— Für welchen Frequenzbereich ist diese Antenne geeignet?
— Ich weiß es nicht, schau nach.
— WAAAS?!?!
Wie kann man feststellen, welche Antenne man in der Hand hält, wenn sie keine Kennzeichnung hat? Wie versteht man, welche Antenne besser oder schlechter ist? Diese Frage beschäftigt mich schon lange.
In dem Artikel wird in einfacher Sprache die Methode zur Messung der Eigenschaften von Antennen und die Bestimmung des Frequenzbereichs der Antenne beschrieben.
Für erfahrene Funktechniker mag diese Information trivial erscheinen und die Methode zur Messung möglicherweise nicht genau genug. Der Artikel richtet sich an diejenigen, die überhaupt nichts über Radioelektronik wissen, 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 die Abhängigkeit des SWR von der Frequenz zeigt.
Theorie
Wenn der Sender ein Signal an die Antenne sendet, wird ein Teil der Energie in die Luft ausgestrahlt, während ein anderer Teil reflektiert wird und zurückkehrt. Das Verhältnis zwischen ausgestrahlter und reflektierter Energie wird durch den Stehwellenverhältnis (SWR) charakterisiert. Je kleiner der SWR, desto größer ist der Teil der Energie, der vom Sender als Radiowellen ausgestrahlt wird. Bei einem SWR von 1 gibt es keine Reflexion (die gesamte Energie wird ausgestrahlt). Der SWR einer realen Antenne liegt immer über 1.
Wenn man ein Signal verschiedener Frequenzen an die Antenne sendet und gleichzeitig den SWR misst, kann man herausfinden, bei welcher Frequenz die Reflexion minimal ist. Dies wird der Betriebsbereich der Antenne sein. Außerdem kann man verschiedene Antennen für denselben Bereich vergleichen und herausfinden, welche am besten ist.
Ein Teil des Sendersignals wird von der Antenne reflektiert.
Eine Antenne, die für eine bestimmte Frequenz ausgelegt ist, sollte theoretisch den niedrigsten SWR in ihren Betriebsfrequenzen aufweisen. Das bedeutet, dass es ausreicht, die Antenne mit verschiedenen Frequenzen zu bestrahlen und herauszufinden, bei welcher Frequenz die Reflexion am niedrigsten ist, d.h. das maximale Energieniveau in Form von Radiowellen abgegeben wird.
Durch die Möglichkeit, Signale bei verschiedenen Frequenzen zu erzeugen und deren Reflexion zu messen, können wir ein Diagramm erstellen, in dem die Frequenz auf der X-Achse und der Reflexionskoeffizient des Signals auf der Y-Achse dargestellt wird. Dort, wo das Diagramm einen Tiefpunkt aufweist (also die geringste Signalreflexion), liegt der Betriebsfrequenzbereich der Antenne.
Das hypothetische Diagramm der Reflexion in Abhängigkeit von der Frequenz. 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, Spektralanalysator, HF-/FCH-Messgerät, Vektor-Antennenanalysator, LC-Messgerät sowie einen SDR-Transceiver vereint. Der Betriebsbereich des OSA103 Mini ist auf 100 MHz beschränkt, während das OSA-6G-Modul den Frequenzbereich im IA-CH-Betrieb auf bis zu 6 GHz erweitert. Die native Software mit allen Funktionen hat eine Größe von 3 MB und läuft unter Windows sowie unter Linux über Wine.
Osa103 Mini – ein universelles Messgerät für Funkamateure und Ingenieure
Gerichteter Abzweiger
Ein gerichteter Entkoppler (Directional Coupler) ist ein Gerät, das einen kleinen Teil des Hochfrequenzsignals, das in eine bestimmte Richtung fließt, abzieht. In unserem Fall soll er einen Teil des reflektierten Signals (das von der Antenne zurück zum Generator fließt) für die Messung abzweigen.
Eine anschauliche Erklärung der Funktionsweise eines gerichteten Entkopplers:
Die Hauptmerkmale eines gerichteten Entkopplers:
- Betriebsfrequenzen — der Frequenzbereich, in dem die Hauptparameter innerhalb der Norm liegen. Mein Entkoppler ist für Frequenzen von 1 bis 1000 MHz ausgelegt.
- Kopplung (Coupling) — welcher Teil des Signals (in Dezibel) abgezweigt wird, wenn die Welle von IN nach OUT gerichtet wird.
- Richtwirkung (Directivity) — wie viel weniger Signal abgezogen wird, wenn das Signal in die entgegengesetzte Richtung von OUT nach IN fließt.
Auf den ersten Blick scheint das ziemlich kompliziert zu sein. Um es anschaulicher zu machen, stellen wir einen Verteiler wie ein Rohr vor, mit einem kleinen Abzweig darin. Der Abzweig ist so gestaltet, dass beim Fließen 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 Verteilers bestimmt.
Wenn das Wasser in umgekehrter Richtung fließt, wird deutlich weniger Wasser abgeleitet. Dies sollte als Nebenerscheinung betrachtet werden. Die Menge an Wasser, die in dieser Bewegung abgeleitet wird, wird durch den Parameter Directivity im Datenblatt definiert. Je kleiner dieser Parameter ist (je höher der dB-Wert), desto besser ist es für unsere Aufgabe.
Schaltschema
Da wir das Signal messen möchten, das von der Antenne reflektiert wird, schließen wir diese an IN des Verteilers an und den Generator an OUT. So gelangt ein Teil des von der Antenne reflektierten Signals zur Messung zum Empfänger.
Anschlussdiagramm des Verteilers. Das reflektierte Signal wird zum Empfänger abgeleitet.
Messanordnung
Wir erstellen die Installation zur Messung des Stehwelleverhältnisses (VSWR) gemäß dem Schaltplan. Am Ausgang des Gerätes wird zusätzlich ein Dämpfer mit 15 dB Dämpfung installiert. Dies verbessert die Anpassung des Abzweigers an den Ausgang des Generators und erhöht die Messgenauigkeit. Der Dämpfer kann mit einer Dämpfung von 5 bis 15 dB ausgewählt werden. Der Dämpfungswert wird während der nachfolgenden Kalibrierung automatisch berücksichtigt.
Der Dämpfer schwächt das Signal um eine feste Anzahl von Dezibel. Die Hauptmerkmale eines Dämpfers sind der Dämpfungsfaktor (Attenuation) des Signals und der Arbeitsfrequenzbereich. Bei Frequenzen außerhalb des Arbeitsbereichs können die Eigenschaften des Dämpfers unvorhersehbar variieren.
So sieht die finale Installation aus. Vergessen Sie nicht, das Signal der Zwischenfrequenz (IF) vom OSA-6G-Modul an die Hauptplatine des Geräts anzuschließen. Dazu verbinden wir den IF OUTPUT-Port auf der Hauptplatine mit dem INPUT des OSA-6G-Moduls.
Um das Rauschen des impulsiven Netzteils des Laptops zu reduzieren, führen ich alle Messungen mit einer Stromversorgung des Laptops über den Akku durch.
Kalibrierung
Vor Beginn der Messungen ist es wichtig, die Funktionsfähigkeit aller Komponenten des Geräts und die Qualität der Kabel zu überprüfen. Dazu verbinden wir den Generator direkt mit dem Empfänger über ein Kabel, schalten den Generator ein und führen die Amplitudenspektrumanalyse durch. Das Ergebnis ist ein nahezu gerader Verlauf bei 0 dB. Das bedeutet, dass die gesamte vom Generator erzeugte Leistung den Empfänger erreicht hat, über den gesamten Frequenzbereich.
Direkte Verbindung des Generators mit dem Empfänger
Wir fügen dem Schaltkreis einen Attenuator hinzu. Es ist ein fast konstantes Signal mit einer Dämpfung von 15 dB über den gesamten Frequenzbereich erkennbar.
Verbindung des Generators über einen 15 dB Attenuator zum Empfänger
Wir verbinden den Generator mit dem OUT-Anschluss des Abzweigers und den Empfänger mit dem CPL-Anschluss des Abzweigers. Da am IN-Anschluss keine Last angeschlossen ist, sollte das gesamte erzeugte Signal reflektiert werden, und ein Teil davon wird an den Empfänger abgezweigt. Entsprechend dem Datenblatt für unseren Abzweiger (), der Coupling-Wert beträgt ~15 dB, was bedeutet, dass wir eine horizontale Linie auf etwa -30 dB (Coupling + Dämpfung des Dämpfers) sehen sollten. Da der Arbeitsbereich des Abzweigers jedoch auf 1 GHz beschränkt ist, können alle Messungen über dieser Frequenz als bedeutungslos angesehen werden. Dies ist deutlich im Diagramm sichtbar; nach 1 GHz sind die Werte chaotisch und nicht sinnvoll. Daher werden wir alle weiteren Messungen im Arbeitsbereich des Abzweigers durchführen.
Anschluss des Abzweigers ohne Last. Der Arbeitsbereich des Abzweigers ist sichtbar.
Da die Messdaten über 1 GHz in unserem Fall keinen Sinn machen, beschränken wir die maximale Frequenz des Generators auf die Arbeitswerte des Abzweigers. Bei den Messungen erhalten wir eine gerade Linie.
Einschränkung des Generatorbereichs auf den Arbeitsbereich des Abzweigers
Um das Stehwellenverhältnis (SWR) von Antennen anschaulich zu messen, müssen wir eine Kalibrierung durchführen, um die aktuellen Parameter des Schaltkreises (100 % Reflexion) als Ausgangspunkt, also Null dB, anzunehmen. Die OSA103 Mini Software verfügt über eine integrierte Kalibrierungsfunktion. Die Kalibrierung erfolgt ohne angeschlossene Antenne (Last), die Kalibrierungsdaten werden in einer Datei gespeichert und später automatisch bei der Erstellung von Grafiken berücksichtigt.
Die Kalibrierungsfunktion der Übertragungscharakteristik in der OSA103 Mini Software
Durch Anwendung der Kalibrierungsergebnisse und Durchführung von Messungen ohne Last erhalten wir eine gerade Kurve bei 0 dB.
Kurve nach der Kalibrierung
Wir messen Antennen
Jetzt können wir mit der Messung der Antennen beginnen. Dank der Kalibrierung werden wir das verringern der Reflexion nach Anschluss der Antenne sehen und messen.
Antenne von Aliexpress für 433 MHz
Antenne mit der Kennzeichnung 443 MHz. Es ist zu sehen, dass die Antenne im Bereich von 446 MHz am effektivsten arbeitet, bei dieser Frequenz beträgt das SWR 1,16. Dagegen sind die Werte bei der angegebenen Frequenz wesentlich schlechter, bei 433 MHz beträgt das SWR 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 gesagt werden, dass diese Antenne auch bei 1800 MHz funktioniert, aber aufgrund der Einschränkungen des Abzweigers kann ich keine genauen Messungen in diesen Frequenzen durchführen.
Unbekannte Antenne 2
Eine weitere Antenne, die schon lange in meinen Kisten liegt. Anscheinend ebenfalls für den GSM-Bereich, aber schon besser als die vorherige. Bei einer Frequenz von 764 MHz liegt der VSWR nahe bei eins, bei 900 MHz beträgt der VSWR 1,4.
Unbekannte Antenne 3
Das scheint eine Wi-Fi-Antenne zu sein, aber der Stecker 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 zu 1 MHz völlig nutzlos. Wiederum erfahren wir aufgrund der Einschränkungen des Abzweigers nicht, um welche Antenne es sich handelt.
Teleskopantenne
Versuchen wir zu berechnen, wie weit die Teleskopantenne für den Bereich von 433 MHz ausgezogen 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
Vollständige Wellenlänge — 69,24 cm
Halbe Wellenlänge — 34,62 cm
Viertel Wellenlänge — 17,31 cm
Die so berechnete Antenne stellte sich als völlig nutzlos heraus. Bei einer Frequenz von 433 MHz beträgt der VSWR 11.
Durch experimentelles Ausfahren der Antenne gelang es mir, einen minimalen Stehwellenverhältnis von 2,8 bei einer Antennenlänge von etwa 50 cm zu erreichen. Dabei stellte sich heraus, dass die Dicke der Sektionen eine große Rolle spielt. Das heißt, bei nur dünn ausgefahrenen äußeren Sektionen war das Ergebnis besser als bei gleichlangen dickeren Sektionen. Ich weiß nicht, inwieweit ich in Zukunft auf diese Berechnungen zur Länge der Teleskopantenne vertrauen kann, denn in der Praxis funktionieren sie nicht. Vielleicht ist das bei anderen Antennen oder Frequenzen anders, ich weiß es nicht.
Ein Drahtstück bei 433MHz
Häufig sieht man in verschiedenen Geräten, wie beispielsweise Funkschaltern, ein Stück geraden Draht als Antenne. Ich habe ein Stück Draht abgeschnitten, das ein Viertel der Wellenlänge von 433 MHz (17,3 cm) entspricht, und das Ende so verzinnt, dass es fest in den SMA Female-Anschluss passt.
Das Ergebnis war seltsam: Dieser Draht funktioniert gut bei 360 MHz, ist aber auf 433 MHz unbrauchbar.
Ich habe begonnen, das Kabel stückweise von hinten abzuschneiden und die Messwerte zu beobachten. Der Rückgang im Diagramm begann langsam nach rechts in Richtung 433 MHz zu wandern. Schließlich gelang es mir, bei einer Kabellänge 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 Begrenzungen des Verteilers war es nicht möglich, Antennen in Frequenzbereichen über 1 GHz, wie etwa WLAN-Antennen, zu messen. Dies wäre möglich gewesen, hätte ich einen breiterbandigen Verteiler gehabt.
Der Verteiler, die Verbindungskabel, das Messgerät und sogar der Laptop sind Teile des entstehenden Antennensystems. Ihre Geometrie, räumliche Anordnung und die umliegenden Objekte beeinflussen das Messergebnis. Nach der Installation an einer realen Funkstation oder einem Modem kann sich die Frequenz verschieben, da das Gehäuse der Funkstation, das Modem und der Körper des Bedieners Teil der Antenne werden.
Der OSA103 Mini ist ein sehr cooles Multifunktionsgerät. Ich danke dem Entwickler für die Unterstützung bei den Messungen.
Quelle: habr.com
