Прокачиваем Meshtastic — увеличение дальности своими руками. Простые антенны / Хабр

Текст написан без участия ИИ (Al-free)

Приветствую, друзья! Настало время антенн!

Несколько лет назад автором был представлен цикл статей, посвящённый теме организации текстового радио-чата без применения сотовой связи, на основе модулей Lora и ESP32. Ознакомиться с темой Meshtastic вы можете тут:

Часть 1 >>> Часть 2 >>> Часть 3 >>> Часть 4

Введение

Статья написана как подробный гайд для сообщества и рассчитана на творческую публику, возможно, далёкую от радио в целом и антенн, в частности. Если вам лень что-то делать руками, то на Ali и OZON вы найдёте готовые конструкции. Покупайте, экспериментируйте, делитесь опытом в сообществе.

Сегодня на AliExpress и OZON много предложений дешёвых антенн для ISM-диапазона 868МГц, но, в большинстве случаев они или не настроены, или настроены очень плохо или сделаны некачественно. Предложений для покупки развелось такое огромное количество, что никаких денег и времени не хватит все их протестировать и дать рекомендации по использованию. Хотя, некоторые варианты представлены в тематических чатах Meshtastic разных городов.

Автор смоделировал и изготовил несколько практичных конструкций, от самых простых антенн с круговой диаграммой направленности до сложных многоэлементных направленных антенн, которые легко будет изготовить и настроить дома своими руками. Более того, в большинстве случаев такие антенны будут обладать характеристиками в разы лучше штатных и большинства купленных дешёвых «хвостов». Это значит, что дальность связи между вашими Meshtastick-устройствами или вашим ISM-устройством теоретически может увеличиться от 5 до 100 раз(!), не применяя усилителей мощности и оставаясь в пределах допустимых мощностей. Ну, а, с мощными модулями должна получиться «пушка»!

Примечание: у автора, к сожалению, нет 3D-принтера и навыков изготовления сложных механических изделий, но он умеет моделировать и создавать прототипы антенн. Поэтому, все описанные конструкции выглядят как собранные на скорую руку и местами колхозно. Не судите строго. Автор приглашает всех, кто умеет создавать механические конструкции, обсудить представленный ниже материал и дополнить его своими практическими реализациями и механической практикой. Это можно сделать как в отзывах, так и в нескольких профильных сообществах в телеграмм-чатах.

Сначала будут описаны простые конструкции, потом перейдём к более сложным, направленным антеннам.

Давайте начнем…

Конструкция 1. Классическая 1/4GP

Вы легко найдёте в интернете множество подобных конструкций на разные диапазоны, но здесь автор покажет свой вариант её исполнения в приложении к теме Meshtastic.

Эта конструкция одна из самых простых антенн - каноническая антенна GP 1/4. Она проста в изготовлении, имеет широкую полосу и собрав её, вы без настройки получите гарантированно рабочую антенну, которую можно вынести за пределы квартиры и она будет работать. Механический конструктив антенны прост. На детальном фото вы увидите все элементы.

Классическая 1/4 GP антенна

Конструкция основана на правильном (желательно фирменном и цельном) микроволновом разъёме. Это фланцевый СВЧ-разъём N-типа. Он легко монтируется и подходит для различных конструкций, о которых будет рассказано чуть позже.

Использовать обязательно нужно именно такой разъём, т.к. он имеет нормированные параметры на СВЧ диапазоне, к которому относится участок частот 868МГц.

Для чистой антенны GP, как показано на фото выше, важным элементом является отсутствие металлического монтажного стакана. Если вы планируете устанавливать антенну на мачте, то он должен быть диэлектрическим или длина стакана не должна превышать 50 мм.

Фото

Возможно использовании крепёжного стакана, но из-за его влияния длинна излучающего элемента будет другой и антенну надо будет подстроить.

Излучающий элемент изготовлен из латунной трубки диаметром 4 мм. Её можно купить в магазинах Леруа, Максидом и др. магазинах. Длина излучающего элемента составляет 82 мм. Трубка аккуратно запаяна на центральный контакт разъёма.

Фото

Противовес делается из мягкой медной проволоки диаметром 2 мм. Её можно купить в любых электротоварах.
Длина противовесов, прикреплённых к разъёму, составляет 75 мм.

Фото

При изготовлении противовесов общая длина элементов от центрального элемента должна быть 100…120 мм. Крепления противовесов можно сделать из того же куска проволоки или его можно припаять к специальным монтажным лепесткам.

Для минимизации влияния кабеля на параметры антенны из него же делается т.н. балун - изолирующая петля ниже разъема на расстоянии 7…10 см, делается небольшая петля диаметром 2…3 см.

Балун

Замеренные параметры живой антенны: SWR, LogMag, Смит

Если вы будете крепить антенну на металлический стакан, а стакан, в свою очередь планируете крепить к мачте, то длину излучающего элемента придётся немного увеличить. Для этого можно использовать обычный шуруп М3.

Настройку производим с помощью прибора NanoVNA V2. Минимальный КСВ достигается вращением винта и изменением угла противовесов (около 45 градусов).

Фото

Конструкция 2. Классическая J-антенна

В интернете вы так же легко можете найти множество калькуляторов и картинок подобных конструкций для других диапазонов, но практически без подробных описаний. Здесь автор покажет свою конструкцию конкретно для частоты 868 МГц. Автор применил несколько простых, но неочевидных решений для достижения максимального усиления и стабильного КСВ. В интрнетных картинках и калькуляторах обычно приводятся расчёты по формулам, что даёт некую абстрактную среднюю конструкцию, ещё не известно как работающую в живую. Потому, перед изготовлением антенна была оптимизирована в электромагнитном симуляторе на максимум усиления.

Диаграмма направленности и коэффициент усиления антенны (смоделировано).

Интересным решением является собственно антенный стержень. Он также является неотъемлемой частью излучающей системы и системы крепления. К нему можно прикрепить диэлектрическую мачту.

Примечание 1: при относительно простой механике, автор, всё же, не рекомендует антенну для повторения начинающими радиолюбителями в силу сложности её настройки.

Примечание 2: при настройке антенны настоятельно рекомендуется использовать измеритель NanoVNA V2 или аналогичный панорамный КСВ-метр.

Вся антенна на самом деле очень проста! На подробных фотографиях всё отлично видно.
Антенна сделана из цельного куска латунной трубки диаметром 4 мм и длиной 500 мм (Её можно купить в магазинах Леруа, Максидом и др. магазинах.) и печатной платы из материала FR-4 размером 10x15x1,5 мм.

Антенна J-ка классическая

Трубку необходимо аккуратно разрезать согласно чертежу. Понадобиться 2 куска трубки длиной 370 мм и 88 мм.

Чертежи

Примечание: обратите внимание, что короткую часть необходимо отрезать на 10 мм длиннее для создания точки крепления.

Чертёж

Обратите внимание коаксиальный кабель Radiolab RG-316/U запаян точно так, как показано на фотографии. Это результат экспериментов по получению стабильного КСВ антенны.

Место крепления и точки питания, подробно

Попытка просто опустить кабель вниз, как это часто показано в различных интернет-проектах, приводит к сильному ухудшению параметра КСВ. Создаётся впечатление, что многие интернет-авторы не согласовывали свои конструкции и не проверяли параметры получившихся антенн на измерительном приборе.
При выборе точки подключения центральной жилы кабеля необходимо добиться минимального КСВ. Этот процесс может быть весьма кропотливым и сложным. Добиться идеального КСВ достаточно сложно.

Для минимизации влияния кабеля на параметры антенны рекомендуется изготовить кольцо из кабеля на основе диаметра 2…3 см. Использование ферритовой защелки дополнительно снижает влияние кабеля под антенной.

Замеренные параметры живой антенны: SWR, LogMag, Смит

Как можно видеть, антенна получается относительно узкополосной и минимум КСВ оставляет желать лучшего.

Еще несколько фотографий для понимания как антенна может выглядеть.

Фото

Конструкция 3. Модифицированная упрощённая J-антенна

Эта конструкция является, пожалуй, самой-самой простой антенны из возможных, но имеет хорошее усиление — это не каноническая J-образная антенна.
Аналогичную конструкцию можно сделать и для диапазона 433 МГц. Она будет чуть больше размером.

Идея этой конструкции родилась из экспериментов и моделирования канонической J-образной антенны. Автор задался вопросом: «Зачем делать сложную конструкцию? Возможно ли сделать простую?»
Единственное, что сложно в этой антенне - найти качественный СВЧ-разъём N-типа.

Не каноническая J-антенна

Конструкция антенны на самом деле очень проста! На подробных фотографиях всё отлично видно. Она сделана из цельного куска латунной трубки диаметром 4 мм и длиной 500 мм.

Трубку необходимо аккуратно разрезать согласно чертежу. Понадобиться 2 куска трубки длиной 307 мм и 69 мм.

Чертёж

Примечание: для данной конструкции очень важно использовать металлический стакан на диэлектрической мачте для правильного распределения ВЧ токов. Длина стакана не критична и может составлять 70…100 мм.

Стакан

Замеренные параметры живой антенны: SWR, LogMag, Смит

Как можно видеть, на этом конструктиве получились более лучшие характеристики, чем на каконической J-антенне.

Диаграмма направленности и коэффициент усиления антенны (смоделировано).

Еще пару фотографий для понимания.

Фото

Для точной настройки антенны автор установил в качестве крепления короткого элемента винт М3 длиной 20 мм. Необходимо слегка сжать основание трубки плоскогубцами (осторожно!), чтобы она плотно накрутилась на винт.

Конструкция 4. Простая 3-элементная антенна типа «Яги» (она же «Волновой канал»).

Практическое применение такой конструкции - размещение антенны на окне или балконе дома. Такая конструкция позволит существенно поднять уровни принимаемы-передаваемых сигналов, а значит существенно повысит дальность связи. Задний лепесток диаграммы направленности антенны максимально подавляется, и энергия маломощного Meshtastic-устройства не тратится на поглощение энергии вашим домом. Желательно, чтобы перед фасадом дома было свободное пространство. Тогда дом создаёт дополнительно небольшое усиление антенны.

Антенна была оптимизирована в моделировщике. Честный коэффициент усиления получился 7 дБи (4,8 дБд). Антенна спроектирована таким образом, чтобы обеспечить максимально возможный раскрыв диаграммы направленности для трёх элементов — это около 120…130 градусов. Так же, при оптимизации упор делался на минимально возможную длинну траверсы, что технологически удобно!

Диаграмма направленности и коэффициент усиления антенны (смоделировано).

Возможное дальнейшее развитие конструкции — это размещение платы LoRa и ESP32 на одной плате с траверсой. В результате может получиться конструкция с очень большим радиусом действия (до 30км, прикидочно). Если усиления 7 дБи в вашем случае недостаточно, плата может предусматривать расширение до 5…9 элементов. 9 элементов получаются длиной около 1 метра (в зависимости от желаемого усиления).

Всего в одном корпусе 3 элемента умещаются в размер 190 х 120 мм (с запасом, при желании можно уменьшить).

Чертёж на 869МГц

Замеренные параметры живой антенны: SWR, LogMag, Смит

Первый прототип

Фото

Фото

Печатная плата из ламината FR-4 размером 25x5x1(1,5) мм со снятием меди 5 мм по центру заготовки. Зазор включен в общую длину активного элемента 164 мм. Коаксиальный кабель: Radiolab RG-316U или аналогичный.

Важно обеспечить минимально возможный размер центральной жилы кабеля, т.к. его длинна влияет на общие параметры настройки антенны.

Фото

Для американской аудитории (или других стран) так же сделан вариант модели на частоту 915 МГц. В живую автор этот вариант модели не проверял, но теоретически модель должна работать. (У автора модель на 868 МГц, описанная выше, совпала с механическими конструктивом на 100%).

Чертёж на 915МГц

Примечание 1: при повторении конструкции главным условием качественной настройки и работы антенны должно быть отсутствие металлических компонентов между её элементами! Если вы собираетесь изготавливать 3D-конструкцию для печати на принтере, то убедитесь, что ваш материал не содержит графита или металлического порошка!

Примечание 2: конструктивные элементы должны быть изготовлены строго из труб диаметром 4 мм. Они должны располагаться строго в одной плоскости (допуск +/- 1 мм). Если использовать трубы другого диаметра, то параметры могут сильно ухудшиться. На другой диаметр трубок надо считать другую модель!

Примечание 3: вы можете смело повторить конструкцию антенны, и она скорее всего будет работать без настройки. Но, если у вас есть измерительный прибор, такой как NanoVNA V2 или аналогичный, то вы можете выполнить идеальную настройку. Для этого может потребоваться лишь сместить активный элемент ближе/дальше на пару мм от расчётного значения.

В зависимости от технологии изготовления активного элемента, может потребоваться небольшая корректировка его длины. Всё это имеет смысл только при наличии панорамного измерителя КСВ.

Важно: при использовании электро- и механического инструмента и паяльного оборудования обязательно соблюдайте правила техники безопасности!!!

Пара фото от одного из Московских коллег, кто первый повторил антенну.

Фото

В заключении, автор ещё раз приглашает всех, кто заинтересовался и умеет создавать механические конструкции, обсудить представленный выше материал и дополнить его своими практическими реализациями и механической практикой. Это можно сделать в нескольких профильных сообществах в телеграмм-чатах.

PS. Для профи : я уверен, радиолюбительское проф-сообщество может привести ещё несколько простых конструкций типа "диполь" или "Максон" и др. Собственно, голый диполь хоть и простой в изготовлении, но требует дополнительную механику для крепления, а так же, для качественной работы требует правильного питания. Как результат, в сумме параметров конструктив/усиление/простота изготовления, на мой взгляд, диполь уступает антенне типа 1/4GP, хотя в сообществе и его народ делает.

Так же, в статье не затронуты вопросы изготовления антенн на 433...434МГц. Они не упомянуты по причине большого количества вполне рабочих продаваемых конструктивов, в т.ч. и направленных. Да и популярность диапазона 434МГц у сообщества Meshtastic не очень большая. Кому интересно, в локальных телеграмм-чатах найдут по этим антеннам информацию.

Все модели антенна для программы MMANA и модель платы вы найдёте по адресу:

https://github.com/NanoVHF/Meshtastic-DIY/tree/main/Antennas

Статья 1 <<< Простые антенны для темы Meshtastic >>> Статья 3

Адреса локальных Meshtaastic-сообществ:

• Неофициальный сайт проекта

• Русскоязычный сайт

• Общероссийская телеграмм-группа

Локальные Meshtastic телеграмм-чаты, проверьте - есть ли тут ваш город.

Барнаул https://t.me/meshtastic_barnaul

Белая Калитва https://t.me/meshkalitva

Белгород https://t.me/meshtastic_belgorod

Бердск https://t.me/Meshtastic_Berdsk