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Illuminatore 5.8 GHz per parabola
by I3RKE
Premessa
La tecnologia wireless evolve molto rapidamente ed i costruttori di routers, nella ricerca di miglioramenti della velocità di trasmissione, hanno consolidato anche la tecnica della diversificazione dei flussi spaziali. Così sono nati nuovi dispositivi che integrano due radio (Chain 0 e Chain 1) per trasmettere contemporaneamente due flussi su due lanciatori polarizzati H / V oppure +45° e -45° (Slant). Le antenne da utilizzare su questi dispositivi sono chiamate MIMO (Multiple Input Multiple Output). Questa tecnologia è molto conveniente nei link PtP (Point to Point), ma sembra diffondersi anche per le connessioni PtMP (Point to Multi Point), comportando, come contropartita negativa, un costo più elevato per le antenne. Per poter utilizzare i nuovi dispositivi sulle reti HSMM (High Speed Multi Media), senza spendere in modo esagerato per le antenne, si potrebbe pensare di utilizzare le parabole offset o anche primo fuoco, auto-costruendoci degli illuminatori MIMO. In questo documento vedremo come fare.
Calcolo della lunghezza d’onda in guida e modo TE11
Per eccitare il modo TE11, useremo, come usuale, un iniettore ʎ/4 che deve essere posizionato su distanze precise. Mentre per il calcolo della lunghezza del dipolo ʎ/4 useremo la lunghezza d’onda nello spazio libero, per il calcolo delle distanze entro la guida è necessario valutare correttamente la lunghezza d’onda pertinente al modo dominante di propagazione. Nel nostro caso TE11. I passi fondamentali del calcolo sono riassunti nella tabellina qui sotto:
La tabella può essere fornita anche come foglio di calcolo (Excel) per chi volesse ricalcolare l’illuminatore per frequenze e dimensioni della guida diverse.
Progetto meccanico
Note
In altri progetti di questo tipo ho notato che si cerca l’adattamento di impedenza del dipolo iniettore mediante variazione della sua distanza dal fondo. In questo caso ho preferito conservare la distanza = ʎg/4 e trovare il migliore adattamento mediante una vite che protrude nella cavità. In tale modo l’onda riflessa ritorna perfettamente in fase sul dipolo.
Il progetto si presta a realizzare un illuminatore tradizionale, quindi solo con un dipolo lanciatore che sarà quello più vicino al fondo, ma anche a realizzare un illuminatore MIMO con polarizzazione lineare H+V oppure Slant +45° -45°. Basta aggiungere un secondo dipolo iniettore ruotato di -90° e distante ʎg/2 dal primo. Nel disegno sono rappresentati i connettori N, ma anche in funzione del Router a disposizione e dei jumpers RF, si consideri anche l’utilizzo di connettori SMA. In entrambi i casi è consigliabile scegliere un modello con il pin centrale sufficientemente lungo ed isolato in teflon Φ = 4mm.
Realizzazione Pratica
Vista interna dell’illuminatore con i due lanciatori e le viti di sintonia
Router + illuminatore 2x2 MIMO montato sull’asta di una parabola offset
Verifica strumentale del Return Loss sui due lanciatori
R.L. misurato sul lanciatore inferiore (più vicino al fondo)
R.L. misurato sul lanciatore superiore
I due markers sono posizionati a 5.765 GHz e 5.835 GHz. I valori migliori si misurano sul lanciatore inferiore e comunque il valore peggiore è di -19dBm. Ovviamente per una taratura ottimale del R.L. (SWR) bisogna disporre di un V.N.A. e inserire più o meno le due viti di taratura M4x10mm. Effettuare la taratura partendo con una protrusione all’interno della vite inferiore (più vicina al fondo) di 6mm e quella superiore di 4mm. Con questa condizione iniziale si avranno dei R.L. minimi di -14dBm (S.W.R. = 1.5:1) anche senza ottimizzazione con il V.N.A., e che è comunque un valore buono. Infine altro punto importante: per ottenere un buon R.L. su una banda di frequenza larga occorre aumentare il diametro del dipolino (PIN centrale del connettore) lanciatore che nei connettori commerciali è di 1.3mm. Il modo più semplice consiste nell’avvolgere sul dipolino un filo argentato da 1mm a spirale stretta bloccandolo con una goccia di stagno all’inizio ed alla fine.
Test comparativi con un’ antenna commerciale a parabola in griglia 1.1m X 0.6m con guadagno dichiarato di 30dBi
Per la verifica della corretta illuminazione della parabola, non ho avuto altro modo di controllo se non una prova comparativa con un’antenna di guadagno noto. Sulla tratta M.te Pizzoc – Conegliano (18Km):
A) Ricevo, con la parabola in griglia e un router Bullet M5 HP, il nodo del Pizzoc con segnale a -66dBm
B) Ricevo, con una parabola Offset D. 1m, un router Ubiquiti Rocket M5 e l’ illuminatore qui descritto, il nodo in Pizzoc a -62dBm
I dati comparativi rilevati sul livello dei segnali fanno stimare che il guadagno della parabola da 1 m sia di 34 dB, mentre il guadagno teorico sarebbe 36 dB. Mancherebbero 2 dB!
C’è però da notare che con il mio set up, fatto di un palo a treppiede ed i morsetti di una parabola satellitare di difficile manovrabilità, non avevo modo di affinare il puntamento. Avrei dovuto avere un sistema di posizionamento zenitale ed azimutale con viti micrometriche in quanto, quando il guadagno supera i 33 dB, il corretto puntamento influisce in modo notevole sul livello del segnale.
Quindi ulteriori 2 dB sono senz’altro recuperabili (completamente o in parte) con un puntamento più preciso o sono (in parte) il piccolo prezzo che si deve pagare per una illuminazione non ottimale. Le suddette considerazioni per poter affermare che l’illuminatore esegue il suo lavoro in modo accettabile.
73 de Leo, I3RKE
Crediti
IU3KGO Massimo, Giovanni Giaon per l’aiuto nelle lavorazioni meccaniche
IK3JLT Angelo per le prove
IZ3CTS Alessandro e Giovanni Giaon per i test strumentali
Per ulteriori info:
Aggiornamento
Corollario
A completamento dell'articolo che è stato ripreso anche da Radio Rivista e per soddisfare le richieste pervenutami dai lettori, grazie alla cortesia ed aiuto di colleghi sono riuscito a far fare, da una azienda altamente specializzata, alcune simulazioni dell’illuminatore con un programma professionale: CST microwave studio.
A beneficio di questi e di quanti altri avranno la curiosità di approfondire l’ argomento pubblico i risultati ottenuti.
Diagramma cartesiano del lobo riferito alla porta 1
Diagramma cartesiano del lobo riferito alla porta 2
Diagramma Polare del lobo riferito alla porta 1
Diagramma Polare del lobo riferito alla porta 2
I diagrammi sopra rappresentati mostrano una illuminazione molto efficace per un disco che accetta un angolo d'illuminazione di 150 gradi con i bordi illuminati a -10dB rispetto la direttività massima. In altre parole è possibile illuminare un disco PF (primo fuoco) avente rapporto fuoco diametro inferiore a 0,4.
Nel caso si voglia illuminare parabole con rapporto F/D superiore è necessario concentrare di più il solido di irradiazione con un opportuno cono d'uscita e se poi si vuole utilizzare una off-set è necessario aggiungere un anello stile "chaparral" per "addomesticare" le correnti che si formano proprio nel bordo dell'illuminatore.
I diagrammi polari nonostante un angolo grande d'illuminazione hanno dato un buon risultato con il disco disponibile che, nel mio caso, è di tipo offset (ovalizzato) con diametro Φmax = 1m e profondità di 0,12m.
Parametri scattering
Giocando con le viti di aggiustamento e la lunghezza dei lanciatori saldati nei connettori, si riesce a portare la perdita di ritorno a sfiorare i -40 dB; si noti che -30 dB di Return Loss di S11 (ed S22, secondo porto) corrispondono ad un SWR di 1,065 : 1 . Quindi il TX del Router vede un carico più che ottimale.
Una seconda curiosità è l'isolamento tra i due porti, questo risulta di oltre 33 dB ma non è identico se consideriamo i due sensi di propagazione; è come se le distanze siano differenti quando emettiamo da un porto e riceviamo dall'altro e viceversa... niente di trascendentale: è l'effetto del fondo dell'illuminatore con le fasi del segnale, che si presentano nel porto che si utilizza in quel momento come Rx (somma vettoriale di due segnali, diretto e riflesso).
Plot solido Porta 1
Plot solido Porta 2
Un’ immagine tridimensionale di come si irradia il campo elettromagnetico attorno all’ illuminatore. I plot dei solidi del lobo di radiazione: è il più descrittivo dei modi di valutazione.
L'anomalia descritta per l'isolamento tra i due porti, sono evidenti anche nella formazione dei due solidi d'irradiazione. La prima cosa che possiamo notare è la differenza dei due "centri" di fase, in altre parole dove il fuoco della parabola deve cadere per la massima efficienza; questo è intuibile dalla posizione geometrica che i due porti hanno rispetto la guida che li ospita.
Il secondo parametro sono le due direttività che risultano differenti. La differenza è data per lo stesso motivo dell'isolamento, in altre parole i lanciatori sono posti a distanze differenti dal fondo della guida...
INCISO: le antenne non guadagnano nulla, sono fatte con materiale elettricamente conduttivo con perdite, ma concentrano la radiazione da una parte sottraendola da altre parti, quindi non guadagno ma direttività!
Visto che non posso abusare ulteriormente della cortesia di amici per altre simulazioni, mi accontento così, almeno per ora.
73 de Leo, I3RKE e da Pippo, I0FTG
Ultimo aggiornamento 5 Aprile 2020