این آنتن برای چه باندی است؟ ما مشخصات آنتن را اندازه گیری می کنیم

- این آنتن برای چه بردی است؟
-نمیدونم چک کن
- چی؟!؟!

اگر هیچ علامتی روی آن نباشد، چگونه می توانید تعیین کنید که چه نوع آنتنی در دست دارید؟ چگونه بفهمیم کدام آنتن بهتر یا بدتر است؟ این مشکل مدت زیادی است که مرا آزار می دهد.
این مقاله به زبان ساده تکنیک اندازه گیری مشخصات آنتن و روش تعیین محدوده فرکانس آنتن را شرح می دهد.

برای مهندسان رادیویی با تجربه، این اطلاعات ممکن است بی اهمیت به نظر برسد و تکنیک اندازه گیری ممکن است به اندازه کافی دقیق نباشد. این مقاله برای کسانی است که مانند من اصلاً چیزی از الکترونیک رادیویی نمی دانند.

TL؛ DR ما SWR آنتن ها را در فرکانس های مختلف با استفاده از دستگاه OSA 103 Mini و یک جفت کننده جهت اندازه گیری می کنیم و وابستگی SWR به فرکانس را ترسیم می کنیم.

Теория

هنگامی که یک فرستنده سیگنالی را به آنتن می فرستد، مقداری از انرژی به هوا تابیده می شود و مقداری منعکس شده و به عقب باز می گردد. رابطه بین انرژی تابشی و منعکس شده با نسبت موج ایستاده (SWR یا SWR) مشخص می شود. هر چه SWR کمتر باشد، انرژی بیشتری از فرستنده به صورت امواج رادیویی ساطع می شود. در SWR = 1 هیچ بازتابی وجود ندارد (تمام انرژی تابش می شود). SWR یک آنتن واقعی همیشه بزرگتر از 1 است.

اگر سیگنالی با فرکانس های مختلف به آنتن بفرستید و همزمان SWR را اندازه گیری کنید، می توانید دریابید که بازتاب در چه فرکانسی حداقل خواهد بود. این محدوده عملکرد آنتن خواهد بود. همچنین می توانید آنتن های مختلف را برای یک باند مقایسه کنید و ببینید کدام یک بهتر است.

بخشی از سیگنال فرستنده از آنتن منعکس می شود

آنتنی که برای فرکانس مشخصی طراحی شده است، در تئوری باید کمترین SWR را در فرکانس های کاری خود داشته باشد. این بدان معنی است که کافی است در فرکانس های مختلف به داخل آنتن تابیده شود و دریابید که بازتاب در کدام فرکانس کمترین است، یعنی حداکثر مقدار انرژی که به شکل امواج رادیویی فرار می کند.

با توانایی تولید سیگنال در فرکانس های مختلف و اندازه گیری انعکاس، می توانیم نموداری با فرکانس در محور X و بازتاب سیگنال در محور Y ایجاد کنیم. در نتیجه، در جایی که نمودار افت داشته باشد (یعنی کمترین انعکاس سیگنال)، محدوده کاری آنتن وجود خواهد داشت.

نمودار خیالی بازتاب در مقابل فرکانس. انعکاس 100% در کل محدوده به جز فرکانس کاری آنتن است.

دستگاه Osa103 Mini

برای اندازه گیری استفاده خواهیم کرد OSA103 Mini. این یک دستگاه اندازه گیری جهانی است که یک اسیلوسکوپ، یک مولد سیگنال، یک تحلیلگر طیف، یک پاسخ سنج پاسخ فرکانس دامنه/فاز، یک آنالایزر آنتن برداری، یک متر LC و حتی یک فرستنده گیرنده SDR را ترکیب می کند. محدوده عملکرد OSA103 Mini به 100 مگاهرتز محدود شده است، ماژول OSA-6G محدوده فرکانس را در حالت IAFC به 6 گیگاهرتز افزایش می دهد. برنامه بومی با تمام عملکردها 3 مگابایت وزن دارد، در ویندوز و از طریق wine در لینوکس اجرا می شود.

Osa103 Mini - یک دستگاه اندازه گیری جهانی برای آماتورها و مهندسان رادیویی

کوپلر جهت دار

کوپلر جهتی وسیله ای است که بخش کوچکی از سیگنال RF را که در یک جهت خاص حرکت می کند منحرف می کند. در مورد ما، باید بخشی از سیگنال منعکس شده (از آنتن به ژنراتور برگردد) منشعب شود تا آن را اندازه گیری کند.
توضیح تصویری از عملکرد کوپلر جهت دار: youtube.com/watch?v=iBK9ZIx9YaY

ویژگی های اصلی کوپلر جهت:

• فرکانس های عملیاتی - محدوده فرکانس هایی که در آن شاخص های اصلی از حد نرمال تجاوز نمی کنند. کوپلر من برای فرکانس های 1 تا 1000 مگاهرتز طراحی شده است
• شاخه (کوپلینگ) - وقتی موج از داخل به خارج هدایت می شود، چه بخشی از سیگنال (بر حسب دسی بل) حذف می شود.
• جهت دهی - وقتی سیگنال در جهت مخالف از OUT به IN حرکت می کند، چقدر سیگنال کمتری حذف می شود

در نگاه اول این کاملا گیج کننده به نظر می رسد. برای وضوح، بیایید کوپلر را به عنوان یک لوله آب با یک خروجی کوچک در داخل تصور کنیم. زهکشی به گونه ای انجام می شود که با حرکت آب در جهت جلو (از IN به OUT) قسمت قابل توجهی از آب خارج می شود. مقدار آبی که در این جهت تخلیه می شود توسط پارامتر Coupling در دیتاشیت کوپلر تعیین می شود.

هنگامی که آب در جهت مخالف حرکت می کند، به میزان قابل توجهی آب کمتری حذف می شود. باید به عنوان یک عارضه جانبی مصرف شود. مقدار آبی که در طول این حرکت تخلیه می شود توسط پارامتر Directivity در دیتاشیت تعیین می شود. هرچه این پارامتر کوچکتر باشد (مقدار dB بزرگتر)، برای وظیفه ما بهتر است.

نمودار شماتیک

از آنجایی که می خواهیم سطح سیگنال منعکس شده از آنتن را اندازه گیری کنیم، آن را به IN کوپلر و ژنراتور را به OUT وصل می کنیم. بنابراین، بخشی از سیگنال منعکس شده از آنتن برای اندازه گیری به گیرنده می رسد.

نمودار اتصال برای شیر. سیگنال منعکس شده به گیرنده ارسال می شود

تنظیم اندازه گیری

بیایید یک تنظیم برای اندازه گیری SWR مطابق با نمودار مدار جمع آوری کنیم. در خروجی ژنراتور دستگاه، یک تضعیف کننده با تضعیف 15 دسی بل را نیز نصب خواهیم کرد. این باعث بهبود تطابق کوپلر با خروجی ژنراتور و افزایش دقت اندازه گیری می شود. تضعیف کننده را می توان با تضعیف 5..15 دسی بل گرفت. مقدار میرایی به طور خودکار در طول کالیبراسیون بعدی در نظر گرفته می شود.

یک تضعیف کننده سیگنال را با تعداد ثابتی دسی بل تضعیف می کند. مشخصه اصلی یک تضعیف کننده ضریب تضعیف سیگنال و محدوده فرکانس کاری است. در فرکانس های خارج از محدوده عملیاتی، عملکرد تضعیف کننده ممکن است به طور غیر قابل پیش بینی تغییر کند.

این همان چیزی است که نصب نهایی به نظر می رسد. همچنین باید به خاطر داشته باشید که سیگنال فرکانس متوسط ​​(IF) را از ماژول OSA-6G به برد اصلی دستگاه بدهید. برای این کار، پورت IF OUTPUT روی برد اصلی را به INPUT ماژول OSA-6G متصل کنید.

برای کاهش سطح تداخل منبع تغذیه سوئیچینگ لپ‌تاپ، وقتی لپ‌تاپ از باتری تغذیه می‌شود، تمام اندازه‌گیری‌ها را انجام می‌دهم.

کالیبراسیون

قبل از شروع اندازه گیری، باید از سالم بودن همه اجزای دستگاه و کیفیت کابل ها مطمئن شوید؛ برای این کار، ژنراتور و گیرنده را مستقیماً با کابل وصل می کنیم، ژنراتور را روشن کرده و فرکانس را اندازه گیری می کنیم. واکنش. ما یک نمودار تقریباً مسطح در 0dB دریافت می کنیم. این بدان معنی است که در کل محدوده فرکانس، تمام توان تابشی ژنراتور به گیرنده می رسد.

اتصال ژنراتور به طور مستقیم به گیرنده

بیایید یک تضعیف کننده به مدار اضافه کنیم. تضعیف سیگنال تقریباً یکنواخت 15 دسی بل در کل محدوده قابل مشاهده است.

اتصال ژنراتور از طریق یک تضعیف کننده 15 دسی بل به گیرنده

بیایید ژنراتور را به کانکتور OUT کوپلر و گیرنده را به کانکتور CPL کوپلر وصل کنیم. از آنجایی که هیچ باری به پورت IN متصل نیست، تمام سیگنال تولید شده باید منعکس شود و بخشی از آن باید به گیرنده منشعب شود. با توجه به برگه داده برای کوپلر ما (ZEDC-15-2B، پارامتر Coupling ~15db است، به این معنی که باید یک خط افقی را در سطحی در حدود 30- دسی بل ببینیم (کوپلینگ + تضعیف کننده). اما از آنجایی که محدوده عملکرد کوپلر به 1 گیگاهرتز محدود شده است، تمام اندازه گیری های بالاتر از این فرکانس را می توان بی معنی دانست. این به وضوح در نمودار قابل مشاهده است؛ پس از 1 گیگاهرتز خوانش ها آشفته و بی معنی هستند. بنابراین، ما تمام اندازه گیری های بعدی را در محدوده عملکرد کوپلر انجام خواهیم داد.

اتصال شیر بدون بار. حد محدوده عملکرد کوپلر قابل مشاهده است.

از آنجایی که داده های اندازه گیری بالاتر از 1 گیگاهرتز، در مورد ما، منطقی نیست، حداکثر فرکانس ژنراتور را به مقادیر عملیاتی کوپلر محدود می کنیم. هنگام اندازه گیری، یک خط مستقیم به دست می آوریم.

محدود کردن محدوده ژنراتور به محدوده عملکرد کوپلر

برای اندازه گیری بصری SWR آنتن ها، باید یک کالیبراسیون انجام دهیم تا پارامترهای جریان مدار (100% انعکاس) را به عنوان نقطه مرجع، یعنی صفر دسی بل، در نظر بگیریم. برای این منظور، برنامه OSA103 Mini دارای یک عملکرد کالیبراسیون داخلی است. کالیبراسیون بدون آنتن متصل (بار) انجام می شود، داده های کالیبراسیون در یک فایل نوشته می شود و متعاقباً به طور خودکار هنگام ساخت نمودارها در نظر گرفته می شود.

عملکرد کالیبراسیون پاسخ فرکانس در برنامه OSA103 Mini

با اعمال نتایج کالیبراسیون و انجام اندازه‌گیری‌ها بدون بار، یک نمودار مسطح در 0dB دریافت می‌کنیم.

نمودار بعد از کالیبراسیون

ما آنتن ها را اندازه گیری می کنیم

اکنون می توانید اندازه گیری آنتن ها را شروع کنید. به لطف کالیبراسیون، کاهش انعکاس پس از اتصال آنتن را مشاهده و اندازه گیری خواهیم کرد.

آنتن از Aliexpress در 433 مگاهرتز

آنتن با 443 مگاهرتز مشخص شده است. مشاهده می شود که آنتن در محدوده 446 مگاهرتز کارآمدترین عملکرد را دارد، در این فرکانس SWR 1.16 است. در همان زمان، در فرکانس اعلام شده عملکرد به طور قابل توجهی بدتر است، در 433 مگاهرتز SWR 4,2 است.

آنتن ناشناخته 1

آنتن بدون علامت. با قضاوت بر اساس نمودار، برای 800 مگاهرتز طراحی شده است، احتمالاً برای باند GSM. انصافاً این آنتن در فرکانس 1800 مگاهرتز نیز کار می کند اما به دلیل محدودیت های کوپلر نمی توانم اندازه گیری های معتبری در این فرکانس ها انجام دهم.

آنتن ناشناخته 2

آنتن دیگری که مدتهاست در جعبه های من خوابیده است. ظاهراً برای محدوده GSM نیز اما بهتر از قبلی است. در فرکانس 764 مگاهرتز، SWR نزدیک به واحد است، در 900 مگاهرتز SWR 1.4 است.

آنتن ناشناخته 3

به نظر می رسد یک آنتن Wi-Fi است، اما به دلایلی کانکتور SMA-Male است، و نه RP-SMA، مانند همه آنتن های Wi-Fi. با قضاوت بر اساس اندازه گیری ها، در فرکانس های تا 1 مگاهرتز این آنتن بی فایده است. باز هم به دلیل محدودیت های کوپلر نمی دانیم چه نوع آنتنی است.

آنتن تلسکوپی

بیایید سعی کنیم محاسبه کنیم که آنتن تلسکوپی چقدر باید برای محدوده 433 مگاهرتز گسترش یابد. فرمول محاسبه طول موج به این صورت است: λ = C/f که C سرعت نور و f فرکانس است.

299.792.458 / 443.000.000 = 0.69719176279

طول موج کامل - 69,24 سانتی متر
نیم طول موج - 34,62 سانتی متر
یک چهارم طول موج - 17,31 سانتی متر

آنتن محاسبه شده به این ترتیب کاملاً بی فایده بود. در فرکانس 433 مگاهرتز مقدار SWR 11 است.

با گسترش آزمایشی آنتن، من موفق به دستیابی به حداقل SWR 2.8 با طول آنتن حدود 50 سانتی متر شدم. مشخص شد که ضخامت برش ها از اهمیت بالایی برخوردار است. یعنی زمانی که فقط بخش‌های بیرونی نازک را گسترش می‌دادیم، نتیجه بهتر از زمانی بود که فقط بخش‌های ضخیم را به همان طول گسترش دادیم. من نمی دانم در آینده چقدر باید روی این محاسبات با طول آنتن تلسکوپی تکیه کنید، زیرا در عمل آنها کار نمی کنند. شاید با آنتن ها یا فرکانس های دیگر متفاوت کار کند، من نمی دانم.

یک قطعه سیم با فرکانس 433 مگاهرتز

اغلب در دستگاه های مختلف مانند سوئیچ های رادیویی، می توانید یک قطعه سیم مستقیم را به عنوان آنتن ببینید. یک تکه سیم برابر با یک چهارم طول موج 433 مگاهرتز (17,3 سانتی متر) برش دادم و انتهای آن را قلع کردم تا به خوبی در کانکتور SMA Female قرار گیرد.

نتیجه عجیب بود: چنین سیمی در 360 مگاهرتز به خوبی کار می کند اما در 433 مگاهرتز بی فایده است.


شروع کردم به قطع کردن سیم انتهایی قطعه قطعه و نگاه کردن به قرائت ها. شیب نمودار به آرامی به سمت راست و به سمت 433 مگاهرتز حرکت کرد. در نتیجه، در طول سیم حدود 15,5 سانتی متر، من موفق به دریافت کوچکترین مقدار SWR 1.8 در فرکانس 438 مگاهرتز شدم. کوتاه شدن بیشتر کابل منجر به افزایش SWR شد.

نتیجه

به دلیل محدودیت های کوپلر، اندازه گیری آنتن ها در باندهای بالای 1 گیگاهرتز مانند آنتن های وای فای امکان پذیر نبود. اگر من یک جفت کننده پهنای باند بالاتر داشتم این کار انجام می شد.

یک کوپلر، کابل‌های اتصال، یک دستگاه و حتی یک لپ‌تاپ همگی بخش‌های سیستم آنتن به‌دست‌آمده هستند. هندسه، موقعیت آنها در فضا و اجسام اطراف بر نتیجه اندازه گیری تأثیر می گذارد. پس از نصب بر روی یک ایستگاه رادیویی واقعی یا مودم، فرکانس ممکن است تغییر کند، زیرا بدنه ایستگاه رادیویی، مودم و بدنه اپراتور بخشی از آنتن خواهند شد.

OSA103 Mini یک دستگاه چند منظوره بسیار جالب است. من از توسعه دهنده آن برای مشاوره در حین اندازه گیری تشکر می کنم.

منبع: www.habr.com