— Qual è la gamma di questa antenna?
— Non lo so, controlla.
— COME?!?!
Come si può capire che tipo di antenna si ha tra le mani se non c'è alcuna etichetta? Come si fa a capire quale antenna è migliore o peggiore? Questa domanda mi ha tormentato a lungo.
L'articolo descrive in modo semplice la metodologia per misurare le caratteristiche delle antenne e il modo per determinare la gamma di frequenza dell'antenna.
Per gli ingegneri radio esperti, queste informazioni possono sembrare scontate, e la metodologia di misurazione — non abbastanza precisa. L'articolo è pensato per chi non capisce nulla di radioelettronica, come me.
TL;DR Misureremo il SWR delle antenne a diverse frequenze usando lo strumento OSA 103 Mini e un derivatore direttivo, costruendo un grafico che rappresenta la dipendenza del SWR dalla frequenza.
Teoria
Quando il trasmettitore invia un segnale all'antenna, parte dell'energia viene irraggiata nell'aria, mentre parte si riflette e torna indietro. La relazione tra l'energia irradiata e quella riflessa è caratterizzata dal coefficiente di onda stazionaria (SWR). Meno è il SWR, maggiore è la parte di energia del trasmettitore che viene irradiata sotto forma di onde radio. Con SWR = 1 non ci sono riflessioni (tutta l'energia è irradiata). Il SWR di un'antenna reale è sempre maggiore di 1.
Se si invia un segnale a un'antenna a frequenze diverse e si misura contemporaneamente il VSWR, si può scoprire a quale frequenza il riflesso sarà minimo. Questa sarà la gamma operativa dell'antenna. Si possono anche confrontare diverse antenne per la stessa gamma e scoprire quale è migliore.
Una parte del segnale del trasmettitore viene riflessa dall'antenna.
Un'antenna progettata per una frequenza specifica, teoricamente, dovrebbe avere il VSWR più basso alle sue frequenze operative. Quindi è sufficiente emettere segnali a diverse frequenze per scoprire a quale frequenza il riflesso è il più basso, ovvero la massima quantità di energia si disperde sotto forma di onde radio.
Avendo la possibilità di generare segnali a diverse frequenze e misurare il riflesso, riusciremo a costruire un grafico, con la frequenza sull'asse X e il coefficiente di riflessione del segnale sull'asse Y. Di conseguenza, dove ci sarà un abbassamento nel grafico (cioè il riflesso minimo del segnale), lì sarà la gamma operativa dell'antenna.
Grafico immaginario della dipendenza del riflesso dalla frequenza. In tutto il range, il riflesso è del 100%, tranne che per la frequenza operativa dell'antenna.
Dispositivo Osa103 Mini
Per le misurazioni utilizzeremo . È un dispositivo di misurazione universale che combina un oscilloscopio, un generatore di segnali, un analizzatore di spettro, un misuratore di risposta in ampiezza / fase, un analizzatore di antenne vettoriali, un misuratore LC e persino un transceiver SDR. La gamma di funzionamento dell'OSA103 Mini è limitata a 100 MHz, mentre il modulo OSA-6G estende la gamma di frequenza in modalità A-Ch di fino a 6 GHz. Il software nativo con tutte le funzioni pesa 3 MB e funziona su Windows e tramite wine su Linux.
Osa103 Mini è un dispositivo di misurazione universale per radioamatori e ingegneri.
Accoppiatore direzionale
L'accoppiatore direzionale (directional coupler) è un dispositivo che devia una piccola parte del segnale RF che viaggia in una certa direzione. Nel nostro caso, deve deviare parte del segnale riflesso (che torna dall'antenna al generatore) per la sua misurazione.
Spiegazione visiva del funzionamento dell'accoppiatore direzionale:
Caratteristiche principali dell'accoppiatore direzionale:
- Frequenze di lavoro — intervallo di frequenze in cui gli indicatori principali rientrano nella norma. Il mio accoppiatore è progettato per frequenze da 1 a 1000 MHz.
- Accoppiamento (Coupling) — quale parte del segnale (in decibel) verrà deviata quando la onda si muove da IN a OUT
- Direttività — quanto meno segnale verrà deviato quando il segnale si muove nella direzione opposta da OUT a IN
A prima vista, può sembrare piuttosto complicato. Per chiarezza, immaginiamo un derivatore come un tubo dell'acqua, con un piccolo ramo all'interno. Il ramo è progettato in modo tale che, quando l'acqua scorre in direzione diretta (da IN a OUT), una parte significativa dell'acqua viene deviata. La quantità di acqua che viene deviata in questa direzione è determinata dal parametro di accoppiamento (Coupling) nel datasheet del derivatore.
Quando l'acqua scorre nella direzione opposta, viene deviata significativamente meno acqua. Questa deve essere considerata come un fenomeno secondario. La quantità di acqua che viene deviata in questo movimento è determinata dal parametro di direttività (Directivity) nel datasheet. Più piccolo è questo parametro (maggiore è il valore in dB), meglio è per il nostro obiettivo.
Schema di principio
Poiché vogliamo misurare il livello del segnale riflesso dall'antenna, la colleghiamo all'IN del derivatore e il generatore all'OUT. In questo modo, una parte del segnale riflesso dall'antenna arriverà al ricevitore per la misurazione.
Schema di collegamento del derivatore. Il segnale riflesso viene indirizzato al ricevitore.
Installazione di misurazione
Costruiamo l'installazione per misurare il VSWR secondo lo schema schematico. All'uscita del generatore dell'apparecchio installeremo un attenuatore aggiuntivo con un'attenuazione di 15 dB. Questo migliorerà l'accordo del derivatore con l'uscita del generatore e aumenterà la precisione della misurazione. L'attenuatore può avere un'attenuazione di 5..15 dB. Il valore dell'attenuazione verrà automaticamente considerato durante la successiva calibrazione.
L'attenuatore attenua il segnale di un numero fisso di decibel. La caratteristica principale dell'attenuatore è il coefficiente di attenuazione del segnale e la gamma di frequenze di lavoro. A frequenze al di fuori della gamma di lavoro, le caratteristiche dell'attenuatore possono cambiare in modo imprevedibile.
Questo è l'aspetto finale dell'installazione. Non dimenticare di inviare anche il segnale di frequenza intermedia (FI) dal modulo OSA-6G alla scheda principale dello strumento. A tal fine, colleghiamo la porta IF OUTPUT sulla scheda principale all'INPUT sul modulo OSA-6G.
Per ridurre il livello di interferenze dall'alimentatore impulsivo del laptop, eseguo tutte le misurazioni alimentando il laptop a batteria.
Taratura
Prima di iniziare le misurazioni, è necessario assicurarsi del funzionamento di tutti i componenti dello strumento e della qualità dei cavi; per farlo, colleghiamo il generatore e il ricevitore direttamente con un cavo, accendiamo il generatore e eseguiamo la misura della funzione di trasferimento (AЧХ). Otteniamo un grafico quasi piatto a 0dB. Questo significa che su tutta la gamma di frequenze, la potenza emessa dal generatore è arrivata al ricevitore.
Collegamento diretto del generatore al ricevitore
Aggiungiamo un attenuatore al circuito. Si osserva un'attenuazione quasi uniforme del segnale di 15dB su tutta la gamma.
Collegamento del generatore attraverso un attenuatore di 15dB al ricevitore
Collegheremo il generatore al connettore OUT dello splitter e il ricevitore al CPL dello splitter. Poiché non c'è un carico collegato al porto IN, il segnale generato deve riflettersi, e parte di esso deve essere restituita al ricevitore. Secondo il datasheet del nostro splitter (), il parametro Coupling è pari a ~15db, il che significa che dovremmo vedere una linea orizzontale a un livello di circa -30 dB (coupling + attenuazione dell’attenuatore). Tuttavia, poiché la banda operativa dello splitter è limitata a 1 GHz, tutte le misurazioni sopra questa frequenza possono essere considerate prive di significato. Ciò è chiaramente visibile nel grafico, dopo 1 GHz le letture sono caotiche e senza senso. Pertanto, tutte le ulteriori misurazioni verranno effettuate all'interno della banda operativa dello splitter.
Collegamento dello splitter senza carico. È visibile il limite della banda operativa dello splitter.
Poiché i dati delle misurazioni sopra 1 GHz, nel nostro caso, non hanno senso, limiteremo la frequenza massima del generatore ai valori operativi dello splitter. Durante le misurazioni otteniamo una linea uniforme.
Limitazione della gamma del generatore alla gamma operativa dello splitter
Per misurare visivamente il ROS delle antenne, è necessario eseguire una calibrazione per prendere i parametri attuali del circuito (riflessione al 100%) come punto di riferimento, ovvero zero dB. A tal fine, il programma OSA103 Mini ha una funzione di calibrazione integrata. La calibrazione viene eseguita senza antenna (carico) collegata, e i dati di calibrazione vengono registrati in un file e successivamente considerati automaticamente durante la costruzione dei grafici.
Funzione di calibrazione dell'IACH nel programma OSA103 Mini
Applicando i risultati della calibrazione e avviando le misurazioni senza carico, otteniamo un grafico piatto a 0 dB.
Grafico dopo la calibrazione
Misuriamo le antenne
Ora possiamo procedere alla misurazione delle antenne. Grazie alla calibrazione, vedremo e misureremo la riduzione della riflessione dopo il collegamento dell'antenna.
Antenna da Aliexpress a 433MHz
Antenna con marcatura 443MHz. È evidente che l'antenna funziona in modo più efficace nella gamma dei 446MHz, a questa frequenza il ROS è pari a 1.16. Tuttavia, ai valori dichiarati le prestazioni sono notevolmente peggiori, a 433MHz il ROS è 4.2.
Antenna sconosciuta 1
Antenna non marchiata. Secondo il grafico, è progettata per 800 MHz, presumibilmente per la banda GSM. A onor del vero, bisogna dire che questa antenna funziona anche a 1800 MHz, ma a causa delle limitazioni del derivatore non posso fare misurazioni accurate a queste frequenze.
Antenna sconosciuta 2
Un'altra antenna che giace da tempo nelle mie scatole. A quanto pare, è anch'essa per la banda GSM, ma migliore rispetto alla precedente. A una frequenza di 764 MHz, il rapporto d'onda stazionaria (SWR) è vicino a uno, a 900 MHz il SWR è 1,4.
Antenna sconosciuta 3
Questa sembra essere un'antenna Wi-Fi, ma il connettore è stranamente un SMA-Male, e non RP-SMA, come tutte le antenne Wi-Fi. Secondo le misurazioni, a frequenze fino a 1 MHz, questa antenna è inutilizzabile. Ancora una volta, a causa delle limitazioni del derivatore, non scopriremo di che antenna si tratta.
Antenna telescopica
Proveremo a calcolare quanto deve essere allungata l'antenna telescopica per la gamma 433MHz. Formula per calcolare la lunghezza d'onda: 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
Mezzo di lunghezza d'onda — 34,62 cm
Un quarto di lunghezza d'onda — 17,31 cm
L'antenna calcolata in questo modo si è rivelata completamente inutile. A 433MHz, il valore del SWR è 11.
Sperimentando con l'antenna, sono riuscito a ottenere un rapporto d'onda stazionaria minimo di 2,8 con una lunghezza dell'antenna di circa 50 cm. Inoltre, ho scoperto che lo spessore delle sezioni è molto importante. Infatti, estendendo solo le sezioni sottili alle estremità, il risultato era migliore rispetto all'estensione della stessa lunghezza solo con sezioni spesse. Non so quanto dovrei fidarmi di questi calcoli sulla lunghezza dell'antenna telescopica, perché in pratica non funzionano. Forse con altre antenne o frequenze funziona diversamente, non lo so.
Un pezzo di filo a 433MHz
Spesso in diversi dispositivi, come gli interruttori radio, si può vedere un pezzo di filo dritto usato come antenna. Ho tagliato un pezzo di filo lungo un quarto della lunghezza d'onda a 433 MHz (17,3 cm) e ho stagionato la punta in modo che si inserisse saldamente nella presa SMA Femmina.
Il risultato è stato strano: questo filo funziona bene a 360 MHz ma è inutile a 433 MHz.
Ho iniziato a tagliare il cavo pezzo per pezzo da un'estremità, osservando le letture. Il picco sul grafico ha cominciato a spostarsi lentamente verso destra, verso i 433 MHz. Alla fine, con una lunghezza del cavo di circa 15,5 cm, sono riuscito a ottenere il valore più basso di SWR a 1,8 sulla frequenza di 438 MHz. Ulteriore accorciamento del cavo ha portato a un aumento del SWR.
Conclusione
A causa dei limiti del divisore, non sono riuscito a misurare le antenne su bande superiori a 1 GHz, ad esempio, le antenne Wi-Fi. Questo sarebbe stato possibile se avessi avuto un divisore più banda larga.
Il divisore, i cavi di connessione, l'apparecchio e persino il laptop fanno parte del sistema antenna in fase di creazione. La loro geometria, la posizione nello spazio e gli oggetti circostanti influenzano il risultato della misurazione. Dopo l'installazione su una vera stazione radio o modem, la frequenza potrebbe spostarsi, poiché il corpo della stazione radio, del modem e del corpo dell'operatore diventeranno parte dell'antenna.
L'OSA103 Mini è un dispositivo multifunzionale davvero straordinario. Ringrazio il suo sviluppatore per la consulenza durante le misurazioni.
Fonte: habr.com
