— Qual é o alcance desta antena?
- Não sei, confira.
- O QUE?!?!
Como você pode determinar que tipo de antena você tem em mãos se não há nenhuma marcação nela? Como entender qual antena é melhor ou pior? Esse problema me atormenta há muito tempo.
O artigo descreve em linguagem simples a técnica para medir as características da antena e o método para determinar a faixa de frequência da antena.
Para engenheiros de rádio experientes, esta informação pode parecer trivial e a técnica de medição pode não ser suficientemente precisa. O artigo é destinado a quem não entende nada de radioeletrônica, como eu.
TL, DR Mediremos o ROE de antenas em várias frequências usando o dispositivo OSA 103 Mini e um acoplador direcional, traçando a dependência do ROE em relação à frequência.
Теория
Quando um transmissor envia um sinal para uma antena, parte da energia é irradiada para o ar e parte é refletida e devolvida. A relação entre a energia irradiada e refletida é caracterizada pela relação de ondas estacionárias (SWR ou SWR). Quanto menor o SWR, mais energia do transmissor é emitida como ondas de rádio. Em SWR = 1 não há reflexão (toda a energia é irradiada). A ROE de uma antena real é sempre maior que 1.
Se você enviar um sinal de frequências diferentes para a antena e medir simultaneamente o ROE, poderá descobrir em que frequência a reflexão será mínima. Este será o alcance operacional da antena. Você também pode comparar antenas diferentes para a mesma banda e descobrir qual é a melhor.
Parte do sinal do transmissor é refletido pela antena
Uma antena projetada para uma determinada frequência, em teoria, deveria ter o ROE mais baixo em suas frequências de operação. Isso significa que basta irradiar para a antena em diferentes frequências e descobrir em qual frequência a reflexão é menor, ou seja, a quantidade máxima de energia que escapa na forma de ondas de rádio.
Ao conseguirmos gerar um sinal em diferentes frequências e medir a reflexão, podemos criar um gráfico com a frequência no eixo X e a refletividade do sinal no eixo Y. Como resultado, onde houver uma queda no gráfico (ou seja, a menor reflexão do sinal), haverá um alcance operacional da antena.
Gráfico imaginário de reflexão versus frequência. Em toda a faixa, a reflexão é de 100%, exceto na frequência de operação da antena.
Aparelho Osa103 Mini
Para medições usaremos . Este é um dispositivo de medição universal que combina um osciloscópio, um gerador de sinal, um analisador de espectro, um medidor de resposta de amplitude-frequência/resposta de fase, um analisador de antena vetorial, um medidor LC e até mesmo um transceptor SDR. A faixa operacional do OSA103 Mini é limitada a 100 MHz, o módulo OSA-6G expande a faixa de frequência no modo IAFC para 6 GHz. O programa nativo com todas as funções pesa 3 MB, roda no Windows e via wine no Linux.
Osa103 Mini - um dispositivo de medição universal para rádios amadores e engenheiros
Acoplador direcional
Um acoplador direcional é um dispositivo que desvia uma pequena porção de um sinal de RF viajando em uma direção específica. No nosso caso, deve-se ramificar parte do sinal refletido (que vai da antena de volta ao gerador) para medi-lo.
Uma explicação visual da operação de um acoplador direcional:
Principais características do acoplador direcional:
- Frequências de operação - a faixa de frequências em que os principais indicadores não ultrapassam os limites normais. Meu acoplador foi projetado para frequências de 1 a 1000 MHz
- Filial (Acoplamento) - que parte do sinal (em decibéis) será retirada quando a onda for direcionada de IN para OUT
- Diretividade — quanto menos sinal será removido quando o sinal se mover na direção oposta de OUT para IN
À primeira vista, isso parece bastante confuso. Para maior clareza, vamos imaginar o acoplador como um cano de água, com uma pequena torneira em seu interior. A drenagem é feita de forma que quando a água se move no sentido direto (de ENTRADA para SAÍDA), uma parte significativa da água é retirada. A quantidade de água que é descarregada nesta direção é determinada pelo parâmetro Acoplamento na ficha técnica do acoplador.
Quando a água se move na direção oposta, significativamente menos água é removida. Deve ser considerado um efeito colateral. A quantidade de água que é descarregada durante este movimento é determinada pelo parâmetro Diretividade na ficha técnica. Quanto menor for esse parâmetro (quanto maior o valor de dB), melhor para nossa tarefa.
Diagrama esquemático
Como queremos medir o nível do sinal refletido pela antena, conectamos-o ao IN do acoplador e o gerador ao OUT. Assim, parte do sinal refletido pela antena chegará ao receptor para medição.
Diagrama de conexão da torneira. O sinal refletido é enviado ao receptor
Configuração de medição
Vamos montar uma configuração para medir ROE de acordo com o diagrama de circuito. Na saída do gerador do dispositivo instalaremos adicionalmente um atenuador com atenuação de 15 dB. Isto melhorará a correspondência do acoplador com a saída do gerador e aumentará a precisão da medição. O atenuador pode ser tomado com uma atenuação de 5 a 15 dB. A quantidade de atenuação será automaticamente considerada durante a calibração subsequente.
Um atenuador atenua o sinal em um número fixo de decibéis. A principal característica de um atenuador é o coeficiente de atenuação do sinal e a faixa de frequência operacional. Em frequências fora da faixa operacional, o desempenho do atenuador pode mudar de forma imprevisível.
Esta é a aparência da instalação final. Você também deve se lembrar de fornecer um sinal de frequência intermediária (IF) do módulo OSA-6G para a placa principal do dispositivo. Para fazer isso, conecte a porta IF OUTPUT da placa principal à INPUT do módulo OSA-6G.
Para reduzir o nível de interferência da fonte de alimentação chaveada do laptop, realizo todas as medições quando o laptop é alimentado por bateria.
Калибровка
Antes de iniciar as medições, é necessário certificar-se de que todos os componentes do dispositivo estão em bom estado de funcionamento e a qualidade dos cabos; para isso, conectamos o gerador e o receptor diretamente com um cabo, ligamos o gerador e medimos a frequência resposta. Obtemos um gráfico quase plano em 0dB. Isso significa que em toda a faixa de frequência toda a potência irradiada do gerador atingiu o receptor.
Conectando o gerador diretamente ao receptor
Vamos adicionar um atenuador ao circuito. Uma atenuação de sinal quase uniforme de 15dB é visível em toda a faixa.
Conectando o gerador através de um atenuador de 15dB ao receptor
Vamos conectar o gerador ao conector OUT do acoplador e o receptor ao conector CPL do acoplador. Como não há carga conectada à porta IN, todo o sinal gerado deve ser refletido e parte dele ramificado para o receptor. De acordo com a folha de dados do nosso acoplador (), o parâmetro Coupling é ~15db, o que significa que devemos ver uma linha horizontal em um nível de cerca de -30 dB (acoplamento + atenuação do atenuador). Mas como a faixa operacional do acoplador é 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 sentido. Portanto, realizaremos todas as medições adicionais na faixa de operação do acoplador.
Conectando uma torneira sem carga. O limite da faixa operacional do acoplador é visível.
Como os dados de medição acima de 1 GHz, no nosso caso, não fazem sentido, limitaremos a frequência máxima do gerador aos valores operacionais do acoplador. Ao medir, obtemos uma linha reta.
Limitando a faixa do gerador à faixa operacional do acoplador
Para medir visualmente o ROE das antenas, precisamos realizar uma calibração para tomar como ponto de referência os parâmetros atuais do circuito (100% de reflexão), ou seja, zero dB. Para isso, o programa OSA103 Mini possui uma função de calibração integrada. A calibração é realizada sem uma antena conectada (carga), os dados de calibração são gravados em um arquivo e posteriormente levados em consideração automaticamente na construção dos gráficos.
Função de calibração de resposta de frequência no programa OSA103 Mini
Aplicando os resultados da calibração e executando medições sem carga, obtemos um gráfico plano a 0dB.
Gráfico após calibração
Medimos antenas
Agora você pode começar a medir as antenas. Graças à calibração, veremos e mediremos a redução da reflexão após conectar a antena.
Antena do Aliexpress em 433MHz
Antena marcada como 443MHz. Pode-se observar que a antena opera de forma mais eficiente na faixa de 446 MHz, nesta frequência a ROE é de 1.16. Ao mesmo tempo, na frequência declarada o desempenho é significativamente pior, em 433 MHz o SWR é 4,2.
Antena desconhecida 1
Antena sem marcações. A julgar pelo gráfico, ele foi projetado para 800 MHz, presumivelmente para a banda GSM. Para ser justo, esta antena também opera em 1800 MHz, mas devido às limitações do acoplador, não consigo fazer medições válidas nessas frequências.
Antena desconhecida 2
Outra antena que está nas minhas caixas há muito tempo. Aparentemente, também para a gama GSM, mas melhor que a anterior. Na frequência de 764 MHz, a ROE está próxima da unidade, em 900 MHz a ROE é de 1.4.
Antena desconhecida 3
Parece uma antena Wi-Fi, mas por algum motivo o conector é SMA-Male, e não RP-SMA, como todas as antenas Wi-Fi. A julgar pelas medições, em frequências de até 1 MHz esta antena é inútil. Novamente, devido às limitações do acoplador, não saberemos que tipo de antena é.
Antena telescópica
Vamos tentar calcular até que ponto a antena telescópica precisa ser estendida para a faixa de 433 MHz. A fórmula para calcular o comprimento de onda é: λ = C/f, onde C é a velocidade da luz, f é a frequência.
299.792.458 / 443.000.000 = 0.69719176279
Comprimento de onda total - 69,24 cm
Meio comprimento de onda - 34,62 cm
Quarto de comprimento de onda - 17,31 cm
A antena assim calculada revelou-se absolutamente inútil. A uma frequência de 433 MHz o valor SWR é 11.
Ao estender experimentalmente a antena, consegui atingir um SWR mínimo de 2.8 com um comprimento de antena de cerca de 50 cm, descobri que a espessura das seções é de grande importância. Ou seja, ao estender apenas as seções externas finas, o resultado foi melhor do que ao estender apenas as seções grossas no mesmo comprimento. Não sei o quanto você deve confiar nesses cálculos com o comprimento de uma antena telescópica no futuro, porque na prática eles não funcionam. Talvez funcione de forma diferente com outras antenas ou frequências, não sei.
Um pedaço de fio em 433MHz
Freqüentemente, em vários dispositivos, como interruptores de rádio, você pode ver um pedaço de fio reto como uma antena. Cortei um pedaço de fio igual a um quarto do comprimento de onda de 433 MHz (17,3 cm) e estanho a ponta para que se encaixe perfeitamente no conector SMA fêmea.
O resultado foi estranho: esse fio funciona bem em 360 MHz, mas é inútil em 433 MHz.
Comecei a cortar o fio da ponta, pedaço por pedaço, e observar as leituras. A queda no gráfico começou a se mover lentamente para a direita, em direção a 433 MHz. Como resultado, em um comprimento de fio de cerca de 15,5 cm, consegui obter o menor valor de SWR de 1.8 na frequência de 438 MHz. O encurtamento adicional do cabo levou a um aumento no SWR.
Conclusão
Devido às limitações do acoplador, não foi possível medir antenas em bandas acima de 1 GHz, como antenas Wi-Fi. Isso poderia ter sido feito se eu tivesse um acoplador de largura de banda maior.
Um acoplador, cabos de conexão, um dispositivo e até mesmo um laptop são partes do sistema de antena resultante. A sua geometria, posição no espaço e objetos circundantes influenciam o resultado da medição. Após a instalação em uma estação de rádio ou modem real, a frequência pode mudar, porque o corpo da estação de rádio, o modem e o corpo da operadora passarão a fazer parte da antena.
OSA103 Mini é um dispositivo multifuncional muito legal. Expresso minha gratidão ao seu desenvolvedor pela consulta durante as medições.
Fonte: habr.com