— ¿Para qué rango es esta antena?
— No lo sé, verifica.
— ¿CÓMO?!?!
¿Cómo determinar qué tipo de antena tienes en la mano si no tiene ninguna etiqueta? ¿Cómo saber cuál antena es mejor o peor? Este problema me ha estado atormentando desde hace tiempo.
En este artículo se describe de manera sencilla la metodología para medir las características de las antenas y cómo determinar el rango de frecuencia de la antena.
Para los ingenieros de radio experimentados, esta información puede parecer trivial, y la metodología de medición puede no ser lo suficientemente precisa. El artículo está dirigido a aquellos que no entienden nada de radioelectrónica, como yo.
TL;DR Vamos a medir el SWR de las antenas a diferentes frecuencias usando el dispositivo OSA 103 Mini y un acoplador direccional, y construiremos un gráfico que muestra la relación entre el SWR y la frecuencia.
Teoría
Cuando el transmisor envía una señal a la antena, parte de la energía se irradia al aire y parte se refleja y regresa. La relación entre la energía irradiada y la reflejada se caracteriza mediante el coeficiente de onda estacionaria (SWR). Cuanto menor es el SWR, mayor es la parte de energía del transmisor que se irradia en forma de ondas de radio. Con un SWR de 1 no hay reflexión (toda la energía es radiada). El SWR de una antena real siempre es mayor que 1.
Si se envía a la antena una señal de diferentes frecuencias y se mide simultáneamente el SWR, se puede encontrar a qué frecuencia la reflexión será mínima. Ese será el rango de trabajo de la antena. También se pueden comparar diferentes antenas para un mismo rango y determinar cuál es mejor.
Parte de la señal del transmisor se refleja en la antena
Una antena diseñada para una frecuencia específica debería, en teoría, tener el menor SWR en sus frecuencias de trabajo. Esto significa que basta con irradiar en la antena con diferentes frecuencias y encontrar a qué frecuencia la reflexión es la menor, es decir, la máxima cantidad de energía se irradia en forma de ondas de radio.
Teniendo la posibilidad de generar señales a diferentes frecuencias y medir la reflexión, podremos construir un gráfico donde el eje X representará la frecuencia y el eje Y el coeficiente de reflexión de la señal. Como resultado, donde el gráfico presente un hundimiento (es decir, la menor reflexión de la señal), ahí estará el rango de trabajo de la antena.
Gráfico imaginario de la dependencia de la reflexión con la frecuencia. En todo el rango, la reflexión es del 100%, excepto en la frecuencia de trabajo de la antena.
Instrumento Osa103 Mini
Para las mediciones utilizaremos . Es un instrumento de medición versátil que combina un osciloscopio, generador de señales, analizador de espectro, medidor de respuesta en frecuencia / fase, analizador de antenas vectoriales, medidor de LC e incluso un transceptor SDR. El rango operativo del OSA103 Mini está limitado a 100 MHz, el módulo OSA-6G amplía el rango de frecuencias en modo de respuesta en frecuencia hasta 6 GHz. El software nativo con todas las funciones pesa 3 MB, funciona en Windows y a través de wine en Linux.
Osa103 Mini es un instrumento de medición versátil para radioaficionados e ingenieros
Divisor de potencia direccional
El divisor de potencia direccional (directional coupler) es un dispositivo que desvía una pequeña parte de la señal de alta frecuencia que va en una dirección determinada. En nuestro caso, debe desvincular parte de la señal reflejada (que va de la antena de regreso al generador) para su medición.
Explicación visual del funcionamiento del divisor de potencia direccional:
Especificaciones clave del divisor de potencia direccional:
- Frecuencias operativas — rango de frecuencias en el que los parámetros principales no exceden los límites normales. Mi divisor está diseñado para frecuencias de 1 a 1000 MHz
- Desviación (Coupling) — qué parte de la señal (en decibeles) será desviada al dirigir la onda de IN a OUT
- Direccionalidad (Directivity) — cuánto menor será la señal desviada al mover la señal en la dirección opuesta de OUT a IN
A primera vista, esto parece bastante confuso. Para mayor claridad, imaginemos el divisor como un tubo de fontanería, con una pequeña salida en su interior. La salida está diseñada de tal manera que, al mover el agua en dirección directa (de IN a OUT), se desvía una parte significativa del agua. La cantidad de agua que se desvía en esta dirección se determina por el parámetro Coupling en la hoja de datos del divisor.
Al mover el agua en la dirección opuesta, se desvía considerablemente menos agua. Esto debe considerarse un fenómeno secundario. La cantidad de agua que se desvía en este movimiento se determina por el parámetro Directivity en la hoja de datos. Cuanto menor sea este parámetro (mayor valor en dB), mejor será para nuestra tarea.
Esquema principal
Como queremos medir el nivel de la señal reflejada por la antena, la conectamos a IN del divisor, y el generador a OUT. De esta manera, una parte de la señal reflejada por la antena llegará al receptor para su medición.
Diagrama de conexión del divisor. La señal reflejada se desvía al receptor.
Instalación de medición
Construiremos la instalación para medir el VSWR de acuerdo con el diagrama esquemático. Al final del generador del dispositivo, también instalaremos un atenuador con una atenuación de 15 dB. Esto mejorará la adaptación del divisor con la salida del generador y aumentará la precisión de la medición. Se puede utilizar un atenuador con atenuación de 5 a 15 dB. El valor de la atenuación se tendrá en cuenta automáticamente en la calibración posterior.
El atenuador disminuye la señal en un número fijo de decibelios. La característica principal del atenuador es su coeficiente de atenuación y el rango de frecuencias de trabajo. Fuera del rango de trabajo, las características del atenuador pueden cambiar de manera impredecible.
Así se ve la instalación final. También es importante no olvidar suministrar la señal de frecuencia intermedia (FI) desde el módulo OSA-6G a la placa principal del dispositivo. Para ello, conectamos el puerto IF OUTPUT en la placa principal con INPUT en el módulo OSA-6G.
Para reducir el nivel de interferencias del fuente de alimentación conmutada del portátil, realizo todas las mediciones con el portátil alimentado por la batería.
Calibración
Antes de comenzar las mediciones, es necesario asegurarse de que todos los componentes del dispositivo estén en buen estado y que los cables sean de calidad. Para ello, conectamos directamente el generador y el receptor mediante un cable, encendemos el generador y realizamos una medición de la respuesta en frecuencia. Obtenemos casi una gráfica uniforme a 0dB. Esto significa que en todo el rango de frecuencias, toda la potencia radiada del generador llegó al receptor.
Conexión del generador directamente al receptor
Agregaremos un atenuador al diagrama. Se observa una atenuación casi uniforme de 15dB en todo el rango.
Conexión del generador a través de un atenuador de 15dB al receptor
Conectaremos el generador al conector OUT del divisor y el receptor al CPL del divisor. Como no hay carga conectada al puerto IN, toda la señal generada debería reflejarse y parte desviarse al receptor. Según la hoja de datos de nuestro divisor (), el parámetro de acoplamiento es aproximadamente ~15db, lo que significa que deberíamos ver una línea horizontal alrededor de -30 dB (acoplamiento + atenuación del atenuador). Pero como el rango de trabajo del divisor está limitado a 1 GHz, todas las mediciones por encima de esta frecuencia se pueden considerar sin sentido. Esto se observa claramente en el gráfico, después de 1 GHz las lecturas son caóticas y sin sentido. Por lo tanto, todas las mediciones posteriores se realizarán en el rango operativo del divisor.
Conexión del divisor sin carga. Se ve el límite del rango operativo del divisor.
Dado que los datos de las mediciones por encima de 1 GHz, en nuestro caso, no tienen sentido, limitaremos la frecuencia máxima del generador a los valores operativos del divisor. En las mediciones obtenemos una línea recta.
Limitación del rango del generador al rango operativo del divisor
Para medir visualmente la relación de ondas estacionarias (KSV) de las antenas, necesitamos realizar una calibración, para tomar los parámetros actuales del circuito (100% de reflexión) como punto de referencia, es decir, cero dB. Para esto, el software OSA103 Mini tiene una función de calibración incorporada. La calibración se realiza sin una antena conectada (carga), los datos de calibración se registran en un archivo y se tendrán en cuenta automáticamente al crear gráficos.
Función de calibración de la IA-CH en el software OSA103 Mini
Aplicando los resultados de la calibración y ejecutando mediciones sin carga, obtenemos un gráfico plano en 0dB.
Gráfico después de realizar la calibración
Midiendo antenas
Ahora podemos proceder a medir las antenas. Gracias a la calibración, podremos ver y medir la reducción de la reflexión después de conectar la antena.
Antena de Aliexpress a 433MHz
Antena con la marca 443MHz. Se puede ver que la antena funciona de manera más efectiva en el rango de 446MHz, a esta frecuencia la KSV es de 1.16. Sin embargo, a la frecuencia declarada, los resultados son significativamente peores, a 433MHz la KSV es de 4.2.
Antena desconocida 1
Antena sin marcar. Según el gráfico, está diseñada para 800 MHz, presumiblemente para el rango GSM. Cabe señalar que esta antena también funciona a 1800 MHz, pero debido a las restricciones del divisor, no puedo realizar mediciones adecuadas a estas frecuencias.
Antena desconocida 2
Otra antena que ha estado guardada en mis cajas por un tiempo. Al parecer, también es para el rango GSM, pero ya es mejor que la anterior. A 764 MHz, la KSV está cerca de uno, a 900 MHz la KSV es de 1.4.
Antena desconocida 3
Esto parece una antena Wi-Fi, pero el conector es inexplicablemente SMA-Male y no RP-SMA como en todas las antenas Wi-Fi. Según las mediciones, esta antena es inútil en frecuencias de hasta 1 MHz. De nuevo, debido a las limitaciones del divisor, no sabremos qué tipo de antena es.
Antena telescópica
Intentaremos calcular cuánto debe extenderse la antena telescópica para el rango de 433 MHz. La fórmula para calcular la longitud de onda es: λ = C/f, donde C es la velocidad de la luz y f es la frecuencia.
299.792.458 / 443.000.000 = 0.69719176279
Longitud de onda completa — 69,24 cm
Media longitud de onda — 34,62 cm
Un cuarto de longitud de onda — 17,31 cm
La antena calculada de esta manera resultó ser absolutamente inútil. A la frecuencia de 433 MHz, el valor de SWR es 11.
Experimentando con la extensión de la antena, logré alcanzar un SWR mínimo de 2.8 con una longitud de antena de aproximadamente 50 cm. Resultó que el grosor de las secciones tiene un gran impacto. Es decir, al extender solo las secciones exteriores delgadas, el resultado fue mejor que al extender solo secciones gruesas a la misma longitud. No sé cuán válido será confiar en estos cálculos de longitud de la antena telescópica en el futuro, porque en la práctica no funcionan. Tal vez con otras antenas o frecuencias funcione de manera diferente, no lo sé.
Trozo de cable a 433 MHz
A menudo se puede ver un trozo de cable recto como antena en varios dispositivos, como interruptores de radio. Corté un trozo de cable igual a un cuarto de longitud de onda de 433 MHz (17,3 cm) y estaqué el extremo para que se ajustara bien en el conector SMA Female.
El resultado fue extraño: este cable funciona bastante bien a 360 MHz pero es inútil a 433 MHz.
Empecé a recortar el cable poco a poco desde el extremo y a observar las lecturas. La caída en el gráfico comenzó a desplazarse lentamente hacia la derecha, hacia 433 MHz. Al final, con una longitud de cable de aproximadamente 15,5 cm, logré obtener un SWR mínimo de 1.8 a una frecuencia de 438 MHz. Continuar acortando el cable llevó a un aumento del SWR.
Conclusión
Debido a las limitaciones del divisor, no pude medir antenas en rangos superiores a 1 GHz, como las antenas Wi-Fi. Esto podría haberse hecho si tuviera un divisor de banda ancha.
El divisor, los cables de conexión, el dispositivo e incluso el portátil son partes del sistema de antena resultante. Su geometría, posición en el espacio y los objetos circundantes influyen en el resultado de la medición. Después de instalarse en una estación de radio real o en un módem, la frecuencia puede desplazarse, ya que el cuerpo de la estación de radio, el módem y el cuerpo del operador se convertirán en parte de la antena.
El OSA103 Mini es un dispositivo multifuncional muy impresionante. Agradezco a su desarrollador por la consulta durante la realización de las mediciones.
Fuente: habr.com
