Рупорная коническая антенна или вариант баночной антенны для Wi-Fi, LTE, 4G

Коническая рупорная антенна с питанием через коаксиальный кабель для верхнего УВЧ и нижнего СВЧ диапазонов.
Онлайн расчёт простой баночной и рупорной конической антенн.
Как увеличить дальность работы USB-3G, 4G и Wi-Fi модемов?

Баночная антенна – это антенна, которая легко может быть изготовлена в домашних условиях из подходящей жестяной банки и представляет собой, по сути, заглушенный с одной из сторон цилиндрический волно­вод.
Как правило, используется для увеличения радиуса действия беспроводных устройств в диапазоне 1000...6000 МГц.
К достоинствам таких баночных антенн можно отнести: простоту изготовления, доступность материалов, узкую диаграмма направленности, возможность увеличения усиления путём добавления рупора, а также стабильность параметров и отсутствие необходимости тщательной настройки.

На Рис.1 изображена конструкция простейшей баночной антенны, а также формулы, позволяющие рассчитать её размеры.



Рис.1 Баночная антенна – круглый волновод, запитываемый коакс. кабелем

Толкование символов, приведённых на рисунке :

— D – внутренний диаметр банки (волновода):
        минимальное значение D_min = 177/F_раб,
        оптимальное значение D_opt = 200/F_раб,
        максимальное значение D_max = 230/F_раб,
        где F_раб – рабочая частота антенны;
— L – длина банки (волновода), L = 3/4λ_g, где
        λ_g – длина волны в волноводе (формула приведена на рисунке),
        λ – длина волны принимаемого (передаваемого) сигнала,
        а λ_cr – критическая длина волны, соответствующая минимальной частоте, при
        которой возможно распространение волн в волноводе.
        Для цилиндра: λ_cr = 1.706×D;
— l – расстояние от дна банки до оси зонда, l = λ_g/4;
— h – высота (длина) зонда, h = λ/4.

Усиление такой антенны при тщательном соблюдении размеров достигает 6 dBi.

А теперь можно переходить к калькуляторам. Начнём с подбора банки (волновода), а конкретно – с определения необходимого внутреннего диаметра.

Расчёт внутреннего диаметра волновода

Рабочая частота, F (МГц)
Минимальный диаметр волновода, Dmin (мм)
Оптимальный диаметр волновода, Dopt (мм)
Максимальный диаметр волновода, Dmax (мм)

Далее, определившись с конкретным диаметром найденной жестяной посудины (из посчитанного диапазона), самое время приступить к следующему этапу.

Онлайн калькулятор баночной антенны

Рабочая частота, F (МГц)
Диаметр волновода, D (мм)
Нижняя частота полосы пропускания (МГц)
Верхняя частота полосы пропускания (МГц)
Длина банки (волновода), L (мм)
Расстояние от дна банки до оси зонда, l (мм)
Высота зонда, h (мм)
При желании добавить конический рупор
Вариант №1 (общее усиление ~ 9 дБ):
Малый радиус выкройки конуса, R1 (мм)
Большой радиус выкройки конуса, R2 (мм)
Вариант №2 (общее усиление ~ 13 дБ):
Малый радиус выкройки конуса, R1 (мм)
Большой радиус выкройки конуса, R2 (мм)
Вариант №3 (общее усиление ~ 16 дБ):
Малый радиус выкройки конуса, R1 (мм)
Большой радиус выкройки конуса, R2 (мм)

Конический рупор представляет собой усечённую воронку из листового металла. Соединив эту воронку с открытой частью баночного волновода, получаем на выходе классическую рупорную антенну конической формы (Рис.2).


Рис.2 Коническая рупорная антенна на базе баночного волновода

Рис.3 Выкройка конического рупора

Благодаря высокой проводимости, самым оптимальным выбором для изготовления рупора является медь. Оцинкованный стальной лист толщиной 0,3 мм также является неплохим выбором, хотя и не таким эффективным, как медь. На Рис.3 приведена "выкройка" для изготовления рупора. Значения радиусов R1 и R2 рассчитаны на калькуляторе для трёх уровней усиления антенны.

Эти три уровня соответствуют трём диаметрам раструба (D1), кратных длине волны (λ, 2λ и 3λ), где λ соответствует наименьшей частоте полосы пропускания антенны.
Чем больше размеры рупора, тем выше усиление, однако увеличивать усиление свыше 16 дБ в данной антенне не рекомендуется, во-первых, из-за нерационального увеличения габаритов, во-вторых, из-за нежелательных эффектов, связанных с поворотом плоскости поляризации излучения.

Угол раскрыва рупора, построенного по приведённой выкройке, составляет около 30°, что является оптимальной величиной для данного типа антенн.

При изготовлении антенны все швы должны быть тщательно пропаяны мощным паяльником, а стенки не должны содержать деформаций и обрывов металлического покрытия.

В качестве зонда (штыря) следует использовать кусок одножильного провода диаметром 1...1,5 мм.

Для кабелей подойдут высокочастотные разъёмы с низкими потерями (например, N-коннекторы).
Поскольку входной импеданс антенны равен 50-ти Омам, то и коаксиальный кабель должен иметь аналогичное волновое сопротивление.
Помимо этого, кабели следует использовать с низкими потерями и постараться максимально минимизировать их длину.

При соблюдении размеров, рассчитанных на калькуляторе, настройка антенны, как правило, не требуется. Однако, при необходимости добиться наилучшего согласования антенны с кабелем, можно немного "поиграться" с положением штыря относительно дна банки, отгибая его в ту или иную сторону.

При наличии USB 3G, 4G или Wi-Fi адаптера можно значительно увеличить дальность его действия, разместив модем на месте штыря в баночной антенне (Рис.1).
Далее, подключив его к компьютеру или ноутбуку с помощью USB-удлинителя, остаётся лишь найти наилучшее положение конструкции в направлении базовой станции. Эффект усиления в этом случае может быть очень внушительным.

Литература:
1. Dave Gough – Circular Waveguide Antenna for 2.45 GHz / 802.11b / WiFi / WLAN
2. https://diesel.elcat.kg/ – Простая "баночная" WI-FI антенна
3. https://3g-aerial.biz/ – Баночная антенна Wi-Fi, 3G
4. https://radioskot.ru/ – Рупорные конические антенны