Прокачиваем Meshtastic — увеличение дальности своими руками. Направленные антенны / Habr

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

По прошествии пары лет после написания первой части, была проделана работа по моделированию и оптимизации нескольких конструкций антенн в приложении темы Meshtastic. Автор старался учесть множество мнений в профильных телеграмм-чатах, разных возможностей и нюансов. Результатом этой работы стало появление базовой конструкции из 3 элементов типа «Яги». Питание антенн выполнено по канонам радиотехники через балун на печатной плате. Т.е. питание антенны должно было быть сделано правильно для исключения влияние кабеля и др. механических нюансов разных пользователей! Для данной конструкции была разработана печатная плата с основанием для крепления удлинителя. Этот удлинитель, в зависимости от ваших задач, позволяют нарастить от 4 до 8 элементов типа «Яги». Автор свёл параметры всех представленных конструкций в таблицу. Там же указаны и размеры всех элементов. Вам будет легко подобрать необходимое количество элементов для вашей задачи. Хорошо если вы не будете лениться и сможете сделаете хотя бы простейший просчёт трассы.

Представленные модели и конструкции не являются «абсолютно конечными». Это попытка найти оптимум между удобством изготовления, параметрами антенн и вашей возможной квалификацией слесаря-механика. Так же, 8 элементов не является конечным возможным количеством. Это количество было выбрано из удобства выполнения траверсы крепления до 1м длинной. Для повышения усиления антенны элементов может быть и 9 и 12 и 15. Как пример, во время экспериментов с товарищами на 9 элементную антенну длинной почти 2 метра удалось установить связь между Санкт-Петербургом и Гатчиной. И это на голые Meshtastic-модули с мощностью 50…60мВт.

Также, немного теоретических размышлизмов, почему стоит делать антенны типа «волновой канал». Это рассуждение касается городского применения узла.

Приступим...

Среди нас есть радиолюбители и, вероятно, даже профессиональные связисты или технические специалисты сотовых операторов. Вопросы использования разных антенн поднимаются постоянно в разных сообществах, и часто звучат классические клише из радиосвязи.

Согласно канону классической радиосвязи, если антенна находится на крыше и видит всех вокруг, то вертикальная коллинеарная антенна или многоэтажные диполи - лучшее решение для обеспечения дальности связи. С этим здесь никто не спорит! Классика! Но, в применении к теме Meshtastic есть несколько характерных особенностей, где это правило применимо ограниченно.

Рассмотрим эти особенности:

Мощность большинства устройств составляет всего 50…60 мВт.
В сети используется всего 3…5 прыжков.
Большинство жителей города используют модель обычно из нутри квартиры, иногда из окна и ещё реже с балкона.

Это значит, что модему желательно «кричать» не всем вокруг, а минимально бы докричаться до мощной базы ретранслятора или ключевого узла. В применении к тому, что большинство городских абонентов вещают в основном из окна или балкона, очень желательно сосредоточить излучение в направлении «из дома» или, по крайней мере, минимизировать поглощение излучения домом. Автором была смоделирована 3-эл Яги так, чтобы максимальное излучение приходилось на максимально возможный сектор в ограничении окна или балкона, т.е. 180 градусов. Но, полностью 180 градусов 3 элемента не умеют, а вот в 130…140 градусов создать удалось, не потеряв при этом в усилении. С такой антенной эффективность излучения (вероятность связи с ближайшим абонентом) оказывается на порядок лучше, чем у штатной анте��ны устройства. Это работает за счет лучшего усиления и хорошего формирования диаграммы направленности антенны.

Далее мы рассмотрим случай, когда узел расположен среди большого количества железобетонных зданий. При использовании трёх элементов Яги может возникнуть непредсказуемое многолучевое распространение сигнала, и эффективность излучения (т.е вероятность связи) может существенно ухудшится или улучшиться. Тут требуется опыт для понимания куда и как направлять антенну. Чтобы хоть как-то компенсировать потери сигнала от многолучевого распространения, можно ещё больше сжать диаграмму направленности антенны и увеличить коэффициент усиления. То-есть, мы делаем многоэлементную антенну и выбираем направление, куда сигнал будет лучше отражаться, чтобы достичь ближайшего мощного узла. Так же, этот метод подходит что бы эффективно "пробить" сигнал в щель между домами.

Фото демонстрации

Для построения правильной сетевой инфраструктуры нужен классический канонический подход - здесь автор на 100% ЗА: хорошая коллинеарная антенна, мощный узел как можно ближе к антенне и как можно более высокая точка установки. Это идеальный случай. На практике ситуация несколько иная. Люди, имеющие возможность поставить мощные узлы, могут жить на окраинах города или, даже, за городом, а значит, круговая диаграмма в данном случае не имеет смысла. По разумению автора, в таких случаях имеет смысл поставить 2…3 антенны типа «яги» в 2 или 4 этажа и перекрыть город секторами по 120 градусов.

Базовая конструкция антенны

Это снова трехэлементная Яги, но выполненная на печатной плате с каноническим ВЧ-питанием и расширением до 4…8 элементов.

Фото

Примечание: у автора нет 3D-принтера и навыков работы с механикой. Поэтому, возможно, фото выглядит как жалкая колхозная самоделка. Строго не судите. Обладатели высоких современных технологий могут усовершенствовать конструкцию и призываются к сотрудничеству в профильных телеграмм-сообществах!

Чертёж 3х базовых элементов

Диаграмма направленности и коэффициент усиления антенны (смоделировано).

Замеренные параметры живой антенны: SWR, LogMag, Смит

Основным техническим вопросом при проектировании антенны стал способ питания активного элемента. В самом простом варианте это применение "балуна" из одного витка кабелем диаметром 2...3см + применение ферритовой защёлки. Но, хотелось сделать конструкцию правильной и технологичной. Так родилось симметрирующее устройство выполненное химическим травлением на плате. Это технологично при изготовлении партии заготовок под антенны. Но для себя дома можно просто ножиком соскаблить участки меди.

Фотография печатной платы из программы:

На печатной плате предусмотрены отверстия для крепления на балконе или другом механическом основании (мачте, перилах и т.п.). Дополнительные отверстия предназначены для крепления планки удлинителя траверсы и количества элементов. Как это сделать дома? Автор предлагает вам проявить фантазию и решить эти вопросы самим. Но, в целом, минимальный набор для базового применения вы получаете «из коробки» проекта.

Антенна с надставкой

Печатная плата выполнена в программе Sprint-Loyout 6 (вы легко найдёте программу в интернете). Плата доступна для общего пользования и лежит в Github автора. Если наши китайские друзья решат скопировать плату антенного основания для применения в диапазонах 868/915 МГц, то автор не против – этот шаг будет способствовать развитию проекта.

Фотографии протестированных моделей удлинителей из 5 и 6 элементов:

Т.е. все эти рабочие прототипы показали хорошии параметрамы и КСВ.

Для того чтобы антенна имела высокий коэффициент усиления, необходимо увеличить количество элементов.

Сравнительная таблица параметров антенн из разного количества элементов:

Таблица длин и расстояний между элементами:

Примечание 1: представленные конструкции моделей являются «средними оптимальными», собранными с учетом удобства слесарных работ (почти все элементы направляющих имеют размер 145/150 мм).

Примечание 2: при сборке и настройке антенн крайне желательно использовать векторный анализатор характеристик антенн. Например, NanoVNA V2 (версия V2 измеряет гораздо лучше, чем V1 на частоте 900 МГц).

Существует вероятность, что после сборки вашей антенны некоторые параметры могут измениться по частоте. Это может быть связано, например, с другими параметрами печатной платы на частоте 900 МГц, чем те, что есть у автора. Если у вас такой случай, то можно немного сместить элементы на 1…3 мм по бокам.Для этого сделан специальный запас. Также, есть вероятность, что длину активного элемента антенны придётся немного укоротить или, наоборот, увеличить. СВЧ-антенны очень капризны и таят в себе множество непредсказуемых сюрпризов, порой неприятных. Именно поэтому я настоятельно рекомендую изготавливать антенны с помощью измерительного прибора! Если вы хотите действительно качественную антенну, это важно!

Примечание 3: 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 4: конструктивные элементы должны быть изготовлены из трубок диаметром 4 мм. Они должны располагаться строго в одной плоскости (допуск +/- 1 мм). Если использовать трубы другого диаметра, то параметры могут сильно ухудшиться. Модели нужно будет пересчитывать.

ВАЖНОЕ ПРИМЕЧАНИЕ : При использовании электро- и механического инструмента и паяльного оборудования обязательно соблюдайте правила техники безопасности!!!

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.

Так же, в статье не затронуты вопросы изготовления антенн на 433...434МГц. Они не упомянуты по причине большого количества вполне рабочих продаваемы�� 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

Адреса локальных Meshtastic-сообществ:

• Неофициальный сайт проекта

• Русскоязычный сайт

• Общероссийская телеграмм-группа

• Телеграмм-группа г.Москва

• Телеграмм-группа г.Санкт-Петербург

• Телеграмм-группа г.Краснодар

• Телеграмм-группа г. Екатеринбург

• Телеграмм-группа г. Новосибирск

• Телеграмм-группа г. Великий Новгород