— Pentru ce rază este această antenă?
- Nu știu, verifică.
- CE?!?!
Cum puteți determina ce fel de antenă aveți în mâini dacă nu există niciun marcaj pe ea? Cum să înțelegeți ce antenă este mai bună sau mai proastă? Această problemă mă chinuie de multă vreme.
Articolul descrie într-un limbaj simplu tehnica de măsurare a caracteristicilor antenei și metoda de determinare a gamei de frecvență a antenei.
Pentru inginerii radio cu experiență, aceste informații pot părea banale, iar tehnica de măsurare poate să nu fie suficient de precisă. Articolul este destinat celor care nu înțeleg absolut nimic despre electronica radio, ca mine.
TL; DR Vom măsura SWR-ul antenelor la diferite frecvențe folosind dispozitivul OSA 103 Mini și un cuplaj direcțional, reprezentând un grafic al dependenței SWR-ului de frecvență.
Теория
Când un transmițător trimite un semnal către o antenă, o parte din energie este radiată în aer, iar o parte este reflectată și returnată înapoi. Relația dintre energia emisă și cea reflectată este caracterizată de raportul undelor staționare (SWR sau SWR). Cu cât SWR este mai mic, cu atât mai multă energie a emițătorului este emisă sub formă de unde radio. La SWR = 1 nu există reflexie (toată energia este radiată). SWR-ul unei antene reale este întotdeauna mai mare decât 1.
Dacă trimiteți un semnal de frecvențe diferite către antenă și măsurați simultan SWR, puteți afla la ce frecvență reflectarea va fi minimă. Acesta va fi domeniul de operare al antenei. De asemenea, puteți compara diferite antene pentru aceeași bandă și găsiți care este mai bună.
O parte a semnalului emițătorului este reflectată de antenă
O antenă proiectată pentru o anumită frecvență, în teorie, ar trebui să aibă cel mai mic SWR la frecvențele sale de funcționare. Aceasta înseamnă că este suficient să radiați în antenă la frecvențe diferite și să găsiți la ce frecvență reflectarea este cea mai mică, adică cantitatea maximă de energie care iese sub formă de unde radio.
Prin posibilitatea de a genera un semnal la frecvențe diferite și de a măsura reflexia, putem crea un grafic cu frecvența pe axa X și reflectivitatea semnalului pe axa Y. Ca rezultat, acolo unde există o scădere în grafic (adică cea mai mică reflectare a semnalului), va exista o rază de funcționare a antenei.
Graficul imaginar al reflecției în funcție de frecvență. Reflexia este 100% pe toata gama, cu exceptia frecventei de operare a antenei.
Dispozitiv Osa103 Mini
Pentru măsurători vom folosi . Acesta este un dispozitiv de măsurare universal care combină un osciloscop, un generator de semnal, un analizor de spectru, un contor de răspuns în amplitudine-frecvență/răspuns în fază, un analizor de antenă vectorială, un contor LC și chiar un transceiver SDR. Gama de operare a OSA103 Mini este limitată la 100 MHz, modulul OSA-6G extinde domeniul de frecvență în modul IAFC la 6 GHz. Programul nativ cu toate funcțiile cântărește 3 MB, rulează pe Windows și prin vin pe Linux.
Osa103 Mini - un dispozitiv de măsurare universal pentru radioamatori și ingineri
Cuplaj direcțional
Un cuplaj direcțional este un dispozitiv care deviază o mică parte a unui semnal RF care se deplasează într-o anumită direcție. În cazul nostru, trebuie să se ramifică o parte din semnalul reflectat (care merge de la antenă înapoi la generator) pentru a-l măsura.
O explicație vizuală a funcționării unui cuplaj direcțional:
Principalele caracteristici ale cuplajului direcțional:
- Frecvențele de operare - gama de frecvențe la care indicatorii principali nu depășesc limitele normale. Cuplajul meu este proiectat pentru frecvențe de la 1 la 1000 MHz
- Ramura (cuplaj) - ce parte a semnalului (în decibeli) va fi luată atunci când valul este direcționat de la IN la OUT
- Directivitate — cu cât semnal va fi eliminat atunci când semnalul se mișcă în direcția opusă de la OUT la IN
La prima vedere, acest lucru pare destul de confuz. Pentru claritate, să ne imaginăm cuplul ca pe o conductă de apă, cu un mic robinet înăuntru. Drenajul se face astfel incat atunci cand apa se misca in directia inainte (de la IN la OUT), o parte semnificativa a apei sa fie eliminata. Cantitatea de apă care este evacuată în această direcție este determinată de parametrul de cuplare din fișa de date a cuplajului.
Când apa se mișcă în direcția opusă, este eliminată semnificativ mai puțină apă. Ar trebui luat ca efect secundar. Cantitatea de apă care este evacuată în timpul acestei mișcări este determinată de parametrul Directivitate din fișa tehnică. Cu cât acest parametru este mai mic (cu cât valoarea dB este mai mare), cu atât este mai bine pentru sarcina noastră.
Diagramă schematică
Deoarece dorim să măsurăm nivelul semnalului reflectat de antenă, îl conectăm la IN-ul cuplajului, iar generatorul la OUT. Astfel, o parte din semnalul reflectat de la antenă va ajunge la receptor pentru măsurare.
Schema de conectare pentru robinet. Semnalul reflectat este trimis la receptor
Configurație de măsurare
Să asamblam o configurație pentru măsurarea SWR în conformitate cu schema de circuit. La ieșirea generatorului de dispozitiv, vom instala suplimentar un atenuator cu o atenuare de 15 dB. Acest lucru va îmbunătăți potrivirea cuplajului cu ieșirea generatorului și va crește precizia măsurării. Atenuatorul poate fi luat cu o atenuare de 5..15 dB. Cantitatea de atenuare va fi luată în considerare automat în timpul calibrării ulterioare.
Un atenuator atenuează semnalul cu un număr fix de decibeli. Caracteristica principală a unui atenuator este coeficientul de atenuare al semnalului și domeniul de frecvență de funcționare. La frecvențe în afara domeniului de funcționare, performanța atenuatorului se poate schimba în mod imprevizibil.
Așa arată instalarea finală. De asemenea, trebuie să vă amintiți să furnizați un semnal de frecvență intermediară (IF) de la modulul OSA-6G la placa principală a dispozitivului. Pentru a face acest lucru, conectați portul IF OUTPUT de pe placa principală la INPUT de pe modulul OSA-6G.
Pentru a reduce nivelul de interferență de la sursa de comutare a laptopului, efectuez toate măsurătorile atunci când laptopul este alimentat de la baterie.
calibrare
Înainte de a începe măsurătorile, trebuie să vă asigurați că toate componentele dispozitivului sunt în stare bună de funcționare și de calitatea cablurilor pentru a face acest lucru, conectăm generatorul și receptorul direct cu un cablu, pornim generatorul și măsurăm frecvența raspuns. Obținem un grafic aproape plat la 0dB. Aceasta înseamnă că pe întregul interval de frecvență, toată puterea radiată a generatorului a ajuns la receptor.
Conectarea generatorului direct la receptor
Să adăugăm un atenuator la circuit. O atenuare aproape uniformă a semnalului de 15 dB este vizibilă pe toată gama.
Conectarea generatorului printr-un atenuator de 15dB la receptor
Să conectăm generatorul la conectorul OUT al cuplajului, iar receptorul la conectorul CPL al cuplajului. Deoarece nu există nicio sarcină conectată la portul IN, tot semnalul generat trebuie să fie reflectat și o parte din acesta ramificată la receptor. Conform fișei tehnice pentru cuplajul nostru (), parametrul de cuplare este ~15db, ceea ce înseamnă că ar trebui să vedem o linie orizontală la un nivel de aproximativ -30 dB (cuplare + atenuare atenuator). Dar, deoarece domeniul de funcționare al cuplajului este limitat la 1 GHz, toate măsurătorile peste această frecvență pot fi considerate lipsite de sens. Acest lucru este clar vizibil în grafic după 1 GHz, citirile sunt haotice și lipsite de sens. Prin urmare, vom efectua toate măsurătorile ulterioare în domeniul de funcționare al cuplajului.
Conectarea unui robinet fără sarcină. Limita domeniului de operare al cuplajului este vizibilă.
Deoarece datele de măsurare de peste 1 GHz, în cazul nostru, nu au sens, vom limita frecvența maximă a generatorului la valorile de funcționare ale cuplajului. Când măsurăm, obținem o linie dreaptă.
Limitarea domeniului generatorului la domeniul de funcționare al cuplajului
Pentru a măsura vizual SWR-ul antenelor, trebuie să efectuăm o calibrare pentru a lua ca punct de referință parametrii de curent ai circuitului (reflexie 100%), adică zero dB. În acest scop, programul OSA103 Mini are o funcție de calibrare încorporată. Calibrarea se realizează fără antenă conectată (încărcare), datele de calibrare sunt scrise într-un fișier și ulterior sunt luate în considerare automat la construirea graficelor.
Funcția de calibrare a răspunsului în frecvență în programul OSA103 Mini
Aplicând rezultatele calibrării și efectuând măsurători fără sarcină, obținem un grafic plat la 0dB.
Graficul după calibrare
Măsurăm antene
Acum puteți începe să măsurați antenele. Datorită calibrării, vom vedea și măsura reducerea reflexiei după conectarea antenei.
Antena de la Aliexpress la 433MHz
Antena marcată 443MHz. Se poate observa că antena funcționează cel mai eficient în intervalul de 446MHz, la această frecvență SWR-ul fiind de 1.16. În același timp, la frecvența declarată performanța este semnificativ mai slabă, la 433MHz SWR-ul este de 4,2.
Antenă necunoscută 1
Antena fara marcaje. Judecând după grafic, este proiectat pentru 800 MHz, probabil pentru banda GSM. Pentru a fi corect, această antenă funcționează și la 1800 MHz, dar din cauza limitărilor cuplajului nu pot face măsurători valide la aceste frecvențe.
Antenă necunoscută 2
O altă antenă care stă de mult timp în cutiile mele. Aparent, tot pentru gama GSM, dar mai bună decât precedenta. La o frecvență de 764 MHz, SWR este aproape de unitate, la 900 MHz SWR este de 1.4.
Antenă necunoscută 3
Arată ca o antenă Wi-Fi, dar din anumite motive conectorul este SMA-Male și nu RP-SMA, ca toate antenele Wi-Fi. Judecând după măsurători, la frecvențe de până la 1 MHz această antenă este inutilă. Din nou, din cauza limitărilor cuplajului, nu vom ști ce fel de antenă este.
Antenă telescopică
Să încercăm să calculăm cât de mult trebuie extinsă antena telescopică pentru gama de 433MHz. Formula de calcul a lungimii de undă este: λ = C/f, unde C este viteza luminii, f este frecvența.
299.792.458 / 443.000.000 = 0.69719176279
Lungime de undă completă - 69,24 cm
Jumătate de lungime de undă - 34,62 cm
Un sfert de lungime de undă - 17,31 cm
Antena calculată în acest fel s-a dovedit a fi absolut inutilă. La o frecvență de 433 MHz, valoarea SWR este 11.
Prin extinderea experimentală a antenei, am reușit să obțin un SWR minim de 2.8 cu o lungime a antenei de aproximativ 50 cm S-a dovedit că grosimea secțiunilor este de mare importanță. Adică, la extinderea numai a secțiunilor exterioare subțiri, rezultatul a fost mai bun decât la extinderea doar a secțiunilor groase la aceeași lungime. Nu știu cât de mult ar trebui să te bazezi pe aceste calcule cu lungimea unei antene telescopice în viitor, pentru că în practică nu funcționează. Poate că funcționează diferit cu alte antene sau frecvențe, nu știu.
O bucată de fir la 433MHz
Adesea, în diferite dispozitive, cum ar fi comutatoarele radio, puteți vedea o bucată de fir drept ca antenă. Am tăiat o bucată de sârmă egală cu un sfert de lungime de undă de 433 MHz (17,3 cm) și am cositorit capătul astfel încât să se potrivească perfect în conectorul SMA Female.
Rezultatul a fost ciudat: un astfel de fir funcționează bine la 360 MHz, dar este inutil la 433 MHz.
Am început să tai firul de la capăt bucată cu bucată și să mă uit la citiri. Scăderea din grafic a început să se miște încet spre dreapta, spre 433 MHz. Drept urmare, pe o lungime a firului de aproximativ 15,5 cm, am reușit să obțin cea mai mică valoare SWR de 1.8 la o frecvență de 438 MHz. Scurtarea în continuare a cablului a dus la o creștere a SWR.
Concluzie
Din cauza limitărilor cuplajului, nu a fost posibilă măsurarea antenelor în benzi de peste 1 GHz, cum ar fi antenele Wi-Fi. Acest lucru s-ar fi putut face dacă aș fi avut un cuplu cu lățime de bandă mai mare.
Un cuplaj, cabluri de conectare, un dispozitiv și chiar un laptop sunt toate părți ale sistemului de antenă rezultat. Geometria lor, poziția în spațiu și obiectele din jur afectează rezultatul măsurării. După instalarea pe o stație de radio reală sau modem, frecvența se poate schimba, deoarece corpul stației de radio, modemul și corpul operatorului vor deveni parte a antenei.
OSA103 Mini este un dispozitiv multifuncțional foarte tare. Îmi exprim recunoștința față de dezvoltatorul său pentru consultarea în timpul măsurătorilor.
Sursa: www.habr.com