— Auf welchen Frequenzbereich ist diese Antenne ausgelegt?
— Ich weiß es nicht, überprüfe es.
— WIE?!?!
Wie erkennt man, welche Antenne man in der Hand hat, wenn sie keine Kennzeichnung hat? Wie erkennt man, welche Antenne besser oder schlechter ist? Dieses Problem beschäftigt mich schon lange.
In dem Artikel wird einfach erklärt, wie man die Eigenschaften von Antennen misst und wie man den Frequenzbereich einer Antenne bestimmt.
Erfahrene Funktechniker könnten diese Informationen banal finden, und die Messmethode vielleicht nicht genau genug. Der Artikel richtet sich an Menschen, die überhaupt nichts über Radiotechnik verstehen, so wie ich.
TL;DR Wir werden den Stehwellenverhältnis (SWR) von Antennen bei verschiedenen Frequenzen mit dem Gerät OSA 103 Mini und einem gerichteten Abzweiger messen und ein Diagramm erstellen, das das SWR in Abhängigkeit von der Frequenz zeigt.
Theorie
Wenn der Sender ein Signal an die Antenne sendet, wird ein Teil der Energie in die Luft abgestrahlt, während ein anderer Teil reflektiert wird und zurückkommt. Das Verhältnis zwischen der ausgestrahlten und reflektierten Energie wird durch den Stehwellenkoeffizienten (SWR) charakterisiert. Je geringer der SWR, desto mehr Energie des Senders wird in Form von Funkwellen ausgestrahlt. Bei einem SWR von 1 gibt es keine Reflexion (alle Energie wird ausgestrahlt). Der SWR einer realen Antenne liegt immer über 1.
Wenn man ein Signal unterschiedlicher Frequenzen an die Antenne sendet und gleichzeitig den SWR misst, kann man herausfinden, bei welcher Frequenz die Reflexion minimal ist. Das wird der Betriebsbereich der Antenne sein. Man kann auch verschiedene Antennen für denselben Frequenzbereich miteinander vergleichen, um herauszufinden, welche besser ist.
Ein Teil des Signals des Senders wird von der Antenne reflektiert.
Eine Antenne, die auf eine bestimmte Frequenz ausgelegt ist, sollte theoretisch das geringste SWR bei ihren Betriebsfrequenzen haben. Das bedeutet, dass man einfach mit verschiedenen Frequenzen in die Antenne senden und herausfinden kann, bei welcher Frequenz die Reflexion am niedrigsten ist, also die maximale Energiemenge in Form von Funkwellen abgegeben wird.
Wenn wir in der Lage sind, Signale bei unterschiedlichen Frequenzen zu erzeugen und die Reflexion zu messen, werden wir ein Diagramm erstellen können, in dem die X-Achse die Frequenz und die Y-Achse den Reflexionskoeffizienten des Signals darstellt. Das Ergebnis wird dort, wo im Diagramm ein Tiefpunkt (das heißt, die geringste Reflexion des Signals) liegt, der Betriebsbereich der Antenne sein.
Hypothetisches Diagramm, das die Reflexion in Abhängigkeit von der Frequenz zeigt. Über den gesamten Bereich beträgt die Reflexion 100 %, außer bei der Betriebsfrequenz der Antenne.
Gerät Osa103 Mini
Für die Messungen verwenden wir . Dies ist ein universelles Messgerät, das Oszilloskop, Signalgenerator, Spektrumanalysator, AC/DC-Messgerät, Vektor-Antennenanalysator, LC-Messgerät und sogar einen SDR-Transceiver vereint. Der Arbeitsbereich des OSA103 Mini ist auf 100 MHz begrenzt, das Modul OSA-6G erweitert den Frequenzbereich im AC/DC-Modus auf bis zu 6 GHz. Die native Software mit allen Funktionen hat eine Größe von 3 MB, läuft unter Windows und über Wine in Linux.
Osa103 Mini – ein universelles Messgerät für Funkamateure und Ingenieure
Richtkoppler
Ein Richtkoppler (directional coupler) ist ein Gerät, das einen kleinen Teil des Hochfrequenzsignals, das in eine bestimmte Richtung fließt, abzweigt. In unserem Fall soll er einen Teil des reflektierten Signals (das von der Antenne zurück zum Generator fließt) zum Messen abzweigen.
Eine anschauliche Erklärung der Funktionsweise des Richtkopplers:
Die Hauptmerkmale des Richtkopplers:
- Arbeitsfrequenzen – der Frequenzbereich, in dem die Hauptparameter innerhalb der Norm bleiben. Mein Koppler ist für Frequenzen von 1 bis 1000 MHz ausgelegt.
- Kopplung (Coupling) – welcher Teil des Signals (in Dezibel) abgeleitet wird, wenn die Welle von IN nach OUT gerichtet ist.
- Richtcharakteristik (Directivity) – wie viel weniger Signal abgeleitet wird, wenn sich das Signal in entgegengesetzter Richtung von OUT nach IN bewegt.
Auf den ersten Blick sieht das recht kompliziert aus. Um es anschaulicher zu machen, stellen wir uns den Koppler wie ein Wasserrohr mit einem kleinen Abzweig vor. Der Abzweig ist so gestaltet, dass beim Fluss des Wassers in gerader Richtung (von IN nach OUT) ein erheblicher Teil des Wassers abgeleitet wird. Die Menge an Wasser, die in dieser Richtung abgeleitet wird, wird durch den Parameter "Coupling" im Datenblatt des Kopplers bestimmt.
Wenn das Wasser in die entgegengesetzte Richtung fließt, wird deutlich weniger Wasser abgeleitet. Dies sollte als Nebeneffekt angesehen werden. Die Menge an Wasser, die bei dieser Bewegung abgeleitet wird, wird durch den Parameter "Directivity" im Datenblatt bestimmt. Je kleiner dieser Parameter ist (je höher der dB-Wert), desto besser ist es für unsere Aufgabe.
Schaltplan
Da wir das Signalniveau messen möchten, das von der Antenne reflektiert wird, schließen wir sie an IN des Kopplers an und den Generator an OUT. So gelangt ein Teil des von der Antenne reflektierten Signals zum Empfänger zur Messung.
Schema zum Anschließen des Abzweigers. Das reflektierte Signal wird zum Empfänger geleitet.
Messinstallation
Wir bauen die Installation zur Messung des Stehwellenverhältnisses gemäß dem Schaltplan zusammen. Am Ausgang des Gerätegenerators installieren wir zusätzlich einen Dämpfer mit einer Dämpfung von 15 dB. Das verbessert die Anpassung des Abzweigers an den Ausgang des Generators und erhöht die Messgenauigkeit. Den Dämpfer kann man mit einer Dämpfung von 5..15 dB wählen. Der Wert der Dämpfung wird bei der späteren Kalibrierung automatisch berücksichtigt.
Der Dämpfer schwächt das Signal um eine feste Anzahl von Dezibel. Die Hauptmerkmale des Dämpfers sind der Dämpfungsfaktor (Dämpfung) des Signals und der Frequenzbereich, in dem er funktioniert. Bei Frequenzen außerhalb des Betriebsbereichs können sich die Eigenschaften des Dämpfers unvorhersehbar ändern.
So sieht die finale Installation aus. Außerdem dürfen wir nicht vergessen, das Signal der Zwischenfrequenz (ZF) vom OSA-6G-Modul auf die Hauptplatine des Geräts zuzuführen. Dafür verbinden wir den Port IF OUTPUT auf der Hauptplatine mit INPUT am OSA-6G-Modul.
Um das Störgeräusch des Impulsstromversorgungsgeräts des Laptops zu reduzieren, führe ich alle Messungen mit dem Laptop im Batteriebetrieb durch.
Kalibrierung
Vor Beginn der Messungen müssen wir sicherstellen, dass alle Komponenten des Geräts und die Kabel in einwandfreiem Zustand sind. Dazu verbinden wir den Generator und den Empfänger direkt mit einem Kabel, schalten den Generator ein und führen eine Frequenzgangmessung durch. Wir erhalten ein nahezu flaches Diagramm bei 0 dB. Das bedeutet, dass die gesamte vom Generator erzeugte Leistung den Empfänger erreicht hat.
Direkte Verbindung des Generators mit dem Empfänger
Wir fügen der Schaltung einen Dämpfer hinzu. Es ist eine nahezu gleichmäßige Signalabschwächung von 15 dB über den gesamten Bereich sichtbar.
Verbindung des Generators über einen Dämpfer mit 15 dB zum Empfänger
Wir schließen den Generator an den OUT-Anschluss des Abzweigers an und den Empfänger an den CPL-Anschluss des Abzweigers. Da am IN-Port keine Last angeschlossen ist, sollte das gesamte erzeugte Signal reflektiert werden, und ein Teil sollte zum Empfänger abgezweigt werden. Laut dem Datenblatt zu unserem Abzweiger (), der Parameter Coupling beträgt ~15db, was bedeutet, dass wir eine horizontale Linie auf etwa -30 dB (Coupling + Dämpfung des Attenuators) sehen sollten. Da der Einsatzbereich des Abzweigers jedoch auf 1 GHz beschränkt ist, können alle Messungen über dieser Frequenz als sinnlos erachtet werden. Dies ist deutlich im Diagramm zu sehen, nach 1 GHz sind die Werte chaotisch und bedeutungslos. Daher werden wir alle weiteren Messungen im Betriebsbereich des Abzweigers durchführen.
Anschluss des Abzweigers ohne Last. Der Betriebsbereich des Abzweigers ist sichtbar.
Da die Messdaten über 1 GHz in unserem Fall keinen Sinn ergeben, begrenzen wir die maximale Frequenz des Generators auf die Betriebswerte des Abzweigers. Bei den Messungen erhalten wir eine gerade Linie.
Begrenzung des Frequenzbereichs des Generators auf den Betriebsbereich des Abzweigers.
Um die Rückflussdämpfung der Antennen anschaulich zu messen, müssen wir eine Kalibrierung durchführen, um die aktuellen Parameter des Schaltkreises (100% Reflexion) als Ausgangspunkt zu akzeptieren, das heißt 0 dB. Dafür verfügt das OSA103 Mini-Programm über eine eingebaute Kalibrierungsfunktion. Die Kalibrierung erfolgt ohne angeschlossene Antenne (Last), die Kalibrierungsdaten werden in einer Datei gespeichert und später automatisch bei der Erstellung von Grafiken berücksichtigt.
Kalibrierungsfunktion der IA-Charakteristik im Programm OSA103 Mini.
Durch die Anwendung der Kalibrierungsergebnisse und den Start der Messungen ohne Last erhalten wir ein gleichmäßiges Diagramm bei 0dB.
Diagramm nach Abschluss der Kalibrierung.
Wir messen die Antennen.
Jetzt können wir mit dem Messen der Antennen beginnen. Dank der Kalibrierung werden wir die Verringerung der Reflexion nach dem Anschluss der Antenne sehen und messen.
Antenne von Aliexpress bei 433MHz.
Antenne mit der Kennzeichnung 443MHz. Es ist zu sehen, dass die Antenne am effektivsten im Bereich von 446MHz arbeitet, bei dieser Frequenz beträgt die Rückflussdämpfung 1,16. Bei der angegebenen Frequenz sind die Werte jedoch erheblich schlechter, bei 433MHz beträgt die Rückflussdämpfung 4,2.
Unbekannte Antenne 1.
Antenne ohne Kennzeichnung. Laut dem Diagramm ist sie für 800 MHz ausgelegt, vermutlich für den GSM-Bereich. Um fair zu sein, muss man sagen, dass diese Antenne auch bei 1800 MHz funktioniert, aber aufgrund der Einschränkungen des Abzweigers kann ich keine korrekten Messungen bei diesen Frequenzen durchführen.
Unbekannte Antenne 2.
Eine weitere Antenne, die schon lange in meinen Kisten liegt. Anscheinend ebenfalls für den GSM-Bereich, jedoch besser als die vorherige. Bei 764 MHz liegt die Rückflussdämpfung nahe eins, bei 900 MHz beträgt sie 1,4.
Unbekannte Antenne 3
Das sieht aus wie eine Wi-Fi-Antenne, aber der Anschluss ist aus irgendeinem Grund SMA-Männlich und nicht RP-SMA, wie bei allen Wi-Fi-Antennen. Laut den Messungen ist diese Antenne bei Frequenzen bis 1 MHz nutzlos. Wieder einmal werden wir aufgrund der Einschränkungen des Verteilers nicht herausfinden, um welche Antenne es sich handelt.
Teleskopantenne
Lassen Sie uns berechnen, wie weit die Teleskopantenne für den Bereich von 433 MHz herausgezogen werden muss. Die Formel zur Berechnung der Wellenlänge lautet: λ = C/f, wobei C die Lichtgeschwindigkeit ist und f die Frequenz.
299.792.458 / 443.000.000 = 0.69719176279
Vollständige Wellenlänge — 69,24 cm
Halbe Wellenlänge — 34,62 cm
Viertel Wellenlänge — 17,31 cm
Die auf diese Weise berechnete Antenne erwies sich als völlig nutzlos. Bei einer Frequenz von 433 MHz beträgt der SWR 11.
Durch experimentelles Herausziehen der Antenne gelang es mir, einen minimalen SWR von 2,8 bei einer Antennenlänge von etwa 50 cm zu erreichen. Dabei stellte sich heraus, dass die Dicke der Abschnitte eine große Rolle spielt. Das heißt, wenn nur die dünnen äußersten Abschnitte herausgezogen wurden, war das Ergebnis besser als bei der gleichen Länge nur dicker Abschnitte. Ich weiß nicht, wie sehr ich in Zukunft auf diese Berechnungen zur Länge der Teleskopantenne vertrauen sollte, da sie in der Praxis nicht funktionieren. Vielleicht funktioniert es anders mit anderen Antennen oder Frequenzen, ich weiß es nicht.
Ein Stück Draht bei 433 MHz
Oft sieht man in verschiedenen Geräten, wie zum Beispiel Funk-Schaltern, ein Stück geraden Draht als Antenne. Ich habe ein Stück Draht abgeschnitten, das einem Viertel der Wellenlänge von 433 MHz (17,3 cm) entspricht, und das Ende so verzinnt, dass es fest in den SMA-Weiblich-Anschluss passt.
Das Ergebnis war merkwürdig: Dieser Draht funktioniert gut bei 360 MHz, ist jedoch bei 433 MHz nutzlos.
Ich begann, das Drahtstück von Ende zu Ende zu kürzen und schaute auf die Messwerte. Der Abfall im Diagramm begann sich langsam nach rechts in Richtung 433 MHz zu verschieben. Am Ende gelang es mir, bei einer Drahtlänge von etwa 15,5 cm den niedrigsten SWR-Wert von 1,8 bei 438 MHz zu erreichen. Eine weitere Verkürzung des Kabels führte zu einem Anstieg des SWR.
Fazit
Aufgrund der Einschränkungen des Verteilers war es nicht möglich, Antennen für Frequenzen über 1 GHz, wie z.B. Wi-Fi-Antennen, zu messen. Das wäre möglich gewesen, wenn ich einen breiter gefächerten Verteiler gehabt hätte.
Der Splitter, Verbindungskabel, das Gerät und sogar der Laptop – das sind Teile des entstehenden Antennensystems. Ihre Geometrie, Position im Raum und die umgebenden Objekte beeinflussen das Messergebnis. Nach der Installation an einer realen Radiostation oder einem Modem kann sich die Frequenz verschieben, da das Gehäuse der Radiostation, des Modems und der Körper des Bedieners Teil der Antenne werden.
OSA103 Mini – ein äußerst cooles Multifunktionsgerät. Ich danke seinem Entwickler für die Beratung bei den Messungen.
Quelle: habr.com
