Ещё одна самодельная GPS антенна

в 9:16, , рубрики: gps-навигация, gps-приемник, антенны
Ещё одна самодельная GPS антенна - 1

Привет! Меня зовут Александр, я инженер-электроник. Около пяти лет назад я разрабатывал с нуля GPS приемник. Когда более-менее ожил первый макетный образец, оказалось, что в офисе на окне спутники почти не ловятся - ни телефоны ни контрольный приемник в виде модуля U-blox даже не захватывали хотя бы пару спутников в слежение.

В здании находилось производство и я первым делом грешил на наличие больших сетевых помех, перегружающих усилитель в активной автомобильной патч-антенне через которую я пытался отлаживаться. Чтобы исключить фактор помех и повысить чувствительность я решил сделать полноразмерную патч-антенну на воздушном диэлектрике, о которой хочу поведать далее.

Конструкция

Профессионально антенны я не разрабатываю. Антенна была рассчитана в САПР для моделирования антенн:

Размеры и конструкция

Размеры и конструкция

Результаты моделирования:

Диаграмма направленности и график КСВ

Диаграмма направленности и график КСВ

По этим размерам я собственно и изготовил антенну из куска какой-то жести для патча, а обломок текстолита послужил полигоном земли. Патч держится в воздухе на полосках текстолита, припаянных снизу к середине каждой стороны патча:

Крепление из текстолита

Крепление из текстолита

У меня есть измерительная лаборатория радиолюбителя в виде комплекса приборов OSA103 mini + OSA-6G - там есть генератор СВЧ колебаний, анализатор спектра, векторный анализатор цепей и осциллограф. Всё это работает до 6ГГц. Все реальные измерения проводились на этом комплексе. На Хабре он уже упоминался.

Реальный минимум КСВ антенны пришелся на диапазон ГЛОНАСС, наверно из-за подставок из текстолита.

КСВ самодельного патча не превышает 1.7 в диапазоне L1 и минимум 1.07 на 1609МГц
КСВ самодельной патч-антенны

КСВ самодельной патч-антенны

Попытка сравнения антенн между собой

Ок, я смастерил антенну. Вроде даже с нормальными параметрами. Но как теперь её сравнить с другими антеннами? С тем же покупным дешевым патчем? Спутников-то может и не быть...

Обычно, усилительные свойства антенн характеризуют в dBi - децибел изотропных. Это усиление антенны относительно сферического равномерного поля излучаемого идеальной антенной. Это вещи гипотетические, а что, если нет под рукой идеального излучателя? Почему бы не взять вместо идеальной антенны тот же диполь и мерить всё относительно поля излучаемого диполем? Взять два одинаковых диполя: один приемный, другой - передающий, разместить их на определенное фиксированное расстояние и замерить уровень сигнала с генератора через приемный диполь с помощью анализатора спектра. Полученный уровень сигнала взять за условный 0-уровень мощности и потом просто менять приемную антенну тем самым сравнивая антенны между собой по уровню сигнала:

Схема сравнения антенн между собой

Схема сравнения антенн между собой

Я изготовил два диполя из полосок текстолита обмотанных медной фольгой под термоусадкой:

Диполи (да ладно!)

Диполи (да ладно!)

Диполи довольно широкополосные и значение КСВ в диапазоне L1 слабо изменялось, оно было не выше 1.25.

КСВ диполей
КСВ "белого" диполя

КСВ "белого" диполя
КСВ "красного" диполя

КСВ "красного" диполя
Приборы и оборудование

Приборы и оборудование

Всего сравнивались между собой следующие антенны:

  • 2 самодельных диполя;

  • самодельная патч-антенна;

  • ноунейм активная GPS-ГЛОНАСС автомобильная патч-антенна со своим штатным тонким кабелем;

  • многодиапазонная активная квадрифилярная антенна HX-CH7609A от одного геодезического приемника (после разработки того приемника я стал искушенным человеком и иногда использую приемник геодезистов в качестве навигатора).

Результаты измерений

Антенны ориентированы друг на друга максимумом диаграммы направленности. Активные антенны, естественно, были запитаны через инжектор питания.

Спектрограммы сигналов из приемных антенн
Диполь - диполь. -39,40 dBm, условный 0 сигнала.

Диполь - диполь. -39,40 dBm, условный 0 сигнала.
Диполь - самодельный патч. -33,13 dBm, усиление +6,27 dB относительно диполя

Диполь - самодельный патч. -33,13 dBm, усиление +6,27 dB относительно диполя
Диполь - автомобильная патч-антенна. -30,45 dBm, усиление +8,96 dB

Диполь - автомобильная патч-антенна. -30,45 dBm, усиление +8,96 dB
Диполь - квадрифилярная антенна. -19,85 dBm, усиление +19,55 dB

Диполь - квадрифилярная антенна. -19,85 dBm, усиление +19,55 dB

Приемная антенна

Передающая антенна

Уровень сигнала в приемной антенне

Усиление относительно диполя

Диполь

Диполь

-39,40 dBm

0 dB

Самодельная патч антенна

Диполь

-33,13 dBm

+6,27 dB

Автомобильная патч антенна

Диполь

-30,45 dBm

+8,96 dB

Квадрифилярная антенна

Диполь

-19,85 dBm

+19,55 dB

Квадрифилярная антенна оказалась очень качественной. Жаль что раньше у меня её не было.

Выводы

Амплитуда поля излучения вблизи антенны неоднородна, и на неё накладываются осциллирующие колебания которые убывают с увеличением расстояния между антеннами. В связи с этим приходилось грубо искать максимум излучения на определенном расстоянии около 0.5м. Такая оценка очень грубая и по-хорошему надо чтобы между антеннами было хотя бы метра 2-3. И ещё надо было вращать передающий диполь в своей плоскости чтобы найти максимум излучения по круговой поляризации патчей.

Известно, что диполь имеет усиление +2,15 dBi. По моим грубым измерениям самодельный патч имел усиление +6,27 dB относительно диполя. Выходит, что патч имеет усиление +8,42 dBi (моделирование показывало +10,54 dBi).

Даже самодельная пассивная патч-антенна с качественным радиочастотным кабелем вполне сопоставима с маленькой активной дешевой патч антенной на керамике. Активная антенна в данном случае превосходит самоделку всего на 3dB.

В дальнейшем я смастерил платку с полосовым фильтром(-4dB) и усилителем (+20dB) и включил её сразу после самодельной антенны. Тогда я получил результат, сопоставимый с квадрифилярной антенной, но платка осталась в офисе, пишу это по памяти.

А макет GPS приемника завелся, корреляция была получена и макет был передан профильным программистам. В дальнейшем спутники принимались на разные антенны, просто раньше было пасмурно.

73!

Автор: R7KIE

Источник

* - обязательные к заполнению поля


https://ajax.googleapis.com/ajax/libs/jquery/3.4.1/jquery.min.js