Antena de Discos 1.2 GHz
S53MV Matjaz Vidmar
Los diseños presentados en este artículo utilizan muchos consejos de la famosa antena de puros rusa "BDM-2", descrita en detalle en el foro web https://www.wifi-antennas.com para diferentes rangos de frecuencia, polarizaciones y número de elementos. Una varilla roscada soporta discos y espaciadores. Esta varilla está hecha de acero inoxidable para mayor resistencia mecánica. Para minimizar las pérdidas eléctricas, tanto los discos como los espaciadores deben estar hechos de un material con alta conductividad eléctrica, como el aluminio (Al). La antena se sujeta con solo dos tuercas en ambos extremos de la varilla roscada. Ambas tuercas deben apretarse para asegurar un buen contacto eléctrico entre los discos y los espaciadores.
La alimentación del cigarro incluye un reflector "R", un elemento excitado "S" y el primer director "D1". Todos los demás directores "D2-N" tienen el mismo tamaño y la misma separación, formando una estructura uniforme de onda lenta que actúa como una lente dieléctrica artificial. El cigarro "BDM-2" utiliza directores con una separación cercana de ~0,185? para obtener una alta directividad y un amplio ancho de banda para una longitud de brazo de antena dada "l". Tenga en cuenta que la separación entre elementos incluye tanto el espaciador "d" como el grosor del disco.
La impedancia de la antena se controla mediante el diámetro del elemento excitado "S" y la excentricidad del punto de alimentación "e". El diámetro del elemento excitado "S" selecciona la frecuencia. La excentricidad del punto de alimentación "e" selecciona la magnitud de la impedancia. Parece que el cigarro "BDM-2" original fue diseñado para una impedancia de 75 Ohm (cable coaxial económico con conectores "F") o incluso superior. Una adaptación de impedancia a 50 Ohm requiere una excentricidad del punto de alimentación "e" menor que la publicada para el cigarro "BDM-2". En cualquier caso, las simulaciones por computadora para estructuras grandes y complejas, como las antenas de cigarro largas, tienden a producir resultados inexactos para la impedancia del punto de alimentación.
El ancho de banda de adaptación de impedancia de la antena de cigarro descrita suele ser menor que el ancho de banda de la estructura de onda lenta. El primer director "D1" se utiliza habitualmente para ampliar la adaptación de impedancia. Debido a la estrecha separación "p" entre el elemento excitado "S" y el primer director "D1", el efecto de este último en el diagrama de radiación y la directividad de la antena es muy pequeño. Por otro lado, una pequeña separación "p" entre el elemento excitado "S" y el reflector "R" disminuye el ancho de banda de adaptación de impedancia, pero reduce los lóbulos laterales no deseados, aumentando así la directividad y la ganancia.
La alimentación presentada genera una polarización lineal simple. Se pueden obtener polarizaciones lineales ortogonales duales con dos conectores coaxiales instalados en la misma antena, separados 90° alrededor de su eje. La polarización circular se puede obtener con un elemento elíptico accionado "S" con los ejes de la elipse a ±45° del punto de alimentación. La orientación del eje mayor de la elipse permite seleccionar RCHP o LHCP.
Se simularon tres versiones diferentes de la antena cigarro descrita, se construyeron varias muestras de cada una y se probaron. La versión para 1,3 GHz tiene 23 elementos en una longitud de brazo de aproximadamente 4 lambda. La versión para 2,4 GHz tiene 33 elementos en una longitud de brazo de aproximadamente 6 lambda. La versión para 3,4 GHz tiene 58 elementos en una longitud de brazo de aproximadamente 10 lambda. Las longitudes de brazo propuestas se eligieron para que coincidieran con las varillas roscadas disponibles de 1 m de longitud. Los datos mecánicos de las tres versiones se presentan en la siguiente tabla:
Todos los directores "D1-N" están fabricados con lámina de aluminio de 1 mm de espesor. Todos los reflectores "R" utilizan una lámina de aluminio más gruesa de 1,5 mm para mayor resistencia mecánica. Los elementos excitados "S" para 1,3 GHz y 2,4 GHz están fabricados con lámina de aluminio de 1 mm de espesor, al igual que los directores, y se alimentan mediante un conector N. El elemento excitado "S" para 3,4 GHz está fabricado con lámina de latón (Ms) de 0,5 mm de espesor para permitir la soldadura blanda de un conector SMA al punto de alimentación. Todo el disco de latón está estañado para evitar la reacción galvánica con el aluminio.
Las adaptaciones de impedancia y los diagramas de radiación de todos los prototipos se midieron cuidadosamente. Las adaptaciones de impedancia se midieron con un acoplador direccional con una directividad superior a 30 dB, conectado a un analizador de espectro con un generador de seguimiento.
Los numerosos elementos del disco se cortaron de una lámina de aluminio de 1 mm con tijeras manuales para chapa metálica. Los espaciadores se fabricaron con tubo de aluminio de 12 mm/10 mm. Lamentablemente, estos últimos a veces presentaban tolerancias inaceptables. Algunas muestras tenían un diámetro interno inferior a 10 mm, por lo que no encajaban en una varilla roscada M10.
Se utilizó un conector N hembra estándar con brida UG-58/U para la alimentación. La brida se fijó al disco reflector "R" con cuatro tornillos M3 x 6 mm. El pasador central se soldó blandamente a un tornillo M3 utilizando un tubo de cobre de aproximadamente 11 mm de longitud (blindaje de cable semirrígido UT141). Finalmente, el tornillo se fijó al elemento accionado "S" con una tuerca M3 y una arandela de seguridad.
La simulación por ordenador de una Yagi de disco similar sin el brazo calculó que la frecuencia central era demasiado baja en unos 100 MHz. Este error se corrigió añadiendo una simulación electromagnética precisa del brazo. La simulación corregida duplicó con creces el número de segmentos en el modelo 4NEC2.
Las mediciones del patrón de radiación requirieron una antena de referencia adecuada. Una antena NBS-Yagi de 17 elementos diseñada para 1,3 GHz no proporcionaba el ancho de banda necesario: por encima de 1,4 GHz, la antena NBS-Yagi revierte su haz principal hacia atrás. Se consideró que un dipolo de copa de 12 dBi era una antena de referencia adecuada, gracias a su buena relación de transmisión (anterior/posterior) para suprimir las reflexiones no deseadas. Finalmente, cuando se dispuso de más prototipos de antenas cigar para 1,3 GHz, estos también funcionaron como excelentes antenas de referencia, suprimiendo aún más las reflexiones no deseadas del rango de prueba de la antena.
Dado que las mediciones del patrón de radiación se realizaron en campo abierto, la interferencia fuera de banda de las torres de telefonía móvil de alta potencia tuvo que suprimirse mediante un filtro paso banda de microbanda de 1100 MHz a 1500 MHz frente al detector de diodos. Los artefactos del patrón de radiación causados por la interferencia se suprimieron aún más mediante una cuidadosa selección de la frecuencia de bloqueo. Para obtener resultados precisos, la respuesta del detector de diodos se calibró mediante un atenuador de pasos de precisión.
Los patrones de radiación medidos de la versión final de la antena de cigarro de 23 elementos para 1,3 GHz (¡incluidos los reflejos no deseados del rango de prueba de la antena!) se presentan en las siguientes animaciones gif (que escanean todas las frecuencias y ambos planos de polarización) en escalas lineales (campo) y logarítmicas (dB): https://antena.fe.uni-lj.si/literatura/S53MV/cigar/1G3.html
La directividad se calculó a partir de ambos diagramas de radiación en los planos E y H, medidos a cada frecuencia en el rango de 1120 MHz a 1480 MHz. En cada frecuencia se utilizaron dos algoritmos diferentes para la directividad: el promedio de las directividades parciales inversas <Dj> y el promedio geométrico de las directividades parciales <logDj>. El primero es matemáticamente correcto para un gran número de cortes (planos de medición) del diagrama de radiación, mientras que el segundo proporciona mejores resultados con solo dos cortes (planos E y H) para antenas de haz en abanico. Dado que las antenas cigar producen haces de lápiz con simetría rotacional, ambos algoritmos ofrecen resultados similares.
La directividad de la antena cigarro de 23 elementos para 1,3 GHz se midió aproximadamente 2 dB mayor que la de una antena NBS-Yagi de 17 elementos con una longitud de brazo similar, y aproximadamente 1 dB mayor que la de una antena SBFA de 50 cm de diámetro para 1,25 GHz. El ancho de banda de la estructura de onda lenta de la antena NBS-Yagi de 17 elementos es mucho más estrecho. Los anchos de banda útiles tanto de la antena cigarro de 23 elementos como de la SBFA están limitados principalmente por el ancho de banda de alimentación.
La adaptación de impedancia de la versión escalada para 1,3 GHz no fue particularmente buena. La pérdida de retorno no se encontró por encima de -10 dB en ninguna frecuencia (ROE inferior a 1:2). Tal desajuste de impedancia implica una pérdida de eficiencia/ganancia de aproximadamente -0,5 dB. La excentricidad de alimentación "e" tuvo que reducirse del valor escalado de 43 mm a 30 mm para obtener una buena adaptación de impedancia a 50 O. El diámetro sugerido del elemento excitado "S" de 124 mm proporcionó la mejor adaptación de impedancia alrededor de 1250 MHz. Un elemento excitado "S" más pequeño, de 121 mm, proporcionó la mejor adaptación de impedancia alrededor de 1300 MHz.
Las pruebas comparativas confirmaron que, gracias a la excelente eficiencia de radiación y la buena adaptación de impedancia, la ganancia de la antena cigar de 23 elementos para 1,3 GHz es prácticamente idéntica a su directividad.
Articulo original: https://antena.fe.uni-lj.si/literatura/S53MV/cigar/sws.html