|
Прогресс не остановить: от трансатлантической связи до "умых" домов и городов, и милливаттных QRPP сетей. В этой статье пойдет речь об одной из таких сетей (Meshtastic и Meshcore), а вернее сказать об используемых антеннах в сетях Mechtastic и Mechcore. В принципе эти сети братья-близнецы, различаются, по сути, только протоколами и прошивками. Подробно эти сети в статье описаны не будут, в интернете полно информации по этим сетям. В приамбуле, в статье, кратко об этом будет сказано. Эти сети работают на УКВ, ДМВ частотах, в зависимости от расположения сети, страны. Нас же, прежде всего, интересуют антенны для устройств, работающих в этих сетях. |
Маленькие антенны для большой сети
Кононов Владимир ( UA1ACO )
г. Санкт-Петербург
Назначение этой статьи дать возможность радиолюбителям и заинтересованным людям ознакомиться, какие антенны можно использовать на устройствах, работающих в этих сетях.
Кратко о самой сети, для примера Mechcore (Mechtestic работает на этих же частотах). Такая сеть из многочисленных абоненских устройств (минирадиостанций) приблизительно работает также как и всем нам известная сеть мобильных устройств GSM, но... есть принципиальные отличия:
1. В сети каждый абонент (радиостанция) может являться как абонентом, так и ретранслятором (как вышка GSM).
2. Мощность каждого устройства ограничена, как правило, 20dBm или 100мВт на нагрузке 50Ом.
3. В основе всех устройств лежит всем известный дешевый модуль LORA.
4. Используется нелицензируемый диапазон, в зависимости от страны: 433 мГц (Россия, Европа и др.); 868 мГц (Россия, Европа и др.); 920 мГц (США и др.)
5. Сверхнизкое потребление от источника питания, устройство большую часть времени находится в спящем режиме.
6. Узкая полоса канала передачи сообщения (от этого и низкая скорость передачи).
Вот это основные параметры, более подробно можно почитать в интернете.
Из вышеописанных параметров, можно сделать следующие выводы: Дальность связи определяется, как правило, прямой видимостью ( ~ 1-3км), размеры антенны маленькие, например: длина волны 300/868=0,34м или 34см, отсюда длина диполя = 17см, а 1/4 штыря (без противовесов) =8,5см.
На этом сайте речь всегда идет о емкостных маленьких (ЕН) антеннах. Казалось бы для этого диапазона нет смысла использовать такие антенны, так как и полноразмерные уже маленькие. Но вспомним, что говорил известный энтузиаст ЕН антенн Dan (M0DFI):
"On higher frequencies, I use an AD8302 to measure phase differences up to 2.5GHz. ( I've only managed to build an EH for 23cm as max ). Why 23cm EH as the size is small anyway? The answer is - EFFICIENCY!!!!!!"
"На более высоких частотах, я использую AD8302 для измерения разности фаз до 2,5 ГГц. (Я успел построить EH антенну на длину волны 23см максимально). Зачем делать ЕН на 23см?, у стандартных антенн и так не большие размеры для этого диапазона? Ответ на этот вопрос - эффективность !!!!!!"
Да, действительно есть пределы, по частоте, для емкостных антенн. Это понятно. У емкостных антенн высокая добротность. Почему? Добротность определяется, в основном, как корень квадратный от деления индуктивности на емкость. Чем больше емкость - тем меньше добротность и более широкая полоса пропускания и значит преимущества емкостной антенны уменьшаются. Самое главное, что емкость открытого в пространстве конденсатора уменьшается, а паразитные емкости становятся сравнимы с развернутым в пространстве конденсатором (в отличие от КВ антенн): цилиндры, плоскости... и эффективность антенны падает. Но если Dan делал антенны на 2,4 ГГц и эффективыность еще была высока, попробуем сделать емкостную антенну на 868 иГц, сравнить ее с полноразмерной, и посмотрим, что получилось.
Сделаем три различных макета емкостных антенн: двухцилиндровую, одноцилиндровую и плоскую, для сравнения 1/4 штыревую с противовесами.
Макет одноцилиндровой емкостной антенны на 868 мГц
Рис.1 Общий вид.
Конструктивные данные антенны такие: антенна выполнена на цилиндрическом корпусе от шприца инъекционного инсулинового "U-100", диаметром ~6мм (такой диаметр очень хорошо согласуется с размером разъема SMA). Количество витков катушки равно 4, провод ПЭТВ 0,5 мм. отвод от 1,2 витка. Общий размер антенны 40мм х 10мм, где 10мм - диаметр кожуха антенны. Внешний вид показан на рисунке Рис.1, а схема антенны на рисунке Рис.2. Емкость между цилиндром и катушкой (настройка) регулируется расстоянием между ними.
Рис.2 Схема антенны.
Антенна настраивается путем изменения расстояния между цилиндром и катушкой (на схеме обозначено как "Емкость"), а также изменением шага катушки настройки. КСВ регулируется также, как и во всех емкостных антеннах, изменением расстояния между витками в нижнем ("холодном") конце катушки настройки. Естественно, что настройку антенны необходимо проводить, используя любой прибор VNA, с необходимым диапазоном частот. В данном случае, использовался "miniVNA Tiny", с диапазоном частот 1 мГц - 3 ГГц.
После настройки снимается АЧХ антенны, с помощью этого же прибора. АЧХ антенны приведена на рисунке Рис.3.
Рис.3 АЧХ антенны.
По результатам измерений имеем следующие параметры антенны:
Частота резонанса: 868,988 мГц
Полоса пропускания по КСВ=2: >350 мГц
КСВ на резонансной частоте: 1,09 (можно достичь и лучшего результата)
Далее измерялась величина уровня поля, создаваемая антенной, на расстоянии 15 метров (50 длин волн, дальняя зона). Использовался прибор "miniVNA Tiny" в качестве передатчика - источника ВЧ энергии (-10dBm), и измерительная активная антенна "АИ" на приемной стороне, с SDR приемником и программой "Spectrum Analyser" Рис.4.
Рис.4 Уровни поля от антенны.
На частоте 869 мГц уровень сигнала зарегистрирован -64,3 dB.
Макет двухцилиндровой емкостной антенны на 868 мГц
Рис.5 Общий вид.
Внешний вид антенны показаны на рисунке Рис.5.
Антенна выполнена на цилиндрическом корпусе от инъекционного инсулинового шприца "U-100", диаметром ~6мм (такой диаметр очень хорошо согласуется с размером разъема SMA). Количество витков катушки равно 2, провод ПЭТВ 0,5 мм. отвод от 0,6 витка. Длина цилиндров по 10мм, расстояние между цилиндрами ~12мм. Схема антенны показана на рисунке Рис.6, а конструктивные размеры на рисунке Рис.7.
Рис.6 Схема антенны.
Рис.7 Конструктивные размеры антенны.
Особенности конструкции состоят в том, что внешние соединения антенны выполнены не внутри корпуса антенны, а снаружи (для простоты изготовления), это видно на рисунке Рис.5 и Рис.7. Останавливаться на настройке антенны не буду, так как она настраивается как и обычные двухцилиндровые антенны, на сайте много статей о такой настройке. В любом случае, необходимо учитывать, что частота настройки антенн 868 мГц, что накладывает ограничения на передвижение элементов антенны, при настройке, так как даже незначительное изменение, перемещение элементов (даже 0,1-0,5мм) приводит к существенным изменениям в параметрах антенны (частота настройки, КСВ и т.д.).
После настройки снимается АЧХ антенны, с помощью этого же прибора. АЧХ антенны приведена на рисунке Рис.3.
Рис.8 АЧХ антенны.
По результатам измерений имеем следующие параметры антенны:
Частота резонанса: 869 мГц
Полоса пропускания по КСВ=2: 280 мГц
КСВ на резонансной частоте: 1,05
Далее измерялась величина уровня поля, создаваемая антенной, на расстоянии 15 метров (50 длин волн, дальняя зона). Использовался прибор "miniVNA Tiny" в качестве передатчика - источника ВЧ энергии (-10dBm), и измерительная активная антенна "АИ" на приемной стороне, с SDR приемником и программой "Spectrum Analyser" Рис.9.
Рис.9 Уровни поля от антенны.
На частоте 869 мГц уровень сигнала зарегистрирован -65,1 dB.
Макет плоской емкостной антенны на 868 мГц
Рис.10 Общий вид.
Конструктивные размеры макета антенны приведены на рисунке Рис.11
Рис.11 Размеры антенны.
Это самая простейшая емкостная антенна. Без травления, а просто вырезая элементы антенны ножом. "Парусность" здесь не так важна как в КВ антеннах, а сделать ее можно буквально за полчаса. Настройка также не столь замысловата, все видно, регулируется достаточно просто. отвод подбирается, также, как и в обычных емкостных антеннах. При настройке использовался тот же прибор VNA "miniVNA Tiny", с диапазоном частот 1 мГц - 3 ГГц. После настройки снимается АЧХ антенны, с помощью этого же прибора. АЧХ антенны приведена на рисунке Рис.12.
Рис.12 АЧХ антенны.
По результатам измерений имеем следующие параметры антенны:
Частота резонанса: 869 мГц
Полоса пропускания по КСВ=2: 300 мГц
КСВ на резонансной частоте: 1,08
Далее измерялась величина уровня поля, создаваемая антенной, на расстоянии 15 метров (50 длин волн, дальняя зона). Использовался прибор "miniVNA Tiny" в качестве передатчика - источника ВЧ энергии (-10dBm), и измерительная активная антенна "АИ" на приемной стороне, с SDR приемником и программой "Spectrum Analyser" Рис.13.
Рис.13 Уровни поля от антенны.
На частоте 869 мГц уровень сигнала зарегистрирован -65,3 dB.
Макет классической штыревой 1/4 длины волны, антенны на 868 мГц
Рис.14 Общий вид.
Конструктивные размеры макета антенны приведены на рисунке Рис.15
Рис.15 Размеры антенны.
Антенна выполнена из медного обмоточного провода ПЭТВ 2,0мм. Отрезки провода длиной по 8,6см припаиваются непосредственно к разъему SMA. Как правило, антенна в тщательной настройке не нуждается (небольшое изменение длины элементов). КСВ подбирается изменением угла между вертикальным штырем и противовесами. При настройке использовался тот же прибор VNA "miniVNA Tiny", с диапазоном частот 1 мГц - 3 ГГц. После настройки снимается АЧХ антенны, с помощью этого же прибора. АЧХ антенны приведена на рисунке Рис.16.
Рис.16 АЧХ антенны.
По результатам измерений имеем следующие параметры антенны:
Частота резонанса: 869 мГц
Полоса пропускания по КСВ=2: >300 мГц
КСВ на резонансной частоте: 1,03
Далее измерялась величина уровня поля, создаваемая антенной, на расстоянии 15 метров (50 длин волн, дальняя зона). Использовался прибор "miniVNA Tiny" в качестве передатчика - источника ВЧ энергии (-10dBm), и измерительная активная антенна "АИ" на приемной стороне, с SDR приемником и программой "Spectrum Analyser" Рис.17.
Рис.17 Уровни поля от антенны.
На частоте 869 мГц уровень сигнала зарегистрирован -66,1 dB.
Заводская антенна на 868 мГц от р/cт сети "Meshcore"
Рис.18 Общий вид радиостанции с антенной.
Снимаем АЧХ антенны, с помощью этого же прибора. АЧХ антенны приведена на рисунке Рис.19.
Рис.19 АЧХ антенны.
По результатам измерений имеем следующие параметры антенны:
Частота резонанса: 814,7 мГц, на этой частоте КСВ=1,07
На частоте 868 мГц, КСВ=1,11.
Полоса пропускания по КСВ=2: >500 мГц
Антенну я не разбирал, но по виду, скорее всего, это стандартная "пружинка".
Далее измерялась величина уровня поля, создаваемая антенной, на расстоянии 15 метров (50 длин волн, дальняя зона). Использовался прибор "miniVNA Tiny" в качестве передатчика - источника ВЧ энергии (-10dBm), и измерительная активная антенна "АИ" на приемной стороне, с SDR приемником и программой "Spectrum Analyser". К сожалению скриншота с измерением уровня не сохранилось, но остались записи. Уровень поля составил -65,7 dB.
Макет антенны "волновой канал 11 элементов" на 868 мГц
Рис.20 Общий вид.
Я упоминал, в начале статьи, что в сети Mashcore, максимальная дальность связи около 1-2 км. Малая мощность, не эффективная маленькая антеннна... Каждая радиостанция (абонент) может работать в режиме ретранслятора, но, опять таки на небольшие расстояния. А если рядом с абонентом нет никого? Вот в этой ситуации и может помочь направленная антенна с хорошим усилением, чтобы "дотянуться" до ближайшего абонента и уже через него (используя его радиостанцию как ретранслятор), выйти в сеть. Емкостные антенны, хотя и обладают хорошей эффективностью, но не обладают направленными свойствами, а наоборот. Да, в чем-то обычная штыревая антенна выигрывает, а в чем-то и емкостная антенна лучше. Посмотрите на упрощенную диаграмму направленности обычного 1/4-волнового штыря с противовесами и емкостной антенны, и все станет ясно, Рис.21. И это подтверждают измерения. Важно для чего применяется антенна: если для связи "по земле" - это одно, а если для связи с воздушными объектами - это дркгое.
Рис.21 диаграммы в вертикальной плоскости.
Поэтому приходится использовать специальные направленныне антенны с хорошим усиленинем (и здесь вспоминается золотое правило: лучший усилитель - антенна).
Попробуем максимально просто и дешево изготовить такой волновой канал. Для изготовления антенны используем армированную стекловолокном ПП трубу белого цвета диаметром 20мм (используется в системах водоснабжения), длиной чуть больше метра. А также клипсы для этой же трубы (нпример, покупал на ОЗОН`е за 160 руб., за "пучок" из 50 штук,). Еще потребуется трубка или медная, или алюминиевая диаметром 4мм (используется в тормозных системах автомобилей), можно использовать и толстый провод.
Для облегчения настройки, для крепления элементов антенны к трверзе, использовал вышеупомянутые клипсы. Можно спокойно двигать по траверзе, при настройке.
Перед установкой элементов на клипсу, прикладывал трубку сверху к клипсе и нагревал трубку паяльником 100 вт, проплавляя небольшую канавку, а потом крепил трубку к клипсе при помощи небольших хомутов. Схема, размеры антенны показаны на рисунке Рис.22.
Рис.22 Размеры антенны.
В желтых квадратах - длина элементов, в розоваых - расстояние между элементами. Расстояние Х-Х равно 3мм.
Здесь важно отметить, что симметрирование антенны не было проведено, что естественно, исказило диаграмму направленности.
После изготовления антенны, была снята АЧХ антенны, показанная на рисунке Рис.23.
Рис.23 АЧХ антенны.
Далее измерялась величина уровня поля, создаваемая антенной, на расстоянии 15 метров (50 длин волн, дальняя зона). Использовался прибор "miniVNA Tiny" в качестве передатчика - источника ВЧ энергии (-10dBm), и измерительная активная антенна "АИ" на приемной стороне, с SDR приемником и программой "Spectrum Analyser". К сожалению скриншота с измерением уровня не сохранилось, но остались записи. Уровень поля составил -51,3 dB, КСВ=1,0.
Результаты всех измерений можно свести в Таблицу №1:
Таблица №1
| № п/п | Антенна | Уровень в dB | Относительно 1/4 штыря | КСВ | Размеры антенны мм |
| 1 | Одноцилиндровая | -64,3 | 0 dB | 1,09 | 40х10 |
| 2 | Двухцилиндровая | -65,1 | -0,8 dB | 1,05 | 52х10 |
| 3 | Плоская | -65,3 | -1,0 dB | 1,08 | 30х28 |
| 4 | Штырь 1/4 | -66,1 | -1,8 dB | 1,03 | 172х100 |
| 5 | Meshcore | -65,7 | -1,4 dB | 1,11 | 50х10 |
| 6 | Волновой канал | -51,3 | +13 dB | 1,01 | 1030х172 |
Как видно из Таблицы, относительно двухцилиндровой емкостной антенны, лучшие результаты, что естественно, показал волновой канал, с преимуществом в 13 dB. Остальные антенны показали сравнительно одинаковые результаты, но измерения необходимо проводить на открытом месте, исключая переотражения.
Все антенны устанавливались непосредственно на "miniVNA Tiny". Антенна волновой канал подключалась через отрезое кабеля RG-58 длиной 3-4см. Симметрирование не проводилось.
После проведнения измерений (в моем огороде, где видимо есть переотражения от окружения), было принято решение провести повторные измерения в полевых условиях, на открытом пространстве, где нет строений, электрических сетей и крупной растительности. Вместе с моими друзьями, взяли аппаратуру, сели в машину и выехали "на природу". В радиусе около 400 метров от места измерения, пространство было свободно (поле под посадку кормовой кукурузы). Антенны использовались те же самые + "noname" антенна, длинной 80мм, антенна на 900 мГц промышленного производства. Антенны, испытуемые и измерительная, устанавливались на диэлектрические (деревянные) мачты высотой около 2 - 2,5 метра. Источник сигнала (miniVNA Tiny) подключался непосредственно к антенне, без кабеля.
Место проведения измерений показано на рисунках Рис.24 и 25.
Рис.24.
Рис.25.
Результаты измерений также сведены в Таблицу №2.
Таблица №2
| № п/п | Антенна | Уровень в dB | Относительно 1/4 штыря | КСВ | Размеры антенны мм |
| 1 | Одноцилиндровая | -70,9 | -4,1 dB | 1,09 | 40х10 | 2 | Двухцилиндровая | -70,3 | -5,5 dB | 1,05 | 52х10 |
| 3 | Плоская | -70,7 | -3,9 dB | 1,08 | 30х28 |
| 4 | Штырь 1/4 | -66,8 | 0 dB | 1,03 | 172х100 |
| 5 | Meshcore | -67,7 | -0,9 dB | 1,11 | 50х10 |
| 6 | "NoName 900 мГц" | -66,7 | +0,1 dB | 1,11 | 50х10 |
| 7 | Волновой канал | -52,4 | +14,4 dB | 1,01 | 1030х172 |
Также были проведены измерения уровня сигнала в зависимости от расстояния, при использовании стандартной антенны Meshtastic. Результаты измерений сведены в Таблицу №3, расстояния на местности, на рисунке Рис.24. По результатам построен график, Рис.26.
Таблица №3
| № п/п | Северная широта | Восточная долгота | Расстояние | Уровень dB |
| 0 | 59° 38′ 05,087″ | 29° 27′ 16,175″ | 0 | -40 |
| 1 | 59° 38′ 03,324″ | 29° 27′ 19,506″ | 80 | -62,5 |
| 2 | 59° 38′ 01,542″ | 29° 27′ 23,244″ | 160 | -77,2 |
| 3 | 59° 37′ 58,565″ | 29° 27′ 33,899″ | 340 | -93,9 |
| 4 | 59° 37′ 55,380″ | 29° 27′ 47,778″ | 580 | -94,4 |
Рис.26 Зависимость уровня сигнала от расстояния.
В заключение к проведенным измерениям, была снята диаграмма направленности волнового канала в горизонтальной плоскости, она приведена на рисунке Рис.27.
Мы все привыкли к "красивым" картинкам диаграмм направленности, но, во первых симметрирование антенны не было проведено, что исказило диаграмму. Во вторых, может быть погрешность в повороте антенны на несколько градусов, при измерении. Безусловно, если провести симметрирование антенны, диаграмма направленности будет выглядеть более привлекательно. При расчете антенны не ставилась задача подавления заднего лепестка (лучше бы было, если диаграмма была круговая, при том же усилении :-))), важно - максимальное усиление, см. Таблицу №2.
Рис.27 Реальная диаграмма направленности волнового канала
Да... чемпион волновой мканал, что и следовало олжидать, даже лучше, чем ожидалось. А вот с емкостными антеннами результат несколько неожиданный (по сравнению с измерениями на рачсстоянии 15 метров). Я где-то прочитал, что: "емкостные антенны капризные", да, это действительно так... чуть виточек подогнулся на 0,5мм и результат - расстройка антенны, усиление упало. Большим недостатком, при измерениях, проведенных в поле было то, что в огороде, перед измерением уровней, проверялась АЧХ каждой емкостной антенны и проводилась подстройка "по месту". Когда измерения проводились в поле, антенны просто сложили в коробку и "как есть" проводили измерения, без проверки АЧХ.
Измерения закончились и я хочу выразить благодарность своим друзьям Константину и Славе, за неоценимую помощь в проведении измерений. (на фото видна измерительная антенна над автомобилем).
Удачи всем и чистого эфира!
73!
UA1ACO op. Vlad
г. С-Петербург
03.2026г.
UA1ACO op. Vlad
г. С-Петербург
03.2026г.