— Quelle est la gamme de cette antenne ?
— Je ne sais pas, vérifie.
— Quoi ?!
Comment déterminer quelle antenne vous avez entre les mains si elle n’a pas de marquage ? Comment comprendre quelle antenne est meilleure ou pire ? Ce problème me tracasse depuis longtemps.
Cet article explique de manière simple la méthode de mesure des caractéristiques des antennes et comment déterminer la gamme de fréquences d'une antenne.
Pour les ingénieurs radio expérimentés, cette information peut sembler banale, et la méthode de mesure peut sembler peu précise. L'article est destiné à ceux qui ne comprennent absolument rien en radioélectronique, comme moi.
TL;DR Nous allons mesurer le SWR des antennes à différentes fréquences à l'aide de l'appareil OSA 103 Mini et d'un coupleur directionnel, et tracer un graphique de la dépendance du SWR par rapport à la fréquence.
Théorie
Lorsque l'émetteur envoie un signal à l'antenne, une partie de l'énergie est rayonnée dans l'air, tandis qu'une partie est réfléchie et retourne en arrière. Le rapport entre l'énergie rayonnée et réfléchie est caractérisé par le coefficient de standing d'onde (SWR). Plus le SWR est bas, plus une grande partie de l'énergie de l'émetteur est rayonnée sous forme d'ondes radio. Avec un SWR de 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 des signaux de fréquences différentes à l'antenne et mesurez simultanément le SWR, vous pouvez trouver à quelle fréquence la réflexion sera minimale. C’est ce qu'on appelle la gamme de travail de l'antenne. Vous pouvez également comparer différentes antennes dans une même gamme et déterminer laquelle est la meilleure.
Une partie du signal de l'émetteur est réfléchie par l'antenne.
L’antenne conçue pour une certaine fréquence devrait, en théorie, avoir le SWR le plus bas à ses fréquences de travail. Cela signifie qu'il suffit d'émettre à travers l'antenne à différentes fréquences et de trouver à quelle fréquence la réflexion est la plus faible, c’est-à-dire que la quantité maximale d'énergie s'est échappée sous forme d'ondes radio.
En ayant la possibilité de générer un signal à différentes fréquences et de mesurer la réflexion, nous pourrons tracer un graphique où l'axe X représente la fréquence et l'axe Y représente le coefficient de réflexion du signal. Ainsi, l'endroit où le graphique montre un creux (c’est-à-dire la réflexion la plus faible du signal) sera la gamme de travail de l'antenne.
Un graphique imaginaire de la dépendance de la réflexion par rapport à la fréquence. Sur toute la gamme, la réflexion est de 100%, sauf à la fréquence de travail de l'antenne.
Appareil Osa103 Mini
Pour les mesures, nous utiliserons . C'est un instrument de mesure polyvalent qui combine un oscilloscope, un générateur de signal, un analyseur de spectre, un mesureur de réponse en fréquence / réponse en phase, un analyseur d'antenne vectoriel, un mesureur LC, et même un SDR-transceiver. La plage de fonctionnement de l'OSA103 Mini est limitée à 100 MHz, le module OSA-6G étend la plage de fréquence en mode réponse en fréquence jusqu'à 6 GHz. Le logiciel natif avec toutes les fonctionnalités pèse 3 Mo, fonctionne sous Windows et via wine sous Linux.
Osa103 Mini — instrument de mesure polyvalent pour les radioamateurs et les ingénieurs
Coupleur directionnel
Le coupleur directionnel (directional coupler) est un dispositif qui extrait une petite partie du signal RF circulant dans une direction particulière. Dans notre cas, il doit dévier une partie du signal réfléchi (circulant de l'antenne vers le générateur) pour sa mesure.
Explication visuelle du fonctionnement du coupleur directionnel :
Caractéristiques principales du coupleur directionnel :
- Plages de fonctionnement — plage de fréquences sur laquelle les principales caractéristiques ne dépassent pas les normes. Mon coupleur est conçu pour des fréquences de 1 à 1000 MHz.
- Détournement (Coupling) — quelle partie du signal (en décibels) sera détournée lorsque la vague se déplace de IN à OUT.
- Directivité (Directivity) — combien moins de signal sera détourné lorsque le signal se déplace dans la direction opposée de OUT à IN.
À première vue, cela peut sembler assez déroutant. Pour clarifier, imaginons le coupleur comme un tube de plomberie avec un petit détournement à l'intérieur. Le détournement est fait de telle manière que lorsque l'eau coule dans la direction directe (de IN à OUT), une partie significative de l'eau est détournée. La quantité d'eau détournée dans cette direction est déterminée par le paramètre Coupling dans la fiche technique du coupleur.
Lorsque l'eau se déplace dans la direction opposée, beaucoup moins d'eau est détournée. Cela doit être perçu comme un phénomène secondaire. La quantité d'eau détournée dans ce mouvement est déterminée par le paramètre Directivity dans la fiche technique. Moins ce paramètre est grand (valeur dB plus élevée), mieux c'est pour notre tâche.
Schéma principal
Puisque nous voulons mesurer le niveau de signal réfléchi par l'antenne, nous la connectons à IN du coupleur et le générateur à OUT. Ainsi, une partie du signal réfléchi par l'antenne sera captée pour la mesure.
Schéma de connexion du coupleur. Le signal réfléchi est détourné vers le récepteur.
Configuration de mesure
Nous allons assembler un dispositif de mesure du rapport d'onde stationnaire (ROS) conformément au schéma de principe. À la sortie du générateur de l'appareil, nous ajouterons un atténuateur avec une atténuation de 15 dB. Cela améliorera l'adaptation du coupleur à la sortie du générateur et augmentera la précision de la mesure. L'atténuateur peut être choisi avec une atténuation de 5 à 15 dB. La valeur de l'atténuation sera automatiquement prise en compte lors de la calibration ultérieure.
Un atténuateur affaiblit le signal d'un nombre fixe de décibels. La caractéristique principale d'un atténuateur est son coefficient d'atténuation du signal et sa plage de fréquence de fonctionnement. À des fréquences en dehors de cette plage, les caractéristiques de l'atténuateur peuvent varier de manière imprévisible.
Voici à quoi ressemble la configuration finale. Il est également important de ne pas oublier de fournir un signal de fréquence intermédiaire (FI) du module OSA-6G à la carte principale de l'appareil. Pour ce faire, nous connectons le port IF OUTPUT de la carte principale à l'INPUT du module OSA-6G.
Pour réduire le niveau de bruit de l'alimentation à découpage de l'ordinateur portable, toutes les mesures sont effectuées avec l'ordinateur portable alimenté par la batterie.
Calibration
Avant de commencer les mesures, il est essentiel de s'assurer que tous les éléments de l'appareil fonctionnent correctement et que les câbles sont de bonne qualité. Pour cela, nous connectons directement le générateur et le récepteur avec un câble, nous allumons le générateur et effectuons une mesure de la réponse en fréquence (ACHA). Nous obtenons une courbe quasi plate à 0 dB. Cela signifie que sur toute la plage de fréquences, la puissance émise par le générateur a atteint le récepteur.
Connexion directe du générateur au récepteur
Ajoutons un atténuateur au schéma. On observe une atténuation presque constante du signal de 15 dB dans toute la plage.
Connexion du générateur via un atténuateur de 15 dB au récepteur
Nous connecterons le générateur au port OUT du coupleur, et le récepteur au port CPL du coupleur. Comme aucune charge n'est connectée au port IN, tout le signal généré doit être réfléchi, et une partie doit être couplée au récepteur. Selon la fiche technique de notre coupleur (), le paramètre Coupling est d’environ ~15db, ce qui signifie que nous devons voir une ligne horizontale au niveau d’environ -30 dB (coupling + atténuation de l’atténuateur). Mais étant donné que la plage de fonctionnement du répartiteur est limitée à 1 GHz, toutes les mesures au-delà de cette fréquence peuvent être considérées comme dénuées de sens. Cela est clairement visible sur le graphique, après 1 GHz, les lectures sont chaotiques et dépourvues de signification. Par conséquent, toutes les mesures ultérieures seront effectuées dans la plage de fonctionnement du répartiteur.
Connexion du répartiteur sans charge. La limite de la plage de fonctionnement du répartiteur est visible.
Étant donné que les données de mesure au-dessus de 1 GHz, dans notre cas, n’ont pas de sens, nous limiterons la fréquence maximale du générateur à des valeurs opérationnelles du répartiteur. Lors des mesures, nous obtenons une ligne droite.
Limitation de la plage du générateur à la plage de fonctionnement du répartiteur.
Afin de mesurer visuellement le VSWR des antennes, nous devons effectuer un calibrage pour prendre les paramètres actuels du circuit (100 % de réflexion) comme point de référence, c’est-à-dire zéro dB. Pour cela, le programme OSA103 Mini dispose d’une fonction de calibrage intégrée. Le calibrage est effectué sans antenne connectée (charge), les données de calibrage sont enregistrées dans un fichier et prises en compte automatiquement lors de la construction des graphiques.
Fonction de calibrage de la réponse en fréquence dans le programme OSA103 Mini.
En appliquant les résultats du calibrage et en lançant les mesures sans charge, nous obtenons un graphique à 0dB.
Graphique après le calibrage.
Mesurage des antennes.
Nous pouvons maintenant procéder à la mesure des antennes. Grâce au calibrage, nous verrons et mesurerons la réduction de la réflexion après la connexion de l’antenne.
Antenne d'Aliexpress à 433MHz.
Antenne avec étiquette 443MHz. Il est clair que l’antenne fonctionne le plus efficacement dans la plage de 446MHz, à cette fréquence le VSWR est de 1.16. Par ailleurs, aux fréquences déclarées, les performances sont nettement inférieures, à 433MHz le VSWR est de 4.2.
Antenne inconnue 1.
Antenne sans étiquette. Selon le graphique, elle est conçue pour 800 MHz, apparemment pour la plage GSM. Il convient de noter que cette antenne fonctionne également à 1800 MHz, mais en raison des limitations du répartiteur, je ne peux pas effectuer de mesures correctes à ces fréquences.
Antenne inconnue 2.
Une autre antenne qui traîne depuis longtemps dans mes boîtes. Apparemment aussi pour la plage GSM, mais déjà meilleure que la précédente. À la fréquence de 764 MHz, le VSWR est proche de 1, à 900 MHz le VSWR est de 1.4.
Antenne inconnue 3
Cela ressemble à une antenne Wi-Fi, mais le connecteur est curieusement un SMA-Mâle, et non un RP-SMA comme la plupart des antennes Wi-Fi. D'après les mesures, cette antenne est inutile dans les fréquences allant jusqu'à 1 MHz. Encore une fois, en raison des limitations du répartiteur, nous ne saurons pas de quelle antenne il s'agit.
Antenne télescopique
Essayons de calculer de combien nous devons déployer l'antenne télescopique pour la bande 433 MHz. La formule de calcul de la longueur d'onde est : λ = C/f, où C est la vitesse de la lumière, et f est la fréquence.
299.792.458 / 443.000.000 = 0.69719176279
Longueur d'onde complète — 69,24 cm
Moitié de la longueur d'onde — 34,62 cm
Quart de la longueur d'onde — 17,31 cm
L'antenne calculée de cette manière s'est avérée totalement inutile. À la fréquence de 433 MHz, la valeur de SWR est de 11.
En expérimentant le déploiement de l'antenne, j'ai réussi à obtenir un SWR minimum de 2,8 avec une longueur d'antenne d'environ 50 cm. Il s'est avéré que l'épaisseur des sections a beaucoup d'importance. En d'autres termes, en déployant uniquement les sections minces et externes, le résultat était meilleur qu'en déployant la même longueur uniquement avec des sections épaisses. Je ne sais pas dans quelle mesure je peux me fier à ces calculs de longueur d'antenne télescopique, car en pratique, ils ne fonctionnent pas. Peut-être que cela fonctionne différemment avec d'autres antennes ou fréquences, je ne sais pas.
Morceau de fil à 433 MHz
On peut souvent voir dans divers appareils, comme les télécommandes, un morceau de fil droit utilisé comme antenne. J'ai coupé un morceau de fil correspondant à un quart de la longueur d'onde de 433 MHz (17,3 cm) et j'ai étamé l'extrémité pour qu'elle s'insère fermement dans le connecteur SMA Femelle.
Le résultat était étrange : ce fil fonctionne bien à 360 MHz mais est inutile à 433 MHz.
J'ai commencé à couper le fil par petits morceaux depuis l'extrémité et à observer les lectures. La défaillance sur le graphique a lentement commencé à se déplacer vers la droite, vers 433 MHz. En fin de compte, avec une longueur de fil d'environ 15,5 cm, j'ai réussi à obtenir la valeur SWR la plus basse de 1,8 à 438 MHz. Un raccourcissement supplémentaire du câble a entraîné une augmentation du SWR.
Conclusion
En raison des limitations du répartiteur, je n'ai pas pu mesurer des antennes sur des plages au-dessus de 1 GHz, par exemple, les antennes Wi-Fi. Cela aurait été possible si j'avais eu un répartiteur plus large.
Le diviseur, les câbles de connexion, l'appareil et même l'ordinateur portable constituent les parties du système d'antenne en cours de formation. Leur géométrie, leur position dans l'espace et les objets environnants influencent le résultat de la mesure. Après installation sur une véritable station radio ou un modem, la fréquence peut se décaler, car le boîtier de la station radio, du modem, et le corps de l'opérateur deviendront une partie de l'antenne.
OSA103 Mini — un appareil multifonctionnel très impressionnant. Je remercie son développeur pour les conseils lors des mesures.
Source : habr.com
