— ¿Para qué alcance es esta antena?
- No lo sé, compruébalo.
- ¡¿¡¿QUÉ?!?!
¿Cómo puedes determinar qué tipo de antena tienes en tus manos si no tiene ninguna marca? ¿Cómo entender qué antena es mejor o peor? Este problema me ha atormentado durante mucho tiempo.
El artículo describe en un lenguaje sencillo la técnica para medir las características de la antena y el método para determinar el rango de frecuencia de la antena.
Para los ingenieros de radio experimentados, esta información puede parecer trivial y la técnica de medición puede no ser lo suficientemente precisa. El artículo está destinado a aquellos que no entienden nada de radioelectrónica, como yo.
TL; DR Mediremos la ROE de antenas en varias frecuencias utilizando el dispositivo OSA 103 Mini y un acoplador direccional, trazando la dependencia de la ROE de la frecuencia.
Теория
Cuando un transmisor envía una señal a una antena, parte de la energía se irradia al aire y otra parte se refleja y regresa. La relación entre la energía radiada y reflejada se caracteriza por la relación de onda estacionaria (ROE o ROE). Cuanto menor es la ROE, más energía del transmisor se emite en forma de ondas de radio. En SWR = 1 no hay reflexión (toda la energía se irradia). La ROE de una antena real es siempre mayor que 1.
Si envía una señal de diferentes frecuencias a la antena y simultáneamente mide la ROE, puede encontrar a qué frecuencia la reflexión será mínima. Este será el rango operativo de la antena. También puedes comparar diferentes antenas para la misma banda y encontrar cuál es mejor.
Parte de la señal del transmisor se refleja desde la antena.
Una antena diseñada para una determinada frecuencia, en teoría, debería tener la ROE más baja en sus frecuencias de funcionamiento. Esto significa que basta con irradiar hacia la antena a diferentes frecuencias y encontrar en qué frecuencia la reflexión es menor, es decir, la cantidad máxima de energía que se escapa en forma de ondas de radio.
Al poder generar una señal a diferentes frecuencias y medir la reflexión, podemos crear una gráfica con la frecuencia en el eje X y la reflectividad de la señal en el eje Y. Como resultado, donde haya una caída en el gráfico (es decir, la menor reflexión de la señal), habrá un rango operativo de la antena.
Gráfico imaginario de reflexión versus frecuencia. En todo el rango, la reflexión es del 100%, excepto en la frecuencia de funcionamiento de la antena.
Dispositivo Osa103 Mini
Para las medidas usaremos . Este es un dispositivo de medición universal que combina un osciloscopio, un generador de señales, un analizador de espectro, un medidor de respuesta de fase/frecuencia de amplitud, un analizador de antena vectorial, un medidor 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 frecuencia en modo IAFC a 6 GHz. El programa nativo con todas las funciones pesa 3 MB, se ejecuta en Windows y mediante Wine en Linux.
Osa103 Mini: un dispositivo de medición universal para radioaficionados e ingenieros
Acoplador direccional
Un acoplador direccional es un dispositivo que desvía una pequeña porción de una señal de RF que viaja en una dirección específica. En nuestro caso, debe derivar parte de la señal reflejada (que va de la antena al generador) para medirla.
Una explicación visual del funcionamiento de un acoplador direccional:
Principales características del acoplador direccional:
- Frecuencias de funcionamiento - el rango de frecuencias en las que los principales indicadores no superan los límites normales. Mi acoplador está diseñado para frecuencias de 1 a 1000 MHz.
- Rama (acoplamiento) - qué parte de la señal (en decibelios) se eliminará cuando la onda se dirija de ENTRADA a SALIDA
- directividad — cuánta menos señal se eliminará cuando la señal se mueva en la dirección opuesta de OUT a IN
A primera vista esto parece bastante confuso. Para mayor claridad, imaginemos el acoplador como una tubería de agua, con una pequeña salida en su interior. El drenaje se realiza de tal manera que cuando el agua avanza (de ADENTRO a FUERA), se elimina una parte importante del agua. La cantidad de agua que se descarga en esta dirección está determinada por el parámetro Acoplamiento en la hoja de datos del acoplador.
Cuando el agua se mueve en la dirección opuesta, se elimina mucha menos agua. Debe tomarse como efecto secundario. La cantidad de agua que se descarga durante este movimiento está determinada por el parámetro Directividad en la hoja de datos. Cuanto menor sea este parámetro (cuanto mayor sea el valor de dB), mejor para nuestra tarea.
Diagrama esquemático
Como queremos medir el nivel de la señal reflejada por la antena, la conectamos a la entrada del acoplador y el generador a la salida. Así, parte de la señal reflejada por la antena llegará al receptor para su medición.
Diagrama de conexión del grifo. La señal reflejada se envía al receptor.
Configuración de medición
Montemos una configuración para medir la ROE de acuerdo con el diagrama del circuito. A la salida del generador del dispositivo instalaremos adicionalmente un atenuador con una atenuación de 15 dB. Esto mejorará la coincidencia del acoplador con la salida del generador y aumentará la precisión de la medición. El atenuador se puede tomar con una atenuación de 5..15 dB. La cantidad de atenuación se tendrá en cuenta automáticamente durante la calibración posterior.
Un atenuador atenúa la señal en un número fijo de decibeles. La principal característica de un atenuador es el coeficiente de atenuación de la señal y el rango de frecuencia de funcionamiento. En frecuencias fuera del rango operativo, el rendimiento del atenuador puede cambiar de forma impredecible.
Así es como se ve la instalación final. También debes recordar suministrar una señal de frecuencia intermedia (IF) desde el módulo OSA-6G a la placa principal del dispositivo. Para hacer esto, conecte el puerto IF OUTPUT en la placa principal a la ENTRADA en el módulo OSA-6G.
Para reducir el nivel de interferencia de la fuente de alimentación conmutada de la computadora portátil, realizo todas las mediciones cuando la computadora portátil funciona con batería.
Калибровка
Antes de comenzar las mediciones, es necesario asegurarse del buen funcionamiento de todos los componentes del dispositivo y de la calidad de los cables, para ello conectamos el generador y el receptor directamente con un cable, encendemos el generador y medimos la frecuencia. respuesta. Obtenemos una gráfica casi plana a 0dB. Esto significa que en todo el rango de frecuencia toda la potencia radiada del generador llega al receptor.
Conexión del generador directamente al receptor
Agreguemos un atenuador al circuito. En todo el rango se aprecia una atenuación de señal casi uniforme de 15 dB.
Conexión del generador a través de un atenuador de 15dB al receptor
Conectemos el generador al conector OUT del acoplador y el receptor al conector CPL del acoplador. Dado que no hay ninguna carga conectada al puerto IN, toda la señal generada debe reflejarse y parte de ella debe derivarse al receptor. Según la hoja de datos de nuestro acoplador (), el parámetro de acoplamiento es ~15 dB, lo que significa que deberíamos ver una línea horizontal a un nivel de aproximadamente -30 dB (acoplamiento + atenuación del atenuador). Pero como el rango de funcionamiento del acoplador está limitado a 1 GHz, todas las mediciones por encima de esta frecuencia pueden considerarse carentes de sentido. Esto se ve claramente en el gráfico: después de 1 GHz las lecturas son caóticas y sin sentido. Por lo tanto, realizaremos todas las mediciones adicionales en el rango operativo del acoplador.
Conexión de un grifo sin carga. El límite del rango operativo del acoplador es visible.
Dado que los datos de medición por encima de 1 GHz, en nuestro caso, no tienen sentido, limitaremos la frecuencia máxima del generador a los valores de funcionamiento del acoplador. Al medir, obtenemos una línea recta.
Limitar el rango del generador al rango operativo del acoplador
Para poder medir visualmente la ROE de las antenas, necesitamos realizar una calibración para tomar como punto de referencia los parámetros actuales del circuito (100% de reflexión), es decir, cero dB. Para ello, el programa OSA103 Mini tiene una función de calibración incorporada. La calibración se realiza sin una antena conectada (carga), los datos de calibración se escriben en un archivo y posteriormente se tienen en cuenta automáticamente al construir gráficos.
Función de calibración de respuesta de frecuencia en el programa OSA103 Mini
Aplicando los resultados de la calibración y ejecutando mediciones sin carga, obtenemos un gráfico plano a 0dB.
Gráfico después de la calibración
Medimos antenas
Ahora puedes empezar a medir las antenas. Gracias a la calibración veremos y mediremos la reducción de la reflexión tras conectar la antena.
Antena de Aliexpress a 433MHz
Antena marcada 443MHz. Se puede observar que la antena opera de manera más eficiente en el rango de 446MHz, en esta frecuencia la ROE es 1.16. Al mismo tiempo, a la frecuencia declarada el rendimiento es mucho peor, a 433MHz la ROE es 4,2.
Antena desconocida 1
Antena sin marcas. A juzgar por el gráfico, está diseñado para 800 MHz, presumiblemente para la banda GSM. Para ser justos, esta antena también funciona a 1800 MHz, pero debido a las limitaciones del acoplador, no puedo realizar mediciones válidas en estas frecuencias.
Antena desconocida 2
Otra antena que lleva mucho tiempo guardada en mis cajas. Al parecer, también para la gama GSM, pero mejor que el anterior. A una frecuencia de 764 MHz, la ROE está cerca de la unidad, a 900 MHz la ROE es 1.4.
Antena desconocida 3
Parece una antena Wi-Fi, pero por alguna razón el conector es SMA-Macho y no RP-SMA, como todas las antenas Wi-Fi. A juzgar por las mediciones, en frecuencias de hasta 1 MHz esta antena es inútil. Nuevamente, debido a las limitaciones del acoplador, no sabremos qué tipo de antena es.
antena telescópica
Intentemos calcular hasta qué punto es necesario extender la antena telescópica para el rango de 433MHz. La fórmula para calcular la longitud de onda es: λ = C/f, donde C es la velocidad de la luz, 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
Cuarto de longitud de onda - 17,31 cm
La antena así calculada resultó absolutamente inútil. A una frecuencia de 433MHz el valor SWR es 11.
Extendiendo experimentalmente la antena logré alcanzar una ROE mínima de 2.8 con una longitud de antena de unos 50 cm. Resultó que el grosor de las secciones es de gran importancia. Es decir, cuando se extendieron sólo las secciones exteriores delgadas, el resultado fue mejor que cuando se extendieron sólo las secciones gruesas a la misma longitud. No sé hasta qué punto habrá que confiar en estos cálculos para la longitud de una antena telescópica en el futuro, porque en la práctica no funcionan. Quizás funcione diferente con otras antenas o frecuencias, no lo sé.
Un trozo de cable a 433MHz
A menudo, en varios dispositivos, como los interruptores de radio, se puede ver un trozo de cable recto a modo de antena. Corté un trozo de cable equivalente a un cuarto de longitud de onda de 433 MHz (17,3 cm) y estañé el extremo para que encajara perfectamente en el conector SMA hembra.
El resultado fue extraño: un cable así funciona bien a 360 MHz pero es inútil a 433 MHz.
Comencé a cortar el cable del extremo pieza por pieza y a mirar las lecturas. La caída en el gráfico comenzó a moverse lentamente hacia la derecha, hacia 433 MHz. Como resultado, en una longitud de cable de aproximadamente 15,5 cm, logré obtener el valor de ROE más pequeño de 1.8 a una frecuencia de 438 MHz. Un mayor acortamiento del cable provocó un aumento del ROE.
Conclusión
Debido a las limitaciones del acoplador, no fue posible medir antenas en bandas superiores a 1 GHz, como las antenas Wi-Fi. Esto podría haberse hecho si tuviera un acoplador de mayor ancho de banda.
Un acoplador, cables de conexión, un dispositivo e incluso un ordenador portátil forman parte del sistema de antena resultante. Su geometría, posición en el espacio y los objetos circundantes influyen en el resultado de la medición. Después de la instalación en una estación de radio o módem real, la frecuencia puede cambiar, porque el cuerpo de la estación de radio, el módem y el cuerpo del operador pasarán a formar parte de la antena.
OSA103 Mini es un dispositivo multifuncional genial. Expreso mi agradecimiento a su desarrollador por la consulta durante las mediciones.
Fuente: habr.com