За кој опсег е оваа антена? Ги мериме карактеристиките на антената

— За кој опсег е оваа антена?
- Не знам, проверете.
- ШТО?!?!

Како можете да одредите каква антена имате во вашите раце ако нема ознака на неа? Како да се разбере која антена е подобра или полоша? Овој проблем ме мачи долго време.
Статијата на едноставен јазик ја опишува техниката за мерење на карактеристиките на антената и методот за одредување на опсегот на фреквенција на антената.

За искусни радио инженери, оваа информација може да изгледа тривијална, а техниката на мерење можеби не е доволно точна. Статијата е наменета за оние кои воопшто не разбираат ништо од радио електрониката, како мене.

TL; ДР Ќе го измериме SWR на антените на различни фреквенции користејќи го уредот OSA 103 Mini и насочен спојувач, прикажувајќи ја зависноста на SWR од фреквенцијата.

Теорија

Кога предавателот испраќа сигнал до антената, дел од енергијата се зрачи во воздухот, а дел се рефлектира и се враќа назад. Односот помеѓу зрачената и рефлектираната енергија се карактеризира со односот на стоечки бранови (SWR или SWR). Колку е помал SWR, толку повеќе од енергијата на предавателот се емитува како радио бранови. На SWR = 1 нема рефлексија (целата енергија се зрачи). SWR на вистинска антена е секогаш поголема од 1.

Ако испратите сигнал со различни фреквенции на антената и истовремено го измерите SWR, можете да откриете на која фреквенција рефлексијата ќе биде минимална. Ова ќе биде опсегот на работа на антената. Можете исто така да споредувате различни антени за истиот опсег и да откриете која е подобра.

Дел од сигналот на предавателот се рефлектира од антената

Антена дизајнирана за одредена фреквенција, во теорија, треба да има најниска SWR на нејзините работни фреквенции. Тоа значи дека е доволно да се зрачи во антената на различни фреквенции и да се најде на која фреквенција рефлексијата е најмала, односно максималната количина на енергија што излегува во вид на радио бранови.

Со тоа што можеме да генерираме сигнал на различни фреквенции и да го измериме одразот, можеме да создадеме график со фреквенцијата на оската X и рефлексивноста на сигналот на оската Y. Како резултат на тоа, каде што има пад во графиконот (т.е. најмал одраз на сигналот), ќе има работен опсег на антената.

Имагинарен график на рефлексија наспроти фреквенција. Во целиот опсег, рефлексијата е 100%, освен работната фреквенција на антената.

Уред Osa103 Mini

За мерења ќе користиме OSA103 Mini. Ова е универзален мерен уред кој комбинира осцилоскоп, генератор на сигнал, анализатор на спектар, мерач на одговор/фазен одговор на амплитуда-фреквенција, анализатор на векторска антена, LC метар, па дури и SDR трансивер. Опсегот на работа на OSA103 Mini е ограничен на 100 MHz, модулот OSA-6G го проширува опсегот на фреквенција во режимот IAFC до 6 GHz. Матичната програма со сите функции тежи 3 MB, работи на Windows и преку вино на Linux.

Osa103 Mini - универзален мерен уред за радио аматери и инженери

Насока спојка

Насочена спојка е уред кој пренасочува мал дел од RF сигналот кој патува во одредена насока. Во нашиот случај, тој мора да разграни дел од рефлектираниот сигнал (што оди од антената назад до генераторот) за да го измери.
Визуелно објаснување за работата на насочен спојувач: youtube.com/watch?v=iBK9ZIx9YaY

Главни карактеристики на насочен спојувач:

• Работни фреквенции - опсегот на фреквенции на кои главните индикатори не ги надминуваат нормалните граници. Мојата спојка е дизајнирана за фреквенции од 1 до 1000 MHz
• Филијала (спојка) - кој дел од сигналот (во децибели) ќе се одземе кога бранот е насочен од IN кон OUT
• Директивност — колку помалку сигнал ќе се отстрани кога сигналот се движи во спротивна насока од OUT кон IN

На прв поглед ова изгледа прилично збунувачки. За јасност, да ја замислиме спојката како водоводна цевка, со мала чешма внатре. Одводнувањето е направено така што при движење на водата во правец напред (од ВЛЕЗ кон ИЗЛЕЗ) се отстранува значителен дел од водата. Количината на вода што се испушта во оваа насока се одредува со параметарот Coupling во листот со податоци на спојката.

Кога водата се движи во спротивна насока, значително помалку вода се отстранува. Треба да се земе како несакан ефект. Количината на вода што се испушта при ова движење се одредува со параметарот Directivity во листот со податоци. Колку е помал овој параметар (колку е поголема вредноста на dB), толку подобро за нашата задача.

Шематски дијаграм

Бидејќи сакаме да го измериме нивото на сигналот што се рефлектира од антената, го поврзуваме со IN на спојката, а генераторот на OUT. Така, дел од сигналот што се рефлектира од антената ќе стигне до приемникот за мерење.

Дијаграм за поврзување на чешмата. Рефлектираниот сигнал се испраќа до приемникот

Поставување на мерење

Ајде да собереме поставка за мерење на SWR во согласност со дијаграмот на колото. На излезот од генераторот на уредот, дополнително ќе инсталираме атенуатор со слабеење од 15 dB. Ова ќе го подобри усогласувањето на спојката со излезот на генераторот и ќе ја зголеми точноста на мерењето. Атенуаторот може да се земе со слабеење од 5..15 dB. Износот на слабеењето автоматски ќе се земе предвид при последователна калибрација.

Атенуатор го ослабува сигналот за фиксен број на децибели. Главната карактеристика на атенуаторот е коефициентот на слабеење на сигналот и опсегот на работната фреквенција. На фреквенции надвор од опсегот на работа, перформансите на атенуаторот може да се променат непредвидливо.

Вака изгледа конечната инсталација. Исто така, мора да запомните да дадете сигнал со средна фреквенција (IF) од модулот OSA-6G до главната плоча на уредот. За да го направите ова, поврзете ја портата IF OUTPUT на главната плоча со INPUT на модулот OSA-6G.

За да го намалам нивото на пречки од преклопното напојување на лаптопот, ги извршувам сите мерења кога лаптопот се напојува од батерија.

Калибрација

Пред да започнете со мерењата, треба да бидете сигурни дека сите компоненти на уредот се во добра работна состојба и квалитетот на каблите; за да го направите ова, ги поврзуваме генераторот и приемникот директно со кабел, го вклучуваме генераторот и ја мериме фреквенцијата одговор. Добиваме речиси рамен график на 0dB. Ова значи дека низ целиот фреквентен опсег, целата зрачена моќност на генераторот стигнала до приемникот.

Поврзување на генераторот директно со ресиверот

Ајде да додадеме атенуатор на колото. Речиси рамномерно слабеење на сигналот од 15dB е видливо низ целиот опсег.

Поврзување на генераторот преку атенуатор од 15dB со ресиверот

Ајде да го поврземе генераторот со конекторот OUT на спојката, а ресиверот со CPL конекторот на спојката. Бидејќи нема оптоварување поврзано со портата IN, целиот генериран сигнал мора да се рефлектира и дел од него да се разграни до ресиверот. Според листот со податоци за нашата спојка (ZEDC-15-2B), параметарот Coupling е ~15db, што значи дека треба да видиме хоризонтална линија на ниво од околу -30 dB (спојка + слабеење на атенуатор). Но, бидејќи опсегот на работа на спојката е ограничен на 1 GHz, сите мерења над оваа фреквенција може да се сметаат за бесмислени. Ова е јасно видливо на графиконот; по 1 GHz читањата се хаотични и бесмислени. Затоа, ќе ги извршиме сите понатамошни мерења во оперативниот опсег на спојката.

Поврзување чешма без оптоварување. Ограничувањето на опсегот на работа на спојката е видлива.

Бидејќи податоците за мерење над 1 GHz, во нашиот случај, немаат смисла, максималната фреквенција на генераторот ќе ја ограничиме на работните вредности на спојката. При мерење добиваме права линија.

Ограничување на опсегот на генераторот на опсегот на работа на спојката

За визуелно да го измериме SWR на антените, треба да извршиме калибрација за да ги земеме тековните параметри на колото (100% одраз) како референтна точка, односно нула dB. За таа цел, програмата OSA103 Mini има вградена функција за калибрација. Калибрацијата се изведува без поврзана антена (оптоварување), податоците за калибрација се запишуваат во датотека и последователно автоматски се земаат предвид при конструирање графикони.

Функција за калибрација на фреквентен одговор во програмата OSA103 Mini

Применувајќи ги резултатите од калибрацијата и извршувањето на мерењата без оптоварување, добиваме рамен график на 0dB.

График по калибрација

Ние мериме антени

Сега можете да започнете со мерење на антените. Благодарение на калибрацијата, ќе го видиме и измериме намалувањето на рефлексијата по поврзувањето на антената.

Антена од Aliexpress на 433 MHz

Антена означена со 443 MHz. Може да се види дека антената најефикасно работи во опсегот од 446 MHz, на оваа фреквенција SWR е 1.16. Во исто време, на декларираната фреквенција перформансите се значително полоши, на 433 MHz SWR е 4,2.

Непозната антена 1

Антена без ознаки. Судејќи според графикот, тој е дизајниран за 800 MHz, веројатно за опсегот GSM. Да бидам фер, и оваа антена работи на 1800 MHz, но поради ограничувањата на спојката, не можам да направам валидни мерења на овие фреквенции.

Непозната антена 2

Уште една антена која долго време лежеше во моите кутии. Очигледно, исто така за опсегот на GSM, но подобар од претходниот. На фреквенција од 764 MHz, SWR е блиску до единството, на 900 MHz SWR е 1.4.

Непозната антена 3

Изгледа како антена за Wi-Fi, но поради некоја причина конекторот е SMA-Male, а не RP-SMA, како сите антени за Wi-Fi. Судејќи според мерењата, на фреквенции до 1 MHz оваа антена е бескорисна. Повторно, поради ограничувањата на спојката, нема да знаеме за каква антена се работи.

Телескопска антена

Ајде да се обидеме да пресметаме колку далеку треба да се прошири телескопската антена за опсегот од 433 MHz. Формулата за пресметување на брановата должина е: λ = C/f, каде што C е брзината на светлината, f е фреквенцијата.

299.792.458 / 443.000.000 = 0.69719176279

Целосна бранова должина - 69,24 см
Половина бранова должина - 34,62 см
Четврт бранова должина - 17,31 см

Вака пресметаната антена се покажа како апсолутно бескорисна. На фреквенција од 433 MHz вредноста на SWR е 11.

Со експериментално продолжување на антената успеав да постигнам минимум SWR од 2.8 со должина на антената од околу 50 cm.Се покажа дека дебелината на пресеците е од големо значење. Односно, кога се продолжуваат само тенките надворешни делови, резултатот бил подобар отколку кога се продолжуваат само дебелите делови на иста должина. Не знам колку треба да се потпрете на овие пресметки со должината на телескопската антена во иднина, бидејќи во пракса тие не функционираат. Можеби работи поинаку со други антени или фреквенции, не знам.

Парче жица на 433 MHz

Често во различни уреди, како што се радио прекинувачите, можете да видите парче права жица како антена. Исеков парче жица еднакво на четвртина бранова должина од 433 MHz (17,3 cm) и го закачив крајот така што цврсто се вклопува во SMA Female конекторот.

Резултатот беше чуден: таквата жица работи добро на 360 MHz, но е бескорисна на 433 MHz.


Почнав да ја сечам жицата од крајот дел по дел и да ги гледам читањата. Намалувањето на графиконот почна полека да се движи надесно, кон 433 MHz. Како резултат на тоа, преку должина на жица од околу 15,5 см, успеав да ја добијам најмалата вредност на SWR од 1.8 на фреквенција од 438 MHz. Понатамошното скратување на кабелот доведе до зголемување на SWR.

Заклучок

Поради ограничувањата на спојката, не беше можно да се измерат антените во опсези над 1 GHz, како што се антените за Wi-Fi. Ова можеше да се направи ако имав спојка со поголем пропусен опсег.

Спојка, поврзувачки кабли, уред, па дури и лаптоп се сите делови од добиениот антенски систем. Нивната геометрија, положбата во просторот и околните објекти влијаат на резултатот од мерењето. По инсталацијата на вистинска радио станица или модем, фреквенцијата може да се смени, бидејќи телото на радио станицата, модемот и телото на операторот ќе станат дел од антената.

OSA103 Mini е многу кул мултифункционален уред. Ја изразувам мојата благодарност до неговиот развивач за консултациите за време на мерењата.

Извор: www.habr.com