이 안테나는 어떤 대역에 사용되나요? 안테나 특성을 측정합니다

— 이 안테나는 어느 범위에 사용되나요?
- 모르겠어요. 확인해 보세요.
- 무엇?!?!

표시가 없다면 손에 어떤 종류의 안테나가 있는지 어떻게 알 수 있습니까? 어떤 안테나가 더 좋고 나쁜지 이해하는 방법은 무엇입니까? 이 문제는 오랫동안 나를 괴롭혔습니다.
이 기사에서는 안테나 특성을 측정하는 기술과 안테나의 주파수 범위를 결정하는 방법을 간단한 언어로 설명합니다.

숙련된 무선 엔지니어에게는 이 정보가 사소해 보일 수 있으며 측정 기술이 충분히 정확하지 않을 수도 있습니다. 이 기사는 나처럼 무선 전자 장치에 대해 전혀 이해하지 못하는 사람들을 위해 작성되었습니다.

TL; DR OSA 103 Mini 장치와 방향성 커플러를 사용하여 다양한 주파수에서 안테나의 SWR을 측정하고 주파수에 대한 SWR의 의존성을 표시합니다.

Теория

송신기가 안테나에 신호를 보내면 에너지의 일부가 공기 중으로 방출되고 일부는 반사되어 다시 되돌아옵니다. 복사 에너지와 반사 에너지 사이의 관계는 정재파 비율(SWR 또는 SWR)로 특징지어집니다. SWR이 낮을수록 송신기의 에너지 중 더 많은 양이 전파로 방출됩니다. SWR = 1에서는 반사가 없습니다(모든 에너지가 방사됩니다). 실제 안테나의 SWR은 항상 1보다 큽니다.

서로 다른 주파수의 신호를 안테나로 보내고 동시에 SWR을 측정하면 반사가 최소화되는 주파수를 찾을 수 있습니다. 이것이 안테나의 작동 범위가 됩니다. 동일한 대역에 대해 서로 다른 안테나를 비교하고 어느 것이 더 나은지 찾을 수도 있습니다.

송신기 신호의 일부가 안테나에서 반사됩니다.

이론적으로 특정 주파수용으로 설계된 안테나는 작동 주파수에서 SWR이 가장 낮아야 합니다. 이는 서로 다른 주파수에서 안테나로 방사하고 반사가 가장 작은 주파수, 즉 전파 형태로 빠져나가는 최대 에너지량을 찾는 것으로 충분하다는 것을 의미합니다.

서로 다른 주파수에서 신호를 생성하고 반사를 측정할 수 있으면 X축에 주파수가 있고 Y축에 신호 반사율이 있는 그래프를 만들 수 있습니다. 결과적으로, 그래프에 하락(즉, 신호의 최소 반사)이 있는 곳에 안테나의 작동 범위가 있게 됩니다.

반사 대 주파수의 가상 그래프. 안테나의 작동 주파수를 제외하고 전체 범위에서 반사는 100%입니다.

장치 Osa103 미니

측정을 위해 우리는 OSA103 미니. 이는 오실로스코프, 신호 발생기, 스펙트럼 분석기, 진폭-주파수 응답/위상 응답 측정기, 벡터 안테나 분석기, LC 측정기, SDR 트랜시버까지 결합한 범용 측정 장치입니다. OSA103 Mini의 작동 범위는 100MHz로 제한되며, OSA-6G 모듈은 IAFC 모드의 주파수 범위를 6GHz로 확장합니다. 모든 기능을 갖춘 기본 프로그램의 무게는 3MB이며 Windows에서 실행되고 Linux에서는 와인을 통해 실행됩니다.

Osa103 Mini - 무선 아마추어 및 엔지니어를 위한 범용 측정 장치

방향성 커플러

방향성 결합기는 특정 방향으로 이동하는 RF 신호의 작은 부분을 전환하는 장치입니다. 우리의 경우 반사된 신호의 일부를 분기하여(안테나에서 다시 생성기로 이동) 이를 측정해야 합니다.
방향성 결합기의 작동에 대한 시각적 설명: youtube.com/watch?v=iBK9ZIx9YaY

방향성 결합기의 주요 특징:

• 작동 주파수 - 주 지표가 정상 한계를 초과하지 않는 주파수 범위. 내 커플러는 1~1000MHz의 주파수용으로 설계되었습니다.
• 브랜치(커플링) - 파동이 IN에서 OUT으로 향할 때 신호의 어느 부분(데시벨 단위)이 제거되는지
• 지향성 — 신호가 OUT에서 IN으로 반대 방향으로 이동할 때 제거되는 신호의 양은 얼마나 됩니까?

언뜻보기에 이것은 매우 혼란스러워 보입니다. 명확성을 위해 커플러를 내부에 작은 수도꼭지가 있는 수도관으로 상상해 보겠습니다. 배수는 물이 앞쪽 방향(IN에서 OUT으로)으로 이동할 때 물의 상당 부분이 제거되는 방식으로 이루어집니다. 이 방향으로 배출되는 물의 양은 커플러 데이터시트의 커플링 매개변수에 의해 결정됩니다.

물이 반대 방향으로 이동하면 훨씬 적은 양의 물이 제거됩니다. 부작용으로 받아들여야 합니다. 이 이동 중에 배출되는 물의 양은 데이터시트의 지향성 매개변수에 의해 결정됩니다. 이 매개변수가 작을수록(dB 값이 클수록) 작업에 더 좋습니다.

회로도

안테나에서 반사되는 신호 레벨을 측정하려고 하므로 이를 커플러의 IN에 연결하고 발생기를 OUT에 연결합니다. 따라서 안테나에서 반사된 신호의 일부가 측정을 위해 수신기에 도달하게 됩니다.

탭 연결 다이어그램. 반사된 신호는 수신기로 전송됩니다.

측정 설정

회로도에 따라 SWR을 측정하기 위한 설정을 조립해 보겠습니다. 장치 생성기의 출력에는 감쇠량이 15dB인 감쇠기를 추가로 설치합니다. 이렇게 하면 커플러와 발전기 출력의 매칭이 향상되고 측정 정확도가 높아집니다. 감쇠기는 5..15dB의 감쇠로 취해질 수 있습니다. 감쇠량은 후속 교정 중에 자동으로 고려됩니다.

감쇠기는 고정된 데시벨 수만큼 신호를 감쇠합니다. 감쇠기의 주요 특징은 신호의 감쇠 계수와 작동 주파수 범위입니다. 작동 범위를 벗어난 주파수에서는 감쇠기의 성능이 예기치 않게 변경될 수 있습니다.

이것이 최종 설치의 모습입니다. 또한 OSA-6G 모듈에서 장치의 메인 보드로 중간 주파수(IF) 신호를 공급해야 한다는 점을 기억해야 합니다. 이렇게 하려면 메인 보드의 IF OUTPUT 포트를 OSA-6G 모듈의 INPUT에 연결합니다.

노트북의 스위칭 전원 공급 장치의 간섭 수준을 줄이기 위해 노트북이 배터리로 전원을 공급받을 때 모든 측정을 수행합니다.

교정

측정을 시작하기 전에 장치의 모든 구성 요소가 제대로 작동하는지와 케이블의 품질이 양호한지 확인해야 합니다. 이를 위해 발생기와 수신기를 케이블로 직접 연결하고 발생기를 켜고 주파수를 측정합니다. 응답. 0dB에서는 거의 평평한 그래프를 얻습니다. 이는 전체 주파수 범위에 걸쳐 발생기의 모든 복사 전력이 수신기에 도달했음을 의미합니다.

발전기를 수신기에 직접 연결

회로에 감쇠기를 추가해 보겠습니다. 전체 범위에 걸쳐 15dB의 거의 균일한 신호 감쇠가 나타납니다.

15dB 감쇠기를 통해 수신기에 발생기 연결

커플러의 OUT 커넥터에 발전기를 연결하고, 커플러의 CPL 커넥터에 수신기를 연결해 보겠습니다. IN 포트에 연결된 부하가 없기 때문에 생성된 신호는 모두 반사되어야 하고, 그 중 일부는 수신기로 분기되어야 합니다. 당사 커플러의 데이터시트에 따르면(ZEDC-15-2B), 커플링 매개변수는 ~15db입니다. 즉, 약 -30dB(커플링 + 감쇠기 감쇠) 수준에서 수평선이 표시되어야 함을 의미합니다. 그러나 커플러의 작동 범위는 1GHz로 제한되므로 이 주파수 이상의 모든 측정은 의미가 없는 것으로 간주될 수 있습니다. 이는 그래프에서 명확하게 볼 수 있으며, 1GHz 이후 판독값은 혼란스럽고 의미가 없습니다. 따라서 커플러의 작동 범위에서 모든 추가 측정을 수행합니다.

부하 없이 탭을 연결합니다. 커플러 작동 범위의 한계가 표시됩니다.

우리의 경우 1GHz 이상의 측정 데이터는 의미가 없으므로 발생기의 최대 주파수를 커플러의 작동 값으로 제한합니다. 측정하면 직선이 나옵니다.

발전기 범위를 커플러의 작동 범위로 제한

안테나의 SWR을 시각적으로 측정하려면 회로의 전류 매개변수(100% 반사)를 기준점, 즉 103dB로 취하는 교정을 수행해야 합니다. 이를 위해 OSAXNUMX Mini 프로그램에는 교정 기능이 내장되어 있습니다. 연결된 안테나(로드) 없이 교정이 수행되고, 교정 데이터가 파일에 기록된 후 그래프 구성 시 자동으로 고려됩니다.

OSA103 Mini 프로그램의 주파수 응답 교정 기능

교정 결과를 적용하고 부하 없이 측정을 실행하면 0dB에서 평평한 그래프를 얻을 수 있습니다.

교정 후 그래프

안테나를 측정합니다

이제 안테나 측정을 시작할 수 있습니다. 보정 덕분에 안테나 연결 후 반사 감소를 확인하고 측정할 수 있습니다.

433MHz의 Aliexpress 안테나

443MHz로 표시된 안테나. 안테나는 446MHz 범위에서 가장 효율적으로 작동하는 것을 볼 수 있으며, 이 주파수에서 SWR은 1.16입니다. 동시에 선언된 주파수에서 성능은 훨씬 더 나쁩니다. 433MHz에서 SWR은 4,2입니다.

알 수 없는 안테나 1

표시가 없는 안테나. 그래프로 판단하면 아마도 GSM 대역용으로 800MHz용으로 설계되었습니다. 공평하게 말하면 이 안테나는 1800MHz에서도 작동하지만 커플러의 한계로 인해 이 주파수에서는 유효한 측정을 할 수 없습니다.

알 수 없는 안테나 2

오랫동안 내 상자 속에 누워 있던 또 다른 안테나. 분명히 GSM 범위에도 해당하지만 이전 범위보다 좋습니다. 764MHz의 주파수에서 SWR은 900에 가깝고, 1.4MHz에서 SWR은 XNUMX입니다.

알 수 없는 안테나 3

Wi-Fi 안테나처럼 보이지만 어떤 이유로 커넥터는 모든 Wi-Fi 안테나처럼 RP-SMA가 아닌 SMA-Male입니다. 측정에 따르면 최대 1MHz의 주파수에서 이 안테나는 쓸모가 없습니다. 이번에도 커플러의 한계로 인해 어떤 안테나인지는 알 수 없습니다.

텔레스코픽 안테나

433MHz 범위에 대해 텔레스코픽 안테나를 얼마나 멀리 확장해야 하는지 계산해 보겠습니다. 파장을 계산하는 공식은 다음과 같습니다. λ = C/f, 여기서 C는 빛의 속도, f는 주파수입니다.

299.792.458 / 443.000.000 = 0.69719176279

전체 파장 -69,24cm
반파장 -34,62cm
XNUMX/XNUMX 파장 -17,31cm

이런 식으로 계산된 안테나는 전혀 쓸모가 없는 것으로 판명되었습니다. 433MHz의 주파수에서 SWR 값은 11입니다.

실험적으로 안테나를 확장하여 약 2.8cm의 안테나 길이에서 최소 SWR 50을 달성했는데 섹션의 두께가 매우 중요하다는 것이 밝혀졌습니다. 즉, 같은 길이로 두꺼운 부분만 연장한 것보다 바깥쪽 얇은 부분만 연장했을 때 결과가 더 좋았습니다. 실제로는 작동하지 않기 때문에 앞으로 텔레스코픽 안테나의 길이에 대해 이러한 계산에 얼마나 의존해야 할지 모르겠습니다. 어쩌면 다른 안테나나 주파수와 다르게 작동할 수도 있을지 모르겠습니다.

433MHz의 전선 조각

종종 라디오 스위치와 같은 다양한 장치에서 직선 와이어 조각을 안테나로 볼 수 있습니다. 433MHz(17,3cm)의 XNUMX/XNUMX 파장에 해당하는 와이어 조각을 자르고 끝부분을 주석 도금하여 SMA 암 커넥터에 꼭 맞도록 했습니다.

결과는 이상했습니다. 이러한 와이어는 360MHz에서는 잘 작동하지만 433MHz에서는 쓸모가 없습니다.


나는 와이어 끝부분을 하나씩 잘라내고 판독값을 살펴보기 시작했습니다. 그래프의 딥은 433MHz를 향해 천천히 오른쪽으로 이동하기 시작했습니다. 그 결과 약 15,5cm의 와이어 길이에 걸쳐 1.8MHz 주파수에서 가장 작은 SWR 값인 438을 얻을 수 있었습니다. 케이블을 더욱 짧게 하면 SWR이 증가합니다.

결론

커플러의 한계로 인해 Wi-Fi 안테나 등 1GHz 이상의 대역에서는 안테나를 측정할 수 없었습니다. 더 높은 대역폭 커플러가 있었다면 이 작업을 수행할 수 있었습니다.

커플러, 연결 케이블, 장치, 심지어 노트북까지 모두 결과 안테나 시스템의 일부입니다. 형상, 공간에서의 위치 및 주변 물체가 측정 결과에 영향을 미칩니다. 실제 라디오 방송국이나 모뎀에 설치한 후에는 주파수가 바뀔 수 있습니다. 라디오 방송국 본체, 모뎀, 교환원 본체가 안테나의 일부가 됩니다.

OSA103 Mini는 매우 멋진 다기능 장치입니다. 측정 중에 상담해 주신 개발자에게 감사의 말씀을 전합니다.

출처 : habr.com