— На какъв диапазон е тази антена?
— Не знам, провери.
— КАК?!
Как да определим каква антена имате в ръцете си, ако не е маркирана? Как да разберем коя антена е по-добра или по-лоша? Този проблем ме мъчи отдавна.
В статията простичко се описва методологията за измерване на характеристиките на антените и начинът за определяне на честотния диапазон на антената.
На опитните радиоинженери тази информация може да се струва банална, а методологията за измерване — недостатъчно точна. Статията е предназначена за тези, които не разбират нищо от радиоелектроника, като мен.
TL;DR Ще измерваме КСВ на антените при различни честоти с помощта на уред OSA 103 Mini и насочен разклонител, ще изградим графика на зависимостта на КСВ от честотата.
Теория
Когато предавателят изпраща сигнал към антената, част от енергията се излъчва във въздуха, а част се отразява и връща назад. Отношението между излъчваната и отразената енергия се характеризира чрез коефициента на стояща вълна (КСВ или SWR). Колкото по-малък е КСВ, толкова по-голяма част от енергията на предавателя се излъчва под формата на радиовълни. При КСВ = 1 няма отражение (всичката енергия се излъчва). КСВ при реална антена винаги е по-голямо от 1.
Ако изпращате сигнал с различна честота към антената и едновременно измервате КСВ, можете да намерите на коя честота отражението ще бъде минимално. Това ще бъде работният диапазон на антената. Можете също да сравните различни антени за един диапазон и да установите коя от тях е по-добра.
Част от сигнала на предавателя се отразява от антената
Антената, проектирана за определена честота, в теорията трябва да има най-малък КСВ на работните си честоти. Значи, достатъчно е да излъчвате в антената с различни честоти и да намерите на коя честота отражението е най-малко, т.е. максималното количество енергия се излъчва под формата на радиовълни.
Имайки възможност да генерираме сигнал на различни честоти и да измерваме отражението, ще можем да построим график, където по оста X ще е честотата, а по оста Y — коефициентът на отражение на сигнала. В резултат на това, където на графика ще има спад (т.е. най-малко отражение на сигнала), ще бъде работният диапазон на антената.
Илустративен график зависимостта на отражението от честотата. В целия диапазон отражението е 100%, освен при работната честота на антената.
Уред Osa103 Mini
За измерванията ще използваме . Това е универсален измервателен уред, който обединява осцилоскоп, сигнален генератор, SP спектрален анализатор, измервател на АЧХ/ФЧХ, векторен антени анализатор, измервател на LC, и дори SDR трансивер. Работният диапазон на OSA103 Mini е ограничен до 100 MHz, модулът OSA-6G разширява честотния диапазон в режим IAЧХ до 6 GHz. Родната програма с всички функции е с обем 3 MB, работи под Windows и чрез Wine в Linux.
Osa103 Mini — универсален измервателен уред за радиолюбители и инженери
Направлениен отводител
Направлениен отводител (directional coupler) — устройство, което отклонява малка част от ВЧ сигнала, който се движи в определена посока. В нашия случай той трябва да отклонява част от отразения сигнал (идващ от антената обратно към генератора) за неговото измерване.
Нагледно обяснение на работата на направлениения отводител:
Основни характеристики на направления отводител:
- Работни честоти — честотния диапазон, в който основните показатели не излизат извън нормата. Моят отводител е проектиран за честоти от 1 до 1000 MHz
- Отклонение (Coupling) — каква част от сигнала (в децибели) ще бъде отклонена при движение на вълната от IN към OUT
- Направленост (Directivity) — колко по-малко сигнал ще бъде отклонен при движение на сигнала в обратната посока от OUT към IN
На пръв поглед това изглежда доста заплетено. За нагледност можем да представим отводителя като водопроводна тръба с малък отвод вътре. Отводът е направен така, че при движението на водата в права посока (от IN към OUT), значителна част от водата да се отклонява. Количеството вода, което се отклонява при това направление, се определя от параметъра Coupling в техническия лист на отводителя.
При движението на водата в обратна посока се отклонява значително по-малко вода. Тя трябва да се възприема като странично явление. Количеството вода, което се отклонява при това движение, се определя от параметъра Directivity в техническия лист. Колкото по-малък е този параметър (по-голямо значение dB), толкова по-добре за нашата задача.
Принципна схема
Тъй като искаме да измерим нивото на сигнала, отразен от антената, я свързваме към IN на разклонителя, а генератора към OUT. По този начин част от отразения сигнал от антената ще достигне до приемника за измерване.
Схема на свързването на разклонителя. Отразеният сигнал се отклонява към приемника.
Измерителна установка
Ще съберем установка за измерване на КСВ в съответствие с принципната схема. На изхода на генератора допълнително ще поставим атенюатор с затихване 15 dB. Това ще подобри съответствието на разклонителя с изхода на генератора и ще увеличи точността на измерването. Атенюаторът може да бъде с затихване между 5 и 15 dB. Степента на затихване ще бъде автоматично отчетена при последващата калибрация.
Атенюаторът намалява сигнала с фиксирано число децибели. Основна характеристика на атенюатора е коефициентът на затихване (атенюация) на сигнала и работния честотен диапазон. При честоти извън работния диапазон характеристиките на атенюатора могат да се променят непредсказуемо.
Така изглежда финалната установка. Необходимо е също така да не забравим да подадем сигнал от междинната честота (ПЧ) от модула OSA-6G към основната платка на уреда. За целта свързваме порта IF OUTPUT на основната платка с INPUT на модула OSA-6G.
За да намаля нивото на смущения от импулсния захранващ блок на лаптопа, всички измервания провеждам при захранване на лаптопа от батерия.
Калибрация
Преди започване на измерванията е необходимо да се уверим в изправността на всички компоненти на уреда и качеството на кабелите. За целта свързваме генератора и приемника директно с кабел, включваме генератора и извършваме измерване на АЧХ. Получаваме почти равен график на 0dB. Това означава, че по целия честотен диапазон всяката излъчвана мощност на генератора е достигнала до приемника.
Свързване на генератора директно с приемника
Добавяме в схемата атенюатор. Лично може да се види почти равно затихване на сигнала с 15dB в целия диапазон.
Свързване на генератора чрез атенюатор с 15dB към приемника
Свързваме генератора към OUT на разклонителя, а приемника към CPL на разклонителя. Тъй като не е свързано натоварване към порта IN, целият генерирани сигнал трябва да се отразява и част от него да се отклонява към приемника. Според даташита за нашия разклонител (), параметър Coupling е ~15db, така че трябва да видим хоризонтална линия на ниво около -30 dB (coupling + атенюация). Но тъй като работният диапазон на разклонителя е ограничен до 1 GHz, всички измервания над тази честота могат да се считат за безсмислени. Ясно се вижда на графиката, след 1 GHz показанията са хаотични и безсмислени. Затова всички последващи измервания ще провеждаме в работния диапазон на разклонителя.
Свързване на разклонителя без натоварване. Видим е пределът на работния диапазон на разклонителя.
Тъй като измерените данни над 1 GHz в нашия случай нямат смисъл, ще ограничим максималната честота на генератора до работните стойности на разклонителя. При измервания получаваме права линия.
Ограничаване на диапазона на генератора до работния диапазон на разклонителя
За да измерваме визуално КСВ на антените, трябва да извършим калибрация, за да приемем текущите параметри на схемата (100% отражение) като точка на справка, т.е. нула dB. За тази цел в програмата OSA103 Mini има вградена функция за калибрация. Калибрацията се извършва без свързана антена (натоварване), данните от калибрацията се записват в файл и по-късно автоматично се отчитат при построяване на графиците.
Функция за калибрация на ИАЧХ в програмата OSA103 Mini
Приложил резултатите от калибрацията и стартирайки измервания без натоварване, получаваме равен график на 0dB.
График след извършване на калибрацията
Измерваме антените
Сега можем да започнем измерването на антените. Благодарение на калибрацията, ще виждаме и измерваме намаляването на отражението след свързването на антената.
Антена от Aliexpress на 433MHz
Антена с обозначение 443MHz. Ясно е, че антена работи най-ефективно в диапазона 446MHz, на тази честота КСВ е 1.16. В същото време, на обявената честота показателите са значително по-слаби, на 433MHz КСВ е 4.2.
Неизвестна антена 1
Антена без обозначение. Судя по графиката, е проектирана за 800 MHz, вероятно за GSM диапазона. За справедливост трябва да се каже, че тази антена също работи на 1800 MHz, но поради ограниченията на разклонителя не мога да правя коректни измервания на тези честоти.
Неизвестна антена 2
Още една антена, която отдавна лежи в кутиите ми. Судя по всичко, също за GSM диапазона, но вече по-добра от предишната. На честота 764 MHz КСВ е близо до единица, на 900 MHz КСВ — 1.4.
Неидентифицирана антена 3
Това изглежда като Wi-Fi антена, но конекторът е SMA-Male, а не RP-SMA, както при всички Wi-Fi антени. Съдейки по измерванията, на честоти до 1 MHz, тази антена е безполезна. Отново, заради ограниченията на разклонителя, не можем да разберем каква антена е.
Телескопичната антена
Нека опитаме да изчислим колко трябва да се изтегли телескопичната антена за диапазона 433MHz. Формулата за изчисление на дължината на вълната е: λ = C/f, където C е скоростта на светлината, а f е честотата.
299.792.458 / 443.000.000 = 0.69719176279
Пълна дължина на вълната — 69,24 см
Половин дължина на вълната — 34,62 см
Четвърт дължина на вълната — 17,31 см
Антената, изчислена по този начин, се оказа абсолютно безполезна. На честота 433MHz, KSV стойността е 11.
Експериментално, като изтеглях антена, успях да постигна минимален KSV 2.8 при дължина на антената около 50 см. Оказа се, че дебелината на секциите има голямо значение. Тоест, при изтегляне само на тънките крайни секции, резултатът беше по-добър, отколкото при изтегляне на същата дължина от дебели секции. Не знам доколко си струва да се разчита на тези изчисления за дължината на телескопичната антена, защото на практика те не работят. Може би с други антени или честоти работи по различен начин, не знам.
Парче проводник на 433MHz
Често в различни устройства, като дистанционни превключватели, могат да се видят парче прав проводник, използван като антена. Отрязах парче проводник, равно на четвърт от дължината на вълната на 433 MHz (17,3 см), и запоих края така, че да влиза плътно в конектора SMA Female.
Резултатът се оказа странен: този проводник работи добре на 360 MHz, но е безполезен на 433 MHz.
Започнах постепенно да отрязвам проводника от края и да наблюдавам показанията. Падът на графика започна бавно да се измести надясно, към 433 MHz. В крайна сметка, при дължина на проводника около 15,5 см, успях да получа минималната стойност на KSV 1.8 на честота 438 MHz. По-нататъшното скъсяване на кабела доведе до увеличаване на KSV.
Заключение
Поради ограниченията на разклонителя не успях да измеря антените за диапазони над 1 GHz, например Wi-Fi антените. Това можеше да стане, ако имах по-широколентов разклонител.
Разделител, свързващи кабели, устройство и дори лаптоп – това са частите на получената антена система. Нейната геометрия, разположение в пространството и околните предмети влияят на резултата от измерването. След инсталиране на реална радиостанция или модем, честотата може да се измести, тъй като корпусът на радиостанцията, модемът и тялото на оператора ще станат част от антената.
OSA103 Mini е наистина страхотно многофункционално устройство. Изразявам благодарност на неговия разработчик за консултацията при извършване на измервания.
Източник: habr.com
