このアンテナはどの帯域に対応していますか? アンテナ特性を測定します

— このアンテナはどの範囲に対応していますか?
- わかりません、確認してください。
- 何？！？！

手にマークがない場合、どのようなアンテナを手に持っているかをどうやって判断できますか? どのアンテナが優れているか劣っているかを理解するにはどうすればよいですか? この問題は長い間私を悩ませてきました。
この記事では、アンテナの特性を測定する手法とアンテナの周波数範囲を決定する方法を簡単に説明します。

経験豊富な無線技術者にとって、この情報は取るに足らないものに思えるかもしれませんし、測定技術が十分に正確ではない可能性があります。 この記事は、私と同じように、無線電子機器についてまったく理解できない人を対象としています。

TL; DR OSA 103 Mini デバイスと方向性結合器を使用して、さまざまな周波数でアンテナの SWR を測定し、SWR の周波数依存性をプロットします。

Теория

送信機がアンテナに信号を送信すると、エネルギーの一部は空中に放射され、一部は反射されて戻ってきます。 放射エネルギーと反射エネルギーの関係は、定在波比 (SWR または SWR) によって特徴付けられます。 SWR が低いほど、送信機のエネルギーがより多く電波として放射されます。 SWR = 1 では、反射はありません (すべてのエネルギーが放射されます)。 実際のアンテナの SWR は常に 1 より大きくなります。

異なる周波数の信号をアンテナに送信し、同時に SWR を測定すると、どの周波数で反射が最小になるかを知ることができます。 これがアンテナの動作範囲となります。 同じ帯域の異なるアンテナを比較して、どれが優れているかを見つけることもできます。

送信信号の一部がアンテナから反射される

特定の周波数用に設計されたアンテナは、理論上、その動作周波数で最小の SWR を持つ必要があります。 これは、さまざまな周波数でアンテナに放射し、どの周波数で反射が最小になるか、つまり電波の形で逃げるエネルギーの最大量を見つけるだけで十分であることを意味します。

さまざまな周波数で信号を生成し、反射を測定できるため、X 軸に周波数、Y 軸に信号の反射率を示すグラフを作成できます。 その結果、グラフにくぼみがある (つまり、信号の反射が最も少ない) 場所に、アンテナの動作範囲が存在します。

反射と周波数の想像上のグラフ。 アンテナの動作周波数を除いて、全範囲にわたって反射は 100% です。

デバイス Osa103 ミニ

測定には使用します OSA103ミニ。 これは、オシロスコープ、信号発生器、スペクトラム・アナライザ、振幅周波数応答/位相応答メータ、ベクトル・アンテナ・アナライザ、LCメータ、さらにはSDRトランシーバを組み合わせた万能測定デバイスです。 OSA103 Mini の動作範囲は 100 MHz に制限されていますが、OSA-6G モジュールは IAFC モードの周波数範囲を 6 GHz に拡張します。 すべての機能を備えたネイティブ プログラムの重さは 3 MB で、Windows 上では、Linux 上では wine 経由で実行されます。

Osa103 Mini - アマチュア無線家とエンジニアのための万能測定装置

方向性結合器

方向性結合器は、特定の方向に伝わる RF 信号のごく一部を方向転換するデバイスです。 私たちの場合、反射信号の一部を分岐して（アンテナから発生器に戻る）、測定する必要があります。
方向性結合器の動作を視覚的に説明します。 youtube.com/watch?v=iBK9ZIx9YaY

方向性結合器の主な特徴:

• 動作周波数 - 主要指標が通常の制限を超えない周波数の範囲。 私のカプラは 1 ～ 1000 MHz の周波数向けに設計されています
• 分岐（カップリング） - 波が IN から OUT に向けられたときに、信号のどの部分 (デシベル単位) が取り除かれるか
• 指向性 — 信号が OUT から IN へ逆方向に移動するときに除去される信号がどれだけ少なくなるか

一見すると、これは非常に混乱しているように見えます。 わかりやすくするために、カプラーを内部に小さな蛇口のある水道管として想像してみましょう。 排水は、水が順方向 (IN から OUT) に移動するときに、水の大部分が除去されるように行われます。 この方向に排出される水の量は、カプラー データシートのカップリング パラメーターによって決まります。

水が反対方向に移動すると、除去される水の量は大幅に減少します。 それは副作用として受け止めるべきです。 この移動中に放出される水の量は、データシートの Directivity パラメーターによって決まります。 このパラメータが小さいほど (dB 値が大きいほど)、タスクには適しています。

概略図

アンテナから反射される信号レベルを測定したいので、アンテナをカプラーのINに接続し、ジェネレーターをOUTに接続します。 したがって、アンテナから反射された信号の一部は、測定のために受信機に到達します。

タップの接続図です。 反射された信号は受信機に送信されます

測定セットアップ

回路図に従ってSWRを測定するためのセットアップを組み立ててみましょう。 デバイスジェネレーターの出力に、15 dB の減衰を持つアッテネーターを追加で取り付けます。 これにより、カプラーとジェネレーター出力のマッチングが改善され、測定精度が向上します。 アッテネータは 5 ～ 15 dB の減衰を選択できます。 減衰量は、その後のキャリブレーション中に自動的に考慮されます。

アッテネータは、信号を固定デシベル数だけ減衰させます。 アッテネータの主な特性は、信号の減衰係数と動作周波数範囲です。 動作範囲外の周波数では、減衰器の性能が予期せず変化する可能性があります。

最終的な取り付けはこんな感じです。 また、OSA-6G モジュールからデバイスのメインボードに中間周波数 (IF) 信号を供給することも忘れないでください。 これを行うには、メインボードの IF OUTPUT ポートを OSA-6G モジュールの INPUT に接続します。

ラップトップのスイッチング電源からの干渉レベルを減らすために、ラップトップがバッテリーで駆動されているときにすべての測定を実行します。

Калибровка

測定を開始する前に、デバイスのすべてのコンポーネントが正常に動作していることと、ケーブルの品質を確認する必要があります。これを行うには、発電機と受信機をケーブルで直接接続し、発電機の電源を入れて周波数を測定します。応答。 0dB ではほぼ平坦なグラフが得られます。 これは、周波数範囲全体にわたって、発電機のすべての放射電力が受信機に到達したことを意味します。

発電機を受信機に直接接続する

回路にアッテネータを追加してみましょう。 全範囲にわたってほぼ均一な 15dB の信号減衰が見られます。

15dB アッテネータを介してジェネレータをレシーバに接続する

ジェネレーターをカプラーのOUTコネクターに、レシーバーをカプラーのCPLコネクターに接続しましょう。 IN ポートには負荷が接続されていないため、生成された信号はすべて反射され、その一部が受信機に分岐される必要があります。 当社のカプラーのデータシートによると (ZEDC-15-2B)、カップリング パラメーターは ~15db です。これは、約 -30 dB (カップリング + アッテネーターの減衰) のレベルに水平線が表示されることを意味します。 ただし、カプラーの動作範囲は 1 GHz に制限されているため、この周波数を超えるすべての測定は無意味であると考えられます。 これはグラフにはっきりと表れており、1 GHz を超えると測定値は混沌として無意味になります。 したがって、その後のすべての測定はカプラーの動作範囲内で実行します。

無負荷状態でタップを接続します。 カプラーの動作範囲の限界が見えます。

私たちの場合、1 GHzを超える測定データは意味をなさないため、ジェネレーターの最大周波数をカプラーの動作値に制限します。 測定すると直線が得られます。

発電機の範囲をカプラーの動作範囲に制限する

アンテナの SWR を視覚的に測定するには、回路の現在のパラメータ (100% 反射) を基準点、つまりゼロ dB とするキャリブレーションを実行する必要があります。 この目的のために、OSA103 Mini プログラムには校正機能が組み込まれています。 キャリブレーションはアンテナ (負荷) を接続せずに実行され、キャリブレーション データはファイルに書き込まれ、その後グラフを作成するときに自動的に考慮されます。

OSA103 Miniプログラムの周波数応答校正機能

キャリブレーション結果を適用し、負荷なしで測定を実行すると、0dB で平坦なグラフが得られます。

キャリブレーション後のグラフ

アンテナを測定します

これで、アンテナの測定を開始できます。 キャリブレーションのおかげで、アンテナを接続した後の反射の減少を確認して測定できます。

Aliexpressのアンテナ（433MHz）

アンテナには443MHzとマークされていました。 アンテナは 446MHz 範囲で最も効率的に動作し、この周波数では SWR が 1.16 であることがわかります。 同時に、宣言された周波数ではパフォーマンスが大幅に悪化し、433MHz では SWR は 4,2 です。

不明なアンテナ 1

マークのないアンテナ。 グラフから判断すると、おそらく GSM 帯域用に 800 MHz 用に設計されています。 公平を期すために、このアンテナは 1800 MHz でも動作しますが、カプラーの制限により、これらの周波数では有効な測定を行うことができません。

不明なアンテナ 2

もう一つのアンテナは、長い間私の箱の中に眠っていました。 どうやらGSM範囲にも対応していますが、以前のものよりも優れています。 764 MHz の周波数では SWR は 900 に近く、1.4 MHz では SWR は XNUMX です。

不明なアンテナ 3

Wi-Fi アンテナのように見えますが、何らかの理由で、コネクタはすべての Wi-Fi アンテナと同様に RP-SMA ではなく、SMA-オスです。 測定から判断すると、1 MHz までの周波数ではこのアンテナは役に立ちません。 繰り返しますが、カプラーの制限により、それがどのような種類のアンテナであるかはわかりません。

伸縮アンテナ

433MHz の範囲で伸縮アンテナをどこまで伸ばす必要があるかを計算してみましょう。 波長の計算式は次のとおりです。 λ = C/f、ここで C は光の速度、f は周波数です。

299.792.458 / 443.000.000 = 0.69719176279

全波長 -69,24 cm
半波長 -34,62 cm
XNUMX分のXNUMX波長 -17,31 cm

このようにして計算されたアンテナはまったく役に立たないことが判明しました。 周波数 433MHz では、SWR 値は 11 です。

実験的にアンテナを延長してみたところ、アンテナ長約2.8cmで最小SWR50を達成できましたが、断面の厚みが非常に重要であることが分かりました。 つまり、外側の薄いセクションのみを延長した場合、厚いセクションのみを同じ長さに延長した場合よりも結果が良くなりました。 実際には機能しないため、将来的に伸縮アンテナの長さを考慮してこれらの計算をどの程度信頼すべきかはわかりません。 他のアンテナや周波数では動作が異なる可能性がありますが、わかりません。

433MHzのワイヤー

多くの場合、無線スイッチなどのさまざまなデバイスでは、アンテナとして 433 本の直線ワイヤーが見られます。 17,3 MHz の XNUMX 分の XNUMX 波長 (XNUMX cm) に等しいワイヤを切断し、SMA メス コネクタにぴったりと収まるように端を錫メッキしました。

結果は奇妙なものでした。このようなワイヤは 360 MHz ではうまく機能しますが、433 MHz では役に立たなくなりました。


私は端からワイヤーを少しずつ切り取り、測定値を調べ始めました。 グラフの落ち込みは、433 MHz に向かってゆっくりと右に移動し始めました。 その結果、約 15,5 cm のワイヤ長で、周波数 1.8 MHz で最小の SWR 値 438 を得ることができました。 ケーブルをさらに短くすることでSWRが向上しました。

まとめ

カプラーの制限のため、Wi-Fi アンテナなど、1 GHz を超える帯域のアンテナを測定することはできませんでした。 これは、より高い帯域幅のカプラーがあれば可能でした。

カプラー、接続ケーブル、デバイス、さらにはラップトップもすべて、結果として得られるアンテナ システムの一部です。 それらの形状、空間内の位置、周囲の物体は測定結果に影響します。 実際のラジオ局またはモデムにインストールした後、周波数がシフトする可能性があります。 ラジオ局の本体、モデム、オペレーターの身体がアンテナの一部になります。

OSA103 Mini は非常にクールな多機能デバイスです。 開発者様には測定の際にご相談いただきまして誠にありがとうございました。

出所： habr.com