— Voor welk bereik is deze antenne?
— Ik weet het niet, controleer het.
— WAT?!?!
Hoe bepaal je welk type antenne je in handen hebt als er geen labeling op staat? Hoe weet je welke antenne beter of slechter is? Dit probleem hield me al een tijdje bezig.
In het artikel wordt op eenvoudige wijze de methode beschreven voor het meten van antennekenmerken en hoe je het frequentiebereik van een antenne kunt bepalen.
Voor ervaren radio-ingenieurs kan deze informatie vanzelfsprekend lijken en is de meetmethode misschien niet nauwkeurig genoeg. Het artikel is gericht op 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 de OSA 103 Mini en een richtinggevende aftakking, en een grafiek opstellen van de relatie tussen SWR en frequentie.
Theorie
Wanneer de zender een signaal naar de antenne stuurt, wordt een deel van de energie uitgestraald in de lucht en een deel wordt weerspiegeld en keert terug. De verhouding tussen uitgestraalde en weerspiegelde energie wordt gekarakteriseerd door de Standing Wave Ratio (SWR). Hoe lager de SWR, des te groter deel van de zenderenergie wordt uitgestraald als radiogolven. Bij een SWR van 1 is er geen reflectie (alle energie wordt uitgestraald). De SWR van een echte antenne is altijd groter dan 1.
Als je een signaal van verschillende frequenties naar de antenne stuurt en tegelijkertijd de SWR meet, kun je ontdekken bij welke frequentie de reflectie minimaal is. Dit zal het werkbereik van de antenne zijn. Ook kun je verschillende antennes vergelijken voor hetzelfde bereik en uitvinden welke beter is.
Een deel van het signaal van de zender wordt weerspiegeld door de antenne.
Een antenne die is ontworpen voor een bepaalde frequentie, moet in theorie de laagste SWR hebben op zijn werkfrequenties. Dit betekent dat het voldoende is om op verschillende frequenties uit te zenden naar de antenne en te vinden bij welke frequentie de reflectie het laagst is, oftewel het maximale aantal energie gaat weg in de vorm van radiogolven.
Als we de mogelijkheid hebben om signalen op verschillende frequenties te genereren en de reflectie te meten, kunnen we een grafiek opstellen waarbij de X-as de frequentie weergeeft en de Y-as de reflectieverhouding van het signaal. Als resultaat, daar waar de grafiek een dal vertoont (dat wil zeggen de laagste reflectie van het signaal), zal het werkbereik van de antenne zijn.
Een denkbeeldige grafiek van de relatie tussen reflectie en frequentie. Over het gehele bereik is de reflectie 100%, behalve op de werkfrequentie van de antenne.
Apparaat Osa103 Mini
Voor de metingen zullen we gebruiken . Dit is een veelzijdig meetinstrument dat een oscilloscoop, signaalgenerator, spectrum analyzer, AHF/FHF-meting, vector antenne-analyzer, LC-meting 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 AHF-modus uit tot 6 GHz. De bijbehorende software met alle functies is 3 MB groot, werkt onder Windows en via wine in Linux.
Osa103 Mini — een veelzijdig meetinstrument voor hobbyisten en ingenieurs
Geleide afsplitsing
Een geleide afsplitsing (directional coupler) is een apparaat dat een klein deel van een hoogfrequent signaal dat in een bepaalde richting gaat, afleidt. In ons geval moet het een deel van het gereflecteerde signaal (dat van de antenne terug naar de generator gaat) afsplitsen voor meting.
Duidelijke uitleg van de werking van de geleide afsplitsing:
Belangrijkste kenmerken van de geleide afsplitsing:
- Werkfrequenties — het frequentiebereik waarbinnen de belangrijkste indicatoren binnen de normale grenzen blijven. Mijn afsplitsing is ontworpen voor frequenties van 1 tot 1000 MHz.
- Afsplitsing (Coupling) — welk deel van het signaal (in decibel) wordt afgeleid wanneer de golf van IN naar OUT gaat.
- Directiviteit (Directivity) — hoe veel minder van het signaal wordt afgeleid wanneer het signaal in de tegenovergestelde richting loopt van OUT naar IN.
Op het eerste gezicht lijkt dit vrij verwarrend. Laten we de afsplitsing voorstellen als een waterleidingsbuis met een kleine aftakking binnenin. De aftakking is zo gemaakt dat bij het bewegen van het water in de rechtstreekse richting (van IN naar OUT) een aanzienlijk deel van het water wordt afgeleid. De hoeveelheid water die in deze richting wordt afgeleid, wordt bepaald door de parameter Coupling in de datasheet van de afsplitsing.
Wanneer het water in de tegenovergestelde richting beweegt, wordt er aanzienlijk minder water afgeleid. Dit moet als een neveneffect worden gezien. De hoeveelheid water die in deze beweging wordt afgeleid, wordt bepaald door de parameter Directivity in de datasheet. Hoe kleiner deze parameter is (hoe hoger de waarde in dB), hoe beter voor onze taak.
Principeschema
Aangezien we het niveau van het signaal willen meten dat van de antenne is gereflecteerd, sluiten we deze aan op IN van de afsplitsing, en de generator op OUT. Zo komt een deel van het van de antenne gereflecteerde signaal op de ontvanger terecht voor meting.
Schema voor de aansluiting van de afsplitsing. Het gereflecteerde signaal wordt naar de ontvanger geleid.
Meetinstallatie
We zullen de opstelling voor het meten van KSV samenstellen volgens het schematisch diagram. Aan de uitgang van de generator van het apparaat installeren we bovendien een attenuator met een verzwakking van 15 dB. Dit zal de afstemming van de afsplitter op de uitgang van de generator verbeteren en de meetnauwkeurigheid verhogen. De attenuator kan met een verzwakking van 5..15 dB worden gekozen. De hoeveelheid verzwakking wordt automatisch in aanmerking genomen bij de volgende calibratie.
De attenuator verzwakt het signaal met een vast aantal decibel. De belangrijkste eigenschap van de attenuator is de verzwakkingscoëfficiënt (attenuatie) van het signaal en het werkfrequentiebereik. Bij frequenties buiten het werkbereik kunnen de eigenschappen van de attenuator onvoorspelbaar veranderen.
Dit is de uiteindelijke opstelling. Vergeet ook niet om het signaal van de tussenfrequentie (IF) van de OSA-6G module naar de hoofdprintplaat van het apparaat te sturen. Hiervoor verbinden we de poort IF OUTPUT op de hoofdprintplaat met INPUT op de OSA-6G module.
Om het geluidsniveau van de pulsgenerator van de laptop te verminderen, voer ik alle metingen uit terwijl de laptop op de batterij werkt.
Calibratie
Voordat we met de metingen beginnen, moeten we ervoor zorgen dat alle onderdelen van het apparaat correct functioneren en de kwaliteit van de kabels goed is. Hiervoor verbinden we de generator en de ontvanger rechtstreeks met een kabel, zetten de generator aan en meten de frequentierespons. We krijgen een bijna vlakke curve op 0dB. Dit betekent dat het volledige uitgezonden vermogen van de generator het ontvangstapparaat heeft bereikt over het volledige frequentiebereik.
Generator rechtstreeks op ontvanger aansluiten
We voegen de attenuator aan het schema toe. Er is een bijna constante verzwakking van het signaal van 15dB over het volledige bereik te zien.
Generator via attenuator op 15dB naar ontvanger aansluiten
We verbinden de generator met de OUT-aansluiting van de afsplitter, en de ontvanger met de CPL-aansluiting van de afsplitter. Aangezien er geen belasting op de IN-poort is aangesloten, moet het gehele geproduceerde signaal worden gereflecteerd, en een deel van het signaal afgesplitst naar de ontvanger. Volgens de datasheet van onze afsplitter (), de koppeling parameter is ~15db, wat betekent dat we een horizontale lijn moeten zien rond -30 dB (koppeling + demping van de attenuator). Maar aangezien het werkfrequentiebereik van de splitter beperkt is tot 1 GHz, kunnen alle metingen boven deze frequentie als betekenisloos worden beschouwd. Dit is duidelijk zichtbaar in de grafiek, na 1 GHz zijn de resultaten chaotisch en zonder betekenis. Daarom zullen we alle verdere metingen in het werkfrequentiebereik van de splitter uitvoeren.
Splitterverbinding zonder belasting. Het grenswerkingsspectrum van de splitter is zichtbaar.
Omdat de meetgegevens boven 1 GHz in ons geval geen zin hebben, beperken we de maximale frequentie van de generator tot de werkwaarden van de splitter. Bij metingen krijgen we een vlakke lijn.
Beperking van de generatorfrequentie tot het werkfrequentiebereik van de splitter
Om de SWR van de antennes visueel te meten, moeten we kalibratie uitvoeren om de huidige parameters van de schakeling (100% reflectie) als referentiepunt te accepteren, dat wil zeggen nul dB. Hiervoor heeft het OSA103 Mini-programma een ingebouwde kalibratiefunctie. De kalibratie wordt uitgevoerd zonder aangesloten antenne (belasting), de kalibratiegegevens worden opgeslagen in een bestand en later automatisch in aanmerking genomen bij het maken van grafieken.
Kalibratiefunctie van de IACF in het OSA103 Mini-programma
Door de kalibratieresultaten toe te passen en metingen zonder belasting uit te voeren, krijgen we een vlakke grafiek op 0 dB.
Grafiek na kalibratie
We meten antennes
Nu kunnen we beginnen met het meten van antennes. Dankzij de kalibratie kunnen we de vermindering van reflectie na het aansluiten van de antenne zien en meten.
Antenne van Aliexpress op 433MHz
Antenne met een markering van 443MHz. Het is duidelijk dat de antenne het effectiefst werkt in het bereik van 446MHz, bij deze frequentie is de SWR 1.16. Bij de opgegeven frequentie zijn de waarden aanzienlijk slechter, op 433MHz is de SWR 4.2.
Onbekende antenne 1
Antenne zonder markering. Afgaand op de grafiek, is deze bedoeld voor 800 MHz, vermoedelijk voor GSM-bereik. Ter rechtvaardiging moet worden gezegd dat deze antenne ook werkt op 1800 MHz, maar vanwege de beperkingen van de splitter kan ik geen nauwkeurige metingen op deze frequenties doen.
Onbekende antenne 2
Nog een antenne die al een tijd bij mij in de dozen ligt. Blijkbaar ook voor GSM-bereik, maar al beter dan de vorige. Op een frequentie van 764 MHz is de SWR dicht bij één, op 900 MHz is de SWR 1.4.
Onbekende antenne 3
Dit lijkt op een Wi-Fi antenne, maar de connector is om de een of andere reden SMA-Male in plaats van RP-SMA, zoals bij alle Wi-Fi antennes. Op basis van de metingen is deze antenne tot frequenties van 1 MHz nutteloos. Nogmaals, door de beperkingen van de splitter zullen we niet ontdekken wat voor antenne dit is.
Telescopische antenne
Laten we proberen te berekenen hoe ver we de telescopische antenne moeten uitschuiven voor het bereik van 433MHz. De formule voor de berekening van de golflengte is: λ = C/f, waarbij C de lichtsnelheid is en 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 volkomen nutteloos te zijn. Bij een frequentie van 433MHz was de SWR-waarde 11.
Door experimenteel de antenne uit te schuiven, kon ik een minimale SWR van 2.8 bereiken bij een antennelengte van ongeveer 50 cm. Daarbij bleek dat de dikte van de secties een grote rol speelt. Dus, door alleen de dunne uiteinden uit te schuiven, was het resultaat beter dan wanneer ik hetzelfde deed met alleen de dikke secties. Ik weet niet in hoeverre ik in de toekomst op deze berekeningen voor de lengte van de telescopische antenne kan vertrouwen, omdat ze in de praktijk niet werken. Misschien werkt het anders met andere antennes of frequenties, dat weet ik niet.
Stuk draad op 433MHz
Vaak zie je in verschillende apparaten, zoals afstandsbedieningen, een stuk rechte draad als antenne. Ik knipte een stuk draad af dat gelijk is aan een kwart van de golflengte van 433 MHz (17,3 cm), en soldeerde de uiteinden zodat deze goed in de SMA Female connector paste.
Het resultaat was vreemd: zo'n draad werkt goed op 360 MHz, maar is nutteloos op 433 MHz.
Ik begon stuk voor stuk de draad vanaf het uiteinde af te knippen en keek naar de metingen. De daling op de grafiek begon langzaam naar rechts te verschuiven, richting 433 MHz. Uiteindelijk, bij een draadlengte van ongeveer 15,5 cm, kon ik de laagste SWR-waarde van 1.8 bereiken op een frequentie van 438 MHz. Verdere inkorting van de kabel leidde tot een stijging van de SWR.
Conclusie
Door de beperkingen van de splitter kon ik geen antennes boven 1 GHz meten, zoals Wi-Fi antennes. Dit had gedaan kunnen worden als ik een bredere splitter had gehad.
Een splitter, verbindingskabels, een apparaat en zelfs een laptop zijn onderdelen van het antennesysteem dat ontstaat. Hun geometrie, positie in de ruimte en omliggende objecten beïnvloeden het meetresultaat. Na installatie op een echte radiozender of modem kan de frequentie verschuiven, aangezien de behuizing van de radiozender, het modem en het lichaam van de operator deel gaan uitmaken van de antenne.
De OSA103 Mini is een erg cool multifunctioneel apparaat. Ik wil de ontwikkelaar bedanken voor de consultatie tijdens het uitvoeren van de metingen.
Bron: habr.com
