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[转载]自制你专属的FPV天线(搬运)

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豆苗

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发表于 2018-4-8 10:39:59 | 显示全部楼层 |阅读模式
x 最近网上看图传天线的资料,网上找到《雷诺-玻尔兹曼的博客》上翻译的文章,觉得很受教,不敢私藏,转发至本站
原贴:http://blog.sina.com.cn/s/blog_13cb4041b0102wtps.html
致原帖作者:本帖为转载,未经原作者授权,如有任何版权问题,请联系我删帖(站内或qq:15184507)
谢谢原帖作者分享。
————————————————(以下为原帖)————————————————————





由于计划使用OpenLRS进行超视距飞行,因此对天线方面做一些资料的收集,在rcgroups上找到了这篇天线的DIY教学,挺有趣的,所以搬运过来,顺便夹带一些私货。文中的一些术语用词可能不是很地道,任何错误请帮忙指出。



虽然原po介绍的是FPV天线,但同样的方法也可以制作433和其他频段的天线。手里闲不下来的爱好者可以试一试,反正也不难。不过有一点,图传一般是定频通讯,因此可以将天线长度调整到非常匹配的长度,但遥控系统,例如OpenLRS,一般是跳频通讯,因此天线不可能满足每一个频点,需要人为做出一定的妥协,比如把你的天线调教到中心频率附近。



此外,原po使用FPV频率是900MHz上下,这个频率下的天线尺寸比较适合DIY;而国内大多是5.8G的图传,那样的尺寸就不太一样了,而且材料也不一定合适。



值得注意的是,原文写于2009年,当时三叶草天线这类的圆极化天线还没开始流行,因此如果用于FPV,在DIY之前,建议先参考本博客该类目的另一篇 FPV天线的选择 。




这里暂时只搬运了原帖开始第一页作者介绍的部分,后面加上回帖有两百多页,日后读到哪些有用的知识点将陆续在后面补充。


[size=+0]原帖地址 http://www.rcgroups.com/forums/showthread.php?t=1159968


//------------------------分割线------------------------


本文将简单介绍FPV天线的自制和调校方式。整个过程需要的工具只是简单的烙铁和计算器,一点都不难!天线方面具体原理我不会说的太深,因为天线设计理论可以整理出几百上千页的文档。这里将着重介绍制作方法,安装方式以及怎样在没有专业设备的情况下对自制的天线进行测试和优化。


本文将介绍如下三种天线:
    半波偶极子天线
    半波直天线
    V字形天线

我会介绍这几种天线各自的弱点,设计时需要考虑的因素以及最佳应用场合。

为什么要DIY天线
    除了无聊以外,有如下的原因:
    1.可以做一个适合你使用场合的专用天线
    2.DIY的天线可以更好的匹配你的设备,效率更高
    3.很有成就感
    4.装机更容易
    5.更轻便、更耐用(手艺过关的话)
    6.减少对舵机的干扰
    7.减少对GPS信号的干扰
    8.更远的工作距离
    9.看起来更酷

几个常用的定义
    几个常用术语:
    VSWR(Voltage  standing wave ratio)-也就是驻波比,也写作SWR。他是发射机阻抗和天线阻抗的比值。如果两者阻抗相等,那么驻波比是1:1。在驻波比为2:1或更大的时候,输出功率将显著减小。注意这里的阻抗不是纯电阻。假如你用一个匹配的纯电阻接入你的发射机,很好,驻波比测得1:1,毕竟电阻不是天线,能量没法变成信号发射出来。
    同轴电缆(Coaxial cable):一根被外壳包裹的导线,外面还有一层绝缘套。一般用作天线的延长线,它会带来很大的衰减,因此只在短距离的场合中使用。常用的规格为RG-58和RG-316.
    同轴电缆构造如下图,从里到外分别是中心导体、绝缘层、金属屏蔽层、塑料外套:


    增益(Gain):用来表示天线的指向性。增益越高,天线的指向性就越强。
    阻抗:天线的电阻或负载的电阻,用欧姆表示。
    辐射:电磁波的传播
    极化:和传输方向垂直的电磁波震荡方向。极化天线彼此平行的时候,将获得最好的效果。
    多路径干扰:由于信号通过几个不同的路径和角度传播到发射机,彼此之间造成的干扰。

增益、功率和极化
    增益:
    增益(dBi)是被人们误解最深的概念!
    增益表征了和理想的各向同性的点信号源相比下,发射的信号被压缩的程度。理想的点信号源发出的电磁波呈球面传播。高增益的天线指向性更强,而低增益天线的全向性更好。而我要强调的是,高增益不代表更高的发射功率!!!它仅仅表示天线的指向性更强。低增益天线的信号覆盖性能更好,而高增益天线则适合远距离传输。由于航模经常改变飞行姿态,因此在航模的发射端使用高增益天线是不太明智的表现。
    以遥控器天线为例,它的辐射方向图大致如下:
   
    举个栗子:我拿一个很普通的增益为2.15dBi的偶极子天线,它的辐射方向图就像一个甜甜圈,天线位于中间垂直的位置。然后,我们把增益调高到3dib,例如全波偶极子天线,这个甜甜圈会变得更扁,看起来直径变大了。然后,我们大胆假设一个不存在的超强增益的天线,它有100dBi。OK,你会看到一个巨大的垫片。这个垫片直径很大,导致天线信号能到达很远的距离,但是垫片很扁,信号覆盖的角度非常小。这时你的飞机爬升了怎么办?你的遥控器抖了一下怎么办?稍微改变角度以后,非常容易丢失信号。所以增益不是唯一的指标。

    用下面这张图可以给一个较为形象的比较,增益越大,信号的最远有效距离增加,但是覆盖区域就越扁!请注意下图仅为示意,不代表真实天线的辐射方向图。

    在地面上则不一样,因为地面信号站是静止的,你可以主动将它指向飞机飞行的航线,飞机的姿态影响则没有那么大。除非,你要进行长距离的飞行,或者你有一个天线追踪机构能够让你的天线始终指向飞机,否则,尽量不要使用高增益的天线。
    总结一下,增益表示天线的方向性,增益越高,对天线方向就越敏感。
    PS: 突然想到了FPV用的平板(阵列)天线。虽然它的增益很高,但是波束宽度很窄,如果用作穿越,你得让天线尽量朝向飞机,但如果你戴着视频眼镜,飞机在周身盘旋飞行的话,这是不现实的。所以平板天线适合于远距离的极限飞行,穿越还是适合小增益的天线。如下是Hobbyking上的平板天线,明确给出了极化方向和波束宽度。




    功率:
    很容易理解,它指的是你的发射机的输出能量的能力。有的人直觉人为两倍的功率意味着两倍的距离,其实不然,因为距离增加到两倍的时候,功率将变为原来的四分之一,因此两倍的功率大概只能增加40%的距离。如果要让距离加倍,要么把功率增加到原来的四倍,要么使用更高增益的天线。

    极化:
    任何一个无线电系统都有一个发射天线和一个接收天线。双方都要有着相同的极化方向来实现最好的匹配。常见的极化形式为水平极化、垂直极化(水平垂直属于线极化)、左旋极化和右旋极化(左右旋均属于圆极化)。
    如果一个水平极化的天线和垂直极化的天线通讯,那么将带来额外的高达26dB的损耗。
    同样,左旋和右旋在一起也是鸡同鸭讲,额外损耗同样高达26dB。
    左旋极化和垂直或是水平极化天线通讯,那么额外的损耗仅为3dB。
    所以发射端,常常使用水平和垂直两只线极化天线,接收端则使用圆极化天线。这样就能尽量避免悲剧性的26dB的损耗。(PS:当下常用的一般是收发端均是圆极化天线)

动手的第一步----测量四分之一波长
    自制天线的第一步是测量有效波长。很多人记得这个古老的公式:2.98*频率(单位MHz)=波长(单位m)。这是信号在自由空间中的波长,但是我们需要的是信号在发射机里面的波长。因此我们要引入一个速度因数,数值差不多是自由空间中四分之一波长的95%。
    然后,四分之一波长天线所需的数据就能够得出来。我强烈建议使用实际工作的频率,为什么?因为频率的变化将导致的天线偏离匹配,这会降低驻波比!这就是为什么你买回来的商品天线不一定最适合你的设备。它们往往仅适用于很小范围内的频率。
    下面是相关的计算公式(采用95%的速度因数)。
    长度单位英寸,在使用22AWG规格的线的时候,等于 2808/f(频率f的单位MHz)
    如果使用厘米做单位,那么等于 7125/f
    如果使用12-15AWG规格的线,那么分别等于 2750/f 和 6985/f
    或者使用下列网站上给出的计算工具:
    http://www.crompton.com/wa3dsp/hamradio/antcalc.html
    http://www.qsl.net/kd4sai/antencal.html
    http://bfn.org/~bn589/antenna.html

    例如我的910MHz的系统,对应的四分之一波长是3.086英寸,也就是7.84厘米。
    注意上述的长度是指天线的有效长度,包在同轴线里面的部分不算。当然,一旦线芯从同轴线里面被剥离出来,裸露在外面,那露出来的部分就算是有效长度了。

老少咸宜的半波偶极子天线
    偶极子天线算是最普通的天线了。它有着出色的效率,简单的甜甜圈形状的辐射方向图。它的增益大约是2.15dbi,因此它的信号覆盖范围较为理想,特别适合于远距离的高空飞行。为了满足一定距离内的普通飞行,天线一般采用垂直放置,如果你的飞机需要在头顶的高空持续飞行,那么天线就要水平放置。总之,要根据你的飞行场景而随机应变。
    同轴线偶极子天线:
    这是最容易制作的天线,也是我手里效果最好的天线。你需要RG174规格的50欧姆同轴线和与之适配的SMA接头。你也可以使用RG316的线,后者更耐热。
    典型的SMA接头三件套如下:
   
    首先是SMA接头端的制作。同轴线的一头,剥掉3/4寸的外皮,然后线芯部分剥掉1/4寸。把露出了的线芯焊接到SMA接头的内针上,然后内针压入SMA接头,外圈的导线折出来(下面直接叫屏蔽线),焊接到接头的外面。如果想省事,直接买一根SMA延长线切开使用。
    然后是天线侧的加工。线的另一头,外皮剥掉1/2寸,内芯剥掉1/4寸,屏蔽线向一侧扯出来,内芯往另一侧扯,两者朝向相反的方向,焊到一小片PCB万用版上,然后两端各自焊上你的天线(我用12AWG实心线),一根天线和屏蔽线焊在一起,另一个和内芯焊在一起。按照约定的习惯,白线一般和内芯焊在一起,黑线和屏蔽线焊在一起。两根天线的长度分别等于你之前算出来的四分之一波长(记得是从露出来的部分开始算起)。这样整根天线就是二分之一波长了。^_^


    我这里用了一小块洞洞板来帮助天线和同轴线焊接定形:

    焊接细节,小心两条线不要短路:


    如果随后你要做一些优化,那么天线可以稍微长一些,方便后面使用RSSI法微调的时候修剪。
    PS:下图是译者自制的433频段的天线。用的是2mm直径的铜线来近似AWG12线,以后如果用AWG22线,我将选择0.6mm直径的铜丝代用。中间用洞洞板协助焊接定位,外面的红色部分是3D打印的central case。可见433频段的天线尺寸十分巨大,天线单元的长度已经超过手头卡尺的量程,只能用钢直尺来修正:
   

    直连式偶极子天线:
    这种方法是直接将天线单元焊在SMA接头上,省掉上面的同轴线。
    半波偶极子天线是由两个独立的四分之一波长天线组成,两天线之间的张角是180度。略微角度的误差影响不大,不必太在意。
    请注意SMA接头能通过的内芯直径最大为1.5mm,所以不能用太粗的线,这里我用22AWG实心线。此外还用到了一个SMA接头和一支圆珠笔芯。无需在意导线的绝缘层,你可以使用天线套管或者任何大小合适的塑料管,甚至咖啡搅拌棍都可以拿来用,但千万不要用碳纤管!
    切两根比四分之一波长长一点的导线,因为后面需要微调。
    把一根导线焊在SMA接头的针上,之所以用22号线,因为比较细,容易焊接:
   
    把连接内针的那根导线的根部缠绕上电工胶布,因为该导线要从接头里面引出来,要和四周的负极绝缘:
   
    把内针塞进去,直到针细的部分完全在接头下面露出来,另一根天线单元焊在接头的外面:
   
    然后把两根线彼此掰开九十度,让它们在一条直线上。然后就可以把天线裁剪到指定的长度了。当然可以留长一点方便微调。
    因为天线比较细,我用圆珠笔芯的管子套在两根天线上用来加强:


    我用圆珠笔的壳子用来做中间的支撑:


    天线底部视图:



半波直天线
    这应该算是最简单的天线了,不过它的效率相对低一些。如果要提高效率,通常会需要一个反射器。但是一般飞机上不适合安装反射器,所以我们直接省掉算了。这种天线的辐射方向图、增益,和偶极子天线类似。你可以用你手里的废天线来DIY。
    下面介绍制作方法。你需要22AWG线,SMA头,和圆珠笔(作者家里一定有很多圆珠笔。。。)。把导线裁切为略长于四分之一波长的长度,然后直接焊接到SMA头的针上,然后圆珠笔芯起到了上面电工胶布的作用,让配合不那么松。
    PS:如果没有那么多的圆珠笔芯,可以用舵机推拉杆的塑料套管,规格合适且干净。




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豆苗

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发表于 2018-4-8 10:40:04 | 显示全部楼层
V字形天线


    强烈推荐!用过的小伙伴都说好。



    毫无疑问,它是最好用的通用天线,适合中等的飞行距离和高度。它的增益比较低,因此全向性非常好。不管你的飞机如何的横滚或是筋斗,几乎都不会降低信号强度。它的极化也不是问题。V字形天线彼此之间的角度是改变其辐射方向特性的关键因素,大角度的时候它类似于偶极子天线,而小角度的时候(接近90度)辐射图将接近一个圆球:



    我从个人需求出发,选择了120度的张角。注意下图中天线长度测量的起始点。




    下面告诉你怎么做。

    其实它就是一个张角小于180度的偶极子天线了啦。不过由于特殊的角度,将引入一个缩小因数,你要根据张角来相应地缩短天线的长度,我这里给出了这些缩短因数:

    180~165度,无需缩短

    150~165度,98%

    120~150度,97%

    105~120度,96%

    90~105度,95%

    最后你的天线长度需要额外乘以这个缩短因数。

    可以使用这个网页上的计算工具:http://www.cdxa.org/antenna_cal_diople.html

    也可以使用经验公式粗略的估计长度:

    英寸为单位时,2715/f

    毫米为单位时,69200/f

    上面的f都以MHz为单位。

    要记得天线长度是从露出来的导体部分开始计算。




    然后是安装方法。

    如果是做长距离飞行,建议把V字天线的开口朝向飞机头的方向,这样做的好处在于能保证返航时的信号强度:




    上图可以看到,我用了比较长的同轴线,让天线有充足的放置的余地,并且采用了尼龙搭扣的贴装方式,这样容易调节天线的朝向角度。

    如果飞机要做特技飞行,那么把天线开口朝向侧面,这样能保证较好的极化方向。




获取更高的增益----使用奇数倍波长天线

    3/2波长天线:

    和上面的V形天线和偶极子天线类似的,只是长度是前两者的三倍。这样做能够显著提高增益,但是会降低天线效率。同理,也可以使用5/2和7/2天线,他们的阻抗变化不大,但是增益更高。

    优点:对信号频率不太敏感,比较容易调校,在较广的带宽内都能有不错的表现;另一个优点当然就是增益高。

    缺点:方向性更强,更大更笨重。

    对于3/2波长天线来说,计算公式如下:

    英寸:8424/f

    厘米:21375/f

    除了长度变长,其余的步骤都和偶极子天线和V形天线一样。我猜应该没有人会去尝试5/2和7/2天线,计算公式我就不给出来了,你自己计算器乘一下就出来了。



    天线频率微调

    如果你的制作中用了卡尺这样的工具对天线进行了精密的裁剪,那大可跳过这个步骤。不过细心的你应该还是会多少微调一下好让心里舒服。

    现在你的天线做好了,需要把它精确的调整到你设备的频率上。有很多专业的设备可以帮助你,不过我想大部分人接触不到这些东西,也没人会花钱专门去买来调校自己DIY的天线,所以我下面仅使用接收机、发射机和万用表来对天线进行最优化。

    精确,但是稍复杂的RSSI法

    测试最好在室外进行。首先你要找到你的接收机的RSSI管脚(常用的RX5808模块就有RSSI脚)。RSSI就是信号强度指示的意思,一般接收机都有这个引脚用来表示接收到的信号强度。一般它是你的接受模块的第八个引脚,信号最强的时候它的电压为5V,信号几乎丢失的时候电压为0.1V。




    随后,把发射和接收尽可能远的放置,大概相隔一百米这样,当然五十米也是可以的。发射端上电,连上你的镜头,发射机装上你自己以前能用的天线,确保发射和接收天线的方向一致。如果你用的是指向性强的接收天线,那么把它歪到一边,但保持两者的极化方向相同。最后确认你收到的图像正常。

    把你的万用表拾起来,表身离接收机尽量远一点,同时人体也远离接收机,避免引入额外的干扰。最好离得远远的用望远镜来读数。




    把读到的RSSI值记下来,作为参考值。一般电压大概1.5~2V之间,如果读到3V也是OK的,如果读数再高,说明发射和接收离得还不够远,会导致读数精度的下降。

    然后,换上你自己做的天线,保持合适的角度。还记得之前你预留出来的长度吗?记下当前的RSSI值和天线长度,读数尽可能的精确一些。然后把你的天线的两头剪短一毫米,再次测量,再次剪短,如此反复,直到你的天线比你最早计算的长度要短个20mm或者观察到RSSI有显著的下降。记住,整个过程你都要尽量站远一些,而且读数的时候站的位置也不要变,而且不要站在两根天线之间。

    这时你应该记下了不少数值,用图表软件画,RSSI值最大的时候,就是最佳的天线长度。你记录的最大的RSSI值应该和之前原来的天线的RSSI值差不多,或者稍微低一点。通过这样的过程,你就得到了最佳的天线长度,好了,按照这个长度重做一根天线吧,哈哈哈。

    容易实现的电流测量法

    如果按照前面的方法,把天线剪得太短了,导致天线作废,不要悲伤,因为这都是你自己选择的,追寻真理总要付出相应的代价。

    废话少说。测量发射机的工作电流也可以获知当前的天线匹配程度,简单来讲,电流越小,说明天线长度约合适。记得微调的过程中,天线尽量远离导体,最好能像我一样把发接收机和发射机放在小木屋中间的木桌上。我用910MHz的V形天线和500mW的发射机做了测试,求得的结果如下:

3.55" - 278mA
3.41" - 274mA
3.36" - 265mA
3.27" - 258mA
3.22" - 251mA
3.165" - 241mA
3.12" - 233mA
3.075" - 230mA
3.045" - 225mA
3.008" - 219mA
2.97" - 214mA (算出来的谐振长度)
2.95" - 211mA
2,92" - 213mA
2.89" - 213mA
2.85" - 214mA


2.80" - 219mA





   你会发现随着天线的缩短,电流先是下降,稳定到一个值附近,然后再次升高。当电流开始再次升高的时候,赶快住手,因此此时就是天线的最佳长度。如果你手速太快,又一次剪得太短,那恭喜你,重做一个吧。




下面将零散介绍一些知识:




四分之一波长的同轴线?

民间流传着这样的说法,同轴线的长度尽量不要等于四分之一波长的奇数倍。类似的神话其实发源早年的自民用无线电的。现在我们都是用50欧同轴线,长度多少都是OK的。但我还是建议同轴线尽量短一些,以减少不必要的损耗。各种规格的同轴线都是可以用的,例如较短的情况下,RG58和RG316的效果是一样的。




天线极化

上面我疏漏了天线极化的概念。记住发射和接收天线要在同一个平面内,一起垂直放置或者一同水平放置。如果要获得较广的信号覆盖,那么天线垂直放置,如果要在高空获得更好的信号强度,那么天线请水平放置。V形天线由于存在一个张开角度,因此极化程度不高。我的安装方式是竖起来,开口向前,因为开口的一侧信号更强。如果你反过来装,在飞机飞出去的路上信号开始恶化,你开始返航,结果掉过头以后信号更差,那样很可能飞丢。

很多人经历过在侧飞的时候丢失信号,那就是因为天线极化方向的原因。当两天线彼此垂直的时候,信号最低将低至2%。因此我推荐飞特技的时候使用V天线。这也解释了为什么贴片天线在飞机和地面角度很小的情况下能有不错的表现。



为什么不用全波长天线

全波长偶极子天线的阻抗大约是300欧,半波长天线阻抗约为70欧,而大部分发射机是50欧的,不用他们是为了能达到最佳的驻波比。



天线单元怎么连接

原则上,同轴线中间的线芯部分和白色的天线单元相连,地线则和黑色的天线单元相连。两个单元彼此分开,不要短路在一起。



用什么来做天线的固定底座

木头,塑料都可以。也有人让天线裸奔,或者直接贴在机身上的也有。


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好贴。


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都是大神啊~~~虽然我看不太懂

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