— Hvilket frekvensområde dækker denne antenne?
— Ved ikke, tjek det.
— HVORDAN?!?!
Hvordan kan man bestemme, hvilken antenne man har i hånden, når der ikke er nogen mærkning? Hvordan kan man finde ud af, hvilken antenne der er bedre eller værre? Dette spørgsmål har plaget mig i lang tid.
Artiklen beskriver på enkel måde metoden til at måle antenners egenskaber og hvordan man bestemmer antennens frekvensområde.
For erfarne radioingeniører kan denne information virke banal, og målemetoden kan virker unøjagtig. Artiklen er rettet mod dem, der overhovedet ikke forstår noget som helst om radioelektronik, ligesom jeg.
TL;DR Vi vil måle SWR af antenner på forskellige frekvenser ved hjælp af OSA 103 Mini og en rettet aftager, og bygge et diagram over forholdet mellem SWR og frekvens.
Teori
Når senderen sender et signal til antennen, bliver en del af energien udsendt i luften, mens en del reflekteres og vender tilbage. Forholdet mellem den udstrålede og reflekterede energi karakteriseres ved hjælp af stående bølgeforhold (SWR). Jo lavere SWR, jo større del af senderens energi udsendes i form af radiobølger. Ved SWR = 1 er der ingen refleksion (al energi udsendes). SWR for en reel antenne er altid over 1.
Hvis man sender forskellige frekvenser til antennen og samtidig måler SWR, kan man finde ud af, ved hvilken frekvens refleksionen vil være minimal. Dette vil være antennens arbejdsområde. Man kan også sammenligne forskellige antenner inden for det samme område for at finde ud af, hvilken der er den bedste.
En del af signalet fra senderen reflekteres af antennen.
En antenne, der er designet til en bestemt frekvens, bør teoretisk set have den laveste SWR ved sine arbejdsfrekvenser. Det betyder, at det er tilstrækkeligt at udsende på forskellige frekvenser til antennen og finde ud af, ved hvilken frekvens refleksionen er den laveste, d.v.s. den maksimale mængde energi, der forsvinder som radiobølger.
Ved at have mulighed for at generere signaler på forskellige frekvenser og måle refleksionen, kan vi opbygge et diagram, hvor X-aksen repræsenterer frekvensen, og Y-aksen repræsenterer refleksionskoefficienten for signalet. Resultatet vil vise, hvor der på diagrammet er et dyk (dvs. den laveste refleksion af signalet), hvilket angiver antennens arbejdsområde.
Et tænkt diagram der viser refleksionen i forhold til frekvensen. Refleksionen er 100% over hele spektret, bortset fra ved antennens arbejdsfrekvens.
Osa103 Mini-enheden.
Til målingerne vil vi bruge . Dette er et alsidigt måleinstrument, der kombinerer oscilloskop, signalgenerator, spektroanalysator, AHF/FHF-måler, vektorantenneanalysator, LC-måler og endda en SDR-transceiver. Arbejdsområdet for OSA103 Mini er begrænset til 100 MHz, mens OSA-6G-modulet udvider frekvensområdet i AHF-mode til 6 GHz. Det indbyggede software med alle funktioner fylder 3 MB, fungerer på Windows og gennem wine i Linux.
Osa103 Mini — et universelt måleinstrument til radioamatører og ingeniører
Retningsbestemt kobler
Retningsbestemt kobler (directional coupler) — en enhed, der afleder en lille del af det højfrekvente signal, der bevæger sig i en bestemt retning. I vores tilfælde skal den aflede en del af det reflekterede signal (der kommer fra antennen tilbage til generatoren) til måling.
En visuel forklaring på, hvordan den retningsbestemte kobler fungerer:
Hovedkarakteristika for den retningsbestemte kobler:
- Arbejdsfrekvenser — frekvensområdet, hvor de primære parametre ikke overskrider normen. Min kobler er designet til frekvenser fra 1 til 1000 MHz
- Kobling (Coupling) — hvilken del af signalet (i decibel) der vil blive afledt, når bølgen går fra IN til OUT
- Retningsbestemthed (Directivity) — hvor meget mindre signal der vil blive afledt, når signalet bevæger sig i den modsatte retning fra OUT til IN
Ved første øjekast kan det se ret forvirrende ud. For at gøre det mere forståeligt, lad os forestille os kobleren som et vandrør, med en lille afledning indeni. Afledningen er lavet på en sådan måde, at når vandet bevæger sig i den rette retning (fra IN til OUT), afledes en væsentlig del af vandet. Mængden af vand, der afledes i denne retning, bestemmes af Coupling-parametret i databladet for kobleren.
Når vandet bevæger sig i den modsatte retning, afledes der betydeligt mindre vand. Det skal betragtes som et biprodukt. Mængden af vand, der afledes i denne retning, bestemmes af Directivity-parametret i databladet. Jo mindre denne værdi er (større værdi i dB), jo bedre er det for vores opgave.
Principskema
Da vi ønsker at måle niveauet af signalet, der er reflekteret fra antennen, tilslutter vi den til IN på kobleren og generatoren til OUT. På denne måde vil en del af det reflekterede signal fra antennen nå modtageren til måling.
Tilslutningsskema for afgreneren. Det reflekterede signal ledes til modtageren
Måleopstilling
Vi sætter opstillingen til at måle VSWR i overensstemmelse med det principielle skema. Ved udgangen af instrumentets generator tilføjer vi en dæmper med en dæmpning på 15 dB. Dette forbedrer afgrenerens tilpasning til generatorens udgang og øger målepræcisionen. Dæmperen kan have en dæmpning på 5..15 dB. Dæmpningsværdien tages automatisk højde for ved den efterfølgende kalibrering.
Dæmperen svækker signalet med et fast antal decibel. Den vigtigste egenskab ved dæmperen er dæmpningskoefficienten og det arbejdsfrekvensområde. Ved frekvenser uden for det arbejdsfrekvensområde kan dæmperens karakteristika ændre sig uforudsigeligt.
Sådan ser den endelige opstilling ud. Det er også vigtigt ikke at glemme at sende et signal med mellemfrekvens (MF) fra OSA-6G-modulet til hovedkortet af instrumentet. For at gøre dette forbinder vi IF OUTPUT-porten på hovedkortet med INPUT-porten på OSA-6G-modulet.
For at reducere niveauet af støj fra den impulsstyrede strømforsyning til bærbare computere udfører jeg alle målinger med den bærbare computer drevet af batteriet.
Kalibrering
Før målingerne påbegyndes, skal det sikres, at alle enheder i instrumentet fungerer korrekt og at kablerne er af god kvalitet. Derfor forbinder vi generatoren og modtageren direkte med et kabel, tænder for generatoren og udfører målingen af frekvensresponsen. Vi får næsten en flad kurve ved 0dB. Det betyder, at al den udsendte effekt fra generatoren når modtageren over hele frekvensområdet.
Tilslutning af generatoren direkte til modtageren
Vi tilføjer en dæmper til skemaet. Det er tydeligt, at signalet svækkes næsten jævnt med 15dB over hele området.
Tilslutning af generatoren gennem en 15dB dæmper til modtageren
Vi tilslutter generatoren til OUT-stikket på afgreneren, og modtageren til CPL-stikket på afgreneren. Da der ikke er tilsluttet belastning til IN-porten, skal hele det genererede signal reflekteres, og en del ledes til modtageren. Ifølge databladet for vores afgrener (), parameter Coupling is ~15dB, which means we should see a horizontal line at around -30 dB (coupling + attenuator loss). But since the working range of the splitter is limited to 1 GHz, all measurements above this frequency can be considered meaningless. This is clearly visible in the graph; after 1 GHz, the readings are chaotic and meaningless. Therefore, we will conduct all further measurements within the working range of the splitter.
Connecting the splitter without load. The limit of the splitter's working range is visible.
Since the measurement data above 1 GHz, in our case, is meaningless, we will limit the maximum frequency of the generator to the working values of the splitter. During measurements, we obtain a straight line.
Limiting the generator's range to the working range of the splitter.
To visually measure the VSWR of antennas, we need to perform calibration to take the current parameters of the circuit (100% reflection) as the reference point, that is, zero dB. For this, the OSA103 Mini program has a built-in calibration function. Calibration is performed without an antenna (load) connected, and the calibration data is recorded in a file and subsequently automatically taken into account when building graphs.
Calibration function of the S-parameter in the OSA103 Mini program.
By applying the calibration results and running measurements without load, we get a flat graph at 0dB.
Graph after calibration has been performed.
Measuring antennas.
We can now proceed to measure antennas. Thanks to the calibration, we will see and measure the reduction in reflection after connecting the antenna.
Antenna from Aliexpress at 433MHz.
Antenna marked 443MHz. It can be seen that the antenna works most effectively in the range of 446MHz, at this frequency the VSWR is 1.16. In contrast, at the declared frequency, the results are significantly worse; at 433MHz, the VSWR is 4.2.
Unknown antenna 1.
Antenna without labeling. Judging by the graph, it is designed for 800 MHz, presumably for the GSM range. Fairness needs to be noted that this antenna also operates at 1800 MHz, but due to the limitations of the splitter, I cannot make accurate measurements at these frequencies.
Unknown antenna 2.
Another antenna that has been lying in my boxes for a long time. Apparently also for the GSM range, but performs better than the previous one. At a frequency of 764 MHz, the VSWR is close to one; at 900 MHz, the VSWR is 1.4.
Ukendt antenne 3
Dette ligner en Wi-Fi antenne, men forbindelsen er af en eller anden grund SMA-Han og ikke RP-SMA, som er tilfældet for alle Wi-Fi antenner. Ifølge målingerne er denne antenne ubrugelig på frekvenser op til 1 MHz. Igen, på grund af begrænsningerne i fordeleren, kan vi ikke finde ud af, hvad det er for en antenne.
Teleskopantenne
Lad os forsøge at beregne, hvor meget vi skal udskyde teleskopantennen for at dække området 433MHz. Formlen til beregning af bølgelængden er: λ = C/f, hvor C er lysets hastighed, og f er frekvensen.
299.792.458 / 443.000.000 = 0.69719176279
Full bølgelængde — 69,24 cm
Halv bølgelængde — 34,62 cm
Fjerde del bølgelængde — 17,31 cm
Den beregnede antenne viste sig at være helt ubrugelig. Ved en frekvens på 433MHz var SWR-værdien 11.
Ved at eksperimentere med at udskyde antennen lykkedes det mig at opnå en minimum SWR-værdi på 2,8 ved en antennelængde på omkring 50 cm. Det viste sig, at tykkelsen på sektionerne har stor betydning. Det vil sige, at ved kun at udskyde de tynde ydersektioner, var resultatet bedre end ved at udskyde de tykke sektioner til samme længde. Jeg ved ikke, hvor meget jeg skal stole på disse beregninger med længden på teleskopantennen, fordi de ikke fungerer i praksis. Måske fungerer det anderledes med andre antenner eller frekvenser, men jeg ved det ikke.
Et stykke kabel på 433MHz
Man ser ofte et stykke lige kabel som antenne i forskellige apparater, såsom fjernbetjeninger. Jeg skar et stykke kabel, der svarer til en fjerde del af bølgelængden ved 433 MHz (17,3 cm), og loddet enden, så den passer tæt ind i SMA Hun-stikket.
Resultatet var underligt: denne ledning fungerede godt ved 360 MHz, men var ubrugelig ved 433 MHz.
Jeg begyndte at skære lederdelen stykke for stykke fra og se på målingerne. Dalen på grafen begyndte langsomt at flytte sig til højre, mod 433 MHz. Til sidst, ved en ledningslængde på omkring 15,5 cm, lykkedes det mig at få den laveste SWR-værdi på 1,8 ved en frekvens på 438 MHz. Yderligere forkortelse af kabel førte til en stigning i SWR.
Konklusion
På grund af begrænsningerne i fordeleren kunne jeg ikke måle antennerne på frekvenser over 1 GHz, for eksempel Wi-Fi antenner. Det ville have været muligt, hvis jeg havde haft en bredbåndsforgrening.
Splitter, forbindelseskabler, apparater og endda bærbare computere er dele af det resulterende antennasystem. Deres geometri, position i rummet og de omkringliggende objekter påvirker måleresultatet. Efter installation på en rigtig radiostation eller modem kan frekvensen ændre sig, da kabinettet på radiostationen, modemet og operatørens krop bliver en del af antennen.
OSA103 Mini er et meget fedt multifunktionelt apparat. Jeg takker dets udvikler for rådgivningen under målingerne.
Kilde: habr.com
