叠双菱天线的设计与应用的改进（更正卫星锅是45和55cm,增加抛物面仿真）

sanking

叠双菱天线的设计与应用的改进

附卫星锅对比测试

组类：天线DIY

作者：sanking

本文链接：http://forum.anywlan.com/thread-29667-1-1.html

不是很废的废话
最早开始接触无线天线是08年9月。当初为了加强我的无线路由的接收能力，我做了几个抛物面反射板。(图1)

上图是第一次试试看的做的，这个反射板增加了4db左右的。(图2)

马上兴趣大增，做了很壮观的第二个，这个增加了8~9 db，那时候我还专门琢磨出了抛物线的绘制方法。见：http://forum.anywlan.com/thread-12621-1-1.html
反射板的好处是不破坏路由器本身的结构，只是增加一个反射板，坏处是，占地太大很不方便。而且泡沫板时间久了容易变形。

后来kincho看到了说，还不如去试试菱形、八木之类的……
由于惰性使然，我在09年3月才开始第一次做了叠双菱。果然立竿见影，做出来的天线实测增益有11~12db。见：http://forum.anywlan.com/thread-24544-1-1.html

(图3)

在写制作过程之前，我要先炫耀一下，我的天线的特点：

1. 用有线电视的接头，做振子与反射板之间的铜管，好处是，可拆卸可替换。我可以做好几个不同的天线，一个一个旋上去试。

2. 还是上面的附带好处。因为可以旋动，我的叠双菱可以360度旋动，(螺帽螺丝的联接是比较紧凑的，自然状态下是不会转动的，只有手去转才会动。)，这样就
不会有天线的极化方向不对引起接收效率低的问题。这个应该很多DIYer会碰到这样的情况，做的双菱的天线在接收时有些AP的信号增加非常明显，有些AP的信号反而下降了。其实如果你能转动双菱，转个90度，就会发现，刚才的情况正好相反了。

3. 我的叠双菱是用4nec2X来设计优化的，导向器和振子的大小是不一样。从这个软件上分晰得出，这样的形状应该有助于减少驻波比（SWR），提高天线的发射效率。
我在贴子http://forum.anywlan.com/thread-28806-1-1.html里提出过这个问题。实测中，也得出这个形状接收效果更好，但从理论上最好能有其它软件的仿真报告。有达人能用别的软件的，请帮忙验证一下。

最后一点提前说明一下的是，我的馈线是75欧的有线电视线，这和叠双菱的输入阻抗50欧不匹配，但我看到一个说法是不匹配时，高的不超过50%低的不超过20%还是能行的。实际上我的制也能用，就是用手接触会有轻微的触电的感觉，并且感到有一种很稠密的嗡嗡地振动的感觉。各位有什么看法？


天线制作过程和测试效果。在动手做天线之前，要知道目标信号的波长频率等资料。我通过查询计算得出以下资料：

2.4GHz频段	频率 GHz	波长 m	四分之一波长cm
B/G Chnl 1	2.412	0.1242921	3.1073
B/G Chnl 2	2.417	0.1240349	3.1009
B/G Chnl 3	2.422	0.1237789	3.0945
B/G Chnl 4	2.427	0.1235239	3.0881
B/G Chnl 5	2.432	0.1232699	3.0817
B/G Chnl 6	2.437	0.123017	3.0754
B/G Chnl 7	2.442	0.1227651	3.0691
B/G Chnl 8	2.447	0.1225143	3.0629
B/G Chnl 9	2.452	0.1222645	3.0566
B/G Chnl 10	2.457	0.1220157	3.0504
B/G Chnl 11	2.462	0.1217679	3.0442
B/G Chnl 12	2.467	0.1215211	3.0380
B/G Chnl 13	2.472	0.1212753	3.0319
B/G Chnl 14	2.484	0.1206894	3.0172

由于最常见的波段是6波段，我设计使用就是按这个2.437GHz来的。

首先。用4nec2X这个软件来设计、优化我们的叠双菱。（想要知道怎么用的朋友可以去看我做的教程贴子。http://forum.anywlan.com/thread-28751-1-1.html）
按四分之一波长的数据，大致填入4nec2X (图4,5)

按这个数据输入的天线的增益情况如下：(图6)

接下来优化天线，我们的目标是，使驻波比越小越好，使增益越大越好。（这里优化的目标中，输入阻抗是50欧，我试过用75欧为目标，计算了好几个小时，出来的效果不满意所以为了方便还是直接用50欧为目标。）
得到的结果如下：(图7,8,9,10)

用4nec2X来仿真一下55cm偏馈+叠双菱的增益情况，偏馈模型建立太麻烦，为了方便直接用正馈来替代，只要使正馈的有效面积和偏馈的有效面积基本相等就视作其效果一样。（图10-1）增益有20.5dB

按以上制作双菱，具体数据：
铜丝的半径R=1mm
振子的泛义边长 L=0.026914 m=26.914mm（26.9mm），短一点的边长是23.7mm
双菱的角度一半值F=44.92574这个在实际制作中我们就直接当做45度来，也就是按直角弯铜丝。
导向器的边长是Ld=0.032566m =32.566mm（32.6mm）
馈线接点处的Gap宽度＝2G－2R＝
0.002292*2-0.001*2＝0.002584m，也就是2.58mm
。
导向器中心点与振子中心点(即个双菱的中心点)的距离Hd=0.033m＝33mm
然后小心焊接成下面的形状：(图11)




反射面与振子铜丝中心点的距离H=29.406mm，面到面的距离是29.406-1=28.406mm
由于有线电视的接头螺丝（中空的）长度只有27.87mm，所以只好用螺母来接上一段。有线电视的螺母是后面有细管接馈线的，所以用切割机切掉，只取出一小段光螺母的这部分来用。把螺母置于叠双菱振子的正中间，然后小心焊接好。然后塞一小块塑料片进去使馈线的中间铜丝与叠双菱绝缘。(图12，13，14)




把叠双菱旋到已经固定在的反射板上螺母。这个反射板是20*20cm的，由于尺寸不够，拼了两块上去。背面有废弃的PCB板做加固的。表面看起来很不光滑是因为有透明胶在上面。另外为了防锈在固定螺丝上面上了热融胶。(图15)

把路由器拆开，把原来的天线的线剪断，接上有线电视线接口的馈线
。(图16，17)


全部接上后就成了下面的样子。(图18)

在路由器上没法进行很详细的信号测试，所以我要把信号直接接到笔记本电脑自带的无线网卡上。
先接无线网卡自带的天线测试AP信号，再拔掉接上叠双菱接出来的天线。(图19)

45cm卫星锅+叠双菱，按DragoslavDobričić,YU1AW论文做的，线径1mm(图20)

45cm卫星锅+自制的叠双菱，叠双菱小下大小不一样。(图21)

60cm卫星锅+自制的叠双菱(图22)

  

五组不同的天线详细对比：
(测试环境：无线AP与我的直线距离约为900~950米。馈线总长约40cm，其中20cm为75欧的有线电视线，另外20cm是原天线的馈线应该是50欧的，一头有IPX接头。
人站在约20cm的近距离可能对天线有影响。)

天线	信号	评价
Dell Inspiron 1501   自带天线	-86dB，信号不稳定	这个天线还是不错的，比USB网卡TL-WN321G_WN321G+的信号要好，平常用USB网卡是接收不到这个AP的信号的。
45cm卫星锅+叠双菱   按Dragoslav Dobričić,   YU1AW论文做的，   线径1mm	-75dB，信号稳定	45cm的的卫星锅效果明显。   我的自制的叠双菱效果要比按论文做的好3dB，这是很意外的。我想大概有三个原因：一是，我的设计本身就比那个论文上的理论上要好1.3dB，二是自制的叠双菱的馈点gap间距大一些，这使得我的输入阻抗比50欧稍大，更接近75欧的有线电视馈线使得效率增加。三是按论文做的线径细，形状容易变形，使其精度下降。
45cm卫星锅+   自制的叠双菱	－72dB，信号稳定
55cm卫星锅+   自制的叠双菱	-70dB，信号稳定	锅的面积增加，对于我的目标AP来说信号增强不是很明显
自制的叠双菱，无锅	-77dB，   信号不是很稳定	就这个AP来说，只要自制的叠双菱就够了，毕竟锅的动静有点大了。J

(图23)
   


经过调试测试对比，得出的结论是，
1. 卫星锅对于信号的稳定很有用处，
2. 45cm或60cm的锅差别不大，
3. 叠双菱的边长，应该是振子边长比导向器边长稍小才能达到最佳效果。
4. 叠双菱天线具有极化方向，需要在90度范围内转动叠双菱来达到最佳接收效果。这就需要在天线制作时用螺丝筒管做为振子与反射板的联接管，为转动调试提供可能。




最后附上一个自己想到的平直铜丝的方法，
原理：两个平面夹紧铜丝做相对移动。让铜丝在沿轴向360度范围内接近于平面上的一条线。
实现方法：寻找现成的物品做做为两个平面。家里应该都有磁砖吧？这是一个，另外一个找厚的玻璃或有光滑平整表面的硬质的块状物比如体重称的玻璃面。
为防止表面污染和受伤，需要给两个平面的表面做清洁工作。并且取两张A4白纸放于清洁后的地面上，让铜丝放在A4纸中间把体重称放在白纸上。人站到上面去，小心扶好边上的墙或门把手防止摔倒，然后让两个表面做相对运动，来回几十次。
因为有内应力的原因，铜丝会在取出后短时间内会变形，可以重复几次上面的动作。
这样出来的铜丝基本上是平直的了。




欢迎通过站内短信或QQ48318531或bluesanking@163.com与我讨论各类问题。

By sanking

2009-05-26于杭州

e21

卫星天线配高点增益的叠双菱好的原因还有一点：14dB左右的馈源辐射的波瓣照射到偏馈的反射面有效部分达到最大，因此额外获得了一点增益提升。

sanking

哈哈，看得有点拗口，
你是指除了正常的聚焦外，还有额外的好处？

hcd

高手！！！有些知识不懂，要学习下！！！！！！！！！

e21

哈哈，看得有点拗口，
你是指除了正常的聚焦外，还有额外的好处？
sanking 发表于 2009-5-26 12:35

语言表达有点问题，这样说吧：
小增益的天线角度大，发射/接收的电磁波很多在反射面的外边，浪费了一部分。
如果角度太小的高增益馈源则反射面浪费了一部分，只有合适的角度效率最大。对应于偏馈天线，最大点是13～14dB左右的天线。

sanking

噢，明白了，

风筝

文章写得很丰富呀！
应该支持！~

sanking

文章写得很丰富呀！
应该支持！~
风筝 发表于 2009-5-26 16:57

经常看到风筝的:)

80186

楼主动手能力很强！思考得很深值得推荐。特别是使用有线电视的75欧电缆有很好的推广价值（省钱又容易卖到）。
有一个小建议：电缆不要混合使用50和75欧的。可以把网卡的接头更换为F头（有线电视的接头）就更好了。

sanking

楼主动手能力很强！思考得很深值得推荐。特别是使用有线电视的75欧电缆有很好的推广价值（省钱又容易卖到）。
有一个小建议：电缆不要混合使用50和75欧的。可以把网卡的接头更换为F头（有线电视的接头）就更好了。
80186 发表于 2009-5-26 19:57

似乎要做到75欧的输入阻抗的天线，我是指叠双菱，这个中间的Gap会很大，我把Gap/2的最大值范围设到9mm的时候，它优化时就一直取最大值。
我优化过两次总计差不多三个小时，都没优化出满意的来。

50的，我优化后取得的成果是SWR小于1.01增益14.1
而75欧的就比较可怕了，差不多是SWR=1.2,增益倒是不低的。

嗯，把网卡的接头换成F头？这个怎么操作？我就怕电路比较脆弱，多焊几次铜片就会飞起来。电路板就毁了。

sanking

还有个问题，有线电视线太粗了，
不容易弯曲，有可能会破坏其它脆弱的部件。

zwmfyy

这个不错，支持一下。用电视线？