— Qual è la gamma di questa antenna?
— Non lo so, controlla.
— COME?!?!
Come identificare che tipo di antenna hai in mano, se non ha alcuna marcatura? Come capire quale antenna è migliore o peggiore? Questo problema mi ha tormentato a lungo.
L'articolo descrive in termini semplici la metodologia per misurare le caratteristiche delle antenne e il modo di determinare la gamma di frequenza dell'antenna.
Per gli ingegneri radio esperti, queste informazioni possono sembrare banali e la metodologia di misurazione può apparire imprecisa. L'articolo è destinato a chi non capisce nulla di radioelettronica, proprio come me.
TL;DR Misureremo il SWR delle antenne a diverse frequenze utilizzando il dispositivo OSA 103 Mini e un divisore direzionale, costruendo un grafico della dipendenza del SWR dalla frequenza.
Teoria
Quando il trasmettitore invia un segnale all'antenna, parte dell'energia viene irradiata nell'aria, mentre parte viene riflessa e torna indietro. Il rapporto tra energia irradiata e riflessa è caratterizzato dal coefficiente di onda stazionaria (SWR). Meno è il SWR, maggiore è la quantità di energia del trasmettitore irradiata sotto forma di onde radio. Con un SWR = 1 non ci sono riflessi (tutta l'energia viene irradiata). Il SWR di un'antenna reale è sempre maggiore di 1.
Se invii un segnale di frequenza diversa all'antenna e misuri contemporaneamente il SWR, puoi trovare a quale frequenza il riflesso sarà minimo. Questa sarà la gamma operativa dell'antenna. È anche possibile confrontare diverse antenne per una stessa gamma e scoprire quale sia la migliore.
Parte del segnale del trasmettitore viene riflessa dall'antenna.
Un'antenna progettata per una determinata frequenza, in teoria, dovrebbe avere il SWR più basso sulle sue frequenze di lavoro. Pertanto, è sufficiente irradiare all'antenna a diverse frequenze e trovare a quale frequenza il riflesso è minimo, cioè la massima quantità di energia viene irradiata sotto forma di onde radio.
Avendo la possibilità di generare segnali a diverse frequenze e misurare il riflesso, potremo costruire un grafico in cui sull'asse X ci sarà la frequenza e sull'asse Y il coefficiente di riflessione del segnale. Di conseguenza, dove nel grafico ci sarà un picco (cioè il minimo riflesso del segnale), rappresenterà la gamma operativa dell'antenna.
Grafico ipotetico della dipendenza del riflesso dalla frequenza. Su tutta la gamma, il riflesso è del 100%, tranne che alla frequenza operativa dell'antenna.
Dispositivo Osa103 Mini
Per le misurazioni utilizzeremo . Questo è uno strumento di misurazione universale che combina un oscilloscopio, un generatore di segnali, un analizzatore di spettro, un misuratore di risposta in ampiezza/risposta di fase, un analizzatore di antenne vettoriale, un misuratore LC e persino un transceiver SDR. La gamma di lavoro dell'OSA103 Mini è limitata a 100 MHz, mentre il modulo OSA-6G estende la gamma di frequenza in modalità ACHAR fino a 6 GHz. Il software nativo con tutte le funzionalità pesa 3 MB, funziona su Windows e tramite wine su Linux.
Osa103 Mini - uno strumento di misurazione universale per radioamatori e ingegneri
Accoppilatore direzionale
L'accoppilatore direzionale (directional coupler) è un dispositivo che devia una piccola parte del segnale RF che si muove in una direzione specifica. Nel nostro caso, deve deviare una parte del segnale riflesso (che torna dall'antenna al generatore) per la sua misurazione.
Spiegazione visiva del funzionamento dell'accoppilatore direzionale:
Caratteristiche principali dell'accoppilatore direzionale:
- Frequenze di lavoro — l'intervallo di frequenze entro il quale i parametri principali rimangono entro limiti normali. Il mio accoppilatore è progettato per frequenze da 1 a 1000 MHz
- Accoppiamento — quale parte del segnale (in decibel) verrà deviata quando la onda si muove da IN a OUT
- Direzionalità — quanto meno segnale verrà deviato quando il segnale si muove nella direzione opposta da OUT a IN
A prima vista, sembra abbastanza complicato. Per chiarezza, possiamo immaginare l'accoppilatore come un tubo per l'acqua, con un piccolo deviatore all'interno. Il deviatore è progettato in modo tale che, quando l'acqua scorre nella direzione diretta (da IN a OUT), una parte sostanziale dell'acqua viene deviata. La quantità di acqua deviata in questa direzione è determinata dal parametro Accoppiamento nella scheda tecnica dell'accoppilatore.
Quando l'acqua scorre nella direzione opposta, viene deviata una quantità significativamente minore. Questa deve essere considerata come un fenomeno secondario. La quantità di acqua deviata in questo movimento è determinata dal parametro Direzionalità nella scheda tecnica. Più piccolo è questo parametro (maggiore è il valore dB), meglio è per il nostro scopo.
Schema a blocchi
Poiché vogliamo misurare il livello del segnale riflesso dall'antenna, colleghiamo l'antenna a IN dell'accoppilatore e il generatore a OUT. In questo modo, una parte del segnale riflesso dall'antenna arriverà al ricevitore per la misurazione.
Schema di connessione del derivatore. Il segnale riflesso viene inviato al ricevitore.
Impianto di misura
Costruiamo l'impianto per misurare il VSWR in conformità con lo schema elettrico. All'uscita del generatore dell'apparecchio, installeremo inoltre un attenuatore con un'attenuazione di 15 dB. Questo migliorerà l'adattamento del derivatore all'uscita del generatore e aumenterà la precisione della misura. È possibile utilizzare un attenuatore con attenuazione di 5..15 dB. Il valore dell'attenuazione sarà automaticamente considerato durante la successiva calibrazione.
L'attenuatore riduce 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. Alle frequenze al di fuori della gamma di lavoro, le caratteristiche dell'attenuatore possono variare in modo imprevedibile.
Questa è l'installazione finale. Non dimentichiamo anche di fornire il segnale della frequenza intermedia (IF) dal modulo OSA-6G alla scheda principale dell'apparecchio. Per fare ciò, colleghiamo la porta IF OUTPUT sulla scheda principale con l'INPUT sul modulo OSA-6G.
Per ridurre il livello di rumore proveniente dall'alimentatore a impulsi del laptop, eseguo tutte le misurazioni alimentando il laptop a batteria.
Calibrazione
Prima di iniziare le misurazioni, è necessario assicurarsi che tutti i nodi dell'apparecchio siano in buone condizioni e che i cavi siano di qualità. Per fare ciò, colleghiamo il generatore e il ricevitore tramite un cavo direttamente, accendiamo il generatore e realizziamo la misurazione della risposta in ampiezza (AЧX). Otterremo un grafico quasi uniforme a 0dB. Questo significa che, su tutta la gamma di frequenze, tutta la potenza emessa dal generatore è arrivata al ricevitore.
Collegamento diretto del generatore al ricevitore
Aggiungiamo un attenuatore nello schema. È evidente un'attenuazione quasi uniforme del segnale di 15dB su tutta la gamma.
Collegamento del generatore tramite un attenuatore da 15dB al ricevitore
Colleghiamo il generatore al connettore OUT del derivatore e il ricevitore al CPL del derivatore. Poiché al porto IN non è collegato alcun carico, tutto il segnale generato dovrebbe riflettersi e parte essere deviata verso il ricevitore. Secondo il datasheet del nostro derivatore (), il parametro Coupling è di ~15db, quindi dovremmo vedere una linea orizzontale intorno a -30 dB (coupling + attenuazione dell'attenuatore). Ma poiché la gamma di lavoro del divisore è limitata a 1 GHz, tutte le misurazioni sopra questa frequenza possono essere considerate prive di significato. Questo è chiaramente visibile nel grafico, dopo 1 GHz le letture sono caotiche e prive di senso. Pertanto, tutte le misurazioni successive verranno effettuate nella gamma di lavoro del divisore.
Collegamento del divisore senza carico. Si vede il limite della gamma di lavoro del divisore.
Poiché i dati delle misurazioni sopra 1 GHz, nel nostro caso, non hanno senso, limiteremo la massima frequenza del generatore ai valori di lavoro del divisore. Durante le misurazioni otteniamo una linea uniforme.
Limitazione della gamma del generatore alla gamma di lavoro del divisore
Per misurare visibilmente il VSWR delle antenne, dobbiamo eseguire una calibrazione, per prendere i parametri attuali del circuito (riflessione al 100%) come punto di riferimento, cioè zero dB. A tale scopo, il programma OSA103 Mini ha una funzione di calibrazione integrata. La calibrazione viene eseguita senza un'antenna collegata (carico), i dati di calibrazione vengono registrati in un file e successivamente presi in considerazione automaticamente durante la costruzione dei grafici.
Funzione di calibrazione della risposta in ampiezza di fase (IACH) nel programma OSA103 Mini
Applicando i risultati della calibrazione e avviando le misurazioni senza carico, otteniamo un grafico uniforme a 0dB.
Grafico dopo aver eseguito la calibrazione
Misuriamo le antenne
Ora possiamo procedere alla misurazione delle antenne. Grazie alla calibrazione, vedremo e misureremo la diminuzione della riflessione dopo aver collegato l'antenna.
Antenna da Aliexpress a 433MHz
Antenna con etichetta 443MHz. È evidente che l'antenna funziona più efficacemente nella gamma 446MHz, a questa frequenza il VSWR è pari a 1.16. Allo stesso tempo, ai valori dichiarati, le prestazioni sono notevolmente inferiori, a 433MHz il VSWR è 4.2.
Antenna sconosciuta 1
Antenna senza etichetta. Secondo il grafico, progettata per 800 MHz, presumibilmente per la gamma GSM. A onor del vero, va detto che questa antenna funziona anche a 1800 MHz, ma a causa delle limitazioni del divisore non posso effettuare misurazioni corrette a queste frequenze.
Antenna sconosciuta 2
Un'altra antenna, che giace da tempo nelle mie scatole. A quanto pare, anch'essa per la gamma GSM, ma già migliore della precedente. A 764 MHz il VSWR è vicino a uno, a 900 MHz il VSWR è 1.4.
Antena sconosciuta 3
Sembra un'antenna Wi-Fi, ma il connettore è SMA-Male, anziché RP-SMA, come per tutte le antenne Wi-Fi. Da quanto si può osservare, a frequenze fino a 1 MHz questa antenna è inutile. Inoltre, a causa delle limitazioni del divisore non scopriremo di quale antenna si tratta.
Antenna telescopica
Proviamo a calcolare quanto deve essere estrusa l'antenna telescopica per la gamma 433MHz. La formula per calcolare la lunghezza d'onda è: λ = C/f, dove C è la velocità della luce e f è la frequenza.
299.792.458 / 443.000.000 = 0.69719176279
Lunghezza d'onda totale — 69,24 cm
Mezza lunghezza d'onda — 34,62 cm
Un quarto di lunghezza d'onda — 17,31 cm
L'antenna calcolata in questo modo si è rivelata assolutamente inutile. A 433MHz, il valore del ROS è 11.
Sperimentando con l'estrusione dell'antenna, sono riuscito a ottenere un ROS minimo di 2.8 con una lunghezza dell'antenna di circa 50 cm. Ho scoperto che lo spessore delle sezioni ha un grande impatto. Cioè, estraendo solo le sezioni esterne sottili, il risultato era migliore rispetto all'estrusione della stessa lunghezza solo delle sezioni spesse. Non so quanto possa valere la pena fidarsi di questi calcoli sulla lunghezza dell'antenna telescopica, perché in pratica non funzionano. Forse con altre antenne o frequenze funziona in modo diverso, non lo so.
Un pezzo di filo a 433MHz
Spesso in vari dispositivi, come i radiocomandi, si può vedere un pezzo di filo dritto come antenna. Ho tagliato un pezzo di filo pari a un quarto della lunghezza d'onda di 433 MHz (17,3 cm) e ho stagnato la fine in modo che si adattasse perfettamente al connettore SMA Female.
Il risultato è stato strano: questo filo funziona bene a 360 MHz ma è inutile a 433 MHz.
Ho iniziato a ritagliare un pezzo di filo dalla fine e a controllare le letture. Il calo nel grafico ha iniziato a spostarsi lentamente verso destra, verso i 433 MHz. Alla fine, con una lunghezza del filo di circa 15,5 cm, sono riuscito a ottenere un valore minimo di ROS di 1.8 a una frequenza di 438 MHz. Un'ulteriore accorciamento del cavo ha portato a un aumento del ROS.
Conclusione
A causa delle limitazioni del divisore non sono riuscito a misurare antenne su fasce superiori a 1 GHz, ad esempio antenne Wi-Fi. Questo sarebbe stato possibile se avessi avuto un divisore più a banda larga.
Il divisore, i cavi di collegamento, il dispositivo e persino il laptop sono componenti del sistema antenna che si sta formando. La loro geometria, la posizione nello spazio e gli oggetti circostanti influenzano il risultato delle misurazioni. Dopo l'installazione su una vera stazione radio o modem, la frequenza può spostarsi, poiché il corpo della stazione radio, del modem e del corpo dell'operatore diventeranno parte dell'antenna.
OSA103 Mini è un dispositivo multifunzionale davvero fantastico. Ringrazio il suo sviluppatore per la consulenza durante le misurazioni.
Fonte: habr.com
