- На які дыяпазон гэтая антэна?
- Не ведаю, правер.
- Кааак?!?!
Як вызначыць, што за антэна ў вас у руках, калі на ёй няма маркіроўкі? Як зразумець, якая антэна лепшая ці горшая? Гэтая праблема мяне мучыла даўно.
У артыкуле простай мовай апісваецца методыка вымярэння характарыстык антэн, і спосаб вызначэння частотнага дыяпазону антэны.
Доследным радыёінжынерам гэтая інфармацыя можа здацца банальнай, а методыка вымярэння - недастаткова дакладнай. Артыкул разлічаны на тых, хто наогул нічога не разумее ў радыёэлектроніцы, як я.
TL, д-р Мы будзем вымяраць ПЭ антэн на розных частотах з дапамогай прыбора OSA 103 Mini і накіраванага адгаворвальніка, будаваць графік залежнасці ПЭ ад частаты.
Тэорыя
Калі перадатчык пасылае сігнал у антэну, частка энергіі выпраменьваецца ў паветра, а частка адлюстроўваецца і вяртаецца назад. Суадносіны паміж выпраменьванай і адлюстраванай энергіяй характарызуюць з дапамогай каэфіцыента стаялай хвалі (КСВ або SWR). Чым менш ПЭ, тым большая частка энергіі перадатчыка выпраменьваецца ў выглядзе радыёхваль. Пры ПЭ = 1 адлюстравання няма (уся энергія выпраменьваецца). ПЭ ў рэальнай антэны заўсёды больш за 1.
Калі пасылаць у антэну сігнал рознай частаты і адначасова вымяраць ПЭ, можна знайсці, на якой частаце адлюстраванне будзе мінімальным. Гэта і будзе працоўны дыяпазон антэны. Таксама можна параўнаць паміж сабой розныя антэны для аднаго дыяпазону і знайсці, якая з іх лепш.
Частка сігналу перадатчыка адлюстроўваецца ад антэны
Антэна, разлічаная на пэўную частату, у тэорыі, павінна мець найменшы ПЭ на сваіх працоўных частотах. Значыць досыць вылучаць у антэну рознымі частотамі і знайсці, на якой частаце адлюстраванне найменшае, гэта значыць максімальную колькасць энергіі паляцелі ў выглядзе радыёхваль.
Маючы магчымасць генераваць сігнал на розных частотах і вымяраць адлюстраванне, мы зможам пабудаваць графік, у якога па восі X будзе частата, а па восі Y - каэфіцыент адлюстравання сігналу. У выніку там, дзе на графіцы будзе правал (гэта значыць найменшае адлюстраванне сігналу), будзе працоўны дыяпазон антэны.
Уяўны графік залежнасці адлюстравання ад частаты. На ўсім дыяпазоне адлюстраванне 100%, акрамя працоўнай частаты антэны.
Прыбор Osa103 Mini
Для вымярэнняў мы будзем выкарыстоўваць . Гэта ўніверсальны вымяральны прыбор, які аб'ядноўвае асцылограф, генератар сігналу, аналізатар спектру, вымяральнік АЧХ/ФЧХ, вектарны антэнны аналізатар, вымяральнік LC, і нават SDR-трансівер. Працоўны дыяпазон OSA103 Mini абмежаваны 100 Мгц, модуль OSA-6G пашырае частотны дыяпазон у рэжыме ІАЧХ да 6 Ггц. Родная праграма са ўсімі функцыямі важыць 3 Мб, працуе пад Windows і праз wine у Linux.
Osa103 Mini - універсальны вымяральны прыбор для радыёаматараў і інжынераў
Накіраваны адказнік
Накіраваны адгаворвальнік (directional coupler) - прылада, якое адводзіць невялікую частку ВЧ-сігналу, які ідзе ў пэўным кірунку. У нашым выпадку ён павінен адгалінаваць частку адлюстраванага сігналу (ідучага ад антэны назад у генератар) для яго вымярэння.
Нагляднае тлумачэнне працы накіраванага адказніка:
Асноўныя характарыстыкі накіраванага адгаворвальніка:
- Рабочыя частоты - дыяпазон частот, на якіх асноўныя паказчыкі не выходзяць за межы нормы. Мой адгаворвальнік разлічаны на частоты ад 1 да 1000 Мгц
- Адгалінаванне (Coupling) - якая частка сігналу (у дэцыбелах) будзе адводзіцца пры кірунку хвалі з IN у OUT
- Скіраванасць (Directivity) - Наколькі менш сігналу будзе адводзіцца пры руху сігналу ў зваротным кірунку з OUT ў IN
На першы погляд гэта выглядае дастаткова заблытана. Для навочнасці прадставім адгаворвальнік як вадаправодную трубку, з невялікім адводам усярэдзіне. Адвод зроблены такім чынам, што пры руху вады ў прамым напрамку (ад IN да OUT), адводзіцца істотная частка вады. Колькасць вады, якое адводзіцца пры гэтым кірунку, вызначаецца параметрам Coupling у даташыце адгаворвальніка.
Пры руху вады ў зваротным напрамку адводзіцца значна менш вады. Яе варта ўспрымаць як пабочную з'яву. Колькасць вады, якое адводзіцца пры гэтым руху, вызначаецца параметрам Directivity у даташыце. Чым гэты параметр меншы (большае значэнне dB), тым лепш для нашай задачы.
Прынцыповая схема
Бо мы жадаем вымяраць узровень сігналу, адлюстраваны ад антэны, падлучальны яе да IN ответвителя, а генератар да OUT. Такім чынам на прымач трапіць частка адлюстраванага ад антэны сігналу для вымярэння.
Схема падлучэння адгаворвальніка. Адлюстраваны сігнал адводзіцца на прымач
Вымяральная ўстаноўка
Збяром устаноўку для вымярэння ПЭ ў адпаведнасці з прынцыповай схемай. На выхадзе генератара прыбора дадаткова ўсталюем атэнюатар з згасаннем 15 дб. Гэта палепшыць узгадненне адгаворвальніка з выхадам генератара і павысіць дакладнасць вымярэння. Атэнюатар можна ўзяць з згасаннем у 5..15 дб. Велічыня згасання аўтаматычна ўлічыцца пры наступнай каліброўцы.
Атэнюатар саслабляе сігнал на фіксаваны лік дэцыбел. Галоўнай характарыстыкай атэнюатара з'яўляецца каэфіцыент згасання (атэнюацыі) сігналу і працоўны дыяпазон частот. На частотах па-за працоўным дыяпазонам характарыстыкі атэнюатара могуць непрадказальна змяняцца.
Так выглядае фінальная ўстаноўка. Трэба таксама не забыцца падаць сігнал прамежкавай частаты (ПЧ) з модуля OSA-6G на асноўны поплатак прыбора. Для гэтага злучаем порт IF OUTPUT на асноўнай плаце з INPUT на модулі OSA-6G.
Для зніжэння ўзроўня перашкод ад імпульснай крыніцы сілкавання наўтбука ўсе замеры я праводжу пры сілкаванні наўтбука ад батарэі.
каліброўка
Перад пачаткам вымярэнняў неабходна пераканацца ў спраўнасці ўсіх вузлоў прыбора і якасці кабеляў, для гэтага злучаем генератар і прымач кабелем напроста, уключаем генератар і праводжаны вымярэнне АЧХ. Атрымліваем амаль роўны графік на 0dB. Гэта значыць, што на ўсім дыяпазоне частот уся выпраменьваная магутнасць генератара дайшла да прымача.
Падлучэнне генератара напрамую да прымача
Дадамо ў схему атэнюатар. Відаць амаль роўнае паслабленне сігналу на 15dB на ўсім дыяпазоне.
Падлучэнне генератара праз атэнюатар на 15dB да прымача
Падлучым генератар да раздыма OUT адгаворвальніка, а прымач да CPL адгаворвальніка. Бо да порта IN не падлучана нагрузкі, увесь генераваны сігнал павінен адлюстроўвацца, і частка адгаліноўвацца на прымач. Згодна з даташытам на наш адгаворнік (), параметр Coupling роўны ~15db, значыць мы павінны ўбачыць гарызантальную лінію на ўзроўні каля -30 дб (coupling + згасанне атэнюатара). Але бо працоўны дыяпазон адгаворвальніка абмежаваны 1 Ггц, усе вымярэнні вышэй гэтай частаты можна лічыць не мелымі сэнсу. Гэта выразна відаць на графіцы, пасля 1 Ггц паказанні хаатычныя і не маюць сэнсу. Таму ўсе далейшыя вымярэнні мы будзем праводзіць у працоўным дыяпазоне адгаворвальніка.
Падлучэнне адгаворвальніка без нагрузкі. Бачны мяжа працоўнага дыяпазону адгаворвальніка.
Бо дадзеныя вымярэнняў вышэй 1 Ггц, у нашым выпадку, не маюць сэнсу, абмяжуем максімальную частату генератара да працоўных значэнняў адгаворвальніка. Пры замерах атрымліваем роўную лінію.
Абмежаванне дыяпазону генератара да працоўнага дыяпазону адгаворвальніка
Для таго, каб наглядна вымяраць ПЭ антэн, нам трэба выканаць каліброўку, каб прыняць бягучыя параметры схемы (100% адлюстраванне) як кропку адліку, гэта значыць нуль dB. Для гэтага ў праграме OSA103 Mini ёсць убудаваная функцыя каліброўкі. Каліброўка выконваецца без падлучанай антэны (нагрузкі), дадзеныя каліброўкі запісваюцца ў файл і ў далейшым аўтаматычна ўлічваюцца пры пабудове графікаў.
Функцыя каліброўкі ІАЧХ у праграме OSA103 Mini
Ужыўшы вынікі каліброўкі і запусціўшы вымярэнні без нагрузкі, мы атрымліваем роўны графік на 0dB.
Графік пасля выканання каліброўкі
Вымяраем антэны
Цяпер можна прыступіць да вымярэння антэн. Дзякуючы каліброўцы, мы будзем бачыць і вымяраць памяншэнне адлюстравання пасля падлучэння антэны.
Антэна з Aliexpress на 433MHz
Антэна з маркіроўкай 443MHz. Відаць, што найболей эфектыўна антэна працуе на дыяпазоне 446MHz, на гэтай частаце ПЭ роўна 1.16. Пры гэтым, на заяўленай частаце паказчыкі істотна горш, на 433MHz ПЭ 4,2.
Невядомая антэна 1
Антэна без маркіроўкі. Мяркуючы па графіку, разлічана на 800 Мгц, як мяркуецца, для GSM-дыяпазону. Дзеля справядлівасці трэба сказаць, што гэтая антэна таксама працуе на 1800 Мгц, але з-за абмежаванняў адгаворвальніка я не магу рабіць карэктныя замеры на гэтых частотах.
Невядомая антэна 2
Яшчэ адна антэна, якая даўно валяецца ў мяне ў каробках. Судзячы па ўсім, таксама для GSM-дыяпазону, але ўжо лепш папярэдняй. На частаце 764 Мгц ПЭ блізкі да адзінкі, на 900 Мгц ПЭ - 1.4.
Невядомая антэна 3
Гэта падобна на антэну Wi-Fi, але канектар чамусьці SMA-Male, а не RP-SMA, як ва ўсіх Wi-Fi-антэн. Мяркуючы па вымярэннях, на частотах да 1 Мгц гэтая антэна бескарысная. Зноў жа, з-за абмежаванняў адгаворвальніка мы не даведаемся, што гэта за антэна.
Тэлескапічная антэна
Паспрабуем разлічыць, на колькі трэба вылучыць тэлескапічную антэну для дыяпазону 433MHz. Формула разліку даўжыні хвалі: λ = C/f, дзе C - хуткасць святла, f - частата.
299.792.458 / 443.000.000 = 0.69719176279
Поўная даўжыня хвалі - 69,24 см
Палова даўжыні хвалі - 34,62 см
Чвэрць даўжыні хвалі - 17,31 см
Разлічаная такім чынам антэна аказалася абсалютна бескарыснай. На частаце 433MHz значэнне ПЭ - 11.
Эксперыментальна высоўваючы антэну, мне атрымалася дамагчыся мінімальнага ПЭ 2.8 пры даўжыні антэны каля 50 гл. Пры гэтым апынулася, што таўшчыня секцый мае вялікае значэнне. Гэта значыць, пры высоўванні толькі тонкіх крайніх секцый, вынік быў лепш, чым пры высоўванні на тую ж даўжыню толькі тоўстых секцый. Не ведаю, наколькі надалей варта спадзявацца на гэтыя разлікі з даўжынёй тэлескапічнай антэны, бо на практыцы яны не працуюць. Можа быць з іншымі антэнамі ці частотамі гэта працуе інакш, не ведаю.
Кавалак провада на 433MHz
Часта ў розных прыборах, накшталт радыёвыключальнікаў, можна бачыць кавалак прамога провада ў якасці антэны. Я адрэзаў кавалак провада, роўнага чвэрці даўжыні хвалі 433 Мгц (17,3см), і залудзіў канец так, каб ён шчыльна ўстаўляўся ў раз'ём SMA Female.
Вынік атрымаўся дзіўны: такі провад нядрэнна працуе на 360 Мгц але бескарысны на 433 Мгц.
Я пачаў па кавалачку абрэзаць провад з канца і глядзець на паказанні. Правал на графіцы пачаў павольна зрушвацца ў направа, у бок 433 Мгц. У выніку, на даўжыні провада каля 15,5 гл, мне атрымалася атрымаць найменшае значэнне ПЭ 1.8 на частаце 438 Мгц. Далейшае пакарочванне кабеля прывяло да росту ПЭ.
Заключэнне
З-за абмежаванняў адгаворвальніка не ўдалося вымяраць антэны на дыяпазоны вышэй за 1 Ггц, напрыклад, антэны Wi-Fi. Гэта можна было зрабіць, будзь у мяне больш шырокапалосны адгаворвальнік.
Адказнік, злучальныя кабелі, прыбор і нават наўтбук - гэта часткі атрымоўванай антэнай сістэмы. Іх геаметрыя, становішча ў прасторы і навакольныя прадметы ўплываюць на вынік вымярэння. Пасля ўсталёўкі на рэальную радыёстанцыю ці мадэм, частата можа ссунуцца, т.к. корпус радыёстанцыі, мадэма, цела аператара стануць часткай антэны.
OSA103 Mini вельмі круты шматфункцыянальны прыбор. Выказваю падзяку яго распрацоўніку за кансультацыю пры правядзенні замераў.
Крыніца: habr.com