Millisele sagedusele see antenn on? Mõõdame antennide omadusi

— Milline sagedusala on selle antenni jaoks?
— Ei tea, kontrolli.
— KAAAK?!?!

Kuidas määrata, mis antenn sul käes on, kui sellel puudub märgistus? Kuidas aru saada, milline antenn on parem või halvem? See probleem on mind kaua vaevanud.
Artiklis on lihtsate sõnadega kirjeldatud antennide omaduste mõõtmise metoodikat ning kuidas määrata antenni sagedusala.

Kogenud raadioinseneridele võib see teave tunduda banaalne, ja mõõtmise metoodika ebapiisavalt täpne. Artikkel on suunatud neile, kes ei mõista raadioside tehnoloogiat, nagu mina.

TL;DR Mõõdame antennide SWR erinevatel sagedustel OSA 103 Mini seadme ja suunatud jaguri abil, joonistades graafiku SWR sõltuvusest sagedusest.

Teooria

Kui saatja saadab signaali antenni, siis osa energiast kiirgub õhku, osa reflekteeritakse ja naaseb tagasi. Suhe kiirgatud ja peegeldunud energia vahel iseloomustab seisva laine koefitsienti (SWR või KСВ). Mida väiksem on SWR, seda suurem osa saatja energiast kiirgub raadiolainetena. SWR = 1 tähendab, et peegeldusi pole (kogu energia kiirgub). Reaalse antenni SWR on alati suurem kui 1.

Kui antennile saata erineva sagedusega signaali ja mõõta samal ajal VSWR-i, saab leida, millisel sagedusel on peegeldus minimaalne. See on antenni töövahemik. Samuti saab võrrelda erinevaid antenne sama vahemiku jaoks ja leida, milline neist on parem.

Osa saatja signaalist peegeldundub antennilt.

Teatud sagedusele kavandatud antenn peaks teoorias omama kõige madalamat VSWR-i oma tööfrequentidel. See tähendab, et piisab, kui kiirgada antennile erinevaid sagedusi ja leida, millisel sagedusel on peegeldus kõige madalam, st maksimaalne energia lahkub raadiosignaalidena.

Oma võimege genereerida signaali erinevatel sagedustel ja mõõta peegeldust, suudame koostada graafiku, mille X-teljel on sagedus ja Y-teljel signaali peegeldumise koefitsient. Tulemuseks on, et seal, kus graafikus on langus (st minimaalne signaali peegeldus), on antenni töövahemik.

Kujuteldav graafik, mis näitab peegeldumise sõltuvust sagedusest. Kogu vahemikus on peegeldus 100%, välja arvatud antenni töö频率.

Seade Osa103 Mini

Mõõtmiste jaoks kasutame OSA103 Mini. See on universaalne mõõteseade, mis ühendab osillograafi, signaaligeneraatori, spektri analüsaatori, ACH/FCH mõõtja, vektori antenni analüsaatori, LC mõõtja ja isegi SDR-transiivri. OSA103 Mini töövahemik on piiratud 100 MHz, OSA-6G moodul laiendab sagedusvahemikku IAЧХ režiimis kuni 6 GHz. Algne programm koos kõigi funktsioonidega kaalub 3 MB, töötab Windowsis ja Linuxis wine'i kaudu.

Osa103 Mini — universaalne mõõteseade raadiohuvilistele ja inseneridele

Suunatud vastuvõtja

Suunatud vastuvõtja (directional coupler) — seade, mis suunab väikese osa RF-signaalist, mis liigub kindlas suunas. Meie puhul peab see suunama osa peegelduvast signaalist (tuleb antennilt tagasi generaatorisse), et seda mõõta.
Visuaalne selgitus suunatud vastuvõtja tööst: youtube.com/watch?v=iBK9ZIx9YaY

Suunatud vastuvõtja peamised omadused:

• Töö sagedused — sageduste vahemik, mille jooksul peamised näitajad ei ületa normi piire. Minu vastuvõtja on mõeldud sagedustele vahemikus 1 kuni 1000 MHz
• Käitamine (Coupling) — kui palju signaali (detsibelides) suunatakse, kui lainetus liigub IN-ist OUT-i
• Suunatavus (Directivity) — kui palju vähem signaali suunatakse, kui signaal liigub vastupidises suunas OUT-ist IN-i

Esmakordselt paistab see üsna segane. Selguse huvides kujutame jaoturit nagu veetoru, kus sees on väike kõrvalharu. See haru on loodud nii, et kui vesi liigub otse suunas (IN-ist OUT-i), suunatakse oluliselt osa veest. Selle suunamise kogus määratakse jaoturi andmelehe Coupling parameetriga.

Kui vesi liigub vastupidises suunas, suunatakse märgatavalt vähem vett. Seda tuleks käsitada kõrvalnähtusena. Selle liikumise käigus suunatud vee kogus määratakse andmelehe Directivity parameetriga. Mida väiksem on see parameeter (suurem dB väärtus), seda parem on see meie ülesande jaoks.

Põhimõtteline skeem

Kuna soovime mõõta signaali taset, mis peegeldub antennist, ühendame selle vastuvõtja IN-sse ja generaatori OUT-i. Nii jõuab vastuvõtjasse osa antennist peegelduvast signaalist mõõtmiseks.

Jaoturi ühendusskeem. Peegeldunud signaal suunatakse vastuvõtjasse.

Mõõtmisinstallatsioon

Koostame mõõtmisinstallatsiooni KSV mõõtmiseks vastavalt põhimõttelisele skeemile. Generaatori väljundisse paigaldame täiendava 15 dB nõrgesti atenuaatore. See parandab jaoturi sobivust generaatori väljundiga ja tõstab mõõtmise täpsust. Atteenuatorit saab valida 5..15 dB nõrkuse tasemega. Nõrkuse tase arvestatakse automaatselt järgmise kalibreerimise käigus.

Atenuатор nõrgestab signaali kindla arvu detsibelli võrra. Atenuatori peamine omadus on signaali nõrgenemise kordaja (atenuatsioon) ja töö sagedusliin. Töö sagedusliinist väljaspool võivad atenuatori omadused ettearvamatult muutuda.

Nii näeb välja lõplik seade. Samuti ei tohi unustada edastada vahepealse sageduse (VŚ) signaali OSA-6G moodulilt seadme põhikaardile. Selleks ühendame IF OUTPUT pordi põhikaardilt OSA-6G mooduli INPUT-iga.

Kantide vähendamiseks impulsi toiteallikast viin kõik mõõtmised läbi sülearvuti toites akult.

Kalibreerimine

Enne mõõtmiste alustamist tuleb veenduda, et kõik seadme üksused ja kaablite kvaliteet on head, selleks ühendame generaatori ja vastuvõtja kaabliga otse, lülitame generaatori sisse ja teeme ACH mõõtmise. Saame peaaegu tasase graafiku 0dB juures. See tähendab, et kogu sagedusala ulatuses on kogu generaatori kiiritatud võimsus jõudnud vastuvõtjani.

Generaatori ühendamine otse vastuvõtjaga

Lisame skeemile atenuatori. Nähtav peaaegu lineaarne signaali nõrgenemine 15dB ulatuses kogu sagedusala.

Generaatori ühendamine 15dB atenuatori kaudu vastuvõtjaga

Ühendame generaatori OUT jaoturi pesasse ning vastuvõtja CPL jaoturi pesasse. Kuna IN sadamasse ei ole koormust ühendatud, peaks kogu genereeritud signaal peegelduma ning osa selle vastuvõtjale suunatud olema. Vastavalt meie jaoturi andmelehtedele (ZEDC-15-2B), on Coupling parameeter ~15db, seega peaksime nägema horisontaalset joont umbes -30 dB tasemel (coupling + attenuatori kadu). Kuid kuna jaoturi tööulatus on limiteeritud 1 GHz-ini, võib kõiki mõõtmisi üle selle sageduse pidada mõttetuks. See on selgelt näha graafikult, pärast 1 GHz näitajad on kaootilised ja ei oma mõtet. Seetõttu teeme kõik järgnevad mõõtmised jaoturi tööpiirkonnas.

Jaoturi ühendamine ilma koormuseta. Näha jaoturi tööpiirangut.

Kuna andmed mõõtmiste kohta üle 1 GHz ei ole meie puhul mõtet, piirame generaatori maksimaalset sagedust jaoturi tööväärtustega. Mõõtmiste tulemusena saadud on sirge joon.

Generaatori sageduse piiramine jaoturi töövahemikku

Kuidas mõõta antennide VSWR-i, peame kalibreerima, et võtta praegused skeemi parameetrid (100% peegeldus) nullpunktina, s.t. null dB. Selleks on OSA103 Mini programmis sisseehitatud kalibreerimisfunktsioon. Kalibreerimine toimub ilma antenni (koormuse) ühendamata, kalibreerimisandmed salvestatakse faili ja arvestatakse edaspidi automaatselt graafikute koostamisel.

IAЧХ kalibreerimisfunktsioon OSA103 Mini programmis

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

Graafik pärast kalibreerimise sooritamist

Mõõdame antenne

Nüüd on aeg alustada antennide mõõtmist. Tänu kalibreerimisele saame näha ja mõõta peegeldise vähenemist pärast antenni ühendamist.

Aliexpressi antenn 433MHz-l

Antenni tähistamine 443MHz. Näha on, et antenn töötab kõige tõhusamalt 446MHz spektris, millel VSWR on 1.16. Samas on väidetud sagedusel näitajad oluliselt halvemad, 433MHz-l on VSWR 4,2.

Tundmatu antenn 1

Märgistamata antenn. Graafiku järgi on see mõeldud 800 MHz sagedusele, tõenäoliselt GSM-bandaalile. Aususe nimel tuleb öelda, et see antenn töötab ka 1800 MHz sagedusel, kuid jaoturi piirangute tõttu ei saa ma nende sageduste peal täpseid mõõtmisi teha.

Tundmatu antenn 2

Veel üks antenn, mis on mul juba ammu kastides vedelemiseks. Tundub, et ka see on mõeldud GSM-bandaalile, kuid juba parem kui eelmine. Sagedusel 764 MHz on VSWR peaaegu üks, 900 MHz puhul on see 1.4.

Tundmatu antenn 3

See näib olevat Wi-Fi antenn, kuid ühendus on kuidagi SMA-mees, mitte RP-SMA nagu kõigil Wi-Fi antennidel. Mõõtmiste järgi on see antenn kuni 1 MHz sagedustel kasutuks. Jällegi, jaoturi piirangute tõttu ei saa me aru, mis antenn see on.

Telescopiline antenn

Proovime arvutada, kui palju peab telescopiline antenn ulatuma 433 MHz vahemiku jaoks. Ahnestusvalem lainepikkuse jaoks: λ = C/f, kus C on valguse kiirus, f on sagedus.

299.792.458 / 443.000.000 = 0.69719176279

Täispikk laine — 69,24 cm
Pool lainepikkusest — 34,62 cm
Neljandik lainepikkusest — 17,31 cm

Nii arvutatud antenn osutus täiesti kasulikuks. Sagedusel 433 MHz on VSWR — 11.

Katsetades antenni, saavutasin minimaalsete tagasiside suheteks 2.8, kui antenni pikkus oli umbes 50 cm. Selgus, et sektsioonide paksus mängib suurt rolli. Kui alustada vaid õhukeste äärmuslike sektsioonide laiendamisega, oli tulemuseks parem kui ainult paksude sektsioonide laiendamisega sama pikkuseni. Ma ei tea, kui usaldusväärsed need teleskoopantennide pikkuse kalkulatsioonid on, kuna praktikas need ei toimi. Võib-olla toimib see teiste antennide või sagedustega teisiti, ma ei tea.

Juhe 433MHz jaoks

Sageli erinevates seadmetes, nagu raadio lülitites, võib näha juhet, mis on antennina kasutatud. Lõikasin juhe vastavalt 433 MHz lainepikkuse neljandikule (17,3 cm) ja tinutasin otsa, et see tihedalt SMA female otsikusse sobiks.

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


Hakkasin järk-järgult juhet otst ära lõikama ja jälgisin näidikuid. Graafiku langus hakkas aeglaselt liikuma paremale, 433 MHz suunas. Lõpuks, umbes 15,5 cm pikkuse juhega, õnnestus mul saavutada madalaim QSV väärtus 1.8 sagedusel 438 MHz. Edasi lühendamine juhtme pikkust tõi kaasa QSV suurenemise.

Kokkuvõte

Jaguri piirangute tõttu ei õnnestunud mõõta antenne sagedustel üle 1 GHz, näiteks Wi-Fi antenne. Seda oleks saanud teha, kui mul oleks olnud laiem sagedusvahemikuga jagur.

Jagur, ühenduskaablid, seade ja isegi sülearvuti – need on osad valmivast antennisüsteemist. Nende geomeetria, asend ruumis ja ümbritsevad objektid mõjutavad mõõtmistulemust. Pärast paigaldamist reaalsesse raadiosaatjasse või modemisse võib sagedus nihkuda, kuna raadiosaatja korpus, modem ja operaatori keha muutuvad antenni osaks.

OSA103 Mini on väga äge multifunktsionaalne seade. Tänan selle loojaid mõõtmiste tegemise konsultatsioonide eest.

Allikas: habr.com