Štěrbinová anténa - "prosecká plechárna"

Anténa je vhodná pro AP jako všesměrovka nebo sektorovka s širokým horizontálním úhlem a velkým ziskem.

Pokud potřebujete anténu pro jeden směr, použijte raději trychtýř, upravenou MMDS anténu nebo nejlépe plnou parabolu. Široký úhel by byl u směrového spoje spíše na závadu - anténa by zbytečně přijímala rušení.

• velký zisk
• pokrytí velkého úhlu v horizontální rovině
• horizontální polarizace (ne vždy je výhodou)
• jednoduchá konstrukce, opakovatelné výsledky
• nízká cena

• nevyrovnaný horizontální vyzařovací diagram
• úzký vertikální vyzařovací diagram (spíš vlastnost než nevýhoda - velkého zisku při širokém horizontálním vyzařování nelze dosáhnout jinak než "stlačením" vertikálního vyzařování do úzkého paprsku)
• v nepovolaných rukou nebezpečná zbraň :-) - nezapomínejte na regulaci vysílacího výkonu!

(Aktualizace 25.7.03): Vyrobil jsem speciální verzi antény s možností nastavování délky vlnovodu, s ladícími šrouby a s polohovatelnou a vyměnitelnou napájecí sondou:

Anténa je změřená! Obrovský dík patří Eirpovi, který měl trpělivost měřit několik hodin ve 32 stupňovém vedru. (Musím říct že to bylo drsnější než moje první pokusy s anténou, které probíhaly v desetistupňových mrazech:). Eirp zároveň provedl simulaci, která se s naměřenými výsledky krásně kryje. Posuďte sami:

Vypočtený vyzařovací diagram v horizontální rovině	Naměřený vyzařovací diagram ve horizontální rovině
Vypočtený vyzařovací diagram ve vertikální rovině	Naměřený vyzařovací diagram ve vertikální rovině

Striktně vzato (pro -3dB) je šířka vyzařování v horizontální rovině jen asi 70 stupňů. Zisk v ose maximálního vyzařování je ovšem cca 15dBi a směrem od této osy klesá plynule a dost pomalu, takže je reálné (a prakticky ověřené) pokrytí úhlu 120 - 180 stupňů. Poměrně malá šířka svazku ve vertikální rovině (asi 11,5 stupňů) v běžné praxi postačuje (viz též dole), v těsné blízkosti antény lze využít i postranních laloků.

Impedanční přizpůsobení je dobré. Potvrdilo se že anténa, ačkoli je navržená na frekvenci 2.44GHz, dává v původním provedení nejlepší výsledky na dolním okraji pásma. Korekcí velikosti a umístění napájecího kuželíku a délky vlnovodu se nám podařilo dosáhnout posunu optima do středu pásma. PSV se pak pohybuje zhruba od 1:1,1 do 1:1,8, což odpovídá ztrátě asi 0,3-8% výkonu:

Přizpůsobení antény s korigovanou délkou vlnovodu a pozicí napájecí sondy: Kuželík o celkové výšce 20.3mm (vzdálenost podstavy od stěny vlnovodu) a průměru podstavy 14mm je umístěn 30mm od spodní "zátky" a 10mm do strany od osy zadní (přední) stěny vlnovodu. Celková délka vlnovodu mezi zátkami je 756.3mm (asi 4.8Lg). Viz též náčrtek s rozměry níže.

Zde najdete kompletní výsledky měření. Vyplývá z nich, že pokud již máte anténu v provozu s původními rozměry, není nutné ji předělávat. Rozdíl bude velmi malý, na dolních kanálech může naopak dojít k mírnému zhoršení.

Dále se zde budu věnovat spíše konstrukčním detailům, princip antény i její parametry jsou skvěle popsány na stránkách Trevora Marshalla nebo podrobněji na W1GHZ Microwave Antenna Book (kapitola 7 -část 1, část 2 a část 3).

Orientační rozpočet:

2m profilu Knauf UW-100 (Stavimex) ................................................... 65 Kč
1m novodurové odpadní trubky prům.110mm (jakýkoli obchod s vodoinstalačním mat.)... 50-80 Kč
2ks zátky na trubku prům. 110 (dtto) ............................................. cca 50 Kč
pájecí vodička na pozinkovaný plech (Ferona) ......................................... 22 Kč
měděný zemnící pásek (elektro) ................................................... cca 20 Kč
mosazná matička M6 (Ferona) .......................................................... <1 Kč
Celkem ...................................................................... cca 200-250 Kč

Stavba prvního exempláře antény mi trvala asi den, nepočítaje shánění materiálu, studium teorie a výpočty. Druhý kus vyráběl Yeník s mojí asistencí, odhaduji čtyři hodiny čistého času. V současné době jsou na proseku v provozu tři "plechárny", všechny slouží k plné spokojenosti. Zlepšení při výměně quadů za štěrbinovky je jednoznačné a výrazné.

Původně jsem chtěl experimentovat s jackel profilem, ale neměl jsem jasno v technologii obrábění a ve Feroně měli stejně přes vánoce zavřeno. Nakonec jsem ve Stavimexu koupil plechový pozinkovaný profil Knauf UW-100 (určený pro sádrokartonové příčky). Dva kusy UW profilu se dají sesadit proti sobě, takže vznikne obdélníkový vlnovod cca 100x40mm. Z jednoho čtyřmetrového profilu v ceně 130 Kč je možné vyrobit dvě antény s 8/16, příp. 10/20 štěrbinami nebo tři antény šesti/dvanáctislotové. Tenký plech mechanicky stačí, navíc se dá dobře stříhat a prořezávat rozbrušovačkou. K otvorům je přístup z obou stran plechu, což usnadňuje obrábění. Malý problém je v tom, že pozinkování za moc nestojí a při pokusech o pájení snadno sleze. Pájení jsem nakonec zvládl s použitím instalatérské pájecí pasty. (Kalafuna ani salmiak nezaberou, HCl jsem nezkoušel.) Ve Feroně mají pájecí vodičku na pozink za 22 Kč, při výrobě druhého kusu jsme ji vyzkoušeli a funguje velmi dobře, srovnatelně s pastou. Povrch se musí dobře obrousit velmi jemným smirkem, potřít pastou a pak rychle a lehce přejet páječkou. Lze se obejít i bez pájení - ale měli byste nějak "ucpat" díry, které jsou od výroby umístěny na širší stěně každých asi 25 cm. Nouzově by šla by použít například hliníková lepící páska (OBI za hrozně moc, Ferona za 55Kč) anebo dvě velké podložky stažené malým šroubkem (šroubky by nesměly moc zasahovat do vlnovodu). Díry jsou v porovnání s vlnovou délkou malé, takže by možná mohly zůstat otevřené, ale zatím jsem neměl čas a odvahu to zkusit. Překryl jsem je připájením kousků měděného plechu.
(Update 27.2.2003): Používám profil od firmy Knauf. Zjistil jsem že profil od firmy Rigips má o něco nižší boční stěny (asi 36mm). Je použitelný, ale štěrbiny by měly být asi o 0,6mm blíž ke středu, ostatní rozměry se nemění. Také není zatím není vyzkoušeno jestli Rigips verze samosvorně drží v novodurové trubce (viz dále).

Nekvalitní pozinkování by asi časem odešlo vlivem počasí, ale anténu je naštěstí možno celou schovat do novodurové odpadní trubky o průměru 110 mm (spoluvymyslel a poprvé realizoval Kozel). Trubka se při vkládání a vyndavání antény musí stlačit, anténu není uvnitř potřeba nijak zajišťovat, trubka ji dostatečně svírá. Konce trubky se zaslepí novodurovými víčky, trubka se na místo určení připevní plastovými objímkami. Alternativně je možné anténu natřít nebo zabalit do silné PE folie (nezkoušel jsem). Natřít je možno i styčné plochy obou profilů - zkoušel jsem je zcela odizolovat lepící páskou a vůbec se to na vlastnostech antény neprojevilo. Takže není ani potřeba profily pájet k sobě dohromady. Mechanicky je spolehlivě drží pohromadě trubka.

Hliníkový jackel - viz původní návod - působí sice profesionálněji, ale funkčně je rovnocenný a bez krytování stejně neřeší zatékání do antény a hnízdění hmyzí havěti ve vlnovodu. Navíc je zbytečně drahý. Dalším problémem je připojení stínění napáječe k hliníkovému profilu. Matičkové řešení (viz níže) nelze prakticky použít, protože hliník se i se speciálním roztokem velmi špatně pájí. Použití N konektoru (viz dole) má také svá úskalí (viz dole). Proto pro amatérskou výrobu doporučuji plechový UW profil. Také je možné uvažovat o měděném plechu, který by se naohýbal do požadovaného tvaru. Hlavně proto, že by se na něj dala snadno připájet "křídla" - viz dále.

Štěrbiny jsem dělal nahrubo úhlovou bruskou (rozbrusem), pak pilníkem. Je rozhodně lepší nejdříve vyvrtat díry na obou koncích štěrbiny a pak teprve brousit. Sloty mohou zůstat oválné - vyvrtané konce se nemusí zabrušovat do hranata, ale sloty by pak měly být asi o dvě procenta delší než u hranaté verze. (Update 4.3.2003): Se Símou jsme vyrobili třetí kus, použili jsme elektrickou přímočarou pilku s plátkem na řezání plechu (jemné zoubky). Oproti rozbrušovačce je to rychlejší a přesnější, zhruba stejně hlučné (doporučuji traktoristická sluchátka / špunty do uší, zvlášť pro rozbrušovačku i ochranné brýle). Výroba (bez krytování) trvala asi dvě hodiny. Fotky jsou na Símově stránce o anténách. (Update 24.4.2003): Přidávám fotky hliníkové štěrbinovky co mi poslal JohnyF.

Zatím jsme dělali jen sektorovou verzi s 8 otvory po jedné straně. Rozměry jsem počítal podle W1GHZ, ne podle Trevora Marshalla. Zmíněné návody se kromě velikosti slotů dost výrazně liší v celkové délce vlnovodu (u Trevora Marshalla lichý násobek Lg/4, zatímco W1GHZ uvádí sudý násobek Lg/4). Abych mohl vyzkoušet obě varianty, umístil jsem napájecí kuželík a dolní ucpávku do "zadní" poloviny antény. Horní ucpávka je připevněna na přední část (se štěrbinami). Vzájemným posouváním profilů tak lze plynule nastavit jakoukoli délku. Při "polních" testech se kupodivu změna délky nijak neprojevila ani na zisku ani na směru vyzařování. (Update 27.2.2003): Objevil jsem zajímavé porovnání, které potvrzuje že anténa v praxi dobře funguje pro obě délky vlnovodu. (Update 28.2.2003): Dostal jsem od Paula Wade odpověď na můj dotaz ohledně celkové délky - v podstatě potvrzuje že délka může být libovolná. (Update 28.7.2003): Při měření antény se ukázalo, že délka vlnovodu má znatelný vliv na přizpůsobení. Délka 4,75Lg dává horší výsledky než 5Lg, při 4,5Lg je výsledek měření (podle očekávání) podobný jako u 5Lg, v obou případech je nejlepšího přizpůsobení dosaženo na dolním okraji pásma. Nejlepších výsledků jsme dosáhli nastavením délky vlnovodu na 756.3mm se současnou korekcí polohy napájecí sondy (viz náčrtek).

Napájecí kuželík je stočený z měděné folie nebo plechu - z kruhové výseče o poloměru cca 17mm. Folii je možno vykuchat například z měděného stínění kabelu Belden H1000. Lepší je vystřihnout ho z měděného elektrikářského uzemňovacího pásku, který je bytelnější, ale hůř se ohýbá. Podstava srolovaného kuželíku by měla mít průměr asi 14mm. Kuželík umísťujeme do "zadní" stěny (protilehlé ke štěrbinám), jelikož je anténa změřená v této konfiguraci, ale mělo by to teoreticky být jedno. Kuželík by měl být vyosený na druhou stranu než první slot (viz náčrtek).

Anténa je napájená tenčím koaxem Belden H155. Kabel je připojen bez konektorů přímo k anténě za pomoci mosazné matičky M6 (případně M8 pro "televizní" 75 ohmový kabel). Matička je zvenku připájená na zadní díl antény, může být i ve stejném místě na předním dílu. Opletení kabelu se přehne dozadu přes plášť kabelu a konec kabelu se "zašroubuje" do matičky. Na střední vodič se pak připájí kuželík. Pokud se anténa krytuje novodurovou trubkou, tak se případný konektorový spoj (přechod na silnější kabel) může schovat dovnitř trubky. (Z antény se vyvede krátký kousek kabelu H155 a zakončí se kabelovým N konektorem.) Pro délku kabelu cca do 5m to není potřeba - je možné vést celý přívod kabelem H155. (Aktualizace 10.10.03): Úspěšně jsem vyzkoušel použití upraveného F konektoru místo matičky. Z F konektoru (samce) je potřeba hrubým násilím amputovat převlečenou matici (lze použít pilku, příp. brusku ve spolupráci se štípačkami) a obrousit pokovení až na mosaz. Torzo konektoru se pak dá krásně připájet podobným způsobem jako matička. (Koncová část, na které byla původně převlečená matice, se může vsunout až do otvoru ve vlnovodu a zapájet i z druhé strany.) F konektor je velmi vhodný hlavně pro 75 ohmový kabel, protože závit v něm přesně odpovídá průměru kabelu. F konektory použitelné pro kabely H155 a H125 se dají koupit ve všech obchodech se satelitní a TV technikou.

Máte-li problém s pájením matičky/F konektoru, můžete použít panelový N konektor jako v původním návodu. Při použití N konektoru by ale měla upevňovací matice (šroubky) i samotné tělo konektoru co nejméně zasahovat dovnitř vlnovodu. Při použití konektoru se šroubky po obvodu je nutné zajistit trvalý kontakt mezi stíněním konektoru a vlnovodem přímo po obvodu otvoru. Pokud (např. v důsledku koroze nebo prohnutí plechu) je kontakt realizován až přes připevňovací šroubky, může to mít velmi nepříznivý vliv. Při použití konektoru je kromě toho problém se zakrytováním do trubky - na přívodní kabel by se musel použít úhlový konektor. Takže spíše doporučuji matičku. BTW, "šroubovací" řešení není můj vynález - používá se u F konektorů na TV kabely. Matička se dá s výhodou použít např. i u plechovky.

Ucpávky na koncích vlnovodu je lepší nevyrábět odděleně tak jak je to na fotkách, ale je možné ohnout 40mm konec široké stěny jednoho z dílů do pravého úhlu směrem "dovnitř" antény. Vyzkoušeli jsme to u druhého kusu a je to daleko jednodušší a rychlejší. Pájet se to nemusí, malé "netěsnosti" nevadí.

Použil jsem upravené rozmístění otvorů (pro vylepšení vertikálního vyzařování, viz http://www.w1ghz.cx/antbook/ch7_part2.pdf). Taky bych chtěl vyzkoušet vliv "křídel" přidaných po stranách na tvar horizontálního diagramu. Pozor, horizontální vyzařovací diagram http://www.trevormarshall.com/azimuth9a.gif je právě pro anténu opatřenou "křídly". Bez křídel má delší verze antény podobný diagram jako ten uvedený u krátké verze (http://www.trevormarshall.com/azimuth1.gif), i když zisk je samozřejmě větší. Bohužel křídla přidávají velkou plochu k už tak dosti velké anténě, takže by byl problém s větrem a taky s krytováním antény. Křídla by se s ohledem na vítr mohla udělat z drátěného pletiva.

Rozteč slotů kvůli přesnosti doporučuji měřit od nějakého zvoleného bodu. Ne přidávat postupně stejnou míru slot po slotu - stačí když 8 krát ujedete o půl milimetru stejným směrem a hned je chyba 4mm. Taky pozor na pravítka - zjistil jsem že můj Logarex je na 25cm o 3mm kratší! Ale nemusíte na to jít s mikrometrem, rozměry sice uvádím na desetiny milimetru, ale bohatě stačí, když dodržíte přesnost 1mm. V této přesnosti bych se snažil dodržet délku štěrbin, jejich přesná pozice a šířka je méně kritická. Nutné je aby souhlasil větší ze dvou vnitřních rozměrů vlnovodu (v našem případě 98,5mm). Pro profil s jiným vnitřním průřezem je nutné veškeré rozměry přepočítat. Rozměry se také liší mezi sektorovou a všesměrovou verzí (štěrbiny z jedné strany / z obou stran). Určitě nevadí, pokud se pro vrtání nebo frézování štěrbin použije vrták/frézka s průměrem např. 7,0 nebo 6,0mm, při výrazně větší šířce bych doporučoval interpolovat související délku a pozici štěrbin mezi mým designem (založeným na teorii W1GHZ) a designem Trevora Marshalla, který používá velmi široké štěrbiny. Mohu zapůjčit šablonu pro rychlé rozměření osmislotové sektorové verze (díky Símovi za nápad, ušetří to spoustu času).

V Praze asi nemá cenu dělat delší anténu než 8, maximálně 12 slotů na jedné straně (16, resp. 24 slotů u všesměrovky). Šířka vertikálního vyzařovacího diagramu je pro 8/16 slotů asi 11,5 stupně, tj. pokud potřebujete pokrýt třeba 30 metrů vysoký panelák, tak od něj musíte být dobrých 150 metrů daleko. Nemluvě o zvlnění terénu, které bývá v Praze taky značné. Úzký vertikální diagram není chyba tohoto konkrétního typu antény, je to jednoduše daň za vysoký zisk při širokém horizontálním vyzařování. 16/32 slotová anténa má vertikálně jenom asi 5 stupňů, takže k nastavení už je málem potřeba olovnice. Ale pokud stavíte AP někde v polích u Kolína, je to ta nejlepší volba. (Update 2.6.2003): Dosavadní zkušenosti ukazují, že v blízkosti antény nejsou zásadní problémy se signálem ani u protistanic které jsou zcela mimo hlavní svazek vyzařování ve vertikální rovině. Signál je např. bez potíží zachytitelný na ulici pod osmislotovou anténou umístěnou v šestém patře, a to i na interní anténu v PCMCIA kartě. Problémy lze očekávat spíše v případě, že vertikální vyzařování neposkytne dostatečné pokrytí ani ve větší vzdálenosti (stovky metrů). Jsou ovšem i další důvody hovořící spíš pro kratší verzi: Anténa je dost úzkopásmová, čím více slotů, tím ostřejší naladění. Pro 16/32 verzi by asi bylo nejlepší vypočíst rozměry přímo pro kanál na kterém poběží. V kratším provedení je pokles zisku na krajních kanálech celkem snesitelný (1-2 dB).

Děkuji Trevoru Marshallovi a Paulovi Wade za jejich návody, Eirpovi za měření a simulaci, Kozlovi, Símovi a Yeníkovi za spolupráci na výrobě a testování, Alešovi za zapůjčení digifoťáku.