— Za kakšen obseg je ta antena?
- Ne vem, preveri.
- KAJ?!?!
Kako lahko ugotovite, kakšno anteno imate v rokah, če na njej ni oznake? Kako razumeti, katera antena je boljša ali slabša? Ta težava me muči že dolgo časa.
Članek v preprostem jeziku opisuje tehniko merjenja karakteristik antene in metodo za določanje frekvenčnega območja antene.
Izkušenim radijskim inženirjem se te informacije morda zdijo nepomembne in merilna tehnika morda ni dovolj natančna. Članek je namenjen tistim, ki o radijski elektroniki sploh ne razumejo ničesar, kot sem jaz.
TL; DR Z napravo OSA 103 Mini in usmerjenim spojnikom bomo izmerili SWR anten pri različnih frekvencah in izrisali odvisnost SWR od frekvence.
Teorija
Ko oddajnik pošlje signal anteni, se del energije odda v zrak, del pa se odbije in vrne nazaj. Razmerje med sevano in odbito energijo je označeno z razmerjem stoječih valov (SWR ali SWR). Nižji kot je SWR, več energije oddajnika se oddaja v obliki radijskih valov. Pri SWR = 1 odboja ni (vsa energija seva). SWR prave antene je vedno večji od 1.
Če pošljete signal različnih frekvenc na anteno in hkrati merite SWR, lahko ugotovite, pri kateri frekvenci bo odboj minimalen. To bo območje delovanja antene. Prav tako lahko primerjate različne antene za isti pas in ugotovite, katera je boljša.
Del signala oddajnika se odbija od antene
Antena, zasnovana za določeno frekvenco, bi teoretično morala imeti najnižji SWR pri svojih delovnih frekvencah. To pomeni, da je dovolj sevati v anteno na različnih frekvencah in ugotoviti, pri kateri frekvenci je odboj najmanjši, torej največja količina energije, ki uide v obliki radijskih valov.
Če lahko ustvarimo signal na različnih frekvencah in izmerimo odboj, lahko ustvarimo graf s frekvenco na osi X in odbojnostjo signala na osi Y. Posledično tam, kjer je padec na grafu (to je najmanjši odboj signala), bo območje delovanja antene.
Imaginarni graf odboja v odvisnosti od frekvence. V celotnem območju je odboj 100 %, razen pri delovni frekvenci antene.
Naprava Osa103 Mini
Za meritve bomo uporabili . To je univerzalna merilna naprava, ki združuje osciloskop, generator signala, spektralni analizator, merilnik amplitudno-frekvenčnega/faznega odziva, vektorski antenski analizator, LC-meter in celo SDR-sprejemnik. Območje delovanja OSA103 Mini je omejeno na 100 MHz, modul OSA-6G razširi frekvenčno območje v načinu IAFC na 6 GHz. Domači program z vsemi funkcijami tehta 3 MB, teče na Windowsih in via wine na Linuxu.
Osa103 Mini - univerzalna merilna naprava za radioamaterje in inženirje
Usmerjeni spojnik
Usmerjeni sklopnik je naprava, ki preusmeri majhen del RF signala, ki potuje v določeno smer. V našem primeru mora odcepiti del odbitega signala (ki gre od antene nazaj do generatorja), da ga izmeri.
Vizualna razlaga delovanja usmerjenega spojnika:
Glavne značilnosti usmerjenega spojnika:
- Delovne frekvence - razpon frekvenc, pri katerih glavni indikatorji ne presegajo normalnih meja. Moj sklopnik je zasnovan za frekvence od 1 do 1000 MHz
- Odcep (sklopka) - kolikšen del signala (v decibelih) bo odvzet, ko je val usmerjen od IN proti OUT
- Usmerjenost — koliko manj signala bo odstranjenega, ko se signal premika v nasprotni smeri od OUT do IN
Na prvi pogled je to videti precej zmedeno. Zaradi jasnosti si predstavljajmo spojko kot vodovodno cev z majhno pipo v notranjosti. Drenaža je narejena tako, da se pri gibanju vode v smeri naprej (od IN proti VEN) precejšen del vode odstrani. Količina vode, ki se izpusti v tej smeri, je določena s parametrom sklopke v podatkovnem listu spojke.
Ko se voda giblje v nasprotni smeri, se odstrani bistveno manj vode. To je treba jemati kot stranski učinek. Količina vode, ki se izpusti med tem gibanjem, je določena s parametrom Directivity v podatkovnem listu. Manjši kot je ta parameter (večja kot je vrednost dB), bolje je za našo nalogo.
Shematski diagram
Ker želimo izmeriti nivo odbitega signala od antene, jo priključimo na IN spojnika, generator pa na OUT. Tako bo del signala, ki se odbija od antene, dosegel sprejemnik za merjenje.
Shema povezave za pipo. Odbiti signal se pošlje v sprejemnik
Nastavitev merjenja
Sestavimo nastavitev za merjenje SWR v skladu s shemo vezja. Na izhod generatorja naprave bomo dodatno vgradili dušilnik z dušenjem 15 dB. To bo izboljšalo ujemanje spojnika z izhodom generatorja in povečalo natančnost meritev. Dušilnik lahko vzamete z dušenjem 5..15 dB. Količina oslabitve bo samodejno upoštevana med kasnejšo kalibracijo.
Atenuator oslabi signal za določeno število decibelov. Glavna značilnost dušilnika je koeficient slabljenja signala in delovno frekvenčno območje. Pri frekvencah izven delovnega območja se lahko delovanje dušilnika nepredvidljivo spremeni.
Tako izgleda končna namestitev. Prav tako se morate spomniti, da na glavno ploščo naprave napajate signal vmesne frekvence (IF) iz modula OSA-6G. Če želite to narediti, povežite vrata IF OUTPUT na glavni plošči z INPUT na modulu OSA-6G.
Za zmanjšanje stopnje motenj zaradi stikalnega napajanja prenosnika izvajam vse meritve, ko se prenosnik napaja iz baterije.
Kalibracija
Pred začetkom meritev se morate prepričati o brezhibnosti vseh komponent naprave in kakovosti kablov, za to povežemo generator in sprejemnik neposredno s kablom, vklopimo generator in izmerimo frekvenco odgovor. Pri 0dB dobimo skoraj raven graf. To pomeni, da je v celotnem frekvenčnem območju vsa sevana moč generatorja dosegla sprejemnik.
Priključitev generatorja neposredno na sprejemnik
V vezje dodamo dušilnik. V celotnem območju je vidno skoraj enakomerno slabljenje signala 15dB.
Priključitev generatorja preko 15dB dušilnika na sprejemnik
Generator priključimo na OUT konektor sklopke, sprejemnik pa na CPL konektor spojke. Ker na vrata IN ni priključenega bremena, se mora ves ustvarjeni signal odbiti in del odcepiti do sprejemnika. Glede na podatkovni list za naš spojnik (), je parameter Coupling ~15db, kar pomeni, da bi morali videti vodoravno črto na ravni približno -30 dB (spajanje + dušenje dušilnika). Ker pa je območje delovanja spojnika omejeno na 1 GHz, se lahko vse meritve nad to frekvenco štejejo za nesmiselne. To je jasno vidno na grafu; po 1 GHz so odčitki kaotični in nesmiselni. Zato bomo vse nadaljnje meritve izvajali v območju delovanja sklopke.
Priključitev pipe brez obremenitve. Vidna je omejitev območja delovanja spojke.
Ker merilni podatki nad 1 GHz v našem primeru niso smiselni, bomo največjo frekvenco generatorja omejili na delovne vrednosti spojnika. Pri merjenju dobimo ravno črto.
Omejitev območja generatorja na območje delovanja sklopke
Da bi vizualno izmerili SWR anten, moramo opraviti kalibracijo, da vzamemo trenutne parametre vezja (100% odboj) kot referenčno točko, to je nič dB. V ta namen ima program OSA103 Mini vgrajeno kalibracijsko funkcijo. Kalibracija se izvede brez priključene antene (obremenitve), podatki o kalibraciji se zapišejo v datoteko in se nato samodejno upoštevajo pri izdelavi grafov.
Funkcija kalibracije frekvenčnega odziva v programu OSA103 Mini
Z uporabo rezultatov umerjanja in izvajanjem meritev brez obremenitve dobimo raven graf pri 0 dB.
Graf po kalibraciji
Merimo antene
Zdaj lahko začnete meriti antene. Zahvaljujoč kalibraciji bomo videli in izmerili zmanjšanje odboja po priključitvi antene.
Antena iz Aliexpressa na 433MHz
Antena z oznako 443MHz. Vidimo, da antena najbolj učinkovito deluje v območju 446MHz, pri tej frekvenci je SWR 1.16. Hkrati je pri deklarirani frekvenci zmogljivost bistveno slabša, pri 433MHz je SWR 4,2.
Neznana antena 1
Antena brez oznak. Po grafu sodeč je zasnovan za 800 MHz, domnevno za pas GSM. Po pravici povedano, ta antena deluje tudi pri 1800 MHz, vendar zaradi omejitev spojnika ne morem opraviti veljavnih meritev pri teh frekvencah.
Neznana antena 2
Še ena antena, ki že dolgo leži v mojih škatlah. Očitno tudi za GSM domet, a boljši od prejšnjega. Pri frekvenci 764 MHz je SWR blizu enote, pri 900 MHz je SWR 1.4.
Neznana antena 3
Videti je kot antena Wi-Fi, vendar je iz neznanega razloga konektor SMA-Male in ne RP-SMA, kot vse antene Wi-Fi. Sodeč po meritvah je pri frekvencah do 1 MHz ta antena neuporabna. Spet zaradi omejitev spojnika ne bomo vedeli, za kakšno anteno gre.
Teleskopska antena
Poskusimo izračunati, kako daleč je treba raztegniti teleskopsko anteno za območje 433MHz. Formula za izračun valovne dolžine je: λ = C/f, kjer je C svetlobna hitrost, f frekvenca.
299.792.458 / 443.000.000 = 0.69719176279
Polna valovna dolžina - 69,24 cm
Polovična valovna dolžina - 34,62 cm
Četrtina valovne dolžine - 17,31 cm
Tako izračunana antena se je izkazala za popolnoma neuporabno. Pri frekvenci 433MHz je vrednost SWR 11.
Z eksperimentalnim podaljševanjem antene mi je pri dolžini antene okoli 2.8 cm uspelo doseči minimalni SWR 50, izkazalo se je, da je debelina sekcij zelo pomembna. To pomeni, da je bil rezultat pri podaljšanju samo tankih zunanjih delov boljši kot pri podaljšanju samo debelih delov na enako dolžino. Ne vem, koliko bi se morali v prihodnje zanašati na te izračune z dolžino teleskopske antene, ker v praksi ne delujejo. Mogoče z drugimi antenami ali frekvencami deluje drugače, ne vem.
Kos žice na 433MHz
Pogosto v različnih napravah, kot so radijska stikala, lahko vidite kos ravne žice kot anteno. Odrezal sem kos žice, enak četrtini valovne dolžine 433 MHz (17,3 cm) in pokositril konec, tako da se tesno prilega v ženski konektor SMA.
Rezultat je bil čuden: taka žica dobro deluje pri 360 MHz, pri 433 MHz pa je neuporabna.
Začel sem rezati žico s konca kos za kosom in gledati odčitke. Pad na grafu se je začel počasi premikati v desno proti 433 MHz. Posledično mi je na dolžini žice približno 15,5 cm uspelo dobiti najmanjšo vrednost SWR 1.8 pri frekvenci 438 MHz. Nadaljnje krajšanje kabla je povzročilo povečanje SWR.
Zaključek
Zaradi omejitev spojnika ni bilo mogoče meriti anten v pasovih nad 1 GHz, kot so antene Wi-Fi. To bi lahko naredili, če bi imel spojnik z večjo pasovno širino.
Spojka, povezovalni kabli, naprava in celo prenosni računalnik so vsi deli nastalega antenskega sistema. Njihova geometrija, položaj v prostoru in okoliški predmeti vplivajo na rezultat merjenja. Po namestitvi na pravo radijsko postajo ali modem se lahko frekvenca premakne, ker telo radijske postaje, modem in telo operaterja bodo postali del antene.
OSA103 Mini je zelo kul večnamenska naprava. Izražam svojo hvaležnost njegovemu razvijalcu za posvetovanje med meritvami.
Vir: www.habr.com