— À quelle portée est destinée cette antenne ?
- Je ne sais pas, vérifie.
- QUOI?!?!
Comment pouvez-vous déterminer quel type d'antenne vous avez entre les mains s'il n'y a aucun marquage dessus ? Comment comprendre quelle antenne est la meilleure ou la pire ? Ce problème me tourmente depuis longtemps.
L'article décrit dans un langage simple la technique de mesure des caractéristiques de l'antenne et la méthode de détermination de la gamme de fréquences de l'antenne.
Pour les ingénieurs radio expérimentés, cette information peut sembler triviale et la technique de mesure peut ne pas être suffisamment précise. L'article est destiné à ceux qui ne comprennent rien du tout à l'électronique radio, comme moi.
TL; DR Nous mesurerons le ROS des antennes à différentes fréquences à l'aide de l'appareil OSA 103 Mini et d'un coupleur directionnel, traçant la dépendance du ROS à la fréquence.
Теория
Lorsqu'un émetteur envoie un signal à une antenne, une partie de l'énergie est rayonnée dans l'air, et une partie est réfléchie et restituée. La relation entre l'énergie rayonnée et réfléchie est caractérisée par le rapport d'ondes stationnaires (SWR ou SWR). Plus le ROS est faible, plus l'énergie de l'émetteur est émise sous forme d'ondes radio. À SWR = 1, il n'y a pas de réflexion (toute l'énergie est rayonnée). Le SWR d'une antenne réelle est toujours supérieur à 1.
Si vous envoyez un signal de différentes fréquences à l'antenne et mesurez simultanément le ROS, vous pouvez déterminer à quelle fréquence la réflexion sera minime. Ce sera la plage de fonctionnement de l'antenne. Vous pouvez également comparer différentes antennes pour la même bande et trouver laquelle est la meilleure.
Une partie du signal de l'émetteur est réfléchie par l'antenne
En théorie, une antenne conçue pour une certaine fréquence devrait avoir le ROS le plus bas à ses fréquences de fonctionnement. Cela signifie qu'il suffit de rayonner dans l'antenne à différentes fréquences et de trouver à quelle fréquence la réflexion est la plus petite, c'est-à-dire la quantité maximale d'énergie qui s'échappe sous forme d'ondes radio.
En étant capable de générer un signal à différentes fréquences et de mesurer la réflexion, nous pouvons créer un graphique avec la fréquence sur l'axe X et la réflectivité du signal sur l'axe Y. En conséquence, là où il y a un creux dans le graphique (c'est-à-dire la moindre réflexion du signal), il y aura une plage de fonctionnement de l'antenne.
Graphique imaginaire de la réflexion en fonction de la fréquence. Sur toute la plage, la réflexion est de 100%, à l'exception de la fréquence de fonctionnement de l'antenne.
Appareil Osa103 Mini
Pour les mesures, nous utiliserons . Il s'agit d'un appareil de mesure universel qui combine un oscilloscope, un générateur de signal, un analyseur de spectre, un compteur de réponse amplitude-fréquence/réponse de phase, un analyseur d'antenne vectorielle, un compteur LC et même un émetteur-récepteur SDR. La plage de fonctionnement de l'OSA103 Mini est limitée à 100 MHz, le module OSA-6G étend la plage de fréquences en mode IAFC à 6 GHz. Le programme natif avec toutes les fonctions pèse 3 Mo, fonctionne sous Windows et via wine sous Linux.
Osa103 Mini - un appareil de mesure universel pour les radioamateurs et les ingénieurs
Un coupleur directionnel
Un coupleur directionnel est un dispositif qui détourne une petite partie d'un signal RF se propageant dans une direction spécifique. Dans notre cas, il faut dériver une partie du signal réfléchi (allant de l'antenne vers le générateur) pour le mesurer.
Une explication visuelle du fonctionnement d'un coupleur directionnel :
Principales caractéristiques du coupleur directionnel :
- Fréquences de fonctionnement - la gamme de fréquences dans laquelle les principaux indicateurs ne dépassent pas les limites normales. Mon coupleur est conçu pour les fréquences de 1 à 1000 MHz
- Branche (Couplage) - quelle partie du signal (en décibels) sera supprimée lorsque l'onde est dirigée de IN vers OUT
- Directivité — combien de signal en moins sera supprimé lorsque le signal se déplace dans la direction opposée de OUT à IN
À première vue, cela semble assez déroutant. Pour plus de clarté, imaginons le coupleur comme une conduite d'eau, avec une petite sortie à l'intérieur. Le drainage est réalisé de telle manière que lorsque l'eau se déplace vers l'avant (de IN vers OUT), une partie importante de l'eau est évacuée. La quantité d'eau évacuée dans cette direction est déterminée par le paramètre Couplage dans la fiche technique du coupleur.
Lorsque l’eau se déplace dans la direction opposée, moins d’eau est éliminée. Cela doit être considéré comme un effet secondaire. La quantité d'eau évacuée lors de ce mouvement est déterminée par le paramètre Directivité dans la fiche technique. Plus ce paramètre est petit (plus la valeur en dB est grande), mieux c'est pour notre tâche.
Diagramme schématique
Puisque nous voulons mesurer le niveau du signal réfléchi par l'antenne, nous la connectons à l'entrée IN du coupleur et le générateur à la sortie. Ainsi, une partie du signal réfléchi par l’antenne parviendra au récepteur pour être mesuré.
Schéma de raccordement du robinet. Le signal réfléchi est envoyé au récepteur
Configuration de mesure
Assemblons une configuration pour mesurer le SWR conformément au schéma de circuit. A la sortie du générateur de l'appareil, nous installerons en plus un atténuateur avec une atténuation de 15 dB. Cela améliorera l'adaptation du coupleur à la sortie du générateur et augmentera la précision des mesures. L'atténuateur peut être pris avec une atténuation de 5..15 dB. La quantité d'atténuation sera automatiquement prise en compte lors de l'étalonnage ultérieur.
Un atténuateur atténue le signal d'un nombre fixe de décibels. La principale caractéristique d'un atténuateur est le coefficient d'atténuation du signal et la plage de fréquences de fonctionnement. Aux fréquences en dehors de la plage de fonctionnement, les performances de l'atténuateur peuvent changer de manière imprévisible.
Voilà à quoi ressemble l'installation finale. N'oubliez pas également de fournir un signal de fréquence intermédiaire (IF) du module OSA-6G à la carte principale de l'appareil. Pour ce faire, connectez le port IF OUTPUT de la carte principale à l'ENTRÉE du module OSA-6G.
Pour réduire le niveau d'interférence de l'alimentation à découpage de l'ordinateur portable, j'effectue toutes les mesures lorsque l'ordinateur portable est alimenté par batterie.
Calibration
Avant de commencer les mesures, vous devez vous assurer que tous les composants de l'appareil sont en bon état de fonctionnement et de la qualité des câbles ; pour ce faire, nous connectons directement le générateur et le récepteur avec un câble, allumons le générateur et mesurons la fréquence. réponse. Nous obtenons un graphique presque plat à 0 dB. Cela signifie que sur toute la gamme de fréquences, toute la puissance rayonnée par le générateur atteint le récepteur.
Connecter le générateur directement au récepteur
Ajoutons un atténuateur au circuit. Une atténuation du signal presque uniforme de 15 dB est visible sur toute la plage.
Connexion du générateur via un atténuateur de 15 dB au récepteur
Connectons le générateur au connecteur OUT du coupleur, et le récepteur au connecteur CPL du coupleur. Puisqu'il n'y a aucune charge connectée au port IN, tout le signal généré doit être réfléchi et une partie de celui-ci est dérivée vers le récepteur. D'après la fiche technique de notre coupleur (), le paramètre Couplage est de ~15 dB, ce qui signifie que nous devrions voir une ligne horizontale à un niveau d'environ -30 dB (couplage + atténuation de l'atténuateur). Mais comme la plage de fonctionnement du coupleur est limitée à 1 GHz, toutes les mesures au-dessus de cette fréquence peuvent être considérées comme dénuées de sens. Ceci est clairement visible sur le graphique : après 1 GHz, les lectures sont chaotiques et dénuées de sens. C'est pourquoi nous effectuerons toutes les autres mesures dans la plage de fonctionnement du coupleur.
Raccordement d'un robinet sans charge. La limite de la plage de fonctionnement du coupleur est visible.
Puisque les données de mesure supérieures à 1 GHz, dans notre cas, n'ont pas de sens, nous limiterons la fréquence maximale du générateur aux valeurs de fonctionnement du coupleur. Lors de la mesure, nous obtenons une ligne droite.
Limitation de la plage du générateur à la plage de fonctionnement du coupleur
Afin de mesurer visuellement le ROS des antennes, nous devons effectuer un étalonnage pour prendre comme point de référence les paramètres actuels du circuit (réflexion à 100%), c'est-à-dire zéro dB. À cet effet, le programme OSA103 Mini dispose d'une fonction d'étalonnage intégrée. L'étalonnage est effectué sans antenne connectée (charge), les données d'étalonnage sont écrites dans un fichier et sont ensuite automatiquement prises en compte lors de la construction de graphiques.
Fonction d'étalonnage de la réponse en fréquence dans le programme OSA103 Mini
En appliquant les résultats de l'étalonnage et en effectuant des mesures sans charge, nous obtenons un graphique plat à 0 dB.
Graphique après calibrage
Nous mesurons les antennes
Vous pouvez maintenant commencer à mesurer les antennes. Grâce au calibrage, nous verrons et mesurerons la réduction de réflexion après avoir connecté l'antenne.
Antenne d'Aliexpress à 433 MHz
Antenne marquée 443 MHz. On peut voir que l'antenne fonctionne le plus efficacement dans la gamme 446 MHz, à cette fréquence le ROS est de 1.16. Dans le même temps, à la fréquence déclarée, les performances sont bien pires, à 433 MHz, le ROS est de 4,2.
Antenne inconnue 1
Antenne sans marquage. À en juger par le graphique, il est conçu pour 800 MHz, probablement pour la bande GSM. Pour être honnête, cette antenne fonctionne également à 1800 XNUMX MHz, mais en raison des limitations du coupleur, je ne peux pas faire de mesures valides à ces fréquences.
Antenne inconnue 2
Encore une antenne qui traîne dans mes cartons depuis longtemps. Apparemment, aussi pour la gamme GSM, mais mieux que la précédente. A une fréquence de 764 MHz, le ROS est proche de l'unité, à 900 MHz le ROS est de 1.4.
Antenne inconnue 3
Cela ressemble à une antenne Wi-Fi, mais pour une raison quelconque, le connecteur est SMA-Mâle, et non RP-SMA, comme toutes les antennes Wi-Fi. À en juger par les mesures, à des fréquences allant jusqu'à 1 MHz, cette antenne est inutile. Encore une fois, en raison des limitations du coupleur, nous ne saurons pas de quel type d’antenne il s’agit.
Antenne télescopique
Essayons de calculer jusqu'où l'antenne télescopique doit être étendue pour la gamme 433 MHz. La formule pour calculer la longueur d'onde est : λ = C/f, où C est la vitesse de la lumière, f est la fréquence.
299.792.458 / 443.000.000 = 0.69719176279
Pleine longueur d'onde - 69,24 cm
Demi-longueur d'onde - 34,62 cm
Quart de longueur d'onde - 17,31 cm
L'antenne ainsi calculée s'est avérée absolument inutile. À une fréquence de 433 MHz, la valeur SWR est de 11.
En étendant expérimentalement l'antenne, j'ai réussi à atteindre un ROS minimum de 2.8 avec une longueur d'antenne d'environ 50 cm. Il s'est avéré que l'épaisseur des sections est d'une grande importance. Autrement dit, en étendant uniquement les sections extérieures minces, le résultat était meilleur qu'en étendant uniquement les sections épaisses à la même longueur. Je ne sais pas dans quelle mesure il faudra se fier à ces calculs avec la longueur d’une antenne télescopique à l’avenir, car en pratique, ils ne fonctionnent pas. Peut-être que cela fonctionne différemment avec d’autres antennes ou fréquences, je ne sais pas.
Un morceau de fil à 433 MHz
Souvent, dans divers appareils, tels que les commutateurs radio, vous pouvez voir un morceau de fil droit comme antenne. J'ai coupé un morceau de fil égal à un quart de longueur d'onde de 433 MHz (17,3 cm) et j'ai étamé l'extrémité pour qu'elle s'insère parfaitement dans le connecteur SMA Femelle.
Le résultat était étrange : un tel fil fonctionne bien à 360 MHz mais est inutile à 433 MHz.
J'ai commencé à couper le fil de l'extrémité pièce par pièce et à regarder les lectures. La baisse du graphique a commencé à se déplacer lentement vers la droite, vers 433 MHz. En conséquence, sur une longueur de fil d'environ 15,5 cm, j'ai réussi à obtenir la plus petite valeur SWR de 1.8 à une fréquence de 438 MHz. Un raccourcissement supplémentaire du câble a entraîné une augmentation du ROS.
Conclusion
En raison des limitations du coupleur, il n'a pas été possible de mesurer les antennes dans les bandes supérieures à 1 GHz, telles que les antennes Wi-Fi. Cela aurait pu être fait si j'avais eu un coupleur à bande passante plus élevée.
Un coupleur, des câbles de connexion, un appareil et même un ordinateur portable font tous partie du système d'antenne résultant. Leur géométrie, leur position dans l'espace et les objets environnants affectent le résultat de la mesure. Après l'installation sur une vraie station de radio ou un modem, la fréquence peut changer, car le corps de la station radio, le modem et le corps de l’opérateur feront partie de l’antenne.
OSA103 Mini est un appareil multifonctionnel très cool. J'exprime ma gratitude à son développeur pour sa consultation lors des mesures.
Source: habr.com