip galima tiesiau.  

Užtikrinkit, jog radiatorius yra simetriška ir neperlinkęs.
Kvadratėliai turi būti griežtai stačiakampiai, tarp jo sienelių atstumas 2.18 cm matuojant nuo vienos vielos centro iki kitos centro.
Kuo tiksliau išlankstysit, tuo geriau. Analizė rodo, jog tikslumas čia ypač svarbus, tad skirkit tikslumui daug laiko!
Pastaba: visai gera mintis naudoti 1.2mm varinę vielutę vietoj rekomenduojamos 1mm diametro. Jos lankstinys šiek tiek mažiau jautrus mažiems netikslumams.

Mano išlankstymo technika vielų sankirtose.
Pastaba: Tarpas tarp vielų prasilenkimo vietų ir litavimo kontaktų apie 1.5mm.

Patarimai ir rekomendacijos

 

Tiksliai centre N-korpusinis lizdas pritvirtintas varžtais. Išlaikykit pavyzdingus reflektoriaus išmatavimus.

Išlaikykit kuo tikslesnį radiatoriaus atstumą nuo reflektoriaus visoje reflektoriaus plokštumoje! 0.8 cm (0.7 jei konstruojat reflektorių be „lūpų“.)

Tarpas tarp vielų prasilenkimo vietų ir litavimo kontaktų apie 1.5 mm.
Skirtukai, iš bet kokios nemetalinės medžiagos. Reikalingi radiatoriaus galuose, sutvirtinimui ir tinkamo radiatoriaus aukščio nuo reflektoriaus palaikyti.

Baigta. Guli ant pilvo.

Naudojimas

 

Ši antena turėtų rodyti geriausius rezultatus horizontaliai poliarizuota.
Pastaba: Antena horizontaliai poliarizuota kai korpusas vertikalus.

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:

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).

plačiau, žiūrėkit analizę.

Antenos naudojimas lauko sąlygomis

Jei norėsit naudoti anteną lauko sąlygomis, jums reikės ją izoliuoti nuo nepalankaus lauko sąlygų siekiant išvengti korozijos.
Viena išeitis - panaudoti sandarų plastikinį indelį nuo maisto. Tiesa toks daiktas šlykščiai atrodys ant stogo. Greičiausiai ir su kaimynais susipyksite, mat jie dažniau tą maisto dėžę matys...
Kitas variantas - nudažyti tokia spalva, kuri padės antenai susilieti su kabėjimo vieta. Bei ant lituotų kontaktų prieš dažant patepti silikonu, jog į N korpusinį lizdą nepatektų nė lašas vandens. (pavyzdys apačioje)  

Kaštai

• 2 € antenai
• 12 € Lt profesionaliai sumontuotam kabeliu SMA(m) <-> N(m)
• Sugaištas laikas

Dviejų kryptinių antenų rezultatai.

Pastaba: atstumas nuo manęs iki bazinės mezon stoties 2.1 km. Matomumas beveik tiesioginis.

Nežinau tikslaus savadarbio gaminio stiprinimo, bet štai ką gaunu iš dviejų kryptinių antenų. Antena Nr.1 išorinė gamyklinė KTB 3.5GHz 14dBi HP90VP14. Antena Nr.2 savadarbė Double BiQuad. Iš paveikslėlio viršuje matyti, jog gaunu geresnį CINR nuo savadarbės antenos, nei nuo gamyklinės, kurios kaina 93 €. Priežastis – per skubėjimą blogai parinkta antenos vieta. mano klaida.
Burst Data - nurodo moduliaciją. Kaip matot viršuje, aš turiu 16-QAM ¾ / 64-QAM ¾; tiek rodo ir su viena išorine kryptine antena. (galimų moduliacijų lentelė apačioje).

Šaltinis: http://www.wimaxforum.org/news/downloads/Mobile_WiMAX_Part1_Overview_and_Performance.pdf

*** 
Antenai prireiks ir kabelio, Jūsų paslaugoms: Vedlys antenų kabeliams ir jungtims

*** 
Nepamirškit parašyti atsiliepimą komentaruose apie gautą skirtumą su antena. Tai padės kitiems orientuotis tarp galimybių stiprinant belaidžio interneto signalą.


***
Dažnai užduodami klausimai

1. Kodėl užtenka tik vienos antenos nors ant modemo yra du antenos lizdai?
   • Dvi antenos padeda išvalyti signalą nuo pašalinio triukšmo ir gauti geresnį ryšį, todėl taip, galima statyti dvi kryptines antenas, bet tai nėra būtina jeigu signalas puikus su viena.
2. Kodėl antena turi būti pastatyta vertikaliai?
   • Iš kompiuterinės analizės, pagal šį pav. (https://blogger.googleusercontent.com/img/b/R29vZ2xl/AVvXsEiMVGTFOx5HCN9Z6fm7a2MjsQpJCzowgYKRfZir0HBcdlC5H1MgB4GB2na_1nXS3dioK-KS14BPOw7ICNnsvKXtZecm3xi6zAkxVvL2cWDxzenfUqURdH8Vhy_dTxF26qT5ddY1b1PJlW92/s1600/gain.png), galima daryti prielaidas, jog antena horizontaliai poliarizuota daugiausia stiprins signalą, tampa labiau kryptinė antena. Tas prielaidas iš kompiuterinės analizės patvirtino ir realūs bandymai su antena (žr. Excel rezultatų lentelę prie Testavimas skyriaus(http://wimaxvedlys.blogspot.lt/2013/02/double-biquad-35-ghz-wimax-g4-antenos.html)). Pastebėjimas, kai antenos radiatorius, yra vertikalioje padėtyje - antena laikoma horizontaliai poliarizuota.
3. Ar verta pirkti gamyklinę anteną ar darytis savo, kuri geresnį rezultatą duos ?
   • Mano atveju savadarbė antena namo viduje – palėpėje, stiprina signalą labiau nei gamyklinė lauko sąlygoms pritaikyta antena pritvirtinta už metro prie išorinės namo sienos. Visgi gamyklinė antena lengva pakabinti išorėje ir atrodo estetiškai.
4. Suprantu, kad 4G kaip ir visi trumpabangiai mėgsta tiesioginį matomumą. Išeitų, kad anteną reikia kelti kuo aukščiau?
   • Taip, mėgsta jos tiesiogini matomumą, taipogi mėgsta ir atsimušti-atsispindėti nuo objektų kaip namų sienų, ypač jei ten koks smulkesnis metalinis tinklelis yra viduje, todėl tiesioginis matomumas ir nebūtinas geram ryšiui. Reiktų tik vengti žalių medžių antenos kelyje - sugeria signalą. Iš praktikos galiu patvirtinti: žaliuoju metų laiku mano signalas gerokai silpnesnis nei šaltuoju. Tiesioginio matomumo irgi netekau per kelis metus dėl aplinkinės statybų veiklos, bet viskas veikia gana gerai - nesiskundžiu ir net nepastebėjau ar signalas labai suprastėjo dėl to.
5. Berods skaičiau, kad 1m laido sumažina signalo stiprumą 1 dB?
   • Tiesa, bet tai priklauso nuo kabelio diametro ir dažnio. Kuo dažnis aukštesnis ar kuo diametras mažesnis - tuo daugiau signalo prarandama. Taip pat ir kabelio ilgis su jungtimis įtakoja nuostolius. Todėl kabelį antenai su antgaliais reiktų užsakyti ar prašyti antgaliu uždėjimo iš profesionalų. Šiek tiek rašiau apie tai čia: http://buildyourownantenna.blogspot.lt/2014/07/guide-to-antenna-cables-and-connectors.html
6. Reikia turbūt išeksperimentuoti optimalų santykį – antenos aukščio/kabelio ilgio. Galbūt kelti į 8-9 m aukštį ir neapsimokės? 9dB praradimas dėl ilgo kabelio nebus kompensuotas pagerėjimu dėl aukščio?
   • Jei tiek aukštai kelti tą anteną, tai kartu ir modemą tektų sandariai uždarius, nes jei modemas USB, daug signalui neparankių perėjimų bus ir nuostoliai susidarys nemenki, gal net didesni už aukščio naudą. Aišku geriausia yra bandytis nuo pačių lengviausiai patikrinamų variantų. Pradedant nuo kambarinio, balkono, palėpės ir tada jau stogo jei netenkina pirmųjų variantų rezultatai.
7. Gal galite paaiškinti ar atsiųsti nuorodą kaip atrodo Mezon tiekėjo antena. Skiriasi ar nesiskiria nuo GSM 3 ar 4 G? Tam, kad vizualiai atpažinti iš kokios vietos gaunu signalą. Konsultantai sako, kad tai paslaptis.
   • Jei klausimas kur yra artimiausia Mezon bazinė stotis. man bent pasakė tą paslaptį kelis metus atgal, gal pasikeitė kokia saugumo politika. Kiek žinau visos tos mobiliojo ryšio antenos turi išskirtas tam tikras savo zonas ir bet kur jų nekabina, ten kur matai aukštesnį bokštą ir antenas ant jo, galima tikėtis ir Mezon antenos. Patikslinimui galima  privažiuoti su mašina arčiau antenos galimų vietų, įsijungti savo Mezon USB modemą su nešiojamu kompiuteriu ir pamatuoti signalą, interneto greičius.
8. Ar kažkur girdėjote, kad Mezon USB raktai sugebėta pajungti į DDWRT stiliaus routerį. Aš bandžiau jungti į ASUS RT-N18U (patinka man jo greitaveika ir šiaip daiktas) ir nesigavo. Nors Vodafone 3G modemas Omnitelinis veikia gerai.
   • Atvirai pasakius nežinau, pačiam susidurti neteko, tik skaičiau, jog žmonės sugeba suderinti tam tikrus Mezon USB modemus su tam tikrais routeriais.
9.  Kokį patartum kabelį ir kaip jungtis išsirinkti ir teisingai uždėti jas? reikia lituoti abu kontaktus prie kištuko? Gal galima vietoj kištuko kabelį prilituoti tiesiai prie modemo?
   • Lituoti visad yra geriausias sprendimas jei tai įmanoma.
   • Kabelio antgaliu montavimo atveju kabeliui lituoja tik vidinį kontaktą, kuris ir perduoda signalą, o išorinis tik ekranavimas-apsauga, tai jį berods tik užspaudžia su spec. replėmis. Jei kabelis bus naudojamas lauko sąlygomis - užspaudimo kokybė ypač svarbi.
   • Kadangi kiekvienas toks signalo terpės pakeitimas teoriškai grasiną į signalo nuostolius, rekomenduočiau dėl pilno kabelio gamybos su antgaliais, kreiptis į žmogų kuris supranta kas vyksta su 3.5 GHz dažnio signalu kabelyje ir kuris turi patirties tame. Aš tokį suradau UAB "Erksa" (http://www.erksa.lt), tai jų veiklos sritis. Jie ten ir įvairių antgalių įskaitant USB modemams tinkamų turi, gali patart ar pritaikyt.
   • Iš tiesų galima ir pačiam mėginti tą darbą atlikti, jei antenos gamyba nėra būtinybė, o tiesiog laikinas hobis po darbo :) Jei tikslas būtų maksimali kokybė, tokiu atveju aš patikėčiau tuos antgalius profesionalui.

Naudingos nuorodos

Šios antenos analizė ir testavimas: http://wimaxvedlys.blogspot.com/2013/02/double-biquad-35-ghz-wimax-antenos.html
How-To: Build a WiFi biquad dish antenna: http://www.engadget.com/2005/11/15/how-to-build-a-wifi-biquad-dish-antenna
MIMO technologijos testas, rodantis jog dvi antenos geriau (dvi antenos nebūtina, jei signalas ir taip geras).: http://www.danlampie.com/?p=708
Daugiau 4nec2 simulated antenų: http://buildyourownantenna.blogspot.com


Paskutinis atnaujinimas: 2015 m. Rugsėjo 18 d.

Double BiQuad sector antenna for 3.5 GHz / WiMAX

Introduction

This is basic instructions on building a double biquad antenna for 3.5 GHz frequency with approx. 14 dBi Gain. (13 dBi if without lips)

Note: The dBi scale is logarithmic in base 10, where +3 dBi is a doubling in gain! An increase in gain of +1 dBi is equivalent to an increase of  26% and +2 dBi is equivalent to an increase of 60%. This means that the increase in +1dBi is a big deal.

All antenna measurements based on careful analysis and testing: see here

Overview

Scheme for double biquad without "lips"

Wave length -
Section length - 2/√2×0.1789×86.2446≈21.820 mm ≈ 2.18 cm (analysis shows huge impact on correct size)
Element spacing -  0.0915×86.2446≈7.891 mm ≈ 0.8 cm
Reflector dimensions - 20.2x13.7 cm with ‘lips’, or 20.2x9.1 cm without ‘lips’.
For more see analysis.

Parts Required N-Type (female) panel mount connector (pic. on the right) Reflector – Any metallic sheet like copper or Copper Plated Blank Circuit Board 1.6mm thickness (pic. on the right) Cable - read this guide before doing anything else: Guide to Antenna Cables & Connectors (Very important to choose proper cable! the longer the cable length, the more signal loss you'll have through the cable. If you have too long cable, you'll defeat the purpose of the antenna. Read the guide for more info.) 40cm length of copper wire for the element. 1 mm - 1.2 mm in diameter. Wider is not recommended. See my testing and analysis: here Spacers in each end of the element to hold its position and spacing correct height between the radiator and the reflector. Spacers must be from any non-metallic material. Plastic will do alright.

 N-Type (female) connector   Single Sided Copper Clad Board 

Building the antenna

I will not show you picture after the picture how to drill the hole in center of reflector. How to use ruler. How to do proper soldering. What kits to use and etc. There are plenty of tutorials for these steps: http://www.ziva-vatra.com/index.php?aid=16&id=SGFyZHdhcmU=, http://martybugs.net/wireless/biquad/ or http://martybugs.net/wireless/biquad/double.cgi
(Note: all calculations in links are for 2.4 GHz WiFi antenna. Use mine calculated data and measurements for 3.5 GHz antenna.)

Element bending

 

Use this PDF file for bending wire contour. Print without changing scale and contour will be correct size on paper.

Before you start to bend the wire, make it straight as you can. 

Ensure each side of the element is as straight and symmetrical as possible. The element sides are rectangular and widths are 2.18 cm, from wire center to wire center. 
The more accurate you do the better as the analysis shows a huge impact in element dimensions.
Note: You can use 1.2 mm in diameter wire to bypass small bending inaccuracies.

Mine wire bending technique in the crossing sections.
Note: You must leave a ~1.5 mm gap between the element wires cross overs and solders.

Guidance and recommendations

N-connector in the center of reflector. Maintain correct reflector’s dimensions.

Maintain correct spacing between the element and the reflector! 0.8c m (or 0.7 if yours without lips)

You must leave approx. 1.5 mm gap between the element wires cross overs and soldered contacts.

Use spacers in each end of the element to strengthen its position and spacing proper height between the radiator and the reflector.

Spacers must be from any non-metallic material.

Finished. Lying on the belly.

Usage

 

This antenna should get the best performance at horizontal polarization.
Note: The antenna is horizontally polarized then reflector is held vertically.

Testing Spacing and Wire thickness

As the 4nec2 modeling shows significant impact on the wire’s thickness and element spacing, it was time to see what would happen in real life with various thickness of wire and various spacing for element. Sadly I don’t have a laboratory, neither can find one around, so the testing was made in home conditions as best as I could (It took all weekend to test 4 types of wire with different polarization and spacing, repeating tests hundreds of times):

VP – Vertically polarized; HP – Horizontal polarized; H- Wire Spacing; D - Wire Diameter

CINR [dB] - Carrier to Interference + Noise Ratio (sometimes SINR: Signal to Interference + Noise ratio). Higher values are better.

RSSI [dBm] - Received Signal Strength Indicator. Higher values are better (Note: Its negative, higher is closer to zero).

 

The main impact is in CINR as its shows the channel quality, possibility to choose better modulation.

 For more information see analysis

Outdoor usage

If you intend to use this antenna outdoor, you will need to make it weather-proof to prevent corrosion.
Some people have used small tupperware containers, but it looks ugly at the top of the roof. I rather choose the corrosion… Or the good painting with some silicone on soldered contacts.

 Cost

•     3 Euros for antenna
•     12 Euros for 2 meters professionally made coaxial cable SMA(m) to N(m)
•     Time.

Two sector antennas at work

Note: Distance from Base Station and my antenna is 2.1 km, almost clear visibility.

I couldn’t test the real physical double biquad gain, but this is what I get from two external antennas (pic. above). From a handmade Double BiQuad(2) and KTB 3.5GHz 14dBi HP90VP14 WiMAX Antenna(1). Yes, I get more CINR from handmade antenna than from professionally made weather-proof outdoor antenna priced 90 Euros. Reason - badly chosen position, needs reattachment.
Burst Data shows the modulation, as you see above, I enjoy 16-QAM ¾ / 64-QAM ¾ the same I get from one external antenna. (modulation table below).

Source: http://www.wimaxforum.org/news/downloads/Mobile_WiMAX_Part1_Overview_and_Performance.pdf

 

After you build your own antenna, you need proper cable with connectors to connect antenna with your modem.

Click here: Guide to Antenna Cables & Connectors

References

This antenna 4nec2 analysis and testing: http://wimaxvedlys.blogspot.com/2013/02/double-biquad-35-ghz-wimax-antenna.html
MIMO technology tests, two antennas gives better performance (Use two only if you have weak signal with one): http://www.danlampie.com/?p=708
More 4nec2 simulated antennas: http://buildyourownantenna.blogspot.com
How-To: Build a WiFi biquad dish antenna: http://www.engadget.com/2005/11/15/how-to-build-a-wifi-biquad-dish-antenna


Last updated 07 Jul 2014

Double BiQuad 3.5 GHz WiMAX antenna Analysis and Testing

Introduction

There are loads of information, how to build correct biquad or a double biquad antenna for Wi-Fi (2.4GHz) adapters. But there are only a few sources in the internet which shows how to make a cheap proper handmade G4 WiMAX antenna for 3.5 GHz frequency. In this analysis I will try to figure out which dimensions are prime choices for the best performance for 4G WiMAX 3.5 GHz Double BiQuad sector antenna. Will be testing two types of antennas with "lips" and without them.

Description

Antenna simulation, optimization and analysis was done with computer software 4nec2 (antenna modeler and optimizer), version 5.8.11.

My target - frequency 3475 MHz.

Therefore:

Wave-length in vacuum at frequency 3477 MHz equals to wave-length in Earth atmospheres air at frequency 3475 MHz. So lambda=86.2446 mm=8.62446 cm.

Simulation NEC Input files:

• 3.5GHz_DBIQUAD_ANTENNA.NEC
• 3.5GHz_DBIQUAD_ANTENNA_NoLips.NEC
• 3.5GHz_DBIQUAD_ANTENNA_forVacuum.NEC

Configuration symbols:

• ED  - Element square diagonal length / 2
• WR - Wire radius
• S - Spacing between element and reflector
• RH - Reflector height / 2
• RL - Reflector  length / 2
• LH - Height of reflector "lips"

All dimensions in .NEC data files and graphs are in wave-length ratio.

Main 4nec2 windows (antenna with lips on the left, without on the right)

 Geometry (antenna with lips on the left, without on the right)

 

Smith Chart

3D Radiation pattern and Smith Chart

 Tot-Hor Gain (antenna with lips on the left, without on the right)

This antenna should get the best performance at horizontal polarization.

 Wire radius (antenna with lips on the left, without on the right)

Thinner wire gives slightly more Gain, but the main impact is in SWR. As you see ‘lips’ = better results.
With lips 0.0059×86.2446×2≈1.017mm≈0.1cm
Without lips 0.007×86.2446×2≈1.207mm≈0.12cm
Wire.radius.ratio*lambda*2

Element spacing (antenna with lips on the left, without on the right)

SWR and Refl.coef. graphs displays significant impact of distance. This means that the element should maintain correct distance without bends up or down on the sides. Lips boost the performance.
With lips 0.0915×86.2446≈7.891mm≈0.8cm
Without lips 0.0805×86.2446≈6.943mm≈0.7cm
Element.spacing.ratio*lambda

Element dimensions (antenna with lips on the left, without on the right)

SWR and Refl.coef. graphs displays a huge impact in element dimensions. This means that you really want to maintain a perfect size.
With lips  2/√2×0.1789×86.2446≈21.820mm≈2.18cm
Without lips 2/√2×0.1777×86.2446≈21.673mm≈2.17cm

Reflector length (antenna with lips on the left, without on the right)

The optimal reflector horizontal length is 20.2cm
With lips 1.169×86.2446×2≈201.639mm≈20.2 cm
Without lips 1.17×86.2446×2≈201.812mm≈20.2 cm
hor.length.ratio*lambda*2

Reflector height (antenna with lips on the left, without on the right)

The above SWR and reflection coefficient graphs show that using lips you must maintain perfect size (9.1cm). Though reflector without lips indicates no significant impact in SWR.
With lips0.5282×86.2446×2≈91.074mm≈9.1cm
Without lips 0.555×86.2446×2≈95.732mm≈9.6cm
ver.length.ratio*lambda*2

Height of reflectors “lips”

The optimal “lips” length is 23mm as it is shown in graph above.
The main impact is in SWR and reflection coefficient.
Lips boost the performance.
0.27×86.2446=23.286mm≈2.33cm
lips.length.ratio*lambda

Frequency range (antenna with lips on the left, without on the right)

The above SWR and RF.COEF. graphs shows that best performance at frequency 3477 MHz. Lips boost the performance.

Testing

Spacing and Wire thickness test:

As the 4nec2 modeling shows significant impact on the wire’s thickness and element spacing, it was time to see what would happen in real life with various thickness of wire and various spacing for element. Sadly I don’t have a laboratory, neither can find one around, so the testing was made in home conditions as best as I could (It took all weekend to test 4 types of wire with different polarization and spacing, repeating tests hundreds of times).
I made 4 elements of various thickness wire as you can see below.
To make one element nicely takes about an hour or a bit more. Note: The thicker the wire the harder to bend it right.
Use this PDF file for bending wire contour. Print without changing scale and contour will be correct size on paper.

From left to right: copper 1mm; copper  1.2mm, aluminium 2mm and the last copper 2.2mm

Two days careful testing averages below:

VP – Vertically polarized; HP – Horizontal polarized.

CINR [dB] - Carrier to Interference + Noise Ratio (sometimes SINR: Signal to Interference + Noise ratio). Higher values are better.
RSSI [dBm] - Received Signal Strength Indicator. Higher values are better (Note: Its negative, higher is closer to zero).

The main impact is on CINR as its shows the channel quality, possibility to choose better modulation.

Hence, the tests shows that 4nec2 modeling don‘t lie to much. The prime choice is for the copper wire of 1mm in diameter with spacing 0.8cm over reflector.
Aluminium wire displays a good performance although its thickness over 4nec2 predictions. Still, I found it very hard to solder, almost impossible. 

Conclusion

• Copper wire of 1mm or 1.2mm in diameter with spacing 0.8cm over the reflector demonstrates best performance.
• Use “lips” on the reflector. Theoretically “lips” gives slightly better performance.
• Maintain correct element dimensions.
• Maintain correct reflector dimensions.
• Use horizontal antenna polarization. (antenna is horizontally polarized then reflector is vertical)

Schemes

All measurements in the simply schemes so even a horse could understand

  Scheme for double biquad with "lips"

   Scheme for double biquad without "lips"

How-To Build antenna: here

Last updated 07 Jul 2014