Привет Хабр! Меня зовут Александр, я инженер-электроник. Около пяти лет назад я разрабатывал с нуля GPS приемник. Когда более-менее ожил первый макетный образец, оказалось, что в офисе на окне спутники почти не ловятся - ни телефоны ни контрольный приемник в виде модуля U-blox даже не захватывали хотя бы пару спутников в слежение.

В здании находилось производство и я первым делом грешил на наличие больших сетевых помех, перегружающих усилитель в активной автомобильной патч-антенне через которую я пытался отлаживаться. Чтобы исключить фактор помех и повысить чувствительность я решил сделать полноразмерную патч-антенну на воздушном диэлектрике, о которой хочу поведать далее.

Конструкция

Профессионально антенны я не разрабатываю. Антенна была рассчитана в САПР для моделирования антенн:

Результаты моделирования:

По этим размерам я собственно и изготовил антенну из куска какой-то жести для патча, а обломок текстолита послужил полигоном земли. Патч держится в воздухе на полосках текстолита, припаянных снизу к середине каждой стороны патча:

У меня есть измерительная лаборатория радиолюбителя в виде комплекса приборов OSA103 mini + OSA-6G - там есть генератор СВЧ колебаний, анализатор спектра, векторный анализатор цепей и осциллограф. Всё это работает до 6ГГц. Все реальные измерения проводились на этом комплексе. На Хабре он уже упоминался.

Реальный минимум КСВ антенны пришелся на диапазон ГЛОНАСС, наверно из-за подставок из текстолита.

КСВ самодельного патча не превышает 1.7 в диапазоне L1 и минимум 1.07 на 1609МГц

Попытка сравнения антенн между собой

Ок, я смастерил антенну. Вроде даже с нормальными параметрами. Но как теперь её сравнить с другими антеннами? С тем же покупным дешевым патчем? Спутников-то может и не быть...

Обычно, усилительные свойства антенн характеризуют в dBi - децибел изотропных. Это усиление антенны относительно сферического равномерного поля излучаемого идеальной антенной. Это вещи гипотетические, а что, если нет под рукой идеального излучателя? Почему бы не взять вместо идеальной антенны тот же диполь и мерить всё относительно поля излучаемого диполем? Взять два одинаковых диполя: один приемный, другой - передающий, разместить их на определенное фиксированное расстояние и замерить уровень сигнала с генератора через приемный диполь с помощью анализатора спектра. Полученный уровень сигнала взять за условный 0-уровень мощности и потом просто менять приемную антенну тем самым сравнивая антенны между собой по уровню сигнала:

Я изготовил два диполя из полосок текстолита обмотанных медной фольгой под термоусадкой:

Диполи довольно широкополосные и значение КСВ в диапазоне L1 слабо изменялось, оно было не выше 1.25.

КСВ диполей

Всего сравнивались между собой следующие антенны:

• 2 самодельных диполя;

• самодельная патч-антенна;

• ноунейм активная GPS-ГЛОНАСС автомобильная патч-антенна со своим штатным тонким кабелем;

• многодиапазонная активная квадрифилярная антенна HX-CH7609A от одного геодезического приемника (после разработки того приемника я стал искушенным человеком и иногда использую приемник геодезистов в качестве навигатора).

Результаты измерений

Антенны ориентированы друг на друга максимумом диаграммы направленности. Активные антенны, естественно, были запитаны через инжектор питания.

Спектрограммы сигналов из приемных антенн

Квадрифилярная антенна оказалась очень качественной. Жаль что раньше у меня её не было.

Выводы

Амплитуда поля излучения вблизи антенны неоднородна, и на неё накладываются осциллирующие колебания которые убывают с увеличением расстояния между антеннами. В связи с этим приходилось грубо искать максимум излучения на определенном расстоянии около 0.5м. Такая оценка очень грубая и по-хорошему надо чтобы между антеннами было хотя бы метра 2-3. И ещё надо было вращать передающий диполь в своей плоскости чтобы найти максимум излучения по круговой поляризации патчей.

Известно, что диполь имеет усиление +2,15 dBi. По моим грубым измерениям самодельный патч имел усиление +6,27 dB относительно диполя. Выходит, что патч имеет усиление +8,42 dBi (моделирование показывало +10,54 dBi).

Даже самодельная пассивная патч-антенна с качественным радиочастотным кабелем вполне сопоставима с маленькой активной дешевой патч антенной на керамике. Активная антенна в данном случае превосходит самоделку всего на 3dB.

В дальнейшем я смастерил платку с полосовым фильтром(-4dB) и усилителем (+20dB) и включил её сразу после самодельной антенны. Тогда я получил результат, сопоставимый с квадрифилярной антенной, но платка осталась в офисе, пишу это по памяти.

А макет GPS приемника завелся, корреляция была получена и макет был передан профильным программистам. В дальнейшем спутники принимались на разные антенны, просто раньше было пасмурно.

73!