— Na jaką częstotliwość działa ta antena?
— Nie wiem, sprawdź.
— JAK?!?!
Jak określić, jaką antenę masz w rękach, jeśli nie ma na niej oznaczeń? Jak zrozumieć, która antena jest lepsza lub gorsza? Ten problem dręczył mnie od dawna.
W artykule w prostych słowach opisano metodę pomiaru charakterystyk anten oraz sposób określenia częstotliwości działającej anteny.
Dla doświadczonych radiotechników te informacje mogą wydawać się oczywiste, a metoda pomiaru zbyt niedokładna. Artykuł jest skierowany do tych, którzy w ogóle nie rozumieją elektroniki, tak jak ja.
TL;DR Będziemy mierzyć VSWR anten na różnych częstotliwościach za pomocą urządzenia OSA 103 Mini i kierunkowego rozgałęźnika, budując wykres zależności VSWR od częstotliwości.
Teoria
Gdy nadajnik wysyła sygnał do anteny, część energii emituje się w powietrze, a część odbija się i wraca z powrotem. Stosunek między energią emitowaną a odbitą charakteryzuje współczynnik fali stojącej (VSWR). Im mniejszy VSWR, tym większa część energii nadajnika emituje się jako fale radiowe. Przy VSWR = 1 odbicie nie występuje (cała energia jest emitowana). VSWR rzeczywistej anteny zawsze jest większe od 1.
Jeśli wysyłać do anteny sygnał o różnych częstotliwościach i jednocześnie mierzyć VSWR, można znaleźć, na jakiej częstotliwości odbicie będzie minimalne. To będzie roboczy zakres anteny. Można również porównać różne anteny w tym samym zakresie i sprawdzić, która z nich jest lepsza.
Część sygnału nadajnika odbija się od anteny.
Antenna zaprojektowana na określoną częstotliwość teoretycznie powinna mieć najmniejszy VSWR na swoich częstotliwościach roboczych. Wystarczy wysyłać sygnały do anteny na różnych częstotliwościach i znaleźć, na jakiej częstotliwości odbicie jest najmniejsze, co oznacza maksymalne wydanie energii w postaci fal radiowych.
Mając możliwość generowania sygnału na różnych częstotliwościach i mierzenia odbicia, będziemy mogli skonstruować wykres, na którym na osi X będzie częstotliwość, a na osi Y — współczynnik odbicia sygnału. W rezultacie tam, gdzie na wykresie będzie dołek (czyli najmniejsze odbicie sygnału), będzie zakres roboczy anteny.
Wyimaginowany wykres zależności odbicia od częstotliwości. Na całym zakresie odbicie wynosi 100%, z wyjątkiem roboczej częstotliwości anteny.
Urządzenie Osa103 Mini
Do pomiarów będziemy używać . To uniwersalne urządzenie pomiarowe, które łączy oscyloskop, generator sygnału, analizator widma, miernik ACHAR/FRACH, wektorowy analizator antenowy, miernik LC oraz nawet transceiver SDR. Zakres roboczy OSA103 Mini ograniczony jest do 100 MHz, a moduł OSA-6G rozszerza zakres częstotliwości w trybie ACHAR do 6 GHz. Rodzinna aplikacja z wszystkimi funkcjami waży 3 MB, działa pod Windows i przez wine w Linux.
Osa103 Mini — uniwersalne urządzenie pomiarowe dla radioamatorów i inżynierów
Sprzęgacz kierunkowy
Sprzęgacz kierunkowy (directional coupler) — urządzenie, które odprowadza niewielką część sygnału RF w określonym kierunku. W naszym przypadku powinien odprowadzać część sygnału odbitego (wracającego z anteny do generatora) w celu jego pomiaru.
Wizualne wyjaśnienie działania sprzęgacza kierunkowego:
Podstawowe charakterystyki sprzęgacza kierunkowego:
- Zakresy robocze — zakres częstotliwości, w którym główne wskaźniki nie przekraczają normy. Mój sprzęgacz jest zaprojektowany na częstotliwości od 1 do 1000 MHz
- Sprzężenie (Coupling) — jaka część sygnału (w decybelach) będzie odprowadzana przy kierunku fali z IN do OUT
- Kierunkowość (Directivity) — jak mało sygnału będzie odprowadzane przy ruchu sygnału w przeciwnym kierunku z OUT do IN
Na pierwszy rzut oka może to wyglądać dość skomplikowanie. Dla lepszego zrozumienia wyobraźmy sobie sprzęgacz jako rurę wodociągową, z niewielkim odprowadzeniem wewnątrz. Odprowadzenie jest wykonane w taki sposób, że przy przepływie wody w kierunku prostym (od IN do OUT), odprowadzana jest znaczna część wody. Ilość wody, która jest odprowadzana w tym kierunku, określa parametr Coupling w karcie danych sprzęgacza.
Przy przepływie wody w przeciwnym kierunku odprowadzana jest znacznie mniejsza ilość wody. Powinno się to traktować jako zjawisko uboczne. Ilość wody, która jest odprowadzana w tym ruchu, określa parametr Directivity w karcie danych. Im mniejszy jest ten parametr (większa wartość dB), tym lepiej dla naszego zadania.
Schemat zasadniczy
Aby zmierzyć poziom sygnału odbitego od anteny, podłączamy ją do IN rozdzielacza, a generator do OUT. W ten sposób część odbitego od anteny sygnału trafi do odbiornika w celu pomiaru.
Schemat podłączenia rozdzielacza. Odbity sygnał jest kierowany do odbiornika.
Układ pomiarowy
Zbudujemy układ do pomiaru SWR zgodnie z zasadniczym schematem. Na wyjściu generatora dodatkowo zainstalujemy tłumik o tłumieniu 15 dB. To poprawi dopasowanie rozdzielacza do wyjścia generatora i zwiększy dokładność pomiaru. Tłumik można wybrać o tłumieniu 5..15 dB. Wartość tłumienia zostanie automatycznie uwzględniona podczas kolejnej kalibracji.
Tłumik osłabia sygnał o stałą liczbę decybeli. Główną cechą tłumika jest współczynnik tłumienia (atenuacji) sygnału oraz zakres częstotliwości pracy. W częstotliwościach spoza zakresu pracy parametry tłumika mogą się nieprzewidywalnie zmieniać.
Tak wygląda finalny układ. Nie zapomnij także dostarczyć sygnał z częstotliwości pośredniej (IF) z modułu OSA-6G do głównej płyty urządzenia. W tym celu łączymy port IF OUTPUT na głównej płycie z INPUT na module OSA-6G.
Aby zmniejszyć poziom zakłóceń z impulsowego zasilacza laptopa, wszystkie pomiary wykonuję przy zasilaniu laptopa z baterii.
Kalibracja
Przed rozpoczęciem pomiarów należy upewnić się, że wszystkie elementy urządzenia są sprawne, a kable mają dobrą jakość. W tym celu łączymy generator i odbiornik bezpośrednim kablem, włączamy generator i przeprowadzamy pomiar charakterystyki amplitudowej. Otrzymujemy niemal płaski wykres na poziomie 0 dB. Oznacza to, że na całym zakresie częstotliwości cała emitowana moc generatora dotarła do odbiornika.
Podłączenie generatora bezpośrednio do odbiornika
Dodamy do schematu tłumik. Widać prawie stałe osłabienie sygnału o 15 dB w całym zakresie.
Podłączenie generatora przez tłumik o wartości 15 dB do odbiornika
Podłączymy generator do złącza OUT rozdzielacza, a odbiornik do CPL rozdzielacza. Ponieważ port IN nie ma podłączonego obciążenia, cały generowany sygnał powinien się odbijać, a część być kierowana do odbiornika. Zgodnie z kartą katalogową naszego rozdzielacza (), parametr Coupling wynosi ~15db, co oznacza, że powinniśmy zobaczyć poziom poziomy wokół -30 dB (coupling + tłumienie atenutatora). Jednak ponieważ zakres roboczy rozdzielacza jest ograniczony do 1 GHz, wszelkie pomiary powyżej tej częstotliwości można uznać za bezsensowne. Wyraźnie widać to na wykresie, po 1 GHz wskazania są chaotyczne i bez sensu. Dlatego wszystkie dalsze pomiary będziemy przeprowadzać w roboczym zakresie rozdzielacza.
Podłączenie rozdzielacza bez obciążenia. Widać granicę roboczego zakresu rozdzielacza.
Ponieważ dane pomiarów powyżej 1 GHz w naszym przypadku są bezsensowne, ograniczymy maksymalną częstotliwość generatora do wartości roboczych rozdzielacza. Podczas pomiarów otrzymujemy prostą linię.
Ograniczenie zakresu generatora do roboczego zakresu rozdzielacza
Aby jasno zmierzyć SWR anten, musimy wykonać kalibrację, aby przyjąć aktualne parametry układu (100% odbicie) jako punkt odniesienia, tj. zero dB. W tym celu w programie OSA103 Mini dostępna jest wbudowana funkcja kalibracji. Kalibracja jest przeprowadzana bez podłączonej anteny (obciążenia), dane kalibracji są zapisywane w pliku i później automatycznie uwzględniane przy tworzeniu wykresów.
Funkcja kalibracji IAChH w programie OSA103 Mini
Stosując wyniki kalibracji i przeprowadzając pomiary bez obciążenia, otrzymujemy równy wykres na poziomie 0dB.
Wykres po przeprowadzeniu kalibracji
Mierzymy anteny
Teraz możemy przystąpić do pomiarów anten. Dzięki kalibracji będziemy widzieć i mierzyć zmniejszenie odbicia po podłączeniu anteny.
Antena z Aliexpress na 433MHz
Antena oznaczona 443MHz. Widać, że antena działa najefektywniej w zakresie 446MHz, przy tej częstotliwości SWR wynosi 1.16. Natomiast przy deklarowanej częstotliwości wyniki są znacznie gorsze, przy 433MHz SWR wynosi 4.2.
Nieznana antena 1
Antena bez oznaczeń. Sądząc po wykresie, została zaprojektowana na 800 MHz, przypuszczalnie dla zakresu GSM. Dla sprawiedliwości trzeba powiedzieć, że ta antena działa również na 1800 MHz, ale z powodu ograniczeń rozdzielacza nie mogę przeprowadzać dokładnych pomiarów na tych częstotliwościach.
Nieznana antena 2
Jeszcze jedna antena, która od dawna leży w moich pudełkach. Wygląda na to, że również jest przeznaczona dla zakresu GSM, ale już lepsza od poprzedniej. Przy częstotliwości 764 MHz SWR jest bliski jedności, na 900 MHz SWR wynosi 1.4.
Nieznana antena 3
To wygląda jak antena Wi-Fi, ale złącze jest jakieś SMA-Męskie, a nie RP-SMA, jak w przypadku wszystkich anten Wi-Fi. Z danych pomiarowych wynika, że ta antena jest bezużyteczna na częstotliwościach do 1 MHz. Z uwagi na ograniczenia rozdzielacza, nie dowiemy się, co to za antena.
Antenna teleskopowa
Spróbujmy obliczyć, jak daleko trzeba wysunąć antenę teleskopową dla zakresu 433MHz. Wzór na obliczenie długości fali to: 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
Ćwierć długości fali — 17,31 cm
Obliczona w ten sposób antena okazała się całkowicie bezużyteczna. Przy częstotliwości 433MHz wartość SWR wynosi 11.
Eksperymentalnie wysuwając antenę, udało mi się osiągnąć minimalne SWR 2.8 przy długości anteny około 50 cm. Okazało się, że grubość sekcji ma duże znaczenie. To znaczy, że wysuwając tylko cienkie końcowe sekcje, uzyskiwałem lepszy wynik niż przy wysuwaniu na tę samą długość tylko grubych sekcji. Nie wiem, na ile warto polegać na tych obliczeniach dotyczących długości anteny teleskopowej, ponieważ w praktyce one nie działają. Może w przypadku innych anten lub częstotliwości to działa inaczej, nie wiem.
Kawałek przewodu na 433MHz
Często w różnych urządzeniach, takich jak radiowe przełączniki, można zobaczyć kawałek prostego przewodu jako antenę. Odciąłem kawałek przewodu równy ćwierci długości fali 433 MHz (17,3 cm) i przylutowałem koniec w taki sposób, aby dobrze pasował do gniazda SMA Female.
Wynik był dziwny: taki przewód dobrze działa na 360 MHz, ale jest bezużyteczny na 433 MHz.
Zacząłem obcinać przewód kawałek po kawałku i patrzeć na wskazania. Spadek na wykresie zaczął powoli przesuwać się w prawo, w stronę 433 MHz. Ostatecznie, przy długości przewodu około 15,5 cm, udało mi się uzyskać najniższą wartość SWR 1.8 przy częstotliwości 438 MHz. Dalsze skracanie kabla prowadziło do wzrostu SWR.
Podsumowanie
Z powodu ograniczeń rozdzielacza nie udało się zmierzyć anten na zakresy powyżej 1 GHz, na przykład anten Wi-Fi. Można by to zrobić, gdybym miał szerszy rozdzielacz.
Rozdzielacz, kable łączące, urządzenie, a nawet laptop – to części powstającego systemu antenowego. Ich geometria, położenie w przestrzeni oraz otaczające przedmioty mają wpływ na wynik pomiaru. Po zainstalowaniu na rzeczywistej stacji radiowej lub modemie, częstotliwość może ulec przesunięciu, ponieważ obudowa stacji radiowej, modemu oraz ciało operatora staną się częścią anteny.
OSA103 Mini to bardzo cool wielofunkcyjne urządzenie. Wyrażam wdzięczność jego twórcy za konsultację przy przeprowadzaniu pomiarów.
Źródło: habr.com
