— Koji je opseg ove antene?
— Ne znam, provjeri.
— KAAA?!
Kako odrediti koju antenu imate u rukama ako na njoj nema oznake? Kako shvatiti koja antena je bolja ili gora? Ovaj problem me muči već dugo.
U članku se jednostavnim jezikom opisuje metoda mjerenja karakteristika antena i način određivanja frekvencijskog opsega antene.
Iskusnim radioinženjerima ove informacije mogu izgledati banalne, a metoda mjerenja — nedovoljno točna. Članak je namijenjen onima koji uopće ne razumiju radioelektroniku, poput mene.
TL;DR Mjerenje ćemo izvršiti na različitim frekvencijama s pomoću uređaja OSA 103 Mini i usmjerenog odvoda, te izgraditi graf ovisnosti КSV-a o frekvenciji.
Teorija
Kada odašiljač šalje signal anteni, dio energije se isijava u zrak, a dio se reflektira i vraća natrag. Omjer između isijane i reflektirane energije karakterizira se pomoću koeficijenta stajaće valne duljine (КSV ili SWR). Što je manji КSV, veći dio energije odašiljača se isijava u obliku radio valova. Pri КSV = 1 refleksije nema (sva energija se isijava). КSV stvarne antene je uvijek veći od 1.
Ako šaljete signal različitih frekvencija u antenu i istodobno mjerite КSV, možete otkriti na kojoj će frekvenciji refleksija biti minimalna. To će biti radni opseg antene. Također možete usporediti različite antene za jedan opseg i otkriti koja je bolja.
Dio signala odašiljača reflektira se od antene
Antena koja je dizajnirana za određenu frekvenciju bi, u teoriji, trebala imati najniži КSV na svojim radnim frekvencijama. Znači, dovoljno je emitirati u antenu različitim frekvencijama i otkriti na kojoj je frekvenciji refleksija najmanja, tj. maksimalna količina energije otišla u obliku radio valova.
Imajući mogućnost generiranja signala na različitim frekvencijama i mjerenja refleksije, moći ćemo izgraditi graf koji će na X osi imati frekvenciju, a na Y osi — koeficijent refleksije signala. Kao rezultat toga, tamo gdje na grafu bude pad (tj. najmjnja refleksija signala), bit će radni opseg antene.
Zamišljeni graf ovisnosti refleksije o frekvenciji. Na cijelom opsegu refleksija je 100%, osim na radnoj frekvenciji antene.
Uređaj Osa103 Mini
Za mjerenja ćemo koristiti . OSA103 Mini je univerzalni mjerač koji kombinira osciloskop, generator signala, analizator spektra, mjerač AČH/FČH, vektorski antenni analizator, mjerač LC, pa čak i SDR transceiver. Radni raspon OSA103 Mini ograničen je na 100 MHz, dok OSA-6G modul proširuje frekvencijski raspon u IAČH modu do 6 GHz. Izvorni program sa svim funkcijama zauzima 3 MB, radi na Windowsu i kroz Wine na Linuxu.
OSA103 Mini je univerzalni mjerač za radioamaterizam i inženjere
Usmjereni razdjelnik
Usmjereni razdjelnik (directional coupler) je uređaj koji oddvaja mali dio visokofrekventnog signala koji se kreće u određenom smjeru. U našem slučaju, on bi trebao odvojiti dio reflektiranog signala (koji se vraća s antene u generator) za njegovo mjerenje.
Jasno objašnjenje rada usmjerenog razdjelnika:
Osnovne karakteristike usmjerenog razdjelnika:
- Radne frekvencije — raspon frekvencija na kojima osnovni pokazatelji ne prelaze normalne vrijednosti. Moj razdjelnik je projektiran za frekvencije od 1 do 1000 MHz
- Odvođenje (Coupling) — koji dio signala (u decibelima) će biti odvojen kada se val kreće iz IN u OUT
- Usmjerenost (Directivity) — koliko manje signala će biti odvojeno kada se signal kreće obrnutim smjerom iz OUT u IN
Na prvi pogled to izgleda prilično zbunjujuće. Da bismo to slikovito prikazali, zamislimo razdjelnik kao vodovodnu cijev s malim odvojkom unutar. Odvojak je napravljen tako da pri kretanju vode u pravom smjeru (od IN do OUT), značajan dio vode bude odvojen. Količina vode koja se odvoji u tom smjeru određena je parametrom Coupling u tehničkom listu razdjelnika.
Kada se voda kreće u obrnutom smjeru, mnogo manje vode se odvoji. To treba shvatiti kao nuspojava. Količina vode koja se odvoji u tom smjeru određena je parametrom Directivity u tehničkom listu. Što je taj parametar manji (veća vrijednost dB), to je bolje za našu svrhu.
Principska shema
Budući da želimo mjeriti razinu signala reflektiranog s antene, povezujemo je na IN razdjelnika, a generator na OUT. Na taj način dio reflektiranog signala s antene će doći do prijemnika za mjerenje.
Shema povezivanja razdjelnika. Reflektirani signal se odvaja na prijemnik
Mjerne postaje
Izradit ćemo postaju za mjerenje VSWR prema shemi. Na izlazu generatora uređaja dodatno ćemo ugraditi atenuator s potiskom od 15 dB. Ovo će poboljšati usklađivanje razdjeljnika s izlazom generatora i povećati točnost mjerenja. Atenuator može imati potisak od 5 do 15 dB. Vrijednost potiska automatski će se uzeti u obzir prilikom sljedeće kalibracije.
Atenuator slabi signal za fiksni broj decibela. Glavna karakteristika atenuatora je koeficijent potiska (atenuacije) signala i radni opseg frekvencija. Na frekvencijama izvan radnog opsega karakteristike atenuatora mogu se nepredvidivo mijenjati.
Ovako izgleda konačna postaja. Također ne smijemo zaboraviti poslati signal međufrekvencije (MF) iz modula OSA-6G na glavnu ploču uređaja. Za to povezujemo port IF OUTPUT na glavnoj ploči s INPUT na modulu OSA-6G.
Kako bismo smanjili razinu smetnji od impulznog napajanja prijenosnog računala, sve mjere provodim pri napajanju prijenosnog računala iz baterije.
Kalibracija
Prije početka mjerenja potrebno je osigurati ispravnost svih dijelova uređaja i kvalitetu kablova, za to direktno povezujemo generator i prijemnik kablom, uključujemo generator i provodimo mjerenje AČH. Dobivamo gotovo ravnu krivulju na 0dB. To znači da je na cijelom opsegu frekvencija svoj emitirani kapacitet generatora došao do prijemnika.
Direktno povezivanje generatora s prijemnikom
Dodajemo atenuator u shemu. Vidljivo je gotovo ravno slabljenje signala od 15dB na cijelom opsegu.
Povezivanje generatora preko atenuatora od 15dB s prijemnikom
Povezat ćemo generator na priključak OUT razdjeljnika, a prijemnik na CPL razdjeljnika. Budući da na port IN nije priključeno opterećenje, sav generirani signal trebao bi se reflektirati, a dio se preusmjerava na prijemnik. Prema tehničkom listu našeg razdjeljnika (), parameter Coupling is ~15db, which means we should see a horizontal line at around -30 dB (coupling + attenuator loss). However, since the operational bandwidth of the splitter is limited to 1 GHz, all measurements above this frequency can be considered meaningless. This is clearly visible on the graph; after 1 GHz, the readings are chaotic and lack meaning. Therefore, all further measurements will be conducted within the operational range of the splitter.
Connecting the splitter without a load. The limits of the operational range of the splitter are visible.
Since measurements above 1 GHz are meaningless in our case, we will limit the maximum frequency of the generator to the operational values of the splitter. We get a straight line during measurements.
Limiting the generator's range to the operational range of the splitter
To visually measure the VSWR of antennas, we need to perform a calibration to take the current parameters of the circuit (100% reflection) as a reference point, that is, zero dB. For this, the OSA103 Mini program has a built-in calibration feature. Calibration is performed without a connected antenna (load), and the calibration data is saved to a file and automatically taken into account when graphing.
Calibration function of the amplitude-frequency response in the OSA103 Mini program
By applying the calibration results and running measurements without a load, we obtain a flat graph at 0dB.
Graph after calibration
Measuring antennas
We can now proceed with measuring the antennas. Thanks to the calibration, we will see and measure the reduction in reflection after connecting the antenna.
Antenna from Aliexpress at 433MHz
Antenna labeled 443MHz. It is evident that the antenna works most effectively in the 446MHz range, at this frequency the VSWR is 1.16. Meanwhile, at the claimed frequency, the readings are significantly worse, with a VSWR of 4.2 at 433MHz.
Unknown antenna 1
An unmarked antenna. Judging by the graph, it is designed for 800 MHz, presumably for the GSM band. To be fair, this antenna also works at 1800 MHz, but due to the splitter's limitations, I cannot make accurate measurements at these frequencies.
Unknown antenna 2
Another antenna that has been lying around in my boxes for a long time. Judging by its appearance, it is also for the GSM band, but better than the previous one. At 764 MHz, the VSWR is close to one, and at 900 MHz, the VSWR is 1.4.
Nepoznata antena 3
Izgleda da je to Wi-Fi antena, ali konektor je iz nekog razloga SMA-muški, a ne RP-SMA kao kod svih Wi-Fi antena. Sudeći prema mjerenjima, ova antena je beskorisna na frekvencijama do 1 MHz. Opet, zbog ograničenja razdjeljivača, nećemo saznati što je ovo za antenu.
Teleskopska antena
Pokušajmo izračunati koliko treba produžiti teleskopsku antenu za opseg od 433 MHz. Formula za izračunavanje valne duljine: λ = C/f, gdje je C brzina svjetlosti, a f frekvencija.
299.792.458 / 443.000.000 = 0.69719176279
Puna valna duljina — 69,24 cm
Polovica valne duljine — 34,62 cm
Četvrtina valne duljine — 17,31 cm
Antena izračunata na taj način bila je potpuno beskorisna. Na frekvenciji od 433 MHz vrijednost SWR-a je 11.
Eksperimentalnim izlaženjem antene, uspio sam postići minimalni SWR od 2.8 pri dužini antene od oko 50 cm. Također se pokazalo da debljina sekcija ima veliku važnost. To jest, pri izvlačenju samo tankih krajnjih sekcija, rezultat je bio bolji nego pri izvlačenju na istu dužinu samo debljih sekcija. Ne znam koliko ću se ubuduće oslanjati na ove izračune dužine teleskopske antene, jer praktično ne funkcioniraju. Možda to drugačije djeluje s drugim antenama ili frekvencijama, ne znam.
Komad žice na 433 MHz
Često u raznim uređajima, poput bežičnih prekidača, može se vidjeti komad ravne žice kao antena. Odrezao sam komad žice jednak četvrtini valne duljine 433 MHz (17,3 cm) i zalemio kraj tako da čvrsto ulazi u SMA ženski priključak.
Rezultat je bio čudan: ta žica dobro funkcionira na 360 MHz, ali je beskorisna na 433 MHz.
Počeo sam pomalo skraćivati žicu s kraja i pratiti mjerenja. Pad na grafu počeo je polako pomjerati se u desno, prema 433 MHz. Na kraju, pri dužini žice od oko 15,5 cm, uspio sam dobiti najmanju vrijednost SWR-a od 1.8 na frekvenciji od 438 MHz. Daljnje skraćivanje kabela dovelo je do povećanja SWR-a.
Zaključak
Zbog ograničenja razdjeljivača nije bilo moguće mjeriti antene na opsezima iznad 1 GHz, na primjer, Wi-Fi antene. To bi bilo moguće, da sam imao širi razdjeljivač.
Razvodnik, spojni kabeli, uređaj i čak prijenosno računalo – to su dijelovi nastale antene. Njihova geometrija, položaj u prostoru i okolni objekti utječu na rezultati mjerenja. Nakon postavljanja na stvarnu radio stanicu ili modem, frekvencija se može pomaknuti, jer kućište radio stanice, modema i tijelo operatera postaju dio antene.
OSA103 Mini — vrlo cool višenamjenski uređaj. Izražavam zahvalnost njegovom dizajneru za konzultaciju tijekom mjerenja.
Izvor: habr.com
