Een recept voor SPW (Cloverleaf) antenne's

[SanderFPV]

Goed, op veler verzoek maar even een apart topic over de SPW (Cloverleaf) antenne's. De officiële benaming is overigens SPW, skew planar wheel, en de antenne dateert al uit de jaren '60.

Het grote voordeel van deze antenne is de circulaire polarisatie en dat behoeft enige uitleg ben ik bang. Een standaard antenne zoals veel gebruikt voor FPV is omnidirectioneel en lineair gepolariseerd. Dit betekent dat de antenne elektromagnetische golven afstraalt op dezelfde manier als wanneer je een kiezelsteentje in 't water gooit, de antenne steekt dan als het ware in het midden van de cirkelvormige golven die zich verplaatsen over het wateroppervlak. Het afstraalpatroon van de antenne ziet eruit als een donut, met de antenne omhoog door het gat van de donut gestoken.

Linear polarization - Wikipedia, the free encyclopedia

Een nadeel van lineaire polarisatie is dat wanneer één van de antenne's 90° wordt gedraaid de verliezen erg groot zijn, tot wel meer dan 30dB. Dit volgt uit de hoek tussen de twee antenne's en de volgende formule:

Polarisatie misaanpassing verlies (dB) = 20 log (cos ϑ )

ϑ is de hoek tussen de twee antenne's

Voor 15° is dit verlies 0.3 dB, voor 30° 1.25 dB, voor 45° 3 dB maar voor 90° feitelijk oneindig, maar in de praktijk >30dB.

Een ander nadeel is wanneer elektromagnetische golven reflecteren vanaf objecten in de omgeving en dan interfereren met het signaal wat direct door de zender wordt uitgezonden, er vindt dan uitdoving plaats. Hoe komt dit? Bij reflectie van een electromagnetische golf vindt een fasesprong plaats, netzoals je jezelf in spiegelbeeld ziet in een spiegel.

Als nu de originele elektromagnetische golf van de zender en de gereflecteerde elektromagnetische golf tegelijk bij de antenna van de ontvanger aankomen krijg je uitdoving, ze zijn namelijk 180 graden uit fase, en dus elkaar tegenovergestelde, bij gelijke amplitude geldt 1+(-1)=0. Dit verschijnsel staat bekend als multipathing. Op dat moment heb je dus een dropout en is je beeld even weg.

Circulaire polarisatie heeft deze nadelen in veel mindere mate. Als zowel de antenne op de zender als op de ontvanger circulair gepolariseerd zijn en beide óf rechtshandig óf linkshandig en omnidirectioneel maakt de hoek tussen de antenne's niet meer uit, er zijn dus geen verliezen ongeacht de hoek tussen de antenne's. Rechts- of linkshandig refereert aan de draaing van de elektromagnetische golf. Circulaire polarisatie is namelijk niks anders dan dat de elektromagnetische golf roteert langs de as waarlangs deze wordt afgestraald, rechtshandig is rechtsom, linkshandig is linksom.

Circular polarization - Wikipedia, the free encyclopedia

Bij reflectie van de elektromagnetische golf treedt ook bij circulaire gepolariseerde elektromagnetische golven een 180° fasesprong plaats. Een rechtshandig gepolariseerde golf wordt dan een linkshandig gepolariseerde golf. Echter doordat de antenne op de ontvanger ook rechtshandig gepolariseerd is zal de rejectie van de linkshandige elektromagnetische golf maximaal zo'n 20dB bedragen, da's een factor 100!

Kortom, met een circulair gepolariseerde antenne kun je dus op z'n kop vliegen, rollen tot je een ons weegt, maar je beeld blijft prima. Door de uitstekende rejectie van de reflecties heb je ook veel minder last van multipathing.

Kortom, circulair gepolariseerde antenne's zijn prima geschikt voor FPV!

Hoe bouw je zelf zo'n SPW antenne? Hieronder het recept voor een SPW voor 5800MHz, prima geschikt voor de bekende 5.8GHz video zenders en ontvangers.



Horizontal leg length = de lengte van het horizontale stuk
Vertical leg length = de lengte van het vertikale stuk
Feed length = de lengte van de feed
Arc Length = de lengte van de boog
Arc Angle = de hoek van de twee armen van de boog
Pitch Angle = de hoek van de bladen tov. de horizontaal

Als voorbeeld onderstaande antenne, in de praktijk ziet dat er dus zo uit:



Voor 5800MHz dien je de volgende maten te gebruiken, bij voorkeur op ~0.1mm nauwkeurig:

Horizontal leg length = 13.0 mm
Vertical leg length = 11.0 mm
Feed length = 2.0 mm
Arc Length = 27.0 mm
Arc Angle = 100 degrees
Pitch Angle = 45-50 degrees
Wire diameter = 0.8 mm verkoperd staal (lasdraad)
Coax = RG316 teflon coax, ~50mm lang

Deze maten zijn allemaal eenvoudig te schalen naar de frequentie waarop je wilt afstemmen (rond de 5.8GHz, niet enkele GHz hoger of lager), gewoon vermenigvuldigen met de factor tussen deze en de gewenste frequentie. Dus voor 5740MHz volgt: 5740/5800 = 0.990, kortom alles delen door 0.990. Bij lagere frequenties wordt de antenne dus iets groter, bij hogere frequenties iets kleiner.

Alle lijm, tape, krimpkous, etc. die je toevoegt tussen de feed en de bladen zal door de beïnvloeding van de dielektrische constante een verlaging in frequentie geven (of je moet metamaterialen gebruiken, PM me even in dat geval). Hou hier dus rekening mee, je kan eventueel hier door de antenne afstemmen, alleen alle materialen die hygroscopisch (vochtopnemend) zijn zou ik vermijden, de afstemming van je antenne is dan namelijk afhankelijk van 't weer.

Afstemmen van de antenne doe je (binnen pakweg 10 to 15 graden) door de bladen meer naar elkaar toe te buigen (= hoger in frequentie) of verder van elkaar af, feitelijk maak je dan antenne dan platter (= lager in frequentie). Meer dan 15 graden heeft geen zin, dan is het afstraalpatroon namelijk allang geen donut meer.

Ongetwijfeld zullen er nog vragen zijn, dus ik ben benieuwd naar jullie reacties.

Met vriendelijke groet,

Sander Sassen
ImmersionRC - Real Virtuality

Thanks Sander, eindelijk eens netjes uitgelegd! klasse!
Ga mij er eens met bezig houden tijdens de vakantie

Ps, u heeft PB.

mvg!

:edit: Toch een vraagje, speelt de samenstelling van de soldeertin een rol tot het verzwakken van het signaal?

[ramsus42]

Welke SMA connectors inc kabels moet ik nu hebben?
Het zal hier vast al meerdere malen voorbij gekomen zijn, maar kan het niet vinden.

Tnx Sander, Ik ga hier lekker mee experimenteren

[wep]

Mooi verhaal en bedankt weer voor het opschrijven.

Heb je toevallig ook maten voor de 2,4Ghz tx?...

[d.knoppers]

Coax = RG316 teflon coax, ~50mm lang

Connector. De meeste zijn gewoon SMA sommige chineesjes hebben RP-SMA
Of er nog kwaliteit verschil in zit. Vast wel maar denk niet dat je dat kunt zien.

@web: http://www.rcgroups.com/forums/showthread.php?t=1388264

@ Sander.
Vanaf waar begint de antenne nu te tellen qua lengte en wanneer eindigt het.

Dus bv waar het pootje tegen mantel aankomt. Zoals bij jou amper lengte.
Maar zoals de 2e manier van solderen, met pootjes rondom losse bladen. Dus dan ligt er 1cm buitenmantel open.
En het stukje kern. telt dat tot hij binnen de buiten mantel zit of zit dan anders.
Dus wanneer de pootje de kabel verlaat en terug komt zeg maar.
Wel handig om mee te nemen in het ontwerp.

Bv als je binnenkern 5mm buiten de buitenmantel steekt moet je dan 5mm van dat pootje afhalen om dat te compenseren.

Had al het idee dat lijm wat invloed zal hebben, echter weet je eigenlijk toch niet waar je uit hangt qua frequentie dus kan ook in het voordeel werken

[ChristianV]

Oorspronkelijk geplaatst door SanderFPV

...Deze maten zijn allemaal eenvoudig te schalen naar de frequentie waarop je wilt afstemmen (rond de 5.8GHz, niet enkele GHz hoger of lager), gewoon vermenigvuldigen met de factor tussen deze en de gewenste frequentie. Dus voor 5740MHz volgt: 5740/5800 = 0.990, kortom alles vermenigvuldigen met 0.990.

Moet dit niet precies andersom zijn?

Want antenne's voor 5.8GHz zijn toch vele malen kleiner dan 1.3GHz.

Of ben ik nog niet helemaal wakker?

[d.knoppers]

Als ze idd groter zijn bij een lagere frequentie dan heb je volgensmij gelijk ja

5800:5740= 1,0105 Verschil is achter wel heel klein, zeg maar onmenselijk om dat ook zo te maken.

53mm x 1,0105 = 53,554. Ach toch nog een halve mm

Oorspronkelijk geplaatst door ramsus42

Welke SMA connectors inc kabels moet ik nu hebben?
Het zal hier vast al meerdere malen voorbij gekomen zijn, maar kan het niet vinden.

Tnx Sander, Ik ga hier lekker mee experimenteren

Remy kun je van die dingen knutselen?
Knutsel dan direct een setje extra voor me
Ben bang dat dit nog ff boven mijn petje uit gaat.

@ Sander: Bedankt voor het recept Met wat geluk ga ik deze materie ook snel begrijpen

[SanderFPV]

Oorspronkelijk geplaatst door ChristianV

Moet dit niet precies andersom zijn?

Want antenne's voor 5.8GHz zijn toch vele malen kleiner dan 1.3GHz.

Of ben ik nog niet helemaal wakker?

Het was laat gisteravond, je hebt uiteraard gelijk, ik heb de eerste post even aangepast.

Met vriendelijke groet,

Sander Sassen
ImmersionRC - Real Virtuality

[SanderFPV]

Oorspronkelijk geplaatst door d.knoppers

Vanaf waar begint de antenne nu te tellen qua lengte en wanneer eindigt het.

Feitelijk zou je de diameter van de coax af moeten trekken van de horizontal leg length. Echter omdat je hier toch een klont (in verhouding) soldeer tegenaan smeert heb je te maken met een verkortingsfactor, het soldeer werkt als een shunt en daarmee wordt het lengteverschil wat je normaliter zou willen aftrekken weer gecompenseerd.

De lengte van de gestripte buitenmantel maakt niet uit, wat telt is wanneer de binnenmantel met de feed uit de mantel vandaan komt, vanaf dat punt is het een antenna, daarvoor gewoon een 50 Ohm transmissielijn.

Ga je nu zoals in jouw geval de horizontal leg nog een 90° bocht geven zodat dit makkelijk te solderen is en ook sterker probeer dan de hoek zo scherp mogelijk te maken. De invloed van wat er onder de horizontal leg gebeurt is niet zo heel groot, maar probeer zo min mogelijk soldeer te gebruiken zodat er niet een hele klont onder hangt.

Met vriendelijke groet,

Sander Sassen
ImmersionRC - Real Virtuality

[SanderFPV]

Oorspronkelijk geplaatst door Acropilot

Toch een vraagje, speelt de samenstelling van de soldeertin een rol tot het verzwakken van het signaal?

Nee, gewoon elektronica soldeer is voldoende, als je wilt kan je een variant nemen met een percentage zilver, da's nog net even beter, maar feitelijk gerommel in de marge.

Met vriendelijke groet,

Sander Sassen
ImmersionRC - Real Virtuality

[d.knoppers]

Oorspronkelijk geplaatst door SanderFPV

Het was laat gisteravond, je hebt uiteraard gelijk, ik heb de eerste post even aangepast.

Met vriendelijke groet,

Sander Sassen
ImmersionRC - Real Virtuality

Weet je zeker dat het nu wel klopt

Dus voor 5740MHz volgt: 5740/5800 = 0.990, kortom alles delen door 0.990. Bij lagere frequenties wordt de antenne dus iets groter, bij hogere frequenties iets kleiner.

Of ik heb het mis maar volgens mij wordt volgens dit de antenne op een lagere frequentie kleiner.
Zou dan 5800/5740 moeten zijn. Dan wordt het groter dan 1 en worden alle afmetingen juist groter.

Bedankt voor de overige info.

Vandaag even snel een rondje gevlogen met mn clovers/SPW. Volgens mijn vriend deed 1 setje het goed. Was met 4 blads SPW. Maar veel vliegers in de lucht op dat moment en weer was niet goed genoeg om ver weg te gaan dus allemaal goed bekeken heb ik het nog niet. Bij een paar combi's toch wel nog uitval.

[SanderFPV]

Oorspronkelijk geplaatst door d.knoppers

Weet je zeker dat het nu wel klopt

Ja, lagere frequentie = grotere golflengte, dus grotere afmetingen.

Met vriendelijke groet,

Sander Sassen
ImmersionRC - Real Virtuality

[Hugy]

Het kan allebei. Als je 5740/5800 doet moet je alle lengtes delen door de uitkomst. Hierdoor worden ze dus groter.

Als je 5800/5740 doet moet je de lengtes vermenigvuldigen met de uitkomst en worden ze dus ook groter.

[d.knoppers]

Oh stom, zat het al te zoeken in de deeltekens enzo maar zag het niet. Maar hij doet hem idd delen door 0.99 op het einde en niet maal.
Dan kom je inderdaad wel goed uit.

Wou een IR thermometer mee bestellen vandaag maar niet in stock dus dan gaat ik hem toch maar lenen

Had die persoon wel aan de lijn vandaag maar vergeten te vragen.