— Per quale portata è questa antenna?
- Non lo so, controlla.
- CHE COSA?!?!
Come puoi determinare che tipo di antenna hai tra le mani se non è presente alcun segno su di essa? Come capire quale antenna è migliore o peggiore? Questo problema mi tormenta da molto tempo.
L'articolo descrive in un linguaggio semplice la tecnica per misurare le caratteristiche dell'antenna e il metodo per determinare la gamma di frequenza dell'antenna.
Agli ingegneri radiofonici esperti, queste informazioni possono sembrare banali e la tecnica di misurazione potrebbe non essere sufficientemente precisa. L'articolo è destinato a chi, come me, non capisce nulla di radioelettronica.
TL; DR Misureremo l'SWR delle antenne a varie frequenze utilizzando il dispositivo OSA 103 Mini e un accoppiatore direzionale, tracciando la dipendenza dell'SWR dalla frequenza.
Teoria
Quando un trasmettitore invia un segnale a un'antenna, parte dell'energia viene irradiata nell'aria, mentre una parte viene riflessa e restituita indietro. Il rapporto tra energia irradiata e riflessa è caratterizzato dal rapporto delle onde stazionarie (SWR o SWR). Più basso è l'SWR, maggiore è l'energia del trasmettitore emessa sotto forma di onde radio. A SWR = 1 non c'è riflessione (tutta l'energia viene irradiata). L'SWR di un'antenna reale è sempre maggiore di 1.
Se invii un segnale di frequenze diverse all'antenna e contemporaneamente misuri l'SWR, puoi scoprire a quale frequenza la riflessione sarà minima. Questo sarà il raggio d'azione dell'antenna. Puoi anche confrontare diverse antenne per la stessa banda e scoprire quale è migliore.
Parte del segnale del trasmettitore viene riflesso dall'antenna
Un'antenna progettata per una determinata frequenza, in teoria, dovrebbe avere l'SWR più basso alle sue frequenze operative. Ciò significa che è sufficiente irradiare nell'antenna a frequenze diverse e scoprire a quale frequenza la riflessione è minima, cioè la quantità massima di energia che sfugge sotto forma di onde radio.
Potendo generare un segnale a diverse frequenze e misurarne la riflessione, possiamo creare un grafico con la frequenza sull'asse X e la riflettività del segnale sull'asse Y. Di conseguenza, dove c'è un calo nel grafico (cioè la minima riflessione del segnale), ci sarà un raggio d'azione dell'antenna.
Grafico immaginario della riflessione rispetto alla frequenza. Su tutta la portata la riflessione è del 100%, fatta eccezione per la frequenza operativa dell'antenna.
Dispositivo Osa103 Mini
Per le misurazioni utilizzeremo . Si tratta di un dispositivo di misurazione universale che combina un oscilloscopio, un generatore di segnale, un analizzatore di spettro, un misuratore di risposta in frequenza/ampiezza/risposta di fase, un analizzatore di antenna vettoriale, un misuratore LC e persino un ricetrasmettitore SDR. La portata operativa dell'OSA103 Mini è limitata a 100 MHz, il modulo OSA-6G espande la gamma di frequenza in modalità IAFC a 6 GHz. Il programma nativo con tutte le funzioni pesa 3 MB, gira su Windows e tramite wine su Linux.
Osa103 Mini: un dispositivo di misurazione universale per radioamatori e ingegneri
Accoppiatore direzionale
Un accoppiatore direzionale è un dispositivo che devia una piccola porzione di un segnale RF che viaggia in una direzione specifica. Nel nostro caso è necessario diramare parte del segnale riflesso (che va dall'antenna al generatore) per misurarlo.
Una spiegazione visiva del funzionamento di un accoppiatore direzionale:
Principali caratteristiche dell'accoppiatore direzionale:
- Frequenze operative - l'intervallo di frequenze al quale i principali indicatori non superano i limiti normali. Il mio accoppiatore è progettato per frequenze da 1 a 1000 MHz
- Ramo (accoppiamento) - quale parte del segnale (in decibel) verrà tolta quando l'onda sarà diretta da IN a OUT
- Direttività — quanto meno segnale verrà rimosso quando il segnale si sposta nella direzione opposta da OUT a IN
A prima vista questo sembra abbastanza confuso. Per chiarezza immaginiamo il raccordo come un tubo dell'acqua, con all'interno un piccolo rubinetto. Il drenaggio è realizzato in modo tale che quando l'acqua si sposta in avanti (da IN a OUT), una parte significativa dell'acqua viene rimossa. La quantità di acqua scaricata in questa direzione è determinata dal parametro Accoppiamento nella scheda tecnica dell'accoppiatore.
Quando l'acqua si muove nella direzione opposta, viene rimossa molta meno acqua. Dovrebbe essere preso come un effetto collaterale. La quantità di acqua scaricata durante questo movimento è determinata dal parametro Direttività nella scheda tecnica. Più piccolo è questo parametro (maggiore è il valore dB), meglio è per il nostro compito.
Schema schematico
Poiché vogliamo misurare il livello del segnale riflesso dall'antenna, colleghiamolo all'IN dell'accoppiatore e il generatore a OUT. Pertanto, parte del segnale riflesso dall'antenna raggiungerà il ricevitore per la misurazione.
Schema di collegamento del rubinetto. Il segnale riflesso viene inviato al ricevitore
Configurazione di misurazione
Montiamo una configurazione per misurare l'SWR secondo lo schema elettrico. All'uscita del generatore del dispositivo installeremo inoltre un attenuatore con un'attenuazione di 15 dB. Ciò migliorerà la corrispondenza dell'accoppiatore con l'uscita del generatore e aumenterà la precisione della misurazione. L'attenuatore può essere preso con un'attenuazione di 5..15 dB. La quantità di attenuazione verrà automaticamente presa in considerazione durante la successiva calibrazione.
Un attenuatore attenua il segnale di un numero fisso di decibel. La caratteristica principale di un attenuatore è il coefficiente di attenuazione del segnale e la gamma di frequenza operativa. A frequenze esterne all'intervallo operativo, le prestazioni dell'attenuatore potrebbero cambiare in modo imprevedibile.
Ecco come si presenta l'installazione finale. Bisogna inoltre ricordarsi di fornire un segnale di frequenza intermedia (IF) dal modulo OSA-6G alla scheda principale del dispositivo. Per fare ciò, collegare la porta IF OUTPUT sulla scheda principale all'INPUT sul modulo OSA-6G.
Per ridurre il livello di interferenza dell'alimentatore switching del portatile, eseguo tutte le misurazioni quando il portatile è alimentato a batteria.
Калибровка
Prima di iniziare le misurazioni è necessario assicurarsi che tutti i componenti del dispositivo siano in buone condizioni e la qualità dei cavi; per fare questo colleghiamo direttamente generatore e ricevitore con un cavo, accendiamo il generatore e misuriamo la frequenza risposta. Otteniamo un grafico quasi piatto a 0 dB. Ciò significa che tutta la potenza irradiata dal generatore è arrivata al ricevitore su tutta la gamma di frequenze.
Collegamento del generatore direttamente al ricevitore
Aggiungiamo un attenuatore al circuito. Su tutta la gamma è visibile un'attenuazione del segnale quasi uniforme di 15 dB.
Collegamento del generatore tramite un attenuatore da 15dB al ricevitore
Colleghiamo il generatore al connettore OUT dell'accoppiatore e il ricevitore al connettore CPL dell'accoppiatore. Poiché non vi è alcun carico collegato alla porta IN, tutto il segnale generato deve essere riflesso e parte di esso si dirama verso il ricevitore. Secondo la scheda tecnica del nostro accoppiatore (), il parametro Coupling è ~15db, il che significa che dovremmo vedere una linea orizzontale ad un livello di circa -30 dB (accoppiamento + attenuazione dell'attenuatore). Ma poiché la portata operativa dell'accoppiatore è limitata a 1 GHz, tutte le misurazioni al di sopra di questa frequenza possono essere considerate prive di significato. Ciò è chiaramente visibile nel grafico; dopo 1 GHz le letture sono caotiche e prive di significato. Pertanto, eseguiremo tutte le ulteriori misurazioni nel campo operativo dell'accoppiatore.
Collegamento di un rubinetto senza carico. Il limite del campo operativo dell'accoppiatore è visibile.
Poiché i dati di misurazione superiori a 1 GHz, nel nostro caso, non hanno senso, limiteremo la frequenza massima del generatore ai valori operativi dell'accoppiatore. Durante la misurazione, otteniamo una linea retta.
Limitazione della portata del generatore alla portata operativa dell'accoppiatore
Per poter misurare visivamente l'SWR delle antenne, dobbiamo effettuare una calibrazione prendendo come punto di riferimento i parametri attuali del circuito (riflessione al 100%), cioè zero dB. A questo scopo, il programma OSA103 Mini dispone di una funzione di calibrazione integrata. La calibrazione viene eseguita senza antenna collegata (carico), i dati di calibrazione vengono scritti in un file e vengono successivamente presi in considerazione automaticamente durante la costruzione dei grafici.
Funzione di calibrazione della risposta in frequenza nel programma OSA103 Mini
Applicando i risultati della calibrazione ed eseguendo le misurazioni senza carico, otteniamo un grafico piatto a 0 dB.
Grafico dopo la calibrazione
Misuriamo le antenne
Ora puoi iniziare a misurare le antenne. Grazie alla calibrazione vedremo e misureremo la riduzione della riflessione dopo aver collegato l'antenna.
Antenna da Aliexpress a 433 MHz
Antenna marcata 443MHz. Si può vedere che l'antenna funziona in modo più efficiente nella gamma dei 446 MHz, a questa frequenza l'SWR è 1.16. Allo stesso tempo, alla frequenza dichiarata le prestazioni sono nettamente peggiori, a 433 MHz l'SWR è 4,2.
Antenna sconosciuta 1
Antenna senza segni. A giudicare dal grafico, è progettato per 800 MHz, presumibilmente per la banda GSM. Per essere onesti, questa antenna funziona anche a 1800 MHz, ma a causa delle limitazioni dell'accoppiatore non posso effettuare misurazioni valide a queste frequenze.
Antenna sconosciuta 2
Un'altra antenna che giace nelle mie scatole da molto tempo. A quanto pare anche per la portata GSM, ma migliore della precedente. Alla frequenza di 764 MHz l'SWR è prossimo all'unità, a 900 MHz l'SWR è 1.4.
Antenna sconosciuta 3
Sembra un'antenna Wi-Fi, ma per qualche motivo il connettore è SMA-maschio e non RP-SMA, come tutte le antenne Wi-Fi. A giudicare dalle misurazioni, a frequenze fino a 1 MHz questa antenna è inutile. Ancora una volta, a causa delle limitazioni dell'accoppiatore, non sapremo di che tipo di antenna si tratta.
Antenna telescopica
Proviamo a calcolare di quanto deve essere estesa l'antenna telescopica per la portata dei 433MHz. La formula per calcolare la lunghezza d'onda è: λ = C/f, dove C è la velocità della luce, f è la frequenza.
299.792.458 / 443.000.000 = 0.69719176279
Lunghezza d'onda completa - 69,24 cm
Mezza lunghezza d'onda - 34,62 cm
Quarto di lunghezza d'onda - 17,31 cm
L'antenna così calcolata si è rivelata assolutamente inutile. Alla frequenza di 433 MHz il valore SWR è 11.
Estendendo sperimentalmente l'antenna sono riuscito ad ottenere un SWR minimo di 2.8 con una lunghezza dell'antenna di circa 50 cm Si è scoperto che lo spessore delle sezioni è di grande importanza. Cioè, quando si estendevano solo le sezioni esterne sottili, il risultato era migliore rispetto a quando si estendevano solo le sezioni spesse alla stessa lunghezza. Non so quanto dovresti fare affidamento su questi calcoli in futuro per la lunghezza di un’antenna telescopica, perché in pratica non funzionano. Forse funziona diversamente con altre antenne o frequenze, non lo so.
Un pezzo di filo a 433 MHz
Spesso in vari dispositivi, come gli interruttori radio, è possibile vedere un pezzo di filo dritto come un'antenna. Ho tagliato un pezzo di filo pari a un quarto di lunghezza d'onda di 433 MHz (17,3 cm) e ho stagnato l'estremità in modo che si adattasse perfettamente al connettore SMA Femmina.
Il risultato è stato strano: un cavo del genere funziona bene a 360 MHz ma è inutile a 433 MHz.
Ho iniziato a tagliare il filo dall'estremità pezzo per pezzo e a guardare le letture. Il calo nel grafico ha iniziato a spostarsi lentamente verso destra, verso 433 MHz. Di conseguenza, su una lunghezza del filo di circa 15,5 cm, sono riuscito a ottenere il valore SWR più piccolo di 1.8 alla frequenza di 438 MHz. Un ulteriore accorciamento del cavo ha portato ad un aumento dell'SWR.
conclusione
A causa delle limitazioni dell'accoppiatore, non è stato possibile misurare antenne in bande superiori a 1 GHz, come le antenne Wi-Fi. Questo avrebbe potuto essere fatto se avessi avuto un accoppiatore con larghezza di banda maggiore.
Un accoppiatore, cavi di collegamento, un dispositivo e persino un laptop fanno tutti parte del sistema di antenna risultante. La loro geometria, la posizione nello spazio e gli oggetti circostanti influenzano il risultato della misurazione. Dopo l'installazione su una stazione radio o modem reale, la frequenza potrebbe spostarsi, perché il corpo della stazione radio, il modem e il corpo dell’operatore diventeranno parte dell’antenna.
OSA103 Mini è un dispositivo multifunzionale molto interessante. Esprimo la mia gratitudine al suo sviluppatore per la consulenza durante le misurazioni.
Fonte: habr.com