— Na jaki zasięg przeznaczona jest ta antena?
- Nie wiem, sprawdź.
- CO?!?!
Jak ustalić, jaką antenę trzymasz w rękach, jeśli nie ma na niej żadnego oznaczenia? Jak zrozumieć, która antena jest lepsza, a która gorsza? Problem ten nękał mnie od dłuższego czasu.
W artykule opisano prostym językiem technikę pomiaru charakterystyki anteny oraz sposób wyznaczania zakresu częstotliwości anteny.
Doświadczonym inżynierom radiowym informacje te mogą wydawać się trywialne, a technika pomiarowa może nie być wystarczająco dokładna. Artykuł przeznaczony jest dla tych, którzy tak jak ja nie mają zielonego pojęcia o elektronice radiowej.
TL; DR Będziemy mierzyć SWR anten na różnych częstotliwościach za pomocą urządzenia OSA 103 Mini i sprzęgacza kierunkowego, wykreślając zależność SWR od częstotliwości.
Teoria
Kiedy nadajnik wysyła sygnał do anteny, część energii jest wypromieniowywana do powietrza, a część jest odbijana i powracana. Zależność pomiędzy energią wypromieniowaną i odbitą charakteryzuje się współczynnikiem fali stojącej (SWR lub SWR). Im niższy SWR, tym większa część energii nadajnika jest emitowana w postaci fal radiowych. Przy SWR = 1 nie ma odbicia (cała energia jest wypromieniowywana). SWR prawdziwej anteny jest zawsze większy niż 1.
Jeśli wyślesz do anteny sygnał o różnych częstotliwościach i jednocześnie zmierzysz SWR, możesz dowiedzieć się, przy jakiej częstotliwości odbicie będzie minimalne. Będzie to zasięg działania anteny. Możesz także porównać różne anteny dla tego samego pasma i dowiedzieć się, która jest lepsza.
Część sygnału nadajnika odbija się od anteny
Antena zaprojektowana dla określonej częstotliwości teoretycznie powinna mieć najniższy SWR na swoich częstotliwościach roboczych. Oznacza to, że wystarczy wypromieniować do anteny na różnych częstotliwościach i dowiedzieć się, przy której częstotliwości odbicie jest najmniejsze, czyli maksymalna ilość energii, która ucieka w postaci fal radiowych.
Dzięki możliwości wygenerowania sygnału o różnych częstotliwościach i pomiaru odbicia, możemy stworzyć wykres z częstotliwością na osi X i współczynnikiem odbicia sygnału na osi Y. W efekcie tam gdzie na wykresie będzie spadek (czyli najmniejsze odbicie sygnału) będzie zasięg działania anteny.
Wyimaginowany wykres odbicia w funkcji częstotliwości. W całym zakresie odbicie wynosi 100%, z wyjątkiem częstotliwości roboczej anteny.
Urządzenie Osa103 Mini
Do pomiarów użyjemy . Jest to uniwersalne urządzenie pomiarowe, które łączy w sobie oscyloskop, generator sygnału, analizator widma, miernik odpowiedzi amplitudowo-częstotliwościowej/odpowiedzi fazowej, wektorowy analizator antenowy, miernik LC, a nawet transceiver SDR. Zasięg pracy OSA103 Mini ograniczony jest do 100 MHz, moduł OSA-6G rozszerza zakres częstotliwości w trybie IAFC do 6 GHz. Natywny program ze wszystkimi funkcjami waży 3 MB, działa na Windowsie i poprzez Wine na Linuksie.
Osa103 Mini - uniwersalne urządzenie pomiarowe dla radioamatorów i inżynierów
Łącznik kierunkowy
Sprzęgacz kierunkowy to urządzenie, które odwraca niewielką część sygnału RF przemieszczającego się w określonym kierunku. W naszym przypadku musi on rozgałęzić część odbitego sygnału (pochodzącą z anteny z powrotem do generatora), aby go zmierzyć.
Wizualne wyjaśnienie działania sprzęgacza kierunkowego:
Główne cechy sprzęgacza kierunkowego:
- Częstotliwości operacyjne - zakres częstotliwości, w którym główne wskaźniki nie przekraczają normalnych granic. Mój sprzęgacz jest przeznaczony dla częstotliwości od 1 do 1000 MHz
- Odgałęzienie (sprzęgło) - jaka część sygnału (w decybelach) zostanie odjęta, gdy fala zostanie skierowana z IN na OUT
- Kierunkowość — o ile mniej sygnału zostanie usunięte, gdy sygnał przesunie się w przeciwnym kierunku z OUT do IN
Na pierwszy rzut oka wygląda to dość zagmatwanie. Dla jasności wyobraźmy sobie złączkę jako rurę wodną z małym wylotem w środku. Drenaż wykonuje się w taki sposób, że przy przemieszczaniu się wody w kierunku do przodu (od IN do OUT) znaczna część wody zostaje usunięta. Ilość wody odprowadzanej w tym kierunku jest określona przez parametr Sprzęgło w arkuszu danych złącza.
Kiedy woda porusza się w przeciwnym kierunku, usuwa się znacznie mniej wody. Należy to traktować jako skutek uboczny. Ilość wody odprowadzanej podczas tego ruchu jest określona przez parametr Kierunkowość w arkuszu danych. Im mniejszy jest ten parametr (im większa wartość dB), tym lepiej dla naszego zadania.
Schemat obwodu
Ponieważ chcemy zmierzyć poziom sygnału odbitego od anteny, podłączamy go do wejścia IN sprzęgacza, a generator do wyjścia OUT. Tym samym część sygnału odbitego od anteny dotrze do odbiornika w celu pomiaru.
Schemat podłączenia kranu. Odbity sygnał jest wysyłany do odbiornika
Konfiguracja pomiarowa
Zbudujmy układ do pomiaru SWR zgodnie ze schematem obwodu. Na wyjściu generatora urządzenia dodatkowo zainstalujemy tłumik o tłumieniu 15 dB. Poprawi to dopasowanie sprzęgacza do mocy generatora i zwiększy dokładność pomiaru. Tłumik można przyjąć z tłumieniem 5..15 dB. Wielkość tłumienia zostanie automatycznie uwzględniona podczas późniejszej kalibracji.
Tłumik tłumi sygnał o ustaloną liczbę decybeli. Główną cechą tłumika jest współczynnik tłumienia sygnału i zakres częstotliwości roboczej. Przy częstotliwościach spoza zakresu roboczego działanie tłumika może zmienić się w nieprzewidywalny sposób.
Tak wygląda końcowy montaż. Należy także pamiętać o doprowadzeniu sygnału częstotliwości pośredniej (IF) z modułu OSA-6G na płytę główną urządzenia. W tym celu należy połączyć port IF OUTPUT na płycie głównej z portem INPUT modułu OSA-6G.
Aby ograniczyć poziom zakłóceń pochodzących z zasilacza impulsowego laptopa, wszelkie pomiary wykonuję, gdy laptop jest zasilany z baterii.
Kalibracja
Przed przystąpieniem do pomiarów należy upewnić się czy wszystkie podzespoły urządzenia są w dobrym stanie oraz jakość okablowania, w tym celu łączymy bezpośrednio kablem generator z odbiornikiem, włączamy generator i mierzymy częstotliwość odpowiedź. Przy 0 dB otrzymujemy prawie płaski wykres. Oznacza to, że w całym zakresie częstotliwości cała moc wypromieniowana z generatora docierała do odbiornika.
Podłączenie generatora bezpośrednio do odbiornika
Dodajmy tłumik do obwodu. W całym zakresie widoczne jest niemal równomierne tłumienie sygnału rzędu 15dB.
Podłączenie generatora poprzez tłumik 15dB do odbiornika
Podłączmy generator do złącza OUT sprzęgacza, a odbiornik do złącza CPL sprzęgacza. Ponieważ do portu IN nie jest podłączone żadne obciążenie, cały wygenerowany sygnał musi zostać odbity, a jego część skierowana do odbiornika. Zgodnie z arkuszem danych naszego łącznika (), parametr Sprzężenie wynosi ~15db, co oznacza, że powinniśmy zobaczyć poziomą linię na poziomie około -30 dB (sprzęgnięcie + tłumienie). Ponieważ jednak zakres pracy sprzęgacza jest ograniczony do 1 GHz, wszelkie pomiary powyżej tej częstotliwości można uznać za bezsensowne. Widać to wyraźnie na wykresie, po 1 GHz odczyty są chaotyczne i pozbawione znaczenia. Dlatego wszelkie dalsze pomiary będziemy przeprowadzać w zakresie pracy sprzęgu.
Podłączenie kranu bez obciążenia. Widoczna jest granica zakresu pracy sprzęgu.
Ponieważ dane pomiarowe powyżej 1 GHz w naszym przypadku nie mają sensu, ograniczymy maksymalną częstotliwość generatora do wartości roboczych sprzęgacza. Podczas pomiaru otrzymujemy linię prostą.
Ograniczenie zasięgu generatora do zakresu pracy sprzęgu
Aby wizualnie zmierzyć SWR anten, należy wykonać kalibrację, aby za punkt odniesienia przyjąć aktualne parametry obwodu (100% odbicia), czyli zero dB. W tym celu program OSA103 Mini posiada wbudowaną funkcję kalibracji. Kalibracja odbywa się bez podłączonej anteny (obciążenia), dane kalibracyjne zapisywane są do pliku i następnie automatycznie uwzględniane przy konstruowaniu wykresów.
Funkcja kalibracji odpowiedzi częstotliwościowej w programie OSA103 Mini
Stosując wyniki kalibracji i przeprowadzając pomiary bez obciążenia, otrzymujemy płaski wykres przy 0dB.
Wykres po kalibracji
Mierzymy anteny
Teraz możesz rozpocząć pomiary anten. Dzięki kalibracji zobaczymy i zmierzymy redukcję odbicia po podłączeniu anteny.
Antena z Aliexpress na 433MHz
Antena oznaczona na 443 MHz. Można zauważyć, że antena najefektywniej pracuje w paśmie 446 MHz, przy tej częstotliwości SWR wynosi 1.16. Jednocześnie przy deklarowanej częstotliwości wydajność jest znacznie gorsza, przy 433 MHz SWR wynosi 4,2.
Nieznana antena 1
Antena bez oznaczeń. Sądząc po wykresie, jest on przeznaczony na 800 MHz, prawdopodobnie dla pasma GSM. Aby być uczciwym, ta antena również działa na częstotliwości 1800 MHz, ale ze względu na ograniczenia sprzęgacza nie mogę dokonać prawidłowych pomiarów na tych częstotliwościach.
Nieznana antena 2
Kolejna antena, która od dłuższego czasu leży w moich pudełkach. Podobno także na zasięg GSM, ale lepszy od poprzedniego. Przy częstotliwości 764 MHz SWR jest bliski jedności, przy 900 MHz SWR wynosi 1.4.
Nieznana antena 3
Wygląda jak antena Wi-Fi, ale z jakiegoś powodu złącze jest typu SMA-Male, a nie RP-SMA, jak wszystkie anteny Wi-Fi. Sądząc po pomiarach, przy częstotliwościach do 1 MHz ta antena jest bezużyteczna. Ponownie, ze względu na ograniczenia sprzęgacza, nie będziemy wiedzieć, jaki to rodzaj anteny.
Antena teleskopowa
Spróbujmy obliczyć, jak daleko należy wysunąć antenę teleskopową, aby uzyskać zakres 433 MHz. Wzór na obliczenie długości fali jest następujący: λ = C/f, gdzie C to prędkość światła, f to częstotliwość.
299.792.458 / 443.000.000 = 0.69719176279
Pełna długość fali - 69,24 cm
Połowa długości fali - 34,62 cm
Ćwierćdługość fali - 17,31 cm
Obliczona w ten sposób antena okazała się zupełnie bezużyteczna. Przy częstotliwości 433 MHz wartość SWR wynosi 11.
Eksperymentalnie wydłużając antenę udało mi się osiągnąć SWR minimum 2.8 przy długości anteny ok. 50 cm.Okazało się, że duże znaczenie ma grubość profili. Oznacza to, że przy rozciąganiu tylko cienkich odcinków zewnętrznych wynik był lepszy niż przy rozciąganiu tylko grubych odcinków na tę samą długość. Nie wiem na ile w przyszłości można polegać na tych wyliczeniach przy długości anteny teleskopowej, bo w praktyce się one nie sprawdzają. Może z innymi antenami lub częstotliwościami działa to inaczej, nie wiem.
Kawałek drutu o częstotliwości 433 MHz
Często w różnych urządzeniach, takich jak przełączniki radiowe, jako antenę można zobaczyć kawałek prostego drutu. Uciąłem kawałek drutu równy ćwiartce długości fali 433 MHz (17,3 cm) i ocynowałem koniec tak, aby dobrze pasował do żeńskiego złącza SMA.
Wynik był dziwny: taki przewód działa dobrze przy 360 MHz, ale jest bezużyteczny przy 433 MHz.
Zacząłem odcinać przewód kawałek po kawałku i przyglądać się odczytom. Spadek na wykresie zaczął powoli przesuwać się w prawo, w stronę 433 MHz. W rezultacie na długości drutu około 15,5 cm udało mi się uzyskać najmniejszą wartość SWR wynoszącą 1.8 przy częstotliwości 438 MHz. Dalsze skracanie kabla doprowadziło do wzrostu SWR.
wniosek
Ze względu na ograniczenia sprzęgacza nie było możliwości pomiaru anten w pasmach powyżej 1 GHz, takich jak anteny Wi-Fi. Można by to osiągnąć, gdybym miał łącznik o większej przepustowości.
Łącznik, kable połączeniowe, urządzenie, a nawet laptop to części powstałego systemu antenowego. Ich geometria, położenie w przestrzeni i otaczających obiektów wpływa na wynik pomiaru. Po instalacji na prawdziwej stacji radiowej lub modemie częstotliwość może się zmienić, ponieważ korpus radiostacji, modem i korpus operatora staną się częścią anteny.
OSA103 Mini to bardzo fajne urządzenie wielofunkcyjne. Wyrażam wdzięczność jego konstruktorowi za konsultacje podczas pomiarów.
Źródło: www.habr.com