— Für welche Reichweite ist diese Antenne geeignet?
- Ich weiß es nicht, überprüfen Sie.
- WAS?!?!
Wie können Sie feststellen, welche Art von Antenne Sie in Ihren Händen halten, wenn keine Markierung darauf vorhanden ist? Wie erkennt man, welche Antenne besser oder schlechter ist? Dieses Problem beschäftigt mich schon lange.
Der Artikel beschreibt in einfacher Sprache die Technik zur Messung der Antenneneigenschaften und die Methode zur Bestimmung des Frequenzbereichs der Antenne.
Für erfahrene Funkingenieure mögen diese Informationen trivial erscheinen und die Messtechnik ist möglicherweise nicht genau genug. Der Artikel richtet sich an diejenigen, die wie ich überhaupt nichts von Funkelektronik verstehen.
TL; DR Wir werden das SWR von Antennen bei verschiedenen Frequenzen mit dem Gerät OSA 103 Mini und einem Richtkoppler messen und die Abhängigkeit des SWR von der Frequenz aufzeichnen.
Теория
Wenn ein Sender ein Signal an eine Antenne sendet, wird ein Teil der Energie in die Luft abgestrahlt, ein Teil wird reflektiert und zurückgesendet. Das Verhältnis zwischen abgestrahlter und reflektierter Energie wird durch das Stehwellenverhältnis (SWR oder SWR) charakterisiert. Je niedriger das SWR, desto mehr Energie des Senders wird als Radiowelle abgestrahlt. Bei SWR = 1 gibt es keine Reflexion (die gesamte Energie wird abgestrahlt). Das SWR einer realen Antenne ist immer größer als 1.
Wenn Sie ein Signal unterschiedlicher Frequenz an die Antenne senden und gleichzeitig das SWR messen, können Sie herausfinden, bei welcher Frequenz die Reflexion minimal ist. Dies ist die Reichweite der Antenne. Sie können auch verschiedene Antennen für dasselbe Band vergleichen und herausfinden, welche besser ist.
Ein Teil des Sendersignals wird von der Antenne reflektiert
Eine für eine bestimmte Frequenz ausgelegte Antenne sollte theoretisch bei ihren Betriebsfrequenzen das niedrigste SWR haben. Das heißt, es genügt, mit verschiedenen Frequenzen in die Antenne einzustrahlen und herauszufinden, bei welcher Frequenz die Reflexion am geringsten ist, also die maximale Energiemenge, die in Form von Radiowellen entweicht.
Indem wir ein Signal bei unterschiedlichen Frequenzen erzeugen und die Reflexion messen können, können wir ein Diagramm mit der Frequenz auf der X-Achse und dem Reflexionsvermögen des Signals auf der Y-Achse erstellen. Daher gibt es dort, wo es einen Abfall im Diagramm gibt (d. h. die geringste Reflexion des Signals), einen Betriebsbereich der Antenne.
Imaginärer Graph der Reflexion über der Frequenz. Im gesamten Bereich beträgt die Reflexion 100 %, mit Ausnahme der Betriebsfrequenz der Antenne.
Gerät Osa103 Mini
Für Messungen verwenden wir . Hierbei handelt es sich um ein universelles Messgerät, das ein Oszilloskop, einen Signalgenerator, einen Spektrumanalysator, ein Amplitudenfrequenzgang-/Phasengangmessgerät, einen Vektorantennenanalysator, ein LC-Messgerät und sogar einen SDR-Transceiver kombiniert. Der Arbeitsbereich des OSA103 Mini ist auf 100 MHz begrenzt, das OSA-6G-Modul erweitert den Frequenzbereich im IAFC-Modus auf 6 GHz. Das native Programm mit allen Funktionen wiegt 3 MB, läuft unter Windows und per Wine unter Linux.
Osa103 Mini – ein universelles Messgerät für Funkamateure und Ingenieure
Richtungskoppler
Ein Richtkoppler ist ein Gerät, das einen kleinen Teil eines HF-Signals in eine bestimmte Richtung umleitet. In unserem Fall muss es einen Teil des reflektierten Signals (von der Antenne zurück zum Generator) abzweigen, um es zu messen.
Eine visuelle Erklärung der Funktionsweise eines Richtkopplers:
Hauptmerkmale des Richtkopplers:
- Betriebsfrequenzen - der Frequenzbereich, bei dem die Hauptindikatoren die normalen Grenzen nicht überschreiten. Mein Koppler ist für Frequenzen von 1 bis 1000 MHz ausgelegt
- Zweig (Kopplung) - Welcher Teil des Signals (in Dezibel) wird weggenommen, wenn die Welle von IN nach OUT gerichtet wird
- Richtwirkung — Wie viel weniger Signal wird entfernt, wenn sich das Signal in die entgegengesetzte Richtung von OUT nach IN bewegt?
Auf den ersten Blick sieht das ziemlich verwirrend aus. Stellen wir uns der Übersichtlichkeit halber die Kupplung als Wasserrohr mit einem kleinen Auslass im Inneren vor. Die Entwässerung erfolgt so, dass bei der Vorwärtsbewegung des Wassers (von IN nach OUT) ein erheblicher Teil des Wassers entfernt wird. Die Wassermenge, die in diese Richtung abgegeben wird, wird durch den Kopplungsparameter im Datenblatt des Kopplers bestimmt.
Wenn sich Wasser in die entgegengesetzte Richtung bewegt, wird deutlich weniger Wasser entfernt. Es sollte als Nebenwirkung betrachtet werden. Die Wassermenge, die bei dieser Bewegung abgegeben wird, wird durch den Parameter „Directivity“ im Datenblatt bestimmt. Je kleiner dieser Parameter ist (je größer der dB-Wert), desto besser für unsere Aufgabe.
Schematische Darstellung
Da wir den von der Antenne reflektierten Signalpegel messen möchten, verbinden wir ihn mit dem IN des Kopplers und den Generator mit OUT. Somit gelangt ein Teil des von der Antenne reflektierten Signals zur Messung zum Empfänger.
Anschlussplan für den Wasserhahn. Das reflektierte Signal wird an den Empfänger gesendet
Messaufbau
Lassen Sie uns einen Aufbau zur Messung des SWR gemäß dem Schaltplan zusammenstellen. Am Ausgang des Gerätegenerators werden wir zusätzlich einen Dämpfer mit einer Dämpfung von 15 dB einbauen. Dadurch wird die Anpassung des Kopplers an den Generatorausgang verbessert und die Messgenauigkeit erhöht. Der Abschwächer kann mit einer Dämpfung von 5..15 dB betrieben werden. Die Höhe der Dämpfung wird bei der nachfolgenden Kalibrierung automatisch berücksichtigt.
Ein Dämpfungsglied dämpft das Signal um eine feste Anzahl Dezibel. Das Hauptmerkmal eines Dämpfungsglieds ist der Dämpfungskoeffizient des Signals und der Betriebsfrequenzbereich. Bei Frequenzen außerhalb des Betriebsbereichs kann sich die Leistung des Dämpfers unvorhersehbar ändern.
So sieht die endgültige Installation aus. Sie müssen auch daran denken, ein Zwischenfrequenzsignal (ZF) vom OSA-6G-Modul an die Hauptplatine des Geräts zu liefern. Verbinden Sie dazu den IF OUTPUT-Port auf der Hauptplatine mit dem INPUT auf dem OSA-6G-Modul.
Um die Störungen durch das Schaltnetzteil des Laptops zu reduzieren, führe ich alle Messungen im Akkubetrieb des Laptops durch.
Калибровка
Bevor Sie mit den Messungen beginnen, müssen Sie sicherstellen, dass alle Komponenten des Geräts in gutem Zustand sind und die Qualität der Kabel. Dazu verbinden wir Generator und Empfänger direkt mit einem Kabel, schalten den Generator ein und messen die Frequenz Antwort. Bei 0 dB erhalten wir eine nahezu flache Kurve. Das bedeutet, dass über den gesamten Frequenzbereich die gesamte abgestrahlte Leistung des Generators den Empfänger erreicht.
Den Generator direkt an den Empfänger anschließen
Fügen wir der Schaltung ein Dämpfungsglied hinzu. Im gesamten Bereich ist eine nahezu gleichmäßige Signaldämpfung von 15 dB sichtbar.
Anschließen des Generators über ein 15-dB-Dämpfungsglied an den Empfänger
Verbinden wir den Generator mit dem OUT-Anschluss des Kopplers und den Empfänger mit dem CPL-Anschluss des Kopplers. Da am IN-Port keine Last angeschlossen ist, muss das gesamte erzeugte Signal reflektiert und ein Teil davon zum Empfänger abgezweigt werden. Laut Datenblatt für unseren Koppler (), beträgt der Kopplungsparameter ~15 dB, was bedeutet, dass wir eine horizontale Linie bei einem Pegel von etwa -30 dB sehen sollten (Kopplung + Dämpfungsdämpfung). Da der Arbeitsbereich des Kopplers jedoch auf 1 GHz begrenzt ist, können alle Messungen oberhalb dieser Frequenz als bedeutungslos angesehen werden. Dies ist in der Grafik deutlich zu erkennen; nach 1 GHz sind die Messwerte chaotisch und bedeutungslos. Daher werden wir alle weiteren Messungen im Arbeitsbereich des Kopplers durchführen.
Anschluss eines Wasserhahns ohne Last. Die Grenze des Arbeitsbereichs des Kopplers ist sichtbar.
Da Messdaten über 1 GHz in unserem Fall keinen Sinn ergeben, beschränken wir die maximale Frequenz des Generators auf die Betriebswerte des Kopplers. Beim Messen erhalten wir eine gerade Linie.
Begrenzung der Generatorreichweite auf den Arbeitsbereich des Kopplers
Um das SWR von Antennen visuell zu messen, müssen wir eine Kalibrierung durchführen, um die aktuellen Parameter der Schaltung (100 % Reflexion) als Referenzpunkt zu nehmen, also null dB. Zu diesem Zweck verfügt das OSA103 Mini-Programm über eine integrierte Kalibrierungsfunktion. Die Kalibrierung erfolgt ohne angeschlossene Antenne (Last), die Kalibrierungsdaten werden in eine Datei geschrieben und anschließend automatisch bei der Erstellung von Diagrammen berücksichtigt.
Frequenzgang-Kalibrierungsfunktion im OSA103 Mini-Programm
Wenn wir die Kalibrierungsergebnisse anwenden und Messungen ohne Last durchführen, erhalten wir eine flache Kurve bei 0 dB.
Diagramm nach der Kalibrierung
Wir vermessen Antennen
Jetzt können Sie mit der Vermessung der Antennen beginnen. Dank der Kalibrierung sehen und messen wir die Reduzierung der Reflexion nach dem Anschließen der Antenne.
Antenne von Aliexpress bei 433 MHz
Antenne mit der Aufschrift 443 MHz. Es ist ersichtlich, dass die Antenne im 446-MHz-Bereich am effizientesten arbeitet, bei dieser Frequenz beträgt das SWR 1.16. Gleichzeitig ist die Leistung bei der angegebenen Frequenz deutlich schlechter, bei 433 MHz liegt das SWR bei 4,2.
Unbekannte Antenne 1
Antenne ohne Markierungen. Der Grafik nach zu urteilen ist es für 800 MHz ausgelegt, vermutlich für das GSM-Band. Fairerweise muss man sagen, dass diese Antenne auch bei 1800 MHz arbeitet, aber aufgrund der Einschränkungen des Kopplers kann ich bei diesen Frequenzen keine gültigen Messungen durchführen.
Unbekannte Antenne 2
Eine weitere Antenne, die schon lange in meinen Kisten herumliegt. Anscheinend auch für den GSM-Bereich, aber besser als der Vorgänger. Bei einer Frequenz von 764 MHz liegt das SWR nahe bei Eins, bei 900 MHz beträgt das SWR 1.4.
Unbekannte Antenne 3
Es sieht aus wie eine Wi-Fi-Antenne, aber aus irgendeinem Grund ist der Anschluss SMA-Stecker und nicht RP-SMA, wie bei allen Wi-Fi-Antennen. Messungen zufolge ist diese Antenne bei Frequenzen bis 1 MHz unbrauchbar. Auch hier wissen wir aufgrund der Einschränkungen des Kopplers nicht, um welche Art von Antenne es sich handelt.
Teleskopantenne
Versuchen wir zu berechnen, wie weit die Teleskopantenne für den 433-MHz-Bereich ausgefahren werden muss. Die Formel zur Berechnung der Wellenlänge lautet: λ = C/f, wobei C die Lichtgeschwindigkeit und f die Frequenz ist.
299.792.458 / 443.000.000 = 0.69719176279
Volle Wellenlänge - 69,24 cm
Halbe Wellenlänge - 34,62 cm
Viertelwellenlänge - 17,31 cm
Die so berechnete Antenne erwies sich als absolut nutzlos. Bei einer Frequenz von 433 MHz beträgt der SWR-Wert 11.
Durch experimentelle Verlängerung der Antenne gelang es mir, bei einer Antennenlänge von ca. 2.8 cm ein minimales SWR von 50 zu erreichen. Es stellte sich heraus, dass die Dicke der Abschnitte von großer Bedeutung ist. Das heißt, wenn nur die dünnen Außenabschnitte verlängert wurden, war das Ergebnis besser als wenn nur die dicken Abschnitte auf die gleiche Länge verlängert wurden. Ich weiß nicht, wie sehr man sich in Zukunft auf diese Berechnungen bei der Länge einer Teleskopantenne verlassen sollte, denn in der Praxis funktionieren sie nicht. Vielleicht funktioniert es bei anderen Antennen oder Frequenzen anders, ich weiß es nicht.
Ein Stück Draht bei 433 MHz
In verschiedenen Geräten, wie zum Beispiel Funkschaltern, sieht man oft ein Stück geraden Draht als Antenne. Ich habe ein Stück Draht abgeschnitten, das einer Viertelwellenlänge von 433 MHz (17,3 cm) entspricht, und das Ende so verzinnt, dass es genau in die SMA-Buchse passt.
Das Ergebnis war seltsam: Ein solcher Draht funktioniert bei 360 MHz gut, ist aber bei 433 MHz unbrauchbar.
Ich fing an, den Draht Stück für Stück vom Ende abzuschneiden und mir die Messwerte anzusehen. Der Abfall im Diagramm begann sich langsam nach rechts in Richtung 433 MHz zu bewegen. Dadurch gelang es mir, auf einer Leitungslänge von ca. 15,5 cm den kleinsten SWR-Wert von 1.8 bei einer Frequenz von 438 MHz zu erreichen. Eine weitere Verkürzung des Kabels führte zu einer Erhöhung des SWR.
Abschluss
Aufgrund der Einschränkungen des Kopplers war es nicht möglich, Antennen in Bändern über 1 GHz zu messen, wie z. B. Wi-Fi-Antennen. Dies wäre möglich gewesen, wenn ich einen Koppler mit höherer Bandbreite gehabt hätte.
Ein Koppler, Verbindungskabel, ein Gerät und sogar ein Laptop sind alle Teile des resultierenden Antennensystems. Ihre Geometrie, Position im Raum und umgebende Objekte beeinflussen das Messergebnis. Nach der Installation auf einem echten Radiosender oder Modem kann sich die Frequenz verschieben, weil Der Körper des Radiosenders, das Modem und der Körper des Betreibers werden Teil der Antenne.
OSA103 Mini ist ein sehr cooles Multifunktionsgerät. Ich bedanke mich beim Entwickler für die Beratung während der Messungen.
Source: habr.com