Modifikovana 3D Korner Reflektor AntenaDragoslav Dobrii, YU1AWNapomena: Ova antena je kasnije jo vie poboljana optimizovana i unapre ena. Finalna varijanta sa svim unapre enjima i poboljanjima nalazi se u fajlu: Skraena 3D korner reflektor antena .

Originalni dizajn ove izuzetne aperturne antene prvi put je u literaturi opisan u: IEEE Transactions on Antennas and Propagation, July, 1974. "Three-Dimensional Corner Reflector Array" by Naoki Inagaki (pp. 580-582). Precizne i opirne rezultate kompjuterske analize i simulacije objavio je L.B. Cebik W4RNL u lanku: The 3-D Corner Reflector koji se moe nai na njegovom sajtu. Antena se sastoji iz tri kvadratne reflektorske povrine me usobno postavljene pod pravim uglom kao polovina kocke, i zraeim elementom u vidu monopola na jednoj od njih. Ovakva struktura koncentrie elektromagnetno zraenje u relativno uzan snop iji smer maksimalnog zraenja lei na velikoj dijagonali koja polazi iz temena (apex-a) kocke iji deo ova struktura predstavlja, tj. pod uglom od 45 stepeni u odnosu na sve tri reflektorske ravni . Veliina reflektorskih ravni nije kritina. Sa njenim poveanjem poveava se pojaanje antene, u poetku znaajno a kasnije sve manje. Optimalna veliina je oko 2-3 talasne duine. Dalje poveanje dimenzija dovodi do sve manjeg poveanja pojaanja antene i pri oko 4-5 talasnih duina dostie se praktini maksimum pojaanja. Dalje poveanje dimenzija reflektorskih povrina nema smisla jer vie ne dovodi do poveanja pojaanja..

Izgled originalne 3D korner reflektor antene

1

Reflektorske povrine mogu biti napravljene od punog materijala kao to je aluminijumski, bakarni ili mesingani lim, a na niim frekvencijama u vidu metalne mree ija gustina mora biti odre ena tako da otvor, meren po najveoj dimenziji, mora biti manji od 0.1 talasne duine. Ono to ovu antenu ini izuzetnom je njena izvanredna jednostavnost i veoma nekritian dizajn, to garantuje veliku ponovljivost praktinih rezultata i mogunost njene upotrebe, uz preraunavanje njenih dimenzija, na frekvencijama od nekoliko desetina MHz pa sve do nekoliko GHz. Jo jedna lepa osobina ove antene je da ima izvanredno potisnute sporedne snopove zraenja, to je ini veoma dobrim izborom kada um i smetnje od signala iz drugih pravaca treba to vie potisnuti. Jedini nedostatak ove originalne antene je njena ulazna impedansa. Ona se menja sa poloajem i duinom zraeeg elementa - monopola. Istovremeno se tim promenama menja i pojaanje antene. U optimalnom poloaju, na oko x= 0.6 i y= 0.6 talasnih duina, mereno od apex-a, i pri optimalnoj duini zraeeg elementa DR=0.75 talasnih duina, mereno od reflektorske ravni, vrednost ulazne impedanse za priblino najvee pojaanje antene iznosi oko 72 oma kada je antena u rezonansi, to daje minimalni SWR od oko 1.5 za 50 oma prilago enje.

Vrednost ulazne impedanse originalne antene u zavisnosti od duine zraeeg elementa DR u talasnim duinama

2

Ulazno prilago enje originalne antene u zavisnosti od duine zraeeg elementa DR

Pojaanje originalne antene i potiskivanje sporednih snopova zraenja u zavisnosti od duine zraeeg elementa DR u talasnim duinama

3

Modifikacija originalne 3D korner anteneOvaj SWR je prihvatljiv na niim frekvencijama gde su gubici u kablovima mali, ali na UHF i SHF podruju on postaje problematian jer su gubici u kablovima usled neprilago enja znaajni. Alternativa je napajanje antene kablom od 75 oma to smanjuje gubitke ali ostaje problem pravilnog prilago enja na ure aje predvi ene za rad sa impedansom od 50 oma. Ve na prvi pogled bilo je jasno da bi bilo dobro ako bi ovu izuzetnu antenu i u ovom pravcu doterali. Prva stvar koja je dolazila u obzir je dodavanje jednog elementa iji bi uticaj na zraei elemenat bio tako proraunat da smanji ulaznu impedansu na 50 oma. Naravno, ovakav zahvat je podrazumevao da se pri tome maksimalno ouvaju postojee dobre osobine antene. Za taj posao valjalo je koristiti najbolje programe za analizu koji su trenutno dostupni, poto veina programa za analizu antena najloiju tanost pokazuje upravo na rezultatima prorauna ulazne impedanse. Osim toga ovde se radi o anteni koja radi prevashodno koristei zakone optike pa je bilo potrebno i odabrati program koji je najbolji upravo u oblasti simulacija aperturnih antena. Izbor je pao na verziju poznatog profesionalnog programa za simulaciju antena NEC-2. Posle izvrenih analiza vie razliitih varijanti reenja, konano se iskristalisalo reenje sa dodatnim parazitnim elementom koji bi se nalazio ispred zraeeg elementa slino kao prvi direktor kod jagi antena.

Ulazno prilago enje modifikovane antene u zavisnosti od duine dodatog elementa DI u tal. duinama

4

Naravno u pitanju je samo analogija, jer zapravo reavanje problema ulazne impedanse ove antene, samo je slino sa reenjima kod jagi antena, jer se radi o sasvim razliitim principima rada jedne i druge antene. Postavljanjem dodatnog elementa i podeavanjem njegove duine i rastojanja od zraeeg elementa dobijeno je skoro idealno prilago enje na 50 oma.

Pojaanje modifikovane antene i potiskivanje sporednih snopova zraenja u zavisnosti od duine dodatog elementa DI u talasnim duinama pri DR=0.75 tal. duina. Ispitivanje ostalih osobina antene kao to su pojaanje, veliina sporednih snopova zraenja, efikasnost i promena impedanse sa promenom frekvencije, tj. irina radnog opsega za dati SWR, pokazalo je gotovo nepromenjeno stanje u odnosu na stanje pre modifikacije. Na modelu koji je kasnije napravljen, u praksi su proverena i potpuno potvr ena predvi anja kompjuterske simulacije. Osim laboratorijskih merenja ulaznog prilago enja i pojaanja, antena je koriena i u praktinoj WLAN komunikaciji gde je pokazala prednost u odnosu na klasinu korner reflektor antenu sa kojom je pore ena. Ono to je bilo neobino prilikom korienja ove antene je njeno usmeravanje. Postoji navika da antene zrae u smeru neke od geometrijskih dimenzija ili normalno na reflektorsku povrinu. Me utim, kod ove antene to nije sluaj! Njen dijagram zraenja je pod uglom od 45 stepeni u odnosu na sve tri reflektorske ravni i o tome se mora voditi rauna pri usmeravanju! Zato je obavezno treba montirati na stub pomou nosaa koji e obezbediti u prvom redu da antena zrai prema horizontu, tj. sa elevacionim uglom od 0 stepeni. Da bi se to postiglo potrebno je antenu montirati pod uglom od 45 stepeni (vidi slike). Tek tada je moemo lako usmeravati prema korespondentu okretanjem antene oko ose noseeg stuba.

5

Pojaanje modifikovane antene i potiskivanje sporednih snopova zraenja u zavisnosti od duine dodatog elementa DR u talasnim duinama pri DI=0.65 tal. duina.

Izrada probnog modelaSimulacija L.B. Cebika za originalnu antenu sa reflektorom od 2 talasne duine i monopolom 0.75 talasnih duina na poziciji x=0.6 i y=0.6 talasnih duina, daje vrednost pojaanja od 16.19 dBi pri ulaznoj impedansi od 71+j7 oma. Naa simulacija je pokazala skoro identine rezultate od 16.2 dBi pri impedansi od 69.2+j8.5 oma! Ovim je upore ena i proverena tanost naeg modela i simulacije u odnosu na profesionalnu verziju programa NEC-4. Simulacija modifikovane antene sa dodatim elementom za podeavanje impedanse pokazala je neto malo vee pojaanje to je logina posledica snienja otpornosti zraenja antene sa 72 na 50 oma. Pojaanje je iznosilo 16.4 dBi pri ulaznoj impedansi od 51.2+j0.2 oma, uz malu promenu vertikalnog dijagrama zraenja. Horizontalni dijagram zraenja je ostao praktino nepromenjen. Pri ovoj modifikaciji, zbog snienja otpornosti zraenja antene oekivalo se i izvesno malo smanjenje irine frekvencijskog radnog opsega antene to je tako e podvrgnuto ispitivanju. Dobijene vrednosti prilago enja sa promenom frekvencije su date na kraju lanka uporedo za modifikovanu (50 oma) i nemodifikovanu (75 oma) antenu.

6

Dijagram zraenja i pojaanje originalne 3D korner antene od 2 tal. duine.

Dijagram zraenja i pojaanje modifikovane 3D korner antene od 2 tal. duine.

7

Probni model je napravljen od plastine kutije u obliku kocke dimenzija 225 x 225 x 225 mm (neto malo ispod 2 talasne duine na 2.4 GHz) koja je preseena i sa unutranje strane oblepljena aluminijumskom folijom. Na povrini koja je bila dno kockaste plastine kutije izbueni su otvori za montau jednog enskog N prikljuka i jednog mesinganog zavrtnja M4 sa dve matice za fiksiranje na duinu odre enu proraunom. Na N prikljuak je zalemljena mesingana cevica prenika 4mm tako da njena ukupna duina odgovara proraunu duine zraeeg elementa DR. Mesingani zavrtanj je produen time to je na njegov kraj tako e zalemljena mesingana cevica od 4mm ija je duina odabrana tako da sa polovinom duine zavrtnja daje proraunsku duinu elementa za podeavanje DI. Vo eno je rauna da masa N prikljuka i matice mesinganog zavrtnja M4 imaju dobar spoj po celom obimu sa aluminijumskom folijom na reflektorskoj povrini. To je veoma vano za pravilan rad antene!

Pogled na antenu spreda Tako e, celokupna reflektorska povrina u sve tri ravni mora se ponaati kao kontinuirana povrina sa dobrim elektrinim kontaktom celom duinom na spojevima izme u pojedinih reflektorskih ravni. Ovo je ostvareno preklopom, irokim 30mm, pojedinih slojeva aluminijumske folije, to je etvrtina talasne duine na radnoj frekvenciji. Ovim se postie da, i u sluaju loeg me usobnog kontakta, preslikana impedansa otvorenog etvrt-talasnog voda, koji ine dva sloja folije, bude kratak spoj, ime se obezbe uje efikasan rad antene. Duine oba elementa i njihovo me usobno rastojanje je podeeno prema proraunu veoma precizno kako bi se prilikom stavljanja na instrumente videlo kolika je inicijalna greka u proraunu.

8

Nain izvo enja zraeeg i dodatog elementa Bilo je veoma veliko zadovoljstvo videti da se antena na instrumentima ponaa upravo onako kako je to raunarskom simulacijom bilo predvi eno. Ulazno prilago enje je bilo preko -30dB a izmereno pojaanje je 15.5 dB uz moguu greku od +/- 1dB, poto nije bilo mogunosti za postavljanje mernog poligona koji bi iskljuio neke neeljene sporedne uticaje i obezbedio veu tanost merenja. Kada se uzme u obzir sam probni model, njegova preciznost, nain izrade i dimenzije reflektora, rezultati se veoma dobro slau sa predvi anjima kompjuterskih simulacija, to 9

je u velikoj meri potvrdilo verodostojnost korienog matematikog modela ove antene u programu za simulaciju.

Pogled sa strane Podeavanje impedanse je veoma nekritino, iroko i upravo onako kako se oekivalo. Praktino je mogue antenu napraviti, precizno odmeriti potrebne dimenzije i rastojanja elemenata i antena e odmah biti podeena bez ikakvog daljeg podeavanja na instrumentima koji su veini graditelja teko dostupni. To je jo jedna velika prednost ove antene.

Pogled na zraei i dodati element 10

Izgled antene u poloaju za rad

Modifikovana 3D korner antena za 2.4 GHzKao optimalna dimenzija reflektora usvojena je vrednost od 2.5 talasne duine to na 2.4 GHz iznosi 300 mm. Pravilno sagra ena antena daje pojaanje preko 17 dBi to je prihvatljiva vrednost za veinu potreba.

Pojaanje modifikovane 3D korner antene

11

Horizontalni i vertikalni dijagram modifikovane antene

12

Ulazno prilago enje i irina radnog opsega modifikovane antene na 50 oma

Ulazno prilago enje i irina radnog opsega originalne antene na 75 oma 13

Ulazna impedansa modifikovane antene

Pogled spreda na presek glavnog snopa zraenja antene

14

Pogled odozgo na horizontalni dijagram zraenja antene

Pogled sa strane na vertikalni dijagram zraenja antene

15

Jaina struja u pojedinim delovima antene pri ulaznoj snazi od 100W

Pogled odozgo na modifikovanu antenu sa pozicijama elemenata

16

Smith-ov dijagram sa ulaznom impedansom antene za opseg radnih frekvencija f=2400 2450 MHz i krugom SWR-a na 2430MHz

Mehanika konstrukcija modifikovane 3D korner reflektor anteneReflektorska povrina antene mora da bude ura ena skoro kao da je izlivena iz jednog komada! Poto jedan spoj ipak mora da postoji izme u dve ravni, onda je najbolje da on bude izme u dve vertikalne ravni. Tada je linija spoja paralelna sa zraeim elementom tako da ne preseca put strujama koje teku paralelno sa elementom koji ih zrai. Ako je linija spoja pod pravim uglom na zraei elemenat onda slab spoj preseca struje koje teku u reflektoru i antena loe radi! To je veoma vano! Zato treba iskrojiti lim za antenu upravo onako kako je to dato na crteu i saviti ga pod pravim uglom po isprekidanim linijama! Osim dobrog naleganja povrina koje se me usobno spajaju i broj zavrtanja ili pop nitni sa kojima je izvren spoj treba da bude to vei, a najmanje na svakih 10-20mm! Ako se antena pravi od mesinganog ili bakarnog lima najbolje je sastav limova zalemiti sa spoljanje strane antene. Masa konektora i zavrtanj za podeavanje duine dodatnog elementa moraju imati veoma dobar spoj sa reflektorskom povrinom! Duine elemenata se mere od reflektorske povrine do njihovog vrha kao to je dato na slici!

17

Detalji konstrukcije

18

Nain pravilne montae antene na stub

19

Preraunavanje antene za druge frekvencijeOva antena, s obzirom na svoj princip rada, vrlo lako se moe prilagoditi za rad i na bilo kojoj drugoj frekvenciji. Na niim frekvencijama moe se za reflektor, umesto lima, koristiti mrea sa otvorima manjim od 0.1 talasne duine. Na vrlo visokim frekvencijama potrebna je preciznost izrade zraeeg i dodatog elementa i dobri spojevi. Dimenzije modifikovane 3D korner reflektor antene u talasnim duinama (Lambda) su sledee: Dimenzije reflektora (mereno od temena do kraja): L = 2.5 x 2.5 x 2.5 Duina zraeeg elementa (mereno od reflektora): DR = 0.754 Duina dodatog elementa (mereno od reflektora): DI = 0.650 Prenik elemenata: FI = 0.032 Pozicija zraeeg elementa (mereno od temena): x = 0.6, y = 0.6 Pozicija dodatog elementa (mereno od temena): x = 0.7, y = 0.7 Talasna duina se moe izraunati po formuli: Lambda = 299.8 / frekv. Talasna duina se dobija u metrima ako se frekvencija unese u MHz. *** U Beogradu, marta 2005. Lambda Lambda Lambda Lambda Lambda Lambda

20