Kelle jaoks on see antenn? Mõõdame antennide omadusi

— Milline sagedusala on sellel antennil?
— Ei tea, kontrolli.
— KAAAK?!?!

Kuidas määrata, mis antenn sul käes on, kui sellel pole märgistust? Kuidas aru saada, milline antenn on parem või halvem? See probleem on mind kaua vaevanud.
Artiklis on lihtsas keeles kirjeldatud antuiteede omaduste mõõtmise metoodikat ja antenni sagedusala määramise meetodit.

Kogenud raadiotehnika inseneridele võib see teave tunduda banaalne ning mõõtmismetoodika — ebapiisavalt täpne. Artikkel on suunatud neile, kes ei tea elektriraadiotehnikast midagi, nagu mina.

TL;DR Me mõõdame antennide SWR erinevatel sagedustel seadme OSA 103 Mini ja suunatud jaoturi abil, ehitame graafiku SWR ja sageduse suhte kohta.

Teooria

Kui saatja saadab signaali antenni, siis osa energiast kiirgub õhku ning osa peegelduv ja naaseb tagasi. Suhe kiirgava ja peegelduse vahel iseloomustatakse seisva laine koefitsiendiga (SWR). Mida väiksem on SWR, seda suurem osa saatja energiast kiirgub raadiolaineid. SWR = 1 tähendab, et peegeldust ei ole (kogu energia kiirgub välja). Reaalsete antennide SWR on alati suurem kui 1.

Kui saat võimalikult mitme sagedusega antenni signaali ja mõõdad samal ajal SWR-i, saad teada, millisel sagedusel peegeldus on minimaalne. See on antenni tööala. Samuti saab võrrelda erinevaid antenne ühe sagedusalaga ja leida, milline neist on parem.

Osa saatja signaalist peegeldub antennist tagasi.

Teatud sagedusele loodud antenn peaks teoorias olema oma tööaladel minimaalsete SWR-iga. Seega piisab, kui edastada antenni erinevaid sagedusi ja leida, millisel sagedusel on peegeldus minimaalne, st maksimaalne energia kiirgub raadiolaine vormis.

Kuna saame genereerida signaali erinevatel sagedustel ja mõõta peegeldust, saame graafiku, millel X-teljel on sagedus ja Y-teljel signaali peegelduskoefitsient. Tulemuseks on, et seal, kus graafikus on langus (st madalaim signaali peegeldus), on antenni tööala.

Kujuteldav graafik peegeldumise ja sageduse sõltuvusest. Kogu sageduste alal on peegeldus 100%, välja arvatud antenni töö sagedus.

Seade OSA103 Mini

Mõõdetamiseks kasutame OSA103 Mini. See on universaalne mõõteseade, mis ühendab endas osillograafi, signaaligeneraatori, spektrianalüsaatori, ACHF/FCH mõõdiku, vektoriantennianalüsaatori, LC-mõõdiku ja isegi SDR-transiiveri. OSA103 Mini tööpiirkond on piiratud 100 MHz-ga, OSA-6G moodul laiendab sagedusala IACHF režiimis kuni 6 GHz. Native programm koos kõigi funktsioonidega kaalub 3 MB, töötab Windowsis ja Linuxis läbi wine.

Osa103 Mini — universaalne mõõteseade raadiotehnika entusiastidele ja inseneridele

Suunatud jagaja

Suunatud jagaja (directional coupler) on seade, mis suunab väikese osa RF-signaalist, mis liigub kindlas suunas. Meie puhul peaks see suunama osa peegelduvast signaalist (mis liigub antennilt tagasi generaatorisse) selle mõõtmiseks.
Visuaalne seletus suunatud jagaja toimimisest: youtube.com/watch?v=iBK9ZIx9YaY

Suunatud jagaja peamised omadused:

• Töö sagedused — sagedusala, milles peamised parameetrid ei ületa normi piire. Minu jagaja on projekteeritud sagedustele vahemikus 1 kuni 1000 MHz
• Jagamine (Coupling) — kui suur osa signaalist (detsibelides) suunatakse välja, kui laine liigub IN-ist OUT-i
• Suunatus (Directivity) — kui vähem signaali suunatakse tagasi, kui signaal liigub vastupidises suunas OUT-ist IN-i

Esmapilgul näib see olevat piisavalt keeruline. Selguse huvides kujutage jagajat ette nagu veetorustikku, mille sees on väike haru. Haru on tehtud selliselt, et kui vesi liigub sirgjooneliselt (IN-ist OUT-i), suunatakse märkimisväärne osa veest välja. Vee hulk, mis suunatakse välja sellel suunal, määratakse jagaja andmelehe Coupling parameetriga.

Kui vesi liigub vastupidises suunas, suunatakse palju vähem vett. Seda tuleks käsitleda kõrvalnähtusena. Vee hulk, mis suunatakse välja sellel suunal, määratakse andmelehe Directivity parameetriga. Mida väiksem on see parameeter (suurem dB väärtus), seda parem meie ülesande jaoks.

Põhimõtteline skeem

Kuna soovime mõõta signaali taset, mis peegelduvad antennilt, ühendame selle IN kaudu jagajasse ja generaatori OUT-iga. Nii jõuab vastuvõtjani osa peegelduvast signaalist antennilt mõõtmiseks.

Jaotustruktuuri ühendus. Peegeldunud signaal suunatakse vastuvõtjale

Mõõtmisseade

Kogume mõõtmisseade, et mõõta SWR vastavalt skeemile. Generaatori väljundisse paigaldame täiendava 15 dB nõrgenduse. See parandab jaoturi kokkusobivust generaatori väljundiga ja suurendab mõõtmise täpsust. Nõrgendust võib valida vahemikus 5–15 dB. Nõrgenduse väärtus arvestatakse automaatselt järgmise kalibreerimise käigus.

Nõrgendus nõrgendab signaali kindla arvu detsibellide võrra. Nõrgendi peamine omadus on signaali nõrgenduse koefitsient ja töö sagedusala. Töö sagedusalast väljas võivad nõrgendi omadused muutuda ettearvamatuks.

Nii näeb välja lõplik seade. Peame samuti meeles pidama, et anda vahe-sagedus (IF) signaal modulaatorilt OSA-6G põhiseadmest. Selle jaoks ühendame peamise plaadi IF OUTPUT pordi OSA-6G modulaatori INPUT-iga.

Et vähendada häireid sülearvuti impulssavi toiteallikast, viin kõik mõõtmised läbi sülearvuti aku toitele.

Kalibreerimine

Enne mõõtmiste alustamist tuleb veenduda, et kõik seadme osad ja kaablid on korras, selleks ühendame generaatori ja vastuvõtja kaabli kaudu otse, lülitame generaatori sisse ja teeme ACH mõõtmise. Saame peaaegu tasase graafiku 0dB juures. See tähendab, et kogu genereeritud võimsus jõudis kogu sagedusvahemikus vastuvõtjani.

Generaatori otseühendus vastuvõtjaga

Lisame skeemi nõrgendi. Näha on peaaegu tasane signaali nõrgenemine 15dB kogu sagedusvahemikus.

Generaatori ühendamine 15dB nõrgendi kaudu vastuvõtjaga

Ühendame generaatori jaoturi OUT pesaga ning vastuvõtja CPL pesaga. Kuna porti IN ei ole koormust ühendatud, peaks kogu genereeritud signaal peegelduma ja osa jaotuma vastuvõtjale. Vastavalt meie jaoturi andmelehele (ZEDC-15-2B), parameeter Coupling on ~15db, seega peaksime nägema horisontaalset joont umbes -30 dB tasemel (coupling + attenuatori kadumine). Kuid kuna jaoturi tööpiirkond on piiratud 1 GHz-ga, võib kõik mõõtmised üle selle sageduse pidada mõttetuks. See on selgelt nähtav graafikul, pärast 1 GHz-d on näidud kaootilised ja mõttetud. Seetõttu viibime kõik edasised mõõtmised jaoturi tööpiirkonnas.

Jaoturi ühendamine koormuseta. Näha jaoturi tööpiirkonna piiri.

Kuna mõõtmise andmed üle 1 GHz, meie puhul, ei ole mõttekad, piirame generaatori maksimaalset sagedust jaoturi tööväärtustega. Mõõtmisel saame ühtlase joone.

Genaatori tööpiirkonna piiramise jaoturi tööpiirkonnaga

Kuna antennide VSWR-i tõhusalt mõõtmiseks peame kalibreerima, et võtta hetke skeemi parameetrid (100% peegeldus) aluseks, st null dB. Selleks on OSA103 Mini programmis sisseehitatud kalibreerimise funktsioon. Kalibreerimine toimub ilma antenni (koormuse) ühendamata, kalibreerimise andmed salvestatakse faili ja hiljem arvestatakse need automaatselt graafikute koostamisel.

IAЧH-i kalibreerimise funktsioon OSA103 Mini programmis

Rakendades kalibreerimise tulemusi ja alustades mõõtmisi koormuseta, saame ühtlase graafiku 0dB-l.

Graafik pärast kalibreerimise tegemist

Mõõdame antenne

Nüüd saab alustada antennide mõõtmist. Kalibreerimise tõttu näeme ja mõõdame peegeldumise vähenemist pärast antenni ühendamist.

Antenni Aliexpressilt 433MHz

Antenni märgistusega 443MHz. Nagu selgub, töötab antenn tõhusamalt 446MHz ulatuses, sellel sagedusel on VSWR 1.16. Samal ajal on deklaratsioonitud sagedusel näitajad oluliselt halvemad, 433MHz-l on VSWR 4.2.

Tundmatu antenn 1

Märgistamata antenn. Graafiku põhjal on see välja töötatud 800 MHz jaoks, tõenäoliselt GSM-haru jaoks. Tõele au andes tuleb märkida, et see antenn töötab ka 1800 MHz-l, kuid jaoturi piirangute tõttu ei saa ma nende sageduste osas korrektseid mõõtmisi teha.

Tundmatu antenn 2

Veel üks antenn, mis on juba pikka aega mu kastides. Ilmselt on see samuti GSM-haru jaoks, kuid juba parem kui eelmine. 764 MHz-l on VSWR peaaegu ühtlane, 900 MHz-l on VSWR 1.4.

Tundmatu antenn 3

See sarnaneb Wi-Fi antenniga, kuid pistik on kummalisel kombel SMA-Mees, mitte RP-SMA nagu kõigil Wi-Fi antennidel. Mõõtmiste põhjal on see antenn sagedustel kuni 1 MHz kasutu. Taaskord, jagaja piirangute tõttu ei tea me, mis antenn see tegelikult on.

Teleskoopantenni

Proovime arvutada, kui palju tuleb teleskoopantenni välja tõsta sagedusvahemikus 433MHz. Lainetuse pikkuse arvutamise valem: λ = C/f, kus C — valguse kiirus, f — sagedus.

299.792.458 / 443.000.000 = 0.69719176279

Täispikk lainetus — 69,24 cm
Pool lainetuse pikkusest — 34,62 cm
Neljandik lainetuse pikkusest — 17,31 cm

Selliselt arvutatud antenn osutus täiesti kasutuks. 433MHz sagedusel oli VSWR väärtus — 11.

Eksperimentaalselt antenni välja tõstes õnnestus mul saavutada minimaalne VSWR 2.8 antenni pikkusega umbes 50 cm. Selgus, et sectionite paksusel on suur tähtsus. See tähendab, et kui tõsta ainult õhukeste äärmuslike sektsioonide pikkust, oli tulemus parem kui sama pikkuse saavutamisel ainult paksude sektsioonidega. Ei tea, kuivõrd on edaspidi mõistlik toetuda nende teleskoopantenni pikkuse kalkulatsioonide peale, sest praktiliselt nad ei toimi. Võib-olla muude antennide või sagedustega toimib see teisiti, ei tea.

Tükk traati sagedusel 433MHz

Sageli erinevates seadmetes, nagu raadiosüsteemides, võib näha sirget traati antennina. Lõikasin osa traati, mis oli võrdeliselt neljanda lainetuse pikkusega 433 MHz (17,3 cm), ja tinutasin otsa nii, et see sobiks tihedalt SMA Emane pesasse.

Tulemus oli kummaline: selline juhe töötab hästi 360 MHz, kuid on kasutu 433 MHz.


Alustasin juhtme kärpimist ja jälgisin näitajaid. Graafiku põhjad hakkasid aeglaselt nihkuma paremale, 433 MHz suunas. Lõpuks, juhtme pikkusega umbes 15,5 cm õnnestus mul saavutada madalaim VSWR väärtus 1.8 sagedusel 438 MHz. Edasi kärpimine põhjustas VSWR kasvu.

Kokkuvõte

Jagaja piirangute tõttu ei õnnestunud mõõta antenne sageduste vahemikus üle 1 GHz, näiteks Wi-Fi antenne. Seda oleks saanud teha, kui mul oleks olnud laiem sokli jagaja.

Jaotur, ühenduskaablid, seade ja isegi sülearvuti – need on saanud antennisüsteemi osad. Nende geomeetria, asukoht ruumis ja ümbritsevad esemed mõjutavad mõõtmise tulemust. Pärast paigaldamist reaalsesse raadioteenusesse või moodulisse võib sagedus nihkuda, kuna raadiojaama korpus, mooduli korpus ja operaatori keha muutuvad antenni osaks.

OSA103 Mini on väga muljetavaldav mitmeotstarbeline seade. Täname tema arendajat nõuande eest mõõtmiste läbiviimisel.

Allikas: habr.com