— Qual é o intervalo dessa antena?
— Não sei, verifique.
— COMO?!?!
Como determinar que tipo de antena você está segurando se não houver marcação nela? Como entender qual antena é melhor ou pior? Este problema me atormentou por muito tempo.
Este artigo descreve de maneira simples a metodologia para medir as características das antenas e o método para determinar a faixa de frequência da antena.
Para engenheiros de rádio experientes, essa informação pode parecer trivial, e a metodologia de medição — não suficientemente precisa. O artigo é voltado para aqueles que não entendem nada de rádio eletrônica, como eu.
TL;DR Vamos medir o VSWR das antenas em várias frequências usando o aparelho OSA 103 Mini e um divisor de sinal direcional, construindo um gráfico que mostra a dependência do VSWR em relação à frequência.
Teoria
Quando o transmissor envia um sinal para a antena, parte da energia é irradiada no ar, e parte é refletida e retorna. A relação entre a energia irradiada e a refletida é caracterizada pelo coeficiente de onda estacionária (VSWR ou SWR). Quanto menor o VSWR, maior a parte da energia do transmissor que é irradiada na forma de ondas de rádio. Com um VSWR = 1, não há reflexões (toda a energia é irradiada). O VSWR de uma antena real é sempre maior que 1.
Se enviarmos sinais de diferentes frequências para a antena e medirmos o VSWR simultaneamente, podemos descobrir em qual frequência a reflexão será mínima. Esse será o intervalo de operação da antena. Também é possível comparar diferentes antenas para uma mesma faixa e descobrir qual delas é melhor.
Parte do sinal do transmissor é refletida pela antena
Uma antena projetada para uma frequência específica, em teoria, deve ter o menor VSWR em suas frequências operacionais. Portanto, é suficiente irradiar para a antena em várias frequências e descobrir em qual frequência a reflexão é a menor, ou seja, a quantidade máxima de energia é irradiada na forma de ondas de rádio.
Com a capacidade de gerar sinais em diferentes frequências e medir a reflexão, poderemos construir um gráfico com a frequência no eixo X e o coeficiente de reflexão do sinal no eixo Y. O resultado será que onde houver um mínimo (ou seja, a menor reflexão do sinal) no gráfico, estará o intervalo de operação da antena.
Gráfico imaginário da dependência da reflexão em relação à frequência. Em todo o intervalo, a reflexão é de 100%, exceto na frequência de operação da antena.
Aparelho Osa103 Mini
Para as medições, usaremos . Este é um instrumento de medição universal que combina um osciloscópio, gerador de sinal, analisador de espectro, medidor de resposta em frequência / fase, analisador de antena vetorial, medidor de LC e até mesmo um transceptor SDR. A faixa de operação do OSA103 Mini é limitada a 100 MHz, enquanto o módulo OSA-6G expande a faixa de frequência no modo de resposta em frequência até 6 GHz. O software nativo com todas as funções tem um tamanho de 3 MB e funciona no Windows e através do Wine no Linux.
Osa103 Mini — um instrumento de medição universal para entusiastas de rádio e engenheiros
Acoplador direcional
O acoplador direcional (directional coupler) é um dispositivo que desvia uma pequena parte do sinal de alta frequência que segue em determinada direção. No nosso caso, ele deve desviar parte do sinal refletido (que vem da antena de volta para o gerador) para medição.
Explicação visual do funcionamento do acoplador direcional:
Principais características do acoplador direcional:
- Frequências de operação — faixa de frequências nas quais os principais parâmetros permanecem dentro dos limites normais. Meu acoplador é projetado para frequências de 1 a 1000 MHz
- Acoplamento (Coupling) — qual parte do sinal (em decibéis) será desviada ao direcionar a onda de IN para OUT
- Direcionalidade (Directivity) — quão menos sinal será desviado ao mover o sinal na direção oposta de OUT para IN
À primeira vista, isso parece bastante confuso. Para clareza, vamos imaginar o acoplador como um tubo de encanamento, com um pequeno desvio interno. O desvio é feito de tal forma que, ao mover a água na direção direta (de IN para OUT), uma parte substancial da água é desviada. A quantidade de água desviada nessa direção é determinada pelo parâmetro Coupling na ficha técnica do acoplador.
Quando a água se move na direção oposta, é desviada significativamente menos água. Isso deve ser visto como um efeito colateral. A quantidade de água desviada nesse movimento é determinada pelo parâmetro Directivity na ficha técnica. Quanto menor esse parâmetro (maior valor em dB), melhor para nossa tarefa.
Diagrama esquemático
Como queremos medir o nível do sinal refletido pela antena, conectamos a antena ao IN do acoplador e o gerador ao OUT. Desta forma, uma parte do sinal refletido pela antena chegará ao receptor para medição.
Esquema de conexão do divisor. O sinal refletido é direcionado para o receptor
Instalação de medição
Vamos montar a instalação para medir o VSWR de acordo com o esquema elétrico. Na saída do gerador do instrumento, instalaremos um atenuador com atenuação de 15 dB. Isso melhorará a adaptação do divisor à saída do gerador e aumentará a precisão da medição. O atenuador pode ser de 5 a 15 dB. O valor de atenuação será automaticamente considerado durante a calibração subsequente.
O atenuador reduz o sinal em um número fixo de decibéis. A principal característica do atenuador é o coeficiente de atenuação do sinal e a faixa de frequência de operação. Em frequências fora da faixa de operação, as características do atenuador podem mudar de forma imprevisível.
Esta é a instalação final. Não se esqueça de fornecer o sinal de frequência intermediária (FI) do módulo OSA-6G à placa principal do instrumento. Para isso, conecte a porta IF OUTPUT na placa principal à INPUT no módulo OSA-6G.
Para reduzir o nível de ruído da fonte de alimentação do notebook, realizo todas as medições com o notebook alimentado pela bateria.
Calibração
Antes de iniciar as medições, é necessário garantir que todos os componentes do instrumento estejam funcionando corretamente e a qualidade dos cabos, para isso, conectamos diretamente o gerador e o receptor com um cabo, ligamos o gerador e realizamos a medição da resposta em frequência. O gráfico deve ser praticamente plano em 0 dB. Isso indica que, em toda a faixa de frequências, toda a potência emitida pelo gerador chegou ao receptor.
Conexão do gerador diretamente ao receptor
Vamos adicionar um atenuador ao esquema. O sinal apresenta uma atenuação uniforme de 15 dB em toda a faixa.
Conexão do gerador através de um atenuador de 15 dB ao receptor
Vamos conectar o gerador ao conector OUT do divisor, e o receptor ao conector CPL do divisor. Como não há carga conectada à porta IN, todo o sinal gerado deve ser refletido, e parte deve ser desviada para o receptor. De acordo com o datasheet do nosso divisor (), o parâmetro de acoplamento é ~15db, então devemos ver uma linha horizontal no nível de cerca de -30 dB (acoplamento + atenuação do atenuador). Mas como a faixa de funcionamento do divisor está limitada a 1 GHz, todas as medições acima dessa frequência podem ser consideradas sem sentido. Isso é claramente visível no gráfico, após 1 GHz as leituras são caóticas e sem significado. Portanto, todas as medições subsequentes serão realizadas na faixa de operação do divisor.
Conexão do divisor sem carga. O limite da faixa de operação do divisor é visível.
Como os dados das medições acima de 1 GHz, em nosso caso, não têm sentido, limitaremos a frequência máxima do gerador aos valores operacionais do divisor. Nas medições, obtemos uma linha reta.
Limitação da faixa do gerador à faixa operacional do divisor
Para medir visualmente o VSWR das antenas, precisamos realizar a calibração para aceitar os parâmetros atuais do circuito (reflexão de 100%) como ponto de referência, ou seja, zero dB. Para isso, o programa OSA103 Mini possui uma função de calibração embutida. A calibração é realizada sem a antena conectada (carga), e os dados de calibração são gravados em um arquivo, sendo posteriormente considerados automaticamente na construção dos gráficos.
Função de calibração da resposta em frequência do programa OSA103 Mini
Aplicando os resultados da calibração e iniciando medições sem carga, obtemos um gráfico plano em 0dB.
Gráfico após a calibração
Medições de antenas
Agora podemos começar a medir as antenas. Graças à calibração, veremos e mediremos a redução da reflexão após conectar a antena.
Antena da Aliexpress em 433MHz
Antena com marcação de 443MHz. É visível que a antena funciona de forma mais eficaz na faixa de 446MHz, onde o VSWR é de 1.16. Neste caso, nas frequências especificadas, os resultados são significativamente piores, em 433MHz o VSWR é 4.2.
Antena desconhecida 1
Antena sem marcação. Judindo pelo gráfico, foi calculada para 800 MHz, presumivelmente para a faixa GSM. Para sermos justos, esta antena também funciona a 1800 MHz, mas devido às limitações do divisor, não consigo fazer medições corretas nessas frequências.
Antena desconhecida 2
Outra antena que tenho guardada em caixas há muito tempo. Pelo que parece, também é para a faixa GSM, mas já é melhor do que a anterior. Na frequência de 764 MHz, o VSWR está próximo de um, e a 900 MHz, o VSWR é 1.4.
Antena desconhecida 3
Parece uma antena Wi-Fi, mas o conector é inexplicavelmente SMA-Masculino, e não RP-SMA, como todas as antenas Wi-Fi. De acordo com as medições, essa antena é inútil em frequências abaixo de 1 MHz. Novamente, devido às limitações do divisor, não vamos descobrir que tipo de antena é essa.
Antena telescópica
Vamos tentar calcular quanto precisamos estender a antena telescópica para a faixa de 433MHz. A fórmula para calcular o comprimento de onda é: λ = C/f, onde C é a velocidade da luz e f é a frequência.
299.792.458 / 443.000.000 = 0.69719176279
Comprimento de onda completo — 69,24 cm
Meio comprimento de onda — 34,62 cm
Um quarto do comprimento de onda — 17,31 cm
A antena calculada dessa forma se mostrou absolutamente inútil. Na frequência de 433MHz, o valor do SWR é 11.
Ao estender a antena experimentalmente, consegui alcançar um SWR mínimo de 2.8 com um comprimento de antena de cerca de 50 cm. Descobri que a espessura das seções tem grande importância. Ou seja, ao estender apenas as seções externas finas, o resultado foi melhor do que estendendo apenas seções grossas na mesma medida. Não sei até que ponto devo confiar nesses cálculos de comprimento de antena telescópica, porque na prática eles não funcionam. Talvez funcione de maneira diferente com outras antenas ou frequências, não sei.
Um pedaço de fio a 433MHz
Frequentemente, em diferentes dispositivos, como interruptores de rádio, pode-se ver um pedaço de fio reto atuando como antena. Cortei um pedaço de fio igual a um quarto do comprimento de onda de 433 MHz (17,3 cm) e tinja a extremidade para que se encaixasse firmemente no conector SMA Feminino.
O resultado foi estranho: esse fio funciona bem a 360 MHz, mas é inútil a 433 MHz.
Comecei a cortar o fio em pedaços e observar as leituras. O êxito no gráfico começou a se deslocar lentamente para a direita, em direção a 433 MHz. No final, com um comprimento de fio de cerca de 15,5 cm, consegui obter um SWR mínimo de 1.8 na frequência de 438 MHz. O encurtamento adicional do cabo levou ao aumento do SWR.
Conclusão
Devido às limitações do divisor, não consegui medir antenas em frequências acima de 1 GHz, como as antenas Wi-Fi. Isso poderia ter sido feito se eu tivesse um divisor mais amplo.
Divisores, cabos de conexão, dispositivos e até laptops são partes do sistema de antena que está sendo criado. Sua geometria, posição no espaço e os objetos ao redor afetam o resultado da medição. Após a instalação em uma estação de rádio ou modem real, a frequência pode ser deslocada, pois o corpo da estação, do modem e do operador se tornam parte da antena.
OSA103 Mini — um dispositivo multifuncional incrível. Agradeço ao seu desenvolvedor pela consulta durante a realização das medições.
Fonte: habr.com
