— Care este intervalul pentru această antenă?
— Nu știu, verifică.
— CUM?!?!
Cum să determinăm ce antenă ai în mână, dacă nu are marcaj? Cum să înțelegem care antenă este mai bună sau mai slabă? Această problemă m-a frământat de mult timp.
Articolul descrie într-un limbaj simplu metodologia de măsurare a caracteristicilor antenelor și modul de definire a intervalului de frecvență al antenei.
Informațiile pot părea banale pentru inginerii radio experimentați, iar metodologia de măsurare poate părea insuficient de precisă. Articolul este destinat celor care nu înțeleg deloc electronica, așa cum sunt eu.
TL;DR Vom măsura coeficientul de undă staționară (CWS) al antenelor la diferite frecvențe cu ajutorul instrumentului OSA 103 Mini și al unor divizoare direcționale, construind un grafic al dependenței CWS de frecvență.
Teorie
Când transmisorul trimite un semnal către antenă, o parte din energie se radiază în aer, iar o parte se reflectă și se întoarce înapoi. Raportul dintre energia radiată și cea reflectată este caracterizat prin coeficientul de undă staționară (CWS sau SWR). Cu cât CWS este mai mic, cu atât o proporție mai mare din energia transmisorului este radiată sub formă de unde radio. La CWS = 1 nu există reflexie (toată energia este radiată). CWS la o antenă reală este întotdeauna mai mare de 1.
Dacă trimitem un semnal de frecvență diferită în antenă și măsurăm concomitent CWS, putem găsi frecvența la care reflexia va fi minimă. Aceasta va fi intervalul de lucru al antenei. De asemenea, putem compara diferite antene pentru același interval și găsi care dintre ele este mai bună.
O parte din semnalul transmisorului se reflectă de antenă
Antena, proiectată pentru o frecvență specifică, ar trebui teoretic să aibă cel mai mic CWS la frecvențele sale de lucru. Asta înseamnă că este suficient să emitem către antenă semnale de frecvențe diferite și să găsim frecvența la care reflexia este minimă, adică cantitatea maximă de energie se îndreaptă sub formă de unde radio.
Având posibilitatea de a genera semnale la frecvențe diferite și a măsura reflexia, vom putea construi un grafic, pe axa X fiind frecvența, iar pe axa Y — coeficientul de reflexie a semnalului. Ca rezultat, acolo unde pe grafic va exista o cădere (adică reflexia minimă a semnalului), va fi intervalul de lucru al antenei.
Graficul imaginar al dependenței reflexiei de frecvență. Pe întreg intervalul, reflexia este 100%, cu excepția frecvenței de lucru a antenei.
Instrumentul Osa103 Mini
Pentru măsurători vom folosi . Acesta este un instrument de măsurare universal care combină osciloscopul, generatorul de semnal, analizorul de spectru, măsurătorul AHC/FC, analizorul de antenă vectorial, măsurătorul LC și chiar transceiverul SDR. Domeniul de lucru pentru OSA103 Mini este limitat la 100 MHz, iar modulul OSA-6G extinde gama de frecvențe în modul AHC până la 6 GHz. Programul nativ cu toate funcțiile are o dimensiune de 3 MB și funcționează pe Windows și prin wine în Linux.
Osa103 Mini – un instrument de măsurare universal pentru pasionați și ingineri.
Divergent de semnal.
Divergentul de semnal (directional coupler) este un dispozitiv care îndepărtează o mică parte a semnalului RF care circulă într-o anumită direcție. În cazul nostru, acesta trebuie să îndepărteze o parte din semnalul reflectat (care vine de la antenă înapoi la generator) pentru a fi măsurat.
Explicație vizuală a funcționării divergentului de semnal:
Caracteristicile principale ale divergentului de semnal:
- Frecuențe de funcționare – gama de frecvențe în care principalele caracteristici nu depășesc limitele normale. Divergentul meu este destinat frecvențelor între 1 și 1000 MHz.
- Îndepărtare (Coupling) – câtă parte din semnal (în decibeli) va fi îndepărtată atunci când unda circulă de la IN la OUT.
- Direcționalitate (Directivity) – cât de mult mai puțin semnal va fi îndepărtat atunci când semnalul circulă în direcția opusă de la OUT la IN.
La prima vedere, acest lucru poate părea destul de confuz. Pentru a clarifica, să ne imaginăm divergentul ca un tub de apă, cu o mică ramificație în interior. Ramificația este realizată astfel încât, atunci când apa circulă în direcția corectă (de la IN la OUT), o parte semnificativă din apă este îndepărtată. Cantitatea de apă îndepărtată în această direcție este determinată de parametrul Coupling din fișa tehnică a divergentului.
Când apa circulă în direcția opusă, se îndepărtează semnificativ mai puțină apă. Aceasta ar trebui percepută ca un fenomen secundar. Cantitatea de apă îndepărtată în această direcție este determinată de parametrul Directivity din fișa tehnică. Cu cât acest parametru este mai mic (valoare dB mai mare), cu atât este mai bine pentru scopul nostru.
Schema de principiu
Deoarece dorim să măsurăm nivelul semnalului reflectat de antenă, o conectăm la IN al divergentului și generatorul la OUT. Astfel, pe receptor va ajunge o parte din semnalul reflectat de antenă pentru a fi măsurat.
Schema de conectare a divizorului. Semnalul reflectat este direcționat către receptor
Instalație de măsurare
Vom asambla instalația pentru măsurarea VSWR conform schemei de principiu. La ieșirea generatorului aparatului vom instala suplimentar un atenuator cu o atenuare de 15 dB. Aceasta va îmbunătăți potrivirea divizorului cu ieșirea generatorului și va crește precizia măsurării. Atenuatorul poate avea o atenuare de 5..15 dB. Valoarea atenuării va fi luată automat în calcul la calibrarea ulterioară.
Atenuatorul reduce semnalul cu un număr fix de decibeli. Principala caracteristică a atenuatorului este coeficientul de atenuare a semnalului și banda de frecvență de funcționare. La frecvențe din afara benzii de funcționare, caracteristicile atenuatorului pot varia imprevizibil.
Așa arată instalația finală. De asemenea, nu trebuie să uităm să aplicăm semnalul de frecvență intermediară (IF) de la modulul OSA-6G pe placa principală a aparatului. Pentru aceasta, conectăm portul IF OUTPUT de pe placa principală la INPUT de pe modulul OSA-6G.
Pentru a reduce nivelul zgomotului de la sursa de alimentare impulsională a laptopului, toate măsurătorile le efectuez cu laptopul alimentat de la baterie.
Calibrarea
Înainte de a începe măsurătorile, trebuie să ne asigurăm că toate modulele aparatului sunt funcționale și că cablurile sunt de calitate; pentru aceasta, conectăm generatorul și receptorul direct cu un cablu, pornim generatorul și efectuăm măsurarea răspunsului în frecvență (AȘF). Obținem un grafic aproape plat la 0dB. Aceasta înseamnă că întreaga putere emisă de generator a ajuns la receptor pe întreaga bandă de frecvențe.
Conectarea generatorului direct la receptor
Vom adăuga un atenuator în schemă. Se observă o atenuare aproape constantă a semnalului de 15dB pe toată banda.
Conectarea generatorului printr-un atenuator de 15dB la receptor
Vom conecta generatorul la conectorul OUT al divizorului și receptorul la CPL al divizorului. Deoarece la portul IN nu este conectată o sarcină, întregul semnal generat ar trebui să se reflecte, iar o parte să fie direcționată către receptor. Conform fișei tehnice pentru divizorul nostru (), parametrul Coupling este de ~15db, deci ar trebui să vedem o linie orizontală la aproximativ -30 dB (coupling + atenuarea atenuatorului). Dar deoarece domeniul de frecvență al divizorului este limitat la 1 GHz, toate măsurătorile deasupra acestei frecvențe pot fi considerate fără sens. Acest lucru este evident pe grafic, după 1 GHz valorile sunt haotice și nu au sens. Prin urmare, toate măsurătorile ulterioare le vom efectua în domeniul operațional al divizorului.
Conectarea divizorului fără sarcină. Limita domeniului de operare al divizorului este vizibilă.
Deoarece datele măsurătorilor deasupra 1 GHz, în cazul nostru, nu au sens, vom limita frecvența maximă a generatorului la valorile operaționale ale divizorului. La măsurători obținem o linie dreaptă.
Limitarea domeniului generatorului la domeniul operațional al divizorului.
Pentru a măsura vizibil VSWR-ul antenelor, trebuie să efectuăm o calibrare, pentru a considera actualele parametrii ale circuitului (reflecție de 100%) ca punct de referință, adică zero dB. Pentru aceasta, programul OSA103 Mini are o funcție încorporată de calibrare. Calibrarea se realizează fără conectarea antenei (sarcină), datele de calibrare sunt salvate într-un fișier și ulterior sunt luate automat în considerare la construirea graficelor.
Funcția de calibrare a IAȘCH în programul OSA103 Mini
Aplicând rezultatele calibrării și efectuând măsurători fără sarcină, obținem un grafic plat la 0dB.
Graficul după finalizarea calibrării
Măsurăm antenele
Acum putem începe să măsurăm antenele. Datorită calibării, vom vedea și măsura reducerea reflexiei după conectarea antenei.
Antena de la Aliexpress pe 433MHz
Antena cu marcaj 443MHz. Se poate observa că antena funcționează cel mai eficient în banda de 446MHz, la această frecvență VSWR-ul este de 1.16. În schimb, la frecvența declarată, valorile sunt semnificativ mai slabe, la 433MHz VSWR-ul este 4.2.
Antena necunoscută 1
Antena fără marcaj. Judecând după grafic, aceasta este proiectată pentru 800 MHz, probabil pentru banda GSM. Corectitudine, trebuie să spunem că această antenă funcționează, de asemenea, la 1800 MHz, dar din cauza limitărilor divizorului nu pot face măsurători corecte la aceste frecvențe.
Antena necunoscută 2
Încă o antenă, care a stat de mult timp în cutiile mele. Judecând după tot, aceasta este tot pentru banda GSM, dar deja mai bună decât precedenta. La frecvența de 764 MHz, VSWR-ul se apropie de unu, la 900 MHz VSWR-ul este de 1.4.
Antena necunoscută 3
Aceasta pare a fi o antenă Wi-Fi, dar conectorul este SMA-Male, nu RP-SMA ca la toate antenele Wi-Fi. Judecând după măsurători, la frecvențe de până la 1 MHz, această antenă este inutilă. Din nou, din cauza limitărilor distribuitorului, nu vom ști ce fel de antenă este.
Antena telescopică
Să încercăm să calculăm cât de mult trebuie să extindem antena telescopică pentru banda de 433MHz. Formula de calcul al lungimii de undă: λ = C/f, unde C este viteza luminii, iar f este frecvența.
299.792.458 / 443.000.000 = 0.69719176279
Lungimea completă a undei — 69,24 cm
Jumătate din lungimea undei — 34,62 cm
Un sfert din lungimea undei — 17,31 cm
Antena calculată astfel s-a dovedit a fi complet inutilă. La frecvența de 433MHz, valoarea SWR este 11.
Experimentând cu extinderea antenei, am reușit să obțin un SWR minim de 2.8 la o lungime a antenei de aproximativ 50 cm. De asemenea, s-a dovedit că grosimea secțiunilor este foarte importantă. Asta înseamnă că, extinzând doar secțiunile subțiri de la margine, rezultatul a fost mai bun decât extinderea doar a secțiunilor groase pe aceeași lungime. Nu știu cât de mult ar trebui să mă bazez pe aceste calcule cu lungimea antenei telescopice, deoarece în practică nu funcționează. Poate cu alte antene sau frecvențe funcționează diferit, nu știu.
Un fir pentru 433MHz
Adesea, în diverse aparate, cum ar fi comutatoarele radio, se poate observa un fir drept folosit ca antenă. Am tăiat un fir egal cu un sfert din lungimea undei 433 MHz (17,3 cm) și am cositorit capătul astfel încât să se potrivească strâns în conectorul SMA Female.
Rezultatul a fost ciudat: acest fir funcționează destul de bine la 360 MHz, dar este inutil la 433 MHz.
Am început să tai câte puțin din fir de la capăt și să observ măsurătorile. Picajul de pe grafic a început să se mute lent spre dreapta, către 433 MHz. În final, la o lungime a firului de aproximativ 15,5 cm, am reușit să obțin o valoare minimă a SWR de 1.8 la frecvența de 438 MHz. Continuarea scurtării cablului a dus la creșterea SWR.
Concluzie
Din cauza limitărilor distribuitorului nu am reușit să măsor antenele pe benzi superioare de 1 GHz, cum ar fi antenele Wi-Fi. Acest lucru ar fi fost posibil dacă aș fi avut un distribuitor mai larg.
Divizoare, cabluri de conectare, dispozitive și chiar laptopuri – acestea sunt componentele sistemului de antenă rezultat. Geometria lor, poziția în spațiu și obiectele din jur influențează rezultatul măsurătorilor. După instalarea pe o stație radio sau un modem real, frecvența poate fi ajustată, deoarece carcasa stației radio, a modemului și corpul operatorului devin parte a antenei.
OSA103 Mini este un aparat multifuncțional foarte bun. Mulțumesc dezvoltatorului pentru consultanță în timpul măsurătorilor.
Sursa: habr.com
