— Na aké pásmo je táto anténa?
— Neviem, skontroluj.
— JAAAK?!?!
Ako určiť, akú anténu máte v rukách, ak na nej nie je označenie? Ako pochopiť, ktorá anténa je lepšia alebo horšia? Tieto problémy ma už dlho trápi.
V článku sa jednoduchým jazykom popisuje metodika merania charakteristík antén a spôsob určenia frekvenčného pásma antény.
Zbehli radiotechnici môžu považovať tieto informácie za triviálne, a metodiku merania za nedostatočne presnú. Článok je určený pre tých, ktorí vôbec nič nerozumejú v rádiovej elektronike, ako ja.
TL;DR Budeme merať VSWR antén na rôznych frekvenciách pomocou prístroja OSA 103 Mini a smerového odbočníka a vytvoríme graf závislosti VSWR na frekvencii.
Teória
Keď vysielač posiela signál do antény, časť energie sa vyžaruje do vzduchu a časť sa odráža a vracia späť. Vzťah medzi vyžarovanou a odrazenou energiou charakterizuje koeficient stojatej vlny (VSWR alebo SWR). Čím menší je VSWR, tým väčšia časť energie vysielača sa vyžaruje vo forme rádiových vĺn. Pri VSWR = 1 nie je žiadne odrazenie (všetka energia sa vyžaruje). VSWR reálnej antény je vždy väčší ako 1.
Ak posielame do antény signál rôznej frekvencie a zároveň meriame VSWR, môžeme zistiť, na akej frekvencii bude odrazenie minimálne. To bude pracovné pásmo antény. Tiež môžeme porovnať medzi sebou rôzne antény na jedno pásmo a zistiť, ktorá z nich je lepšia.
Časť signálu vysielača sa odráža od antény
Anténa navrhnutá na určitú frekvenciu by teoreticky mala mať najnižší VSWR na svojich pracovných frekvenciách. To znamená, že stačí vysielať do antény rôznymi frekvenciami a zistiť, na akej frekvencii je odrazenie najnižšie, teda maximálne množstvo energie vyletelo vo forme rádiových vĺn.
Keď budeme mať možnosť generovať signál na rôznych frekvenciách a merať odrazenie, môžeme vytvoriť graf, kde na osi X bude frekvencia a na osi Y — koeficient odrazenia signálu. Výsledkom bude, že tam, kde na grafe bude prepad (teda najmenšie odrazenie signálu), bude pracovné pásmo antény.
Predstavovaný graf závislosti odrazenia od frekvencie. Po celom pásme je odrazenie 100%, okrem pracovnej frekvencie antény.
Prístroj Osa103 Mini
Na merania budeme používať . Toto je univerzálne meracie zariadenie, ktoré spája oscilloskop, generátor signálu, analyzátor spektra, merací prístroj pre AČH/FČH, vektorový anténny analyzátor, merací prístroj LC a dokonca aj SDR transceiver. Pracovný rozsah OSA103 Mini je obmedzený na 100 MHz, modul OSA-6G rozširuje frekvenčný rozsah v režime IAČH na 6 GHz. Nativný program so všetkými funkciami má veľkosť 3 MB, funguje na Windows a cez wine v Linuxe.
Osa103 Mini — univerzálne meracie zariadenie pre rádioamatérov a inžinierov
Smerový odpošľovač
Smerový odpošľovač (directional coupler) — zariadenie, ktoré odvedie malú časť VHF-signálu, idúceho v stanovenom smere. V našom prípade by mal odpošľovať časť odrazeného signálu (idúceho od antény späť do generátora) pre jeho meranie.
Prehľadná ukážka fungovania smerového odpošľovača:
Hlavné charakteristiky smerového odpošľovača:
- Pracovné frekvencie — rozsah frekvencií, pri ktorých hlavné parametre neprekračujú normu. Môj odpošľovač je určený pre frekvencie od 1 do 1000 MHz
- Odpojenie (Coupling) — aká časť signálu (v decibeloch) bude odvedená pri smerovaní vlny z IN do OUT
- Smerovosť (Directivity) — ako málo signálu bude odvedené pri pohybe signálu v opačnom smere z OUT do IN
Na prvý pohľad to vyzerá dosť zložitě. Pre prehľadnosť si predstavme odpošľovač ako vodovodnú trubicu s malým odbočením vo vnútri. Odbočenie je vytvorené tak, že pri pohybe vody v priamom smere (od IN k OUT) sa odvádza podstatná časť vody. Množstvo vody, ktoré sa odvádza v tomto smere, určuje parameter Coupling v datasheete odpošľovača.
Pri pohybe vody v opačnom smere sa odvedie omnoho menej vody. Môžeme to považovať za vedľajší jav. Množstvo vody odvedené pri tomto pohybe určuje parameter Directivity v datasheete. Čím je tento parameter menší (väčšia hodnota dB), tým je to lepšie pre našu úlohu.
Principiálny schéma
Keďže chceme merať úroveň signálu odrazeného od antény, pripojíme ju k IN odpošľovača, a generátor k OUT. Tak tým do prijímača prenikne časť odrazeného od antény signálu na meranie.
Schéma pripojenia odpošľovača. Odrazený signál sa odvedie na prijímač
Meracia inštalácia
Zostavíme inštaláciu na meranie KSV podľa schémy. Na výstupe generátora zariadenia dodatočne nainštalujeme atenuátor so ziskom 15 dB. To zlepší zladenie odbočníka so výstupom generátora a zvýši presnosť merania. Atenuátor môžeme vziať so ziskom 5..15 dB. Hodnota zisku sa automaticky zohľadní pri neskoršej kalibrácii.
Atenuátor oslabuje signál o pevný počet decibelov. Hlavnou charakteristikou atenuátora je koeficient útlmu (atenuácie) signálu a pracovný frekvenčný rozsah. V frekvenciách mimo pracovného pásma sa charakteristiky atenuátora môžu nepredvídateľne meniť.
Takto vyzerá finálna inštalácia. Je tiež potrebné nezabudnúť poskytnúť signál medzifrekvencie (MF) z modulu OSA-6G na hlavnú dosku prístroja. Na to prepojíme port IF OUTPUT na hlavnej doske s INPUT na module OSA-6G.
Na zníženie úrovne rušenia od impulzného zdroja napájania notebooku všetky merania vykonávam pri napájaní notebooku z batérie.
Kalibrácia
Pred začiatkom meraní je potrebné overiť funkčnosť všetkých uzlov prístroja a kvalitu káblov, preto prepojíme generátor a prijímač káblom priamo, zapneme generátor a vykonáme meranie AČH. Získame takmer rovný graf na 0dB. To znamená, že na celom frekvenčnom rozsahu sa všetka vyžarovaná energia generátora dostala k prijímaču.
Pripojenie generátora priamo k prijímaču
Pridáme do schémy atenuátor. Vidno takmer rovnomerné oslabenie signálu o 15dB na celom rozsahu.
Pripojenie generátora cez atenuátor na 15dB k prijímaču
Pripojíme generátor k konektoru OUT odbočníka, a prijímač k CPL odbočníka. Keďže k portu IN nie je pripojené zaťaženie, celý generovaný signál sa má odrážať a časť odbočovať na prijímač. Podľa dátového listu na náš odbočník (), parameter Coupling is about ~15db, which means we should see a horizontal line around -30 dB (coupling + attenuator loss). However, since the operating range of the splitter is limited to 1 GHz, all measurements above this frequency can be considered meaningless. This is clearly visible in the graph; after 1 GHz, the readings are chaotic and lack significance. Therefore, all further measurements will be conducted within the working range of the splitter.
Connecting the splitter without load. The limit of the splitter's working range is visible.
Since the measurement data above 1 GHz, in our case, is meaningless, we will limit the maximum frequency of the generator to the operational values of the splitter. The measurements yield a straight line.
Limiting the generator's range to the operational range of the splitter.
To visually measure the SWR of antennas, we need to perform calibration to take the current parameters of the circuit (100% reflection) as the reference point, that is, zero dB. For this, the OSA103 Mini software has a built-in calibration function. Calibration is performed without a connected antenna (load), and the calibration data is recorded in a file and will be automatically considered in future graph constructions.
Calibration function of the SWR in the OSA103 Mini program.
Applying the calibration results and starting measurements without load, we obtain a flat graph at 0dB.
Graph after calibration.
Measuring antennas.
Now we can proceed with measuring the antennas. Thanks to the calibration, we will see and measure the reduction in reflection after connecting the antenna.
Antenna from Aliexpress at 433MHz.
Antenna labeled 443MHz. It is clear that the antenna works most effectively in the range of 446MHz, at this frequency the SWR is 1.16. However, at the declared frequency, the indicators are significantly worse, at 433MHz the SWR is 4.2.
Unknown antenna 1
Antenna without labeling. According to the graph, it is designed for 800 MHz, presumably for the GSM range. To be fair, this antenna also works at 1800 MHz, but due to the limitations of the splitter, I cannot make accurate measurements at these frequencies.
Unknown antenna 2
Another antenna that has been lying in my boxes for a long time. Apparently, it is also for the GSM range, but already better than the previous one. At a frequency of 764 MHz, the SWR is close to one, at 900 MHz the SWR is 1.4.
Neznáma anténa 3
Toto vyzerá ako Wi-Fi anténa, ale konektor je nejakým spôsobom SMA-Male, nie RP-SMA, ako pri všetkých Wi-Fi anténach. Podľa meraní táto anténa nie je užitočná na frekvenciách pod 1 MHz. Znovu, kvôli obmedzeniam rozdeľovača nevieme, čo táto anténa vlastne je.
Teleskopická anténa
Pokúsime sa vypočítať, ako ďaleko musíme vytiahnuť teleskopickú anténu pre pásmo 433MHz. Vzorec na výpočet vlnovej dĺžky: λ = C/f, kde C je rýchlosť svetla, f je frekvencia.
299.792.458 / 443.000.000 = 0.69719176279
Celková vlnová dĺžka — 69,24 cm
Polovičná vlnová dĺžka — 34,62 cm
Štvrtinová vlnová dĺžka — 17,31 cm
Takto vypočítaná anténa sa ukázala ako úplne neužitočná. Na frekvencii 433MHz je hodnota VSWR 11.
Experimentálnym spôsobom vytiahnutím antény sa mi podarilo dosiahnuť minimálnu hodnotu VSWR 2.8 pri dĺžke antény približne 50 cm. Pri tom sa ukázalo, že hrúbka sekcií má veľký význam. To znamená, že s vytiahnutím len tenkých krajových sekcií bol výsledok lepší ako pri vytiahnutí na tú istú dĺžku len hrubých sekcií. Neviem, do akej miery by som sa mal na tieto výpočty týkajúce sa dĺžky teleskopickej antény spoliehať, pretože v praxi nefungujú. Možno s inými anténami alebo frekvenciami to funguje inak, neviem.
Kúsok drôtu na 433MHz
Často v rôznych zariadeniach, ako sú rádiové vypínače, môžete vidieť kúsok priamého drôtu ako anténu. Odrezal som kúsok drôtu rovnajúci sa štvrtine vlnovej dĺžky 433 MHz (17,3 cm) a spájkoval som koniec tak, aby presne zapadol do konektora SMA Female.
Výsledok bol zvláštny: taký drôt celkom dobre funguje na 360 MHz, ale je neužitočný na 433 MHz.
Začal som po kúskoch skracovať drôt z konca a sledoval som hodnotenia. Prepad na grafe sa začal pomaly posúvať doprava, smerom k 433 MHz. Nakoniec pri dĺžke drôtu približne 15,5 cm sa mi podarilo dosiahnuť najnižšiu hodnotu VSWR 1.8 na frekvencii 438 MHz. Ďalšie skrátenie kábla viedlo k zvýšeniu VSWR.
Záver
Kvôli obmedzeniam rozdeľovača sa nedalo merať antény na pásmach nad 1 GHz, napríklad Wi-Fi antény. To by sa dalo spraviť, keby som mal širší rozdeľovač.
Rozdeľovač, pripojovacie káble, zariadenie a dokonca aj notebook – to sú časti výslednej anténnej sústavy. Ich geometria, poloha v priestore a okolitý predmety ovplyvňujú výsledok merania. Po inštalácii na skutočnú rádiostanicu alebo modem sa môže frekvencia posunúť, pretože telo rádiostanice, modemu a operátora sa stanú súčasťou antény.
OSA103 Mini – veľmi skvelé multifunkčné zariadenie. Vyslovujem poďakovanie jeho vývojárovi za konzultáciu pri vykonávaní meraní.
Zdroj: habr.com
