Антенны Харченко из проволоки. [Harchenko's BiQuad Antennas 2300 MHz, 1090 MHz]

 Для изучения работы любительских ИСЗ в диапазоне УКВ обязательно нужны антенны. Самое простое, что приходит в голову - использовать проволоку для изготовления антенны Харченко (также BiQuad, Two Rhomb, антенна Маршала в зарубежной литературе). Мне интересны диапазоны L - около 1090 МГц (самолетики, ADS-B), S - около 2300 МГц (ИСЗ, каналы космос-земля). Файлы моделей нашел в паутине [BiQuad-2280-50.maa], и масштабировал под свои задачи. Рефлектор для просты пока удалил и не делал. Отмечу лишь, что линейные размеры квадратов при использовании рефлектора, уменьшаются примерно на 16%. Поляризация - вертикальная (при ориентации антенны: квадрат слева-квадрат справа)

Итак, для S диапазона мой mmana файл записывается так:

[BiQuad 2,3 GGz without reflector]
*
2300.0
***Wires***
9
0.01803, 0.0, 0.00127, 0.01778, -0.02812, 0.02774, 0.00125, 0
0.01778, -0.02812, 0.02774, 0.01778, -0.05587, 0.0, 0.00125, 0
0.01778, -0.05587, 0.0, 0.01778, -0.02812, -0.02774, 0.00125, 0
0.01778, -0.02812, -0.02774, 0.01778, 0.0, -0.00127, 0.00125, 0
0.01778, 0.0, -0.00127, 0.01803, 0.0, 0.00127, 0.001, 0
0.01803, 0.0, 0.00127, 0.01803, 0.02723, 0.02864, 0.00125, 0
0.01803, 0.02723, 0.02864, 0.01778, 0.05396, 0.0, 0.00125, 0
0.01778, 0.05396, 0.0, 0.01778, 0.02722, -0.02864, 0.00125, 0
0.01778, 0.02722, -0.02864, 0.01778, 0.0, -0.00127, 0.00125, 0
***Source***
1, 0
w5c, 0.0, 1.0
***Load***
0, 1
***Segmentation***
400, 20, 2.0, 2
***G/H/M/R/AzEl/X***
0, 5.0, 1, 50.0, 120, 60, 0.0 

А для L диапазона мой mmana файл записывается так:

[BiQuad 1,090 GGz without reflector]
*
1090.0
***Wires***
9
0.03606, 0.0, 0.00254, 0.03556, -0.05624, 0.05548, 0.00125, 0
0.03556, -0.05624, 0.05548, 0.03556, -0.11174, 0.0, 0.00125, 0
0.03556, -0.11174, 0.0, 0.03556, -0.05624, -0.05548, 0.00125, 0
0.03556, -0.05624, -0.05548, 0.03556, 0.0, -0.00254, 0.00125, 0
0.03556, 0.0, -0.00254, 0.03606, 0.0, 0.00254, 0.001, 0
0.03606, 0.0, 0.00254, 0.03606, 0.05446, 0.05728, 0.00125, 0
0.03606, 0.05446, 0.05728, 0.03556, 0.10792, 0.0, 0.00125, 0
0.03556, 0.10792, 0.0, 0.03556, 0.05444, -0.05728, 0.00125, 0
0.03556, 0.05444, -0.05728, 0.03556, 0.0, -0.00254, 0.00125, 0
***Source***
1, 0
w5c, 0.0, 1.0
***Load***
0, 1
***Segmentation***
400, 20, 2.0, 2
***G/H/M/R/AzEl/X***
0, 5.0, 1, 50.0, 120, 60, 0.0

Для изготовления антенн, я разметил доску и вкрутил шурпы в вершинах квадратов и использовал проволоку 1, 1.5 и 2 мм в диаметере:

Проволока 1 мм совсем не подходит, .т.к. не держит свою форму и легко может быть помята. Оптимально использовать проволоку 2 мм, 1.5 мм тоже можно, но она мягче. Если быть совсем точным, диаметр проволоки имеет значения и его нужно учитывать в каждой модели антенны! Некоторую сложность может доставить пайка разъемов в середине антенны. У меня они SMA. 

О точности изготовлении речь не идет, получится, так как получится. Мне же интересно узнать, результат - графики зависимостей КСВ от частоты (ну и степень попадания в диапазон). 

Я изготовил 2 антенны на 2300 МГц из проволоки 1.5 и 2 мм, и одну на 1090 МГц из проволоки 2 мм в диаметре:

Зависимости КСВ получу с прибора Rohde&Schwarz ZNB-20. 

(фото прибора любезно представлено сайтом https://www.temcom.com)

Для измерений использую тонкий розовый кабель с AliExpress, оформленный по краям SMA-M разъемами, длиной 50 см. С открытом концом (ХХ), получаем такую картинку:

Полоса обзора здесь 20 ГГц, появляются некоторые снижения КСВ на частотах более 10 ГГц.

Сразу приведу затухание такого кабеля:

И, если добавить еще одну вставку из розового кабеля длиной 10 см и одного дополнительного sma-бочёнка получим:

Итак, на частоте 1 ГГц потери -0.55 дБ, на 2 ГГц потери -1.11 для одного измерительного кабеля.

Антенна №1, частота 2300 МГц, материал 2 мм:

Обзорная полоса от 1 МГц до 20 ГГц:

Полоса от 1 ГГц до 3 ГГц:

Полоса от 1 МГц до 2.5 ГГц:

В интересуемой области получаю полосы приема по уровню КСВ = 2

[2.0224...2.1026] ГГц, [2.1913...2.3202] ГГц мне повезло, и не смотря на то, что проволока была короче расчетной на 0.5 см, вторая полоса приема захватывает интересуемые 2300 МГц!

А теперь сымитирую влияние рефлектора на такую антенну.

В качестве рефлектора корпус измерительного прибора, расстояние от корпуса но плоскости антенны около четверти длины волны, получаем:

Получаем полосу по уровню КСВ менее 2 [ 1.7474...1.926], т.е. резонанс сместился на 20% ниже по частоте, что требует уменьшать линейные размеры квадратов.

Теперь проверим работу компакт диска в качестве рефлектора:

Получаем более узкою полосу (по уровню 2), примерно в той же частотной области, т.е. компакт диск вполне можно приспособить в качестве рефлектора. Отличие графиков связано с влиянием на схему измерения (мной), руки, тело, голова, и все-таки размер диска сильно меньше плоскости металлического корпуса прибора VNA  =)

Антенна №2, частота 2300 МГц, материал 1.5 мм:

Здесь мне проволоки хватило полностью, а результат получился хуже.

Обзорная полоса от 1 МГц до 20 ГГц:

Полоса от 1 ГГц до 3 ГГц:

Полоса от 2 ГГц до 2.5 ГГц:

В полосу с КСВ = 2 почти не попадаем. Минимум КСВ около 2.0724 ГГц, второй минимум (около КСВ=3) 2.2663 ГГц

Проводим "добавление" рефлектора на высоте примерно половины длины волны 0_0:

Получаем минимум по КСВ примерно [1.8024...1.954], смещение вниз по частоте 11%.

Проводим "добавление" рефлектора на высоте примерно четверти длины волны =) :

Получаем минимум по КСВ примерно [1.5436...1.7578], смещение вниз по частоте 20%.

Проводим "добавление" рефлектора в виде компакт-диска на высоте примерно четверти длины волны =) :

Смещение вниз по частоте сохраняется, КСВ растет, не хватает размеров плоскости диска в качестве рефлектора. Напомню - размер антенны по горизонтали около 11.2 см, а диаметр компакт диска около 12 см.

В целом, я не попал в нужные 2300 МГц, но если верить прибору, антенну можно использовать в широком диапазоне на частотах [6.799...17.274 ГГц], либо использовать ее в качестве передающей для линии "земля-космос", хотя что мне туда передавать?! =) 

Теперь посмотрим на самую крупную антенну.

Антенна №3, частота 2300 МГц, материал 2 мм:

Обзорная полоса от 1 МГц до 20 ГГц:

Сразу отмечу области приема около 1.1 ГГц (ADS-B),  3.6235 ГГц (С-диапазон "космос-земля"),  6.769-10 ГГц Х-диапазон, 10-17 ГГц - Ku диапазон.

Полоса от 1 МГц до 2.5 ГГц:

Отметим две области по КСВ менее 2: [944.3...1.101] ГГц (подходит для ADS-B c 1090 МГц) и

[1.812...2.001] ГГц.

Добавляем рефлектор - корпус VNA на расстоянии около четверти волны:

Получаем 2 области по КСВ менее 2: [845.9...0.9691] ГГц, [1.795...2.001] ГГц. Рабочая область сместилась вниз по частоте примерно на 8.6%. При этом верхняя область почти не сдвинулась. Похоже, что это "гармониковая" полоса, воспримет рефлектор, только когда он будет приближен на расстояние 1/8 длины волны =).

Вывод: Из трех антенн - две можно считать, попадающими в необходимые рабочие частоты. ДНА направлена вперед/назад, форма - объемная восьмерка. Поляризация линейная, усиление можно оценить по моделям как 5.72 дБи для 1090 МГц и 6 дБи для 2300 МГц антенн, максимум излучения распространяется вдоль нормали к плоскости каждой антенны. 

По уровню -3 дБ ДНА у 1090 МГц антенны имеет ширину по высоте ± 41°,  по азимуту ± 31°

Для антенны 2300 МГц ширина лепестка по высоте ± 40°,  по азимуту ± 30°Качественный вид ДНА для каждой антенны такой:

Материал подготовил: Лавриненков Игорь / R2AJA

для связи позывной + @ + mail.ru