— Na jaký rozsah je tato anténa?
— Nevím, zkontroluj to.
— JAAAK?!?!
Jak určit, jakou anténu máte v rukou, pokud na ní není žádné označení? Jak pochopit, která anténa je lepší nebo horší? Tento problém mě dlouho trápil.
V článku je jednoduchým jazykem popsán metodika měření charakteristik antén a způsob určení frekvenčního rozsahu antény.
Zkušeným rádiovým inženýrům se tato informace může zdát triviální, a metodika měření — nedostatečně přesná. Článek je určen pro ty, kteří vůbec nic nerozumí v radioelektronice, jako já.
TL;DR Budeme měřit KSV antén na různých frekvencích pomocí přístroje OSA 103 Mini a směrového odbočovače, a sestavovat graf závislosti KSV na frekvenci.
Teorie
Když vysílač posílá signál do antény, část energie se vyzařuje do vzduchu, a část se odráží a vrací zpět. Poměr mezi vyzařovanou a odraženou energií charakterizuje koeficient stojatých vln (KSV nebo SWR). Čím nižší KSV, tím větší část energie vysílače se vyzařuje ve formě rádiových vln. Při KSV = 1 nedochází k odrazům (všechna energie je vyzařována). KSV u reálné antény je vždy větší než 1.
Pokud posíláme do antény signál různé frekvence a zároveň měříme KSV, můžeme zjistit, na které frekvenci bude odraz minimální. To bude pracovní rozsah antény. Také můžeme porovnat různé antény pro jeden rozsah a zjistit, která z nich je lepší.
Část signálu vysílače se odráží od antény
Anténa, navržená pro určitou frekvenci, by teoreticky měla mít nejnižší KSV na svých pracovních frekvencích. To znamená, že stačí vysílat do antény na různých frekvencích a najít, na které frekvenci je odraz nejmenší, tedy maximální množství energie odletí ve formě rádiových vln.
Mít možnost generovat signál na různých frekvencích a měřit odraz, budeme schopni sestavit graf, kde na ose X bude frekvence a na ose Y — koeficient odrazu signálu. Výsledkem bude, že tam, kde na grafu dojde k propadu (to znamená nejmenší odraz signálu), bude pracovní rozsah antény.
Představovaný graf závislosti odrazu na frekvenci. Na celém rozsahu je odraz 100%, kromě pracovní frekvence antény.
Přístroj Osa103 Mini
Pro měření budeme používat . To je univerzální měřicí přístroj, který spojuje oscilloskop, generátor signálu, spektrální analyzátor, měřič AČH/FČH, vektorový anténní analyzátor, měřič LC a dokonce i SDR transceiver. Pracovní frekvenční rozsah OSA103 Mini je omezen na 100 MHz, modul OSA-6G rozšiřuje frekvenční rozsah v režimu IACHP na 6 GHz. Nativní program se všemi funkcemi má velikost 3 MB a běží pod Windows a přes wine v Linuxu.
Osa103 Mini — univerzální měřicí přístroj pro radioamatéry a inženýry
Direkční odbočovač
Direkční odbočovač (directional coupler) je zařízení, které odvádí malou část VČ signálu, směřujícího v určitém směru. V našem případě by měl odbočovat část odraženého signálu (jdoucího od antény zpět k generátoru) pro jeho měření.
Přehledné vysvětlení fungování direkčního odbočovače:
Hlavní charakteristiky direkčního odbočovače:
- Pracovní frekvence — frekvenční rozsah, v rámci kterého se hlavní parametry pohybují v normálních mezích. Můj odbočovač je určen pro frekvence od 1 do 1000 MHz
- Odbočení (Coupling) — jaká část signálu (v decibelech) bude odváděna při směru vlny z IN do OUT
- Direkčnost (Directivity) — kolik méně signálu bude odváděno při pohybu signálu v opačném směru z OUT do IN
Na první pohled to vypadá dost zmateně. Pro jasnost si představme odbočovač jako vodovodní potrubí s malým odbočením uvnitř. Odbočení je uděláno tak, že při pohybu vody v přímém směru (od IN k OUT) je odváděna značná část vody. Množství vody, které je odváděno při tomto směru, je určeno parametrem Coupling v datashitu odbočovače.
Při pohybu vody v opačném směru je odváděno mnohem méně vody. Měla by být považována za vedlejší jev. Množství vody, které je odváděno při tomto pohybu, je určeno parametrem Directivity v datashitu. Čím je tento parametr menší (vyšší hodnota dB), tím je to lepší pro náš úkol.
Schématické zobrazení
Protože chceme měřit úroveň signálu odraženého od antény, připojíme ji k IN odbočovače a generátor k OUT. Takto se na přijímač dostane část odraženého signálu z antény pro měření.
Schéma připojení odbočovače. Odražený signál je odváděn na přijímač
Měřicí zařízení
Sestavíme zařízení pro měření KSV podle schématu zapojení. Na výstupu generátoru zařízení navíc nainstalujeme attenuátor se ztrátou 15 dB. To zlepší ladění odbočky s výstupem generátoru a zvýší přesnost měření. Attenuátor lze zvolit se ztrátou v rozmezí 5..15 dB. Velikost ztráty bude automaticky zohledněna při následné kalibraci.
Attenuátor oslabuje signál o pevně stanovený počet decibelů. Hlavní charakteristikou attenuátoru je ztrátový koeficient (attenuace) signálu a pracovní frekvenční rozsah. Na frekvencích mimo pracovní rozsah se vlastnosti attenuátoru mohou nepředvídatelně měnit.
Takto vypadá finální instalace. Je také důležité nezapomenout přivést signál mezifrekvence (MF) z modulu OSA-6G na hlavní desku přístroje. K tomu připojíme port IF OUTPUT na hlavní desce s INPUT na modulu OSA-6G.
Pro snížení hladiny rušení z impulzního napájecího zdroje notebooku provádím všechna měření při napájení notebooku z baterie.
Kalibrace
Před zahájením měření je nutné se ujistit, že všechny uzly zařízení fungují správně a že kabely jsou kvalitní, k tomu připojíme generátor a přijímač kabelem přímo, zapneme generátor a provedeme měření ACHAR. Získáme téměř rovnou křivku na 0dB. To znamená, že na celém frekvenčním rozsahu dosáhla veškerá vyzařovaná energie generátoru k přijímači.
Připojení generátoru přímo k přijímači
Přidáme do schématu attenuátor. Je vidět téměř rovnoměrné oslabení signálu o 15dB v celém rozsahu.
Připojení generátoru přes attenuátor se ztrátou 15dB k přijímači
Připojíme generátor k výstupu odbočky a přijímač k CPL odbočky. Protože není připojeno žádné zatížení k portu IN, měl by se celý generovaný signál odrážet a část odbočit na přijímač. Podle datového listu na naši odbočku (), parametr Coupling je ~15dB, což znamená, že bychom měli vidět horizontální čáru na úrovni kolem -30 dB (coupling + útlum atenuátoru). Ale protože pracovní pásmo rozbočovače je omezeno na 1 GHz, všechna měření nad tuto frekvenci lze považovat za bezpředmětná. To je jasně vidět na grafu, po 1 GHz jsou hodnoty chaotické a bez smyslu. Proto všechna další měření provedeme v pracovním pásmu rozbočovače.
Připojení rozbočovače bez zátěže. Viditelný je limit pracovního pásma rozbočovače.
Jelikož data měření nad 1 GHz v našem případě nemají smysl, omezíme maximální frekvenci generátoru na pracovní hodnoty rozbočovače. Při měřeních dostáváme rovnou čáru.
Omezení pásma generátoru na pracovní pásmo rozbočovače
Abychom mohli názorně měřit VSWR antén, musíme provést kalibraci, abychom přijali aktuální parametry schématu (100% odraz) jako výchozí bod, tedy nulu dB. K tomu má program OSA103 Mini vestavěnou funkci kalibrace. Kalibrace se provádí bez připojené antény (zátěže), kalibrační data se ukládají do souboru a později se automaticky zohledňují při sestavování grafů.
Funkce kalibrace IAČCH v programu OSA103 Mini
Použitím výsledků kalibrace a spuštěním měření bez zátěže získáváme rovný graf na 0dB.
Graf po provedení kalibrace
Měříme antény
Nyní můžeme přistoupit k měření antén. Díky kalibraci budeme vidět a měřit snížení odrazu po připojení antény.
Anténa z Aliexpressu na 433MHz
Anténa s označením 443MHz. Je vidět, že anténa nejúčinněji funguje v pásmu 446MHz, na této frekvenci je VSWR 1.16. Na inzerované frekvenci jsou však ukazatele podstatně horší, při 433MHz je VSWR 4,2.
Neznámá anténa 1
Anténa bez označení. Soudě podle grafu je určena pro 800 MHz, pravděpodobně pro GSM pásmo. Je třeba říct, že tato anténa také funguje na 1800 MHz, ale kvůli omezením rozbočovače nemohu provádět přesná měření na těchto frekvencích.
Neznámá anténa 2
Další anténa, která už dlouho leží v krabicích. Podle všeho je také pro GSM pásmo, ale již lepší než ta předchozí. Na frekvenci 764 MHz je VSWR blízko jedničce, na 900 MHz je VSWR 1.4.
Neznámá anténa 3
To vypadá jako anténa Wi-Fi, ale konektor je nějak SMA-Male, a ne RP-SMA, jako u všech Wi-Fi antén. Soudě podle měření, je tato anténa k ničemu na frekvencích do 1 MHz. Opět kvůli omezením rozbočovače nezjistíme, co je to za anténu.
Teleskopická anténa
Pokud se pokusíme vypočítat, jak moc je třeba vytáhnout teleskopickou anténu pro pásmo 433MHz. Vzorec pro výpočet vlnové délky: λ = C/f, kde C je rychlost světla, f je frekvence.
299.792.458 / 443.000.000 = 0.69719176279
Celková vlnová délka — 69,24 cm
Polovina vlnové délky — 34,62 cm
Čtvrtina vlnové délky — 17,31 cm
Anténa vypočítaná tímto způsobem se ukázala jako naprosto k ničemu. Na frekvenci 433MHz je hodnota VSWR — 11.
Experimentálně jsem vytahoval anténu a podařilo se mi dosáhnout minimálního VSWR 2.8 při délce antény přibližně 50 cm. Ukázalo se, že tloušťka sekcí má velký význam. Tedy, při vytahování pouze tenkých vnějších sekcí byl výsledek lepší než při vytahování na stejnou délku pouze silných sekcí. Nevim, jak moc je další spoleh na tyto výpočty délky teleskopické antény, protože prakticky nefungují. Možná s jinými anténami nebo frekvencemi to funguje jinak, nevím.
Kus drátu na 433MHz
Často se v různých přístrojích, jako jsou rádiové spínače, dá vidět kus rovného drátu jako anténa. Odřezal jsem kus drátu, který byl čtvrtinou vlnové délky 433 MHz (17,3 cm), a konec jsem pokoval tak, aby těsně zapadl do konektoru SMA Female.
Výsledky byly podivné: takový drát dobře funguje na 360 MHz, ale je k ničemu na 433 MHz.
Začal jsem po kouskách zkracovat drát a sledovat ukazatele. Propad na grafu se pomalu začal posouvat doprava, směrem k 433 MHz. Nakonec, při délce drátu kolem 15,5 cm, se mi podařilo dosáhnout nejmenší hodnoty VSWR 1.8 na frekvenci 438 MHz. Další zkracování kabelu vedlo k nárůstu VSWR.
Závěr
Kvůli omezením rozbočovače jsem nemohl měřit antény na frekvencích nad 1 GHz, například Wi-Fi antény. To by bylo možné, kdybych měl širší rozbočovač.
Odbočovač, spojovací kabely, přístroj a dokonce i notebook – to jsou součásti výsledné anténní soustavy. Jejich geometrie, umístění v prostoru a okolní předměty ovlivňují výsledek měření. Po instalaci na skutečnou rádiovou stanici nebo modem může dojít ke změně frekvence, protože tělo rádiové stanice, modemu a operátora se stanou součástí antény.
OSA103 Mini – velmi úžasný multifunkční přístroj. Děkuji jeho tvůrci za konzultaci při měření.
Zdroj: habr.com
