— Milyen frekvenciatartományra való ez az antenna?
— Nem tudom, ellenőrizd.
— HOGYAN?!?!
Hogyan lehet meghatározni, hogy milyen antenna van a kezünkben, ha nincs rajta megjelölés? Hogyan tudjuk meg, hogy melyik antenna jobb vagy rosszabb? Ez a probléma már régóta foglalkoztatott.
A cikk egyszerű nyelven írja le az antenna jellemzőinek mérésének módszerét, és az antenna frekvenciatartományának meghatározását.
A tapasztalt rádiómérnökök számára ez az információ banálisnak tűnhet, és a mérési módszer nem biztos, hogy pontos. A cikk azok számára készült, akik egyáltalán nem értenek a rádióelektronikához, mint én.
Röviden összefoglalva Különböző frekvenciákon mérjük az antenna SWR-jét az OSA 103 Mini készülék és egy irányított elágazó segítségével, és grafikont készítünk az SWR és a frekvencia függvényéről.
Elmélet
Amikor aadó egy jelet küld az antennába, az energia egy része a levegőbe sugárzódik, míg egy része visszaverődik és visszatér. Az sugárzott és visszavert energia arányát a standing wave ratio (SWR vagy KSV) jellemzi. Minél kisebb az SWR, annál nagyobb része az aadónak sugárzódik rádióhullámok formájában. SWR = 1 esetén nincs visszaverődés (az összes energia sugárzódik). A valós antennák SWR értéke mindig 1 felett van.
Ha különböző frekvenciájú jelet küldünk az antennába, és közben mérjük az SWR-t, meg tudjuk találni, hogy melyik frekvencián lesz a visszaverődés minimális. Ez lesz az antenna munkatartománya. Összehasonlíthatunk több különböző antennát is egy frekvenciatartományban, és megtalálhatjuk, hogy melyik a jobb.
A transzmitter jele egy része visszaverődik az antennától.
Az antenna, amelyet egy adott frekvenciára terveztek, elméletileg a legkisebb SWR-t kell mutassa a munkafrekvenciáin. Tehát elegendő, ha különböző frekvenciákat sugárzunk az antennába, és megkeressük, hogy melyik frekvencián a legkisebb a visszaverődés, azaz a maximális energia távozott rádióhullámok formájában.
Ha lehetőségünk van jelet generálni különböző frekvenciákon és mérni a visszaverődést, grafikont tudunk készíteni, ahol az X tengelyen a frekvencia, a Y tengelyen pedig a jel visszaverődési aránya lesz. Ennek eredményeként, ahol a grafikonon mélypont található (azaz a jel visszaverésének legalacsonyabb), ott lesz az antenna munkatartománya.
Képzeletbeli grafikon a visszaverődés és a frekvencia függvényéről. Az egész tartományban a visszaverődés 100%, kivéve az antenna munkafrekvenciáját.
Osa103 Mini készülék
Mérésekhez ezt fogjuk használni . Ez egy univerzális mérőműszer, amely egyesíti az oszcilloszkópot, a jelgenerátort, a spektrumelemzőt, a frekvencia-válasz/inverz frekvencia-válasz mérőt, a vektoriális antennaelemzőt, az LC-mérőt, sőt, még az SDR-transzívert is. Az OSA103 Mini működési tartománya 100 MHz-re korlátozódik, az OSA-6G modul 6 GHz-ig bővíti a frekvenciatartományt IACHX módban. A natív program minden funkciójával 3 MB méretű, Windows alatt működik, és Linux alatt wine-on keresztül.
Osa103 Mini — univerzális mérőeszköz rádióamatőrök és mérnökök számára
Irányított osztó
Az irányított osztó (directional coupler) olyan eszköz, amely a meghatározott irányba haladó rádiófrekvenciás jel egy kis részét elágaztatja. A mi esetünkben ennek a visszavert jel egy részét kell elágaztatnia (az antennából a generátor felé vissza) a mérésekhez.
Az irányított osztó működésének szemléltetése:
Az irányított osztó főbb jellemzői:
- Működési frekvenciák — az az frekvenciatartomány, amelyen a főbb mutatók nem haladják meg a normális határokat. Az én osztóm 1-től 1000 MHz-ig terjedő frekvenciákra van tervezve
- Elágazás (Coupling) — mennyi jel (decibelben) kerül elágaztatásra a hullám irányítása alapján az IN-ból az OUT-ba
- Irányítottság (Directivity) — mennyivel kevesebb jel kerül elágaztatásra, amikor a jel visszafelé halad az OUT-ból az IN-be
Első pillantásra ez elég zűrzavarosnak tűnik. A szemléltetés kedvéért képzeljük el az osztót mint egy vízvezetékcsövet, belső elágazással. Az elágazás úgy van kialakítva, hogy amikor a víz a helyes irányban (az IN-ból az OUT-ba) halad, jelentős mennyiségű víz áramlik el. Az ebben az irányban elágaztatott víz mennyiségét a Coupling paraméter határozza meg az osztó adatlapján.
Amikor a víz ellenkező irányba mozog, lényegesen kevesebb víz áramlik el. Ezt mellékes jelenségként kell értelmezni. Az ebben az irányban elágaztatott víz mennyiségét a Directivity paraméter határozza meg az adatlapban. Minél kisebb ez a paraméter (nagyobb dB érték), annál jobb a feladatunk érdekében.
Elvi séma
Mivel a jelet mérni szeretnénk, amelyet az antennáról visszavertek, az antennát az osztó IN-jához, a generátort pedig az OUT-hoz csatlakoztatjuk. Így a vevőn az antennától visszaverődő jel egy része kerül mérésre.
A leválasztó csatlakozási séma. A visszaverődött jel az érzékelőhöz kerül.
Mérőberendezés
Összeállítjuk a mérési rendszert a kapcsolási rajznak megfelelően. A műszer generátorának kimenetére egy 15 dB csillapítású attenuátort telepítünk. Ez javítja a leválasztó és a generátor kimeneti zsinór összhangját, és növeli a mérés pontosságát. Az attenuátort 5..15 dB csillapítással lehet beszerezni. A csillapítás mértéke automatikusan figyelembevételre kerül a későbbi kalibráció során.
Az attenuátor a jelet egy előre meghatározott decibel számmal gyengíti. Az attenuátor fő jellemzője a jel csillapítási (attenuációs) együtthatója és a működési frekvenciatartomány. A működési frekvenciatartományon kívül az attenuátor jellemzői unpredictably változhatnak.
Így néz ki a végső konstrukció. Ne felejtsük el csatlakoztatni az OSA-6G modul köztes frekvenciájú (IF) jelét a műszer fő lapjára. Ehhez összekapcsoljuk a fő lap IF OUTPUT portját az OSA-6G modul INPUT portjával.
A laptop impulzusos tápegységéből származó zavarok csökkentése érdekében minden mérést a laptop akkumulátorról végzek.
Kalibráció
A mérések megkezdése előtt győződjön meg a műszer összes egységének megfelelő működéséről és a kábelek minőségéről; ehhez közvetlenül összekapcsoljuk a generátort és az érzékelőt egy kábellel, bekapcsoljuk a generátort, és elvégezzük a frekvenciaválasz mérést. Szinte egyenletes nyomgrafikont kapunk 0dB-n. Ez azt jelenti, hogy a generátor által kibocsátott teljes teljesítmény eljutott az érzékelőhöz a teljes frekvenciatartományban.
A generátor közvetlen csatlakoztatása az érzékelőhöz
Hozzáadunk egy attenuátort a sémához. Látható, hogy a jel 15dB-es csillapítása szinte egyenletes az egész tartományban.
A generátor 15dB-es attenuátoron keresztüli csatlakoztatása az érzékelőhöz
Csatlakoztatjuk a generátort a leválasztó OUT csatlakozójához, az érzékelőt pedig a leválasztó CPL csatlakozójához. Mivel a IN porthoz nem csatlakozik terhelés, az összes generált jelnek vissza kell verődnie, és egy része az érzékelőhöz kerül. A leválasztónkra vonatkozó adatlap szerint (), a Coupling paraméter ~15db, így körülbelül -30 dB szinten kell látnunk egy vízszintes vonalat (coupling + az attenuátor csillapítása). De mivel a válaszoló működési tartománya 1 GHz-re korlátozódik, minden 1 GHz feletti mérés értelmetlennek tekinthető. Ez világosan látható a grafikonon, 1 GHz felett az értékek kaotikusak és értelmetlenek. Ezért a további méréseket a válaszoló működési tartományában végezzük.
A válaszoló csatlakoztatása terhelés nélkül. Látható a válaszoló működési tartományának határa.
Mivel a 1 GHz feletti mérések az esetünkben értelmetlenek, korlátozzuk a generátor maximális frekvenciáját a válaszoló működési értékeire. A mérések során sima vonalat kapunk.
A generátor tartományának korlátozása a válaszoló működési tartományára
Ahhoz, hogy a rádiófrekvenciás antallok VSWR-jét vizualizálni tudjuk, kalibrálnunk kell, hogy a rendszer aktuális jellemzőit (100%-os visszaverődés) nullapontként vegyük. Ehhez az OSA103 Mini szoftverben van egy beépített kalibráló funkció. A kalibrálást anélkül végezzük, hogy antennát (terhelést) csatlakoztatnánk, a kalibrálási adatokat fájlba mentjük, és később automatikusan figyelembe vesszük a grafikonok felépítésekor.
A frekvencia-válasz kalibrálási funkciója az OSA103 Mini programban
A kalibrálási eredmények alkalmazásával és terhelés nélküli mérések indításával sima grafikonunk van 0dB-en.
Grafikon a kalibrálás után
Antenna mérések
Most már elkezdhetjük az antennák mérését. A kalibrációnak köszönhetően láthatjuk és mérhetjük a visszaverődés csökkenését az antenna csatlakoztatásakor.
AliExpresses antenna 433MHz-en
A 443MHz jelzéssel ellátott antenna. Látható, hogy az antenna legjobban a 446MHz tartományban működik, ezen a frekvencián a VSWR 1.16. Ezzel szemben a megadott frekvencián az értékek lényegesen rosszabbak, 433MHz-en a VSWR 4.2.
Ismeretlen antenna 1
Jelzés nélküli antenna. A grafikon alapján 800 MHz-re optimalizált, feltehetően a GSM tartományhoz. Igazsághoz hozzátartozik, hogy ez az antenna 1800 MHz-en is működik, de a válaszoló korlátai miatt nem tudok pontos méréseket végezni ezeken a frekvenciákon.
Ismeretlen antenna 2
Még egy antenna, ami régóta a dobozaimban hever. Úgy tűnik, szintén a GSM tartományhoz tartozik, de már jobb, mint az előző. 764 MHz-en a VSWR közel van az egyhez, 900 MHz-en pedig a VSWR 1.4.
Ismeretlen antenna 3
Ez úgy tűnik, mint egy Wi-Fi antenna, de a csatlakozó valamiért SMA-férfi, nem pedig RP-SMA, mint a többi Wi-Fi antennánál. A mérések alapján 1 MHz-ig ez az antenna hasztalan. Ismét, a leágazó korlátai miatt nem tudjuk, milyen antenna ez.
Teleszkópos antenna
Próbáljuk meg kiszámolni, hogy mennyire kell kinyújtani a teleszkópos antennát a 433 MHz-es tartományhoz. A hullámhossz kiszámításának képlete: λ = C/f, ahol C a fény sebessége, f a frekvencia.
299.792.458 / 443.000.000 = 0.69719176279
Teljes hullámhossz — 69,24 cm
Fél hullámhossz — 34,62 cm
Negyed hullámhossz — 17,31 cm
Így kiszámolt antenna teljesen haszontalannak bizonyult. 433 MHz frekvencián a SWR érték 11 lett.
Kísérletileg, amikor kinyújtottam az antennát, sikerült elérnem a legalacsonyabb SWR értéket 2.8-nál, körülbelül 50 cm hosszúságnál. Kiderült, hogy a szekciók vastagsága is nagy jelentőséggel bír. Tehát, amikor csak a vékony szélső szekciókat nyújtottam ki, a eredmény jobb volt, mint amikor ugyanarra a hosszúságra csak a vastag szekciókat nyújtottam ki. Nem tudom, mennyire érdemes a teleszkópos antenna hosszúságára vonatkozó számításokra építeni a jövőben, mert a gyakorlatban nem működnek. Lehet, hogy más antennákkal vagy frekvenciákkal másképpen működik, nem tudom.
Drót darab 433 MHz-en
Gyakran különböző eszközökben, például rádiókapcsolókban láthatunk egyenes drót darabot mint antennát. Levágtam egy drót darabot, amely egyenlő a 433 MHz negyed hullámhosszával (17,3 cm), és megforrasztottam az egyik végét, hogy szorosan illeszkedjen az SMA női csatlakozóba.
A kapott eredmény furcsa volt: ez a drót jól működik 360 MHz-en, de haszontalan 433 MHz-en.
Kezdtem darabokat levágni a drót végéről, és figyeltem a méréseket. A grafikonon a mélypont lassan jobbra, a 433 MHz felé kezdett elmozdulni. Végül, körülbelül 15,5 cm drót hosszúságával elértem a legalacsonyabb SWR értéket 1.8-nál a 438 MHz frekvencián. A kábel további rövidítése a SWR növekedéséhez vezetett.
Zárás
A leágazó korlátai miatt nem tudtam mérni a 1 GHz-en magasabb tartományú antennákat, például a Wi-Fi antennákat. Ezt megtehettem volna, ha lett volna egy szélesebb sávszélességű leágazóm.
A elosztó, csatlakozó kábelek, az eszköz és még a laptop is az elkészült antennasorozat részei. Ezek geometriája, térbeli elhelyezkedésük és a környező tárgyak befolyásolják a mérési eredményt. A valódi rádióállomásra vagy modemre történő telepítés után a frekvencia eltolódhat, mivel a rádióállomás háza, a modem és az operátor teste az antenna részévé válik.
Az OSA103 Mini egy nagyon menő multifunkcionális eszköz. Köszönetet mondok a fejlesztőjének a mérések során nyújtott konzultációért.
Forrás: habr.com
