Antena panelowa AstraEa HV 18 dBi 2.4 GHz

---

1. Wstęp
2. Testy praktyczne
3. Budowa wewnętrzna
4. Projektowanie anten

---

1. Wstęp

Dziś prezentuję testy praktyczne i budowę wewnętrzną niedawno kupionej, panelowej anteny mikropa-
skowej AstraEa HV 18 dBi z 4 elementami aktywnymi (quad patch antenna) na częstotliwość 2.4 GHz.
Wygląd zewnętrzny anteny można zobaczyć na poniższych zdjęciach.

       

Łączy ona w sobie zalety anten kierunkowych typu Yagi/Helical (wysoki zysk i kierunkowość) oraz
anten panelowych (płaski kształt, łatwość montażu i pozycjonowania). Można ją używać węwnątrz
i na zewnątrz budynków - przednia osłona anteny jest wykonana z polimerów, które nie tłumią fal radio-
wych i są odporne na warunki atmosferyczne (deszcz, śnieg, niska/wysoka temperatura, promieniowa-
nie słoneczne UV). Antena ma niską wrażliwość na sygnały z kierunków bocznych i zapewnia stabilne
połączenia na średnie odległości (do 5km od stacji bazowej). Może być montowana bezpośrednio do
masztu w polaryzacji poziomej lub pionowej. Poniżej znajduje się tabela z podstawowymi parametrami,
wykresy kątów promieniowania w poziomie/pionie oraz charakterystyka wzmocnienia anteny w funkcji
częstotliwości - podawane przez producenta.

PARAMETR WARTOŚĆ Zysk energetyczny 18 dBi (realnie) Częstotliwość   2400-2500 MHz   Polaryzacja Pozioma (H) lub pionowa (V) Kąt promieniowania   w płaszczyźnie poziomej   35° Kąt promieniowania w płaszczyźnie pionowej 32° Współczynnik fali stojącej (VSWR) 1.2 Impedancja 50 Ohm Złącze TNCf (gniazdo) Średnica uchwytu mocującego 30-60mm Waga 0.5kg

Wykres kąta promieniowania anteny w poziomie (35°).

Wykres kąta promieniowania anteny w pionie (32°).

---

2. Testy praktyczne

Antena AstraEa nie jest zwarta dla prądu stałego, co umożliwiło pomiar jej parametrów analizatorem
antenowym NanoVNA-F V2. Poniżej znajduje się zrzut ekranu analizatora, wykonany w czasie mojego
pomiaru. Trzeba wziąć pod uwagę niedokładność kalibracji/pomiaru analizatora, ale ogólnie zmierzone
parametry anteny zgadzają się z podawanymi przez producenta. Wynik z analizatora NanoVNA to wsp-
ółczynnik fali stojącej VSWR (S11 SWR) oraz współczynnik odbicia S11 (S11 LOGMAG), czyli chara-
kterystyka częstotliwościowa sygnałów odbitych od anteny (tłumienie wyrażane w dB). Nie jest to cał-
kowity zysk energetyczny anteny (wyrażany w dBi), którego wartości nie można bezpośrednio zmierzyć
przez NanoVNA. Z wykresu mojego pomiaru mogę jedynie oszacować, że antena ma zysk ok. 15-16 dBi
(S11 = ok. 33-34dB) i bardzo niski VSWR ok. 1.2 przy częstotliwości ok. 2470 MHz (najwyższe kanały
wifi). Producent na pewno dysponuje profesjonalnym laboratorium do pomiaru parametrów swoich
anten, które dokładnie ustala rzeczywisty zysk energetyczny.



Do tej pory używałem własnoręcznie zrobionej anteny typu BiQuad, podłączonej bezpośrednio (bez
kabla, za pomocą jednej złączki) do gniazda RP-SMAf dwupasmowego adaptera WiFi/USB Anewish
AC600 (AC11) 2.4/5.8 GHz (150/433 Mb/s). Sygnał WiFi (kanał 6, 2426-2448 MHz) odbieram wew-
nątrz mojego pokoju z nadajnika (routera) oddalonego o 100m w linii prostej, który również znajduje
się wewnątrz budynku (pod dachem blaszanym). Siła sygnału mierzona programem "Vistumbler 10.6.5"
na mojej starej antenie BiQuad wynosiła 46%, a szybkość pobierania/wysyłania danych w teście inter-
netowym ok. 3-4 Mb/s (parametry mocno zależne od pogody). Po szybkim podłączeniu nowej anteny
AstraEa (zbliżone warunki atmosferyczne), siła sygnału wzrosła do 56%, a szybkość pobierania/wysy-
łania danych do ok. 9-12 Mb/s. Nowa antena AstraEa również została podłączona bezpośrednio (bez
kabla, za pomocą 3 przejściówek TNCm/Nf - Nm/SMAm - SMAf/RP-SMAm) do gniazda RP-SMAf tego
samego adaptera WiFi/USB. Przytwierdziłem ją dołączonym mocowaniem do drewnianej podstawy
i umieściłem w zbliżonym miejscu co starą antenę BiQuad, ale nieco wyżej.

---

3. Budowa wewnętrzna

Antena jest mała i lekka, jej całkowite wymiary oraz waga (bez śrub/mocowań): 190x190x25mm, 0.31kg.
Tylny metalowy reflektor o wymiarach 185x185x2mm jest przyklejony silikonem do przedniej plastikowej
osłony anteny, co chroni jej wewnętrzne elementy przed wilgocią i korozją. Przy rozbieraniu użyłem
ostrego nożyka modelarskiego, którym kilka razy nacinałem warstwę silikonu, wzdłuż krawędzi styku
metalowego reflektora i plastikowej osłony. Następnie cienkim i niezbyt szerokim nożykiem lub śrubokrę-
tem płaskim, podważałem metalowy reflektor odrywając go w kolejnych miejscach od plastikowej osłony,
która niestety trochę się przy tym powyginała i uszkodziła. Ostatecznie udało się dotrzeć do wnętrza
anteny, której konstrukcję przedstawiają poniższe zdjęcia.



Jest to typowa poczwórna antena mikropaskowa (quad patch antenna). Metalowe prostokąty o wymia-
rach 45x61x1.2mm stanowią osobne anteny, każda o małym wzmocnieniu i impedancji ok. 200 omów.
Są one połączone równolegle specjalnymi liniami dopasowującymi ich impedancję tak, aby na złączu
TNCf wynosiła równe 50 omów. Wzmocnienia tak połączonych elementów sumują się i dają wysoki
zysk energetyczny anteny.
Prostokąty i łączące je linie, są wycięte (zapewne laserowo) z jednego kawałka blachy. Cała ta kon-
strukcja stanowi aktywną część anteny i jest połączona z gorącą żyłą przewodu antenowego (środkowy
pin w złączu TNCf). Bardzo ważna jest właściwa odległość, pomiędzy całą powierzchnią aktywnej części
anteny i jej tylnym metalowym reflektorem, która w tym wypadku wynosi 10mm. Dystans ten zapewniają
pianki, wykonane ze specjalnego materiału o niskim tłumieniu fal radiowych, które są przyklejone na
środku każdego prostokąta i jednocześnie do tylnego reflektora. Reflektor jest połączony z ekranowa-
niem (oplotem) przewodu antenowego, a jego wymiary mają mniejszy wpływ na parametry anteny.

---

4. Projektowanie anten

Jako ciekawostkę dodam, że wszystkie typy anten można projektować i sprawdzać ich parametry
w specjalnych programach do symulacji, np. "CST Studio Suite 2020". Osobiście zaprojektowałem
w nim antenę motylkową (bowtie antenna) do WiFi na 2440 MHz. Po wykonaniu jej fizycznego modelu
i pomiarach analizatorem antenowym NanoVNA-F V2, uzyskane wyniki parametrów były bardzo zbliżo-
ne do tych z symulacji. Zrobiona antena miała nieco mniejszą częstotliwość środkową, wynoszącą 2400
MHz. Może to wynikać z niedokładności wykonania, np. minimalnie za długich miedzianych wibratorów
(po ich skróceniu częstotliwość środkowa powinna wzrosnąć). Przewód antenowy ALSR-195 o długości
50cm, był przylutowany bezpośrednio do punktów przyłączeniowych wibratorów (przez otwór w reflekto-
rze). W tym archiwum znajdują się pliki mojej anteny BowTie: projekt "CST Studio 2020", parametry uzy-
skane z symulacji, parametry zmierzone analizatorem NanoVNA-F V2, wymiary wszystkich elementów
anteny oraz jej zdjęcie.

Aby znacznie skrócić czas symulacji w programie "CST Studio Suite 2020", należy włączyć w nim
obsługę przyspieszenia wykonywania obliczeń za pomocą karty graficznej (GPU). Oficjalnie program
obsługuje jedynie karty graficzne NVidia serii Tesla i Quadro. Pozostałe karty również mogą zostać
użyte, jeśli są w stanie wykonywać kod CUDA 9.2 i mają co najmniej 4 GB pamięci graficznej (np.
GeForce GTX 960).
Aby odblokować takie karty, przed uruchomieniem programu należy ustawić globalną zmienną środo-
wiskową "CST_HWACC_ALLOW_UNVERIFIED_HARDWARE = 1". Dzięki temu wszystkie zainstalo-
wane i widoczne w systemie układy graficzne, będą mogły być wykorzystane do obliczeń. Zmienną
"CUDA_VISIBLE_DEVICES" można ograniczyć liczbę widocznych dla programu układów graficznych
(w zmiennej podaje się oddzielone przecinkami numery ID kart, które mają być widoczne). Zalecany
jest sterownik graficzny NVidia w wersji 451.48 dla systemu Windows oraz 450.51.05 dla systemu
Linux. Aby sprawdzić, czy zainstalowane układy graficzne są prawidłowo rozpoznawane przez stero-
wniki, należy uruchomić program "X:\Program Files\NVIDIA Corporation\NVSMI\nvidia-smi.exe" (kata-
log "/usr/bin/" w systemie Linux).
Aby włączyć przyspieszenie symulacji przez użycie karty graficznej, należy nacisnąć przycisk "Accele-
ration..." w oknie ustawień "Time Domain Solver Parameters". W nowym oknie "Acceleration - Time
Domain Solver" w grupie "CPU and Hardware acceleration", zaznaczamy pole wyboru "Hardware
acceleration:", a w polu wartości ustawiamy maksymalną liczbę kart graficznych ("devices"), które
będą używane do przyspieszenia obliczeń.
Liczba możliwych do użycia kart graficznych w celu przyspieszenia symulacji, zależy od liczby "żetonów
przyspieszenia" ("Acceleration Tokens"), które są dostępne w naszej licencji programu. Aby w ogóle móc
włączyć przyspieszenie GPU, licencja programu musi zawierać minimum jeden taki żeton.