— Voor welk bereik is deze antenne bedoeld?
- Ik weet het niet, controleer het.
- WAT?!?!
Hoe kun je bepalen wat voor soort antenne je in handen hebt als er geen markering op staat? Hoe begrijp je welke antenne beter of slechter is? Dit probleem houdt mij al een hele tijd bezig.
Het artikel beschrijft in eenvoudige taal de techniek voor het meten van antennekarakteristieken en de methode voor het bepalen van het frequentiebereik van de antenne.
Voor ervaren radiotechnici lijkt deze informatie misschien triviaal, en de meettechniek is mogelijk niet nauwkeurig genoeg. Het artikel is bedoeld voor degenen die helemaal niets begrijpen van radio-elektronica, zoals ik.
TL; DR We zullen de SWR van antennes op verschillende frequenties meten met behulp van het OSA 103 Mini-apparaat en een directionele koppelaar, waarbij we de afhankelijkheid van de SWR van de frequentie in kaart brengen.
Теория
Wanneer een zender een signaal naar een antenne stuurt, wordt een deel van de energie de lucht in gestraald, en een deel wordt gereflecteerd en teruggestuurd. De relatie tussen uitgestraalde en gereflecteerde energie wordt gekenmerkt door de staande golfverhouding (SWR of SWR). Hoe lager de SWR, hoe meer energie van de zender wordt uitgezonden als radiogolven. Bij SWR = 1 is er geen reflectie (alle energie wordt uitgestraald). De SWR van een echte antenne is altijd groter dan 1.
Als je een signaal met verschillende frequenties naar de antenne stuurt en tegelijkertijd de SWR meet, kun je erachter komen bij welke frequentie de reflectie minimaal zal zijn. Dit is het werkbereik van de antenne. Je kunt ook verschillende antennes voor dezelfde band vergelijken en ontdekken welke beter is.
Een deel van het zendersignaal wordt door de antenne gereflecteerd
Een antenne die voor een bepaalde frequentie is ontworpen, zou in theorie de laagste SWR moeten hebben op zijn werkfrequenties. Dit betekent dat het voldoende is om op verschillende frequenties in de antenne te stralen en te ontdekken bij welke frequentie de reflectie het kleinst is, dat wil zeggen de maximale hoeveelheid energie die ontsnapt in de vorm van radiogolven.
Door een signaal op verschillende frequenties te kunnen genereren en de reflectie te meten, kunnen we een grafiek maken met de frequentie op de X-as en de reflectiviteit van het signaal op de Y-as. Als gevolg hiervan zal er, waar er een dip in de grafiek is (dat wil zeggen de minste reflectie van het signaal), een werkbereik van de antenne zijn.
Denkbeeldige grafiek van reflectie versus frequentie. Over het gehele bereik is de reflectie 100%, behalve de werkfrequentie van de antenne.
Apparaat Osa103 Mini
Voor metingen zullen we gebruiken . Dit is een universeel meetapparaat dat een oscilloscoop, een signaalgenerator, een spectrumanalysator, een amplitude-frequentierespons/faseresponsmeter, een vectorantenne-analysator, een LC-meter en zelfs een SDR-transceiver combineert. Het werkbereik van de OSA103 Mini is beperkt tot 100 MHz, de OSA-6G-module breidt het frequentiebereik in IAFC-modus uit tot 6 GHz. Het native programma met alle functies weegt 3 MB, draait op Windows en via Wine op Linux.
Osa103 Mini - een universeel meetapparaat voor radioamateurs en ingenieurs
Directionele koppeling
Een directionele koppelaar is een apparaat dat een klein deel van een RF-signaal dat in een specifieke richting reist, omleidt. In ons geval moet hij een deel van het gereflecteerde signaal aftakken (van de antenne terug naar de generator) om het te kunnen meten.
Een visuele uitleg van de werking van een richtkoppeling:
Belangrijkste kenmerken van de richtkoppeling:
- Bedrijfsfrequenties - het frequentiebereik waarbij de hoofdindicatoren de normale limieten niet overschrijden. Mijn coupler is ontworpen voor frequenties van 1 tot 1000 MHz
- Tak (koppeling) - welk deel van het signaal (in decibel) wordt weggenomen als de golf van IN naar OUT wordt gericht
- Directiviteit — hoeveel minder signaal zal worden verwijderd als het signaal in de tegenovergestelde richting van OUT naar IN beweegt
Op het eerste gezicht ziet dit er nogal verwarrend uit. Laten we ons voor de duidelijkheid de koppeling voorstellen als een waterpijp, met een kleine uitlaat erin. De drainage is zo uitgevoerd dat wanneer het water in voorwaartse richting beweegt (van IN naar UIT), een aanzienlijk deel van het water wordt verwijderd. De hoeveelheid water die in deze richting wordt afgevoerd, wordt bepaald door de parameter Koppeling in het gegevensblad van de koppeling.
Wanneer water in de tegenovergestelde richting beweegt, wordt aanzienlijk minder water verwijderd. Het moet als bijwerking worden beschouwd. De hoeveelheid water die tijdens deze beweging wordt afgevoerd, wordt bepaald door de parameter Directiviteit in de datasheet. Hoe kleiner deze parameter is (hoe groter de dB-waarde), hoe beter voor onze taak.
schakelschema
Omdat we het door de antenne gereflecteerde signaalniveau willen meten, sluiten we deze aan op de IN van de koppelaar en de generator op OUT. Een deel van het door de antenne gereflecteerde signaal zal dus de ontvanger bereiken voor meting.
Aansluitschema voor de kraan. Het gereflecteerde signaal wordt naar de ontvanger gestuurd
Meetopstelling
Laten we een opstelling samenstellen voor het meten van SWR in overeenstemming met het schakelschema. Aan de uitgang van de apparaatgenerator installeren we bovendien een verzwakker met een verzwakking van 15 dB. Dit verbetert de afstemming van de koppeling op de generatoruitgang en verhoogt de meetnauwkeurigheid. De verzwakker kan worden genomen met een demping van 5..15 dB. Bij de daaropvolgende kalibratie wordt automatisch rekening gehouden met de mate van verzwakking.
Een verzwakker verzwakt het signaal met een vast aantal decibel. Het belangrijkste kenmerk van een verzwakker is de verzwakkingscoëfficiënt van het signaal en het werkfrequentiebereik. Bij frequenties buiten het werkingsbereik kunnen de prestaties van de verzwakker op onvoorspelbare wijze veranderen.
Zo ziet de uiteindelijke installatie eruit. U moet er ook aan denken om een middenfrequentiesignaal (IF) van de OSA-6G-module naar het moederbord van het apparaat te sturen. Om dit te doen, sluit u de IF OUTPUT-poort op het moederbord aan op de INPUT op de OSA-6G-module.
Om de interferentie van de schakelende voeding van de laptop te verminderen, voer ik alle metingen uit terwijl de laptop van stroom wordt voorzien door een batterij.
Калибровка
Voordat u met de metingen begint, moet u ervoor zorgen dat alle componenten van het apparaat in goede staat verkeren en dat de kabels van goede kwaliteit zijn; hiervoor verbinden we de generator en ontvanger rechtstreeks met een kabel, zetten de generator aan en meten de frequentie antwoord. We krijgen een bijna vlakke grafiek bij 0 dB. Dit betekent dat over het gehele frequentiebereik al het uitgestraalde vermogen van de generator de ontvanger bereikt.
De generator rechtstreeks op de ontvanger aansluiten
Laten we een verzwakker aan het circuit toevoegen. Over het gehele bereik is een vrijwel gelijkmatige signaalverzwakking van 15dB zichtbaar.
Het aansluiten van de generator via een 15dB verzwakker op de ontvanger
Laten we de generator aansluiten op de OUT-connector van de koppeling en de ontvanger op de CPL-connector van de koppeling. Omdat er geen belasting is aangesloten op de IN-poort, moet al het gegenereerde signaal worden gereflecteerd en moet een deel ervan worden afgetakt naar de ontvanger. Volgens het gegevensblad van onze koppeling (), is de koppelingsparameter ~15db, wat betekent dat we een horizontale lijn zouden moeten zien op een niveau van ongeveer -30 dB (koppeling + verzwakking van de verzwakker). Maar aangezien het werkbereik van de koppelaar beperkt is tot 1 GHz, kunnen alle metingen boven deze frequentie als zinloos worden beschouwd. Dit is duidelijk zichtbaar in de grafiek; na 1 GHz zijn de metingen chaotisch en betekenisloos. Daarom zullen wij alle verdere metingen binnen het werkbereik van de koppeling uitvoeren.
Een kraan aansluiten zonder belasting. De grens van het werkbereik van de koppeling is zichtbaar.
Omdat meetgegevens boven 1 GHz in ons geval geen zin hebben, zullen we de maximale frequentie van de generator beperken tot de bedrijfswaarden van de koppelaar. Bij het meten krijgen we een rechte lijn.
Het generatorbereik beperken tot het werkbereik van de koppeling
Om de SWR van antennes visueel te meten, moeten we een kalibratie uitvoeren om de huidige parameters van het circuit (100% reflectie) als referentiepunt te nemen, dat wil zeggen nul dB. Voor dit doel heeft het OSA103 Mini-programma een ingebouwde kalibratiefunctie. Kalibratie wordt uitgevoerd zonder aangesloten antenne (belasting), kalibratiegegevens worden naar een bestand geschreven en er wordt vervolgens automatisch rekening mee gehouden bij het maken van grafieken.
Kalibratiefunctie voor frequentierespons in het OSA103 Mini-programma
Door de kalibratieresultaten toe te passen en metingen zonder belasting uit te voeren, krijgen we een vlakke grafiek bij 0 dB.
Grafiek na kalibratie
Wij meten antennes
Nu kunt u beginnen met het meten van de antennes. Dankzij kalibratie zien en meten we de vermindering van de reflectie na het aansluiten van de antenne.
Antenne van AliExpress op 433MHz
Antenne gemarkeerd met 443MHz. Te zien is dat de antenne het meest efficiënt werkt in het 446MHz-bereik, bij deze frequentie is de SWR 1.16. Tegelijkertijd zijn de prestaties op de aangegeven frequentie aanzienlijk slechter, op 433 MHz is de SWR 4,2.
Onbekende antenne 1
Antenne zonder markeringen. Afgaande op de grafiek is deze ontworpen voor 800 MHz, vermoedelijk voor de GSM-band. Eerlijk gezegd werkt deze antenne ook op 1800 MHz, maar vanwege de beperkingen van de koppelaar kan ik op deze frequenties geen geldige metingen doen.
Onbekende antenne 2
Nog een antenne die al heel lang in mijn boxen ligt. Blijkbaar ook voor het GSM-bereik, maar beter dan de vorige. Bij een frequentie van 764 MHz ligt de SWR dicht bij de eenheid, bij 900 MHz is de SWR 1.4.
Onbekende antenne 3
Het ziet eruit als een Wi-Fi-antenne, maar om de een of andere reden is de connector SMA-Male en niet RP-SMA, zoals alle Wi-Fi-antennes. Afgaande op metingen is deze antenne bij frequenties tot 1 MHz onbruikbaar. Nogmaals, vanwege de beperkingen van de koppelaar zullen we niet weten wat voor soort antenne het is.
Telescopische antenne
Laten we proberen te berekenen hoe ver de telescoopantenne moet worden uitgeschoven voor het 433MHz-bereik. De formule voor het berekenen van de golflengte is: λ = C/f, waarbij C de lichtsnelheid is, f de frequentie.
299.792.458 / 443.000.000 = 0.69719176279
Volledige golflengte - 69,24 cm
Halve golflengte - 34,62 cm
Kwart golflengte - 17,31 cm
De op deze manier berekende antenne bleek absoluut nutteloos. Bij een frequentie van 433MHz is de SWR-waarde 11.
Door de antenne experimenteel uit te breiden, slaagde ik erin om bij een antennelengte van ongeveer 2.8 cm een minimale SWR van 50 te bereiken, waarbij de dikte van de secties van groot belang bleek te zijn. Dat wil zeggen dat wanneer alleen de dunne buitenste secties werden verlengd, het resultaat beter was dan wanneer alleen de dikke secties tot dezelfde lengte werden verlengd. Ik weet niet in hoeverre je in de toekomst op deze berekeningen moet vertrouwen met de lengte van een telescoopantenne, want in de praktijk werken ze niet. Misschien werkt het anders met andere antennes of frequenties, ik weet het niet.
Een stukje draad op 433MHz
Vaak zie je in diverse apparaten, zoals radioschakelaars, een stukje rechte draad terug als antenne. Ik heb een stuk draad afgeknipt dat gelijk is aan een kwart golflengte van 433 MHz (17,3 cm) en het uiteinde vertind zodat het precies in de SMA Female-connector past.
Het resultaat was vreemd: zo'n draad werkt goed op 360 MHz maar is nutteloos op 433 MHz.
Ik begon de draad stukje bij beetje van het uiteinde af te knippen en naar de meetwaarden te kijken. De dip in de grafiek begon langzaam naar rechts te verschuiven, richting 433 MHz. Het resultaat was dat ik over een draadlengte van ongeveer 15,5 cm de kleinste SWR-waarde van 1.8 wist te behalen bij een frequentie van 438 MHz. Verdere verkorting van de kabel leidde tot een toename van de SWR.
Conclusie
Door beperkingen van de koppelaar was het niet mogelijk om antennes in banden boven de 1 GHz te meten, zoals Wi-Fi-antennes. Dit had kunnen gebeuren als ik een koppeling met een hogere bandbreedte had.
Een koppelaar, verbindingskabels, een apparaat en zelfs een laptop zijn allemaal onderdelen van het resulterende antennesysteem. Hun geometrie, positie in de ruimte en omringende objecten beïnvloeden het meetresultaat. Na installatie op een echt radiostation of modem kan de frequentie namelijk verschuiven het lichaam van het radiostation, de modem en het lichaam van de operator zullen onderdeel worden van de antenne.
OSA103 Mini is een heel gaaf multifunctioneel apparaat. Ik spreek mijn dank uit aan de ontwikkelaar voor het advies tijdens de metingen.
Bron: www.habr.com