— Vilken räckvidd är den här antennen för?
- Jag vet inte, kolla.
- VAD?!?!
Hur kan du avgöra vilken typ av antenn du har i dina händer om det inte finns någon märkning på den? Hur förstår man vilken antenn som är bättre eller sämre? Det här problemet har plågat mig länge.
Artikeln beskriver på ett enkelt språk tekniken för att mäta antennegenskaper och metoden för att bestämma antennens frekvensområde.
För erfarna radioingenjörer kan denna information verka trivial, och mättekniken kanske inte är tillräckligt exakt. Artikeln är avsedd för dig som inte förstår något alls om radioelektronik, som jag.
TL; DR Vi kommer att mäta SWR för antenner vid olika frekvenser med hjälp av OSA 103 Mini-enheten och en riktningskopplare, och plotta SWR-beroendet på frekvensen.
Теория
När en sändare skickar en signal till en antenn, strålar en del av energin ut i luften, och en del reflekteras och returneras tillbaka. Förhållandet mellan utstrålad och reflekterad energi kännetecknas av stående vågförhållande (SWR eller SWR). Ju lägre SWR, desto mer av sändarens energi sänds ut som radiovågor. Vid SWR = 1 finns ingen reflektion (all energi utstrålas). SWR för en riktig antenn är alltid större än 1.
Om du skickar en signal med olika frekvenser till antennen och samtidigt mäter SWR kan du hitta vid vilken frekvens reflektionen blir minimal. Detta kommer att vara antennens räckvidd. Du kan också jämföra olika antenner för samma band och hitta vilken som är bättre.
En del av sändarsignalen reflekteras från antennen
En antenn designad för en viss frekvens bör i teorin ha den lägsta SWR vid sina driftsfrekvenser. Det betyder att det räcker med att stråla in i antennen vid olika frekvenser och hitta vid vilken frekvens reflektionen är minst, det vill säga den maximala mängden energi som strömmar ut i form av radiovågor.
Genom att kunna generera en signal vid olika frekvenser och mäta reflektionen kan vi skapa en graf med frekvensen på X-axeln och signalens reflektivitet på Y-axeln. Som ett resultat, där det finns en dipp i grafen (det vill säga den minsta reflektionen av signalen), kommer det att finnas ett arbetsområde för antennen.
Imaginär graf över reflektion mot frekvens. Över hela området är reflektionen 100 %, förutom antennens arbetsfrekvens.
Enhet Osa103 Mini
För mått kommer vi att använda . Detta är en universell mätanordning som kombinerar ett oscilloskop, en signalgenerator, en spektrumanalysator, en amplitud-frekvenssvar/fassvarsmätare, en vektorantennanalysator, en LC-mätare och till och med en SDR-transceiver. Driftområdet för OSA103 Mini är begränsat till 100 MHz, OSA-6G-modulen utökar frekvensområdet i IAFC-läge till 6 GHz. Det inbyggda programmet med alla funktioner väger 3 MB, körs på Windows och via vin på Linux.
Osa103 Mini - en universell mätanordning för radioamatörer och ingenjörer
Riktningskopplare
En riktningskopplare är en enhet som avleder en liten del av en RF-signal som färdas i en specifik riktning. I vårt fall måste den förgrena sig en del av den reflekterade signalen (som går från antennen tillbaka till generatorn) för att mäta den.
En visuell förklaring av hur en riktningskopplare fungerar:
Huvudegenskaper för riktningskopplaren:
- Driftsfrekvenser - frekvensintervallet där huvudindikatorerna inte överskrider normala gränser. Min kopplare är designad för frekvenser från 1 till 1000 MHz
- Gren (koppling) - vilken del av signalen (i decibel) kommer att tas bort när vågen riktas från IN till OUT
- Direktivitet — hur mycket mindre signal tas bort när signalen rör sig i motsatt riktning från OUT till IN
Vid första anblicken ser detta ganska förvirrande ut. För tydlighetens skull, låt oss föreställa oss kopplingen som ett vattenrör, med ett litet utlopp inuti. Dräneringen är gjord på så sätt att när vattnet rör sig framåt (från IN till UT) avlägsnas en betydande del av vattnet. Mängden vatten som släpps ut i denna riktning bestäms av kopplingsparametern i kopplingsdatabladet.
När vattnet rör sig i motsatt riktning tas betydligt mindre vatten bort. Det bör tas som en bieffekt. Mängden vatten som släpps ut under denna rörelse bestäms av parametern Direktivitet i databladet. Ju mindre denna parameter är (ju större dB-värdet är), desto bättre för vår uppgift.
kretsschema
Eftersom vi vill mäta signalnivån som reflekteras från antennen ansluter vi den till IN på kopplaren och generatorn till OUT. Således kommer en del av signalen som reflekteras från antennen att nå mottagaren för mätning.
Anslutningsschema för kranen. Den reflekterade signalen skickas till mottagaren
Mätuppställning
Låt oss sammanställa en uppsättning för mätning av SWR i enlighet med kretsschemat. Vid utgången av enhetsgeneratorn kommer vi dessutom att installera en dämpare med en dämpning på 15 dB. Detta kommer att förbättra matchningen av kopplaren med generatorns uteffekt och öka mätnoggrannheten. Dämparen kan tas med en dämpning på 5..15 dB. Mängden dämpning kommer automatiskt att beaktas vid efterföljande kalibrering.
En dämpare dämpar signalen med ett fast antal decibel. Den huvudsakliga egenskapen hos en dämpare är dämpningskoefficienten för signalen och arbetsfrekvensområdet. Vid frekvenser utanför arbetsområdet kan dämparens prestanda förändras oförutsägbart.
Så här ser den slutliga installationen ut. Du måste också komma ihåg att mata en mellanfrekvenssignal (IF) från OSA-6G-modulen till enhetens huvudkort. För att göra detta, anslut IF OUTPUT-porten på huvudkortet till INPUT på OSA-6G-modulen.
För att minska störningsnivån från den bärbara datorns växlande strömförsörjning, utför jag alla mätningar när den bärbara datorn drivs av batteri.
kalibrering
Innan du påbörjar mätningar måste du se till att alla komponenter i enheten är i gott skick och kvaliteten på kablarna; för att göra detta ansluter vi generatorn och mottagaren direkt med en kabel, sätter på generatorn och mäter frekvensen svar. Vi får en nästan platt graf vid 0dB. Detta innebär att över hela frekvensområdet nådde all utstrålad effekt från generatorn mottagaren.
Anslutning av generatorn direkt till mottagaren
Låt oss lägga till en dämpare till kretsen. En nästan jämn signaldämpning på 15dB syns över hela området.
Anslutning av generatorn via en 15dB dämpare till mottagaren
Låt oss ansluta generatorn till OUT-kontakten på kopplaren och mottagaren till CPL-kontakten på kopplaren. Eftersom det inte finns någon belastning ansluten till IN-porten måste all genererad signal reflekteras och en del av den måste förgrenas till mottagaren. Enligt databladet för vår koppling (), är kopplingsparametern ~15db, vilket betyder att vi bör se en horisontell linje på en nivå av cirka -30 dB (koppling + dämpningsdämpning). Men eftersom kopplarens driftsområde är begränsat till 1 GHz kan alla mätningar över denna frekvens anses vara meningslösa. Detta syns tydligt i grafen, efter 1 GHz är avläsningarna kaotiska och meningslösa. Därför kommer vi att utföra alla ytterligare mätningar inom kopplingens arbetsområde.
Anslutning av kran utan belastning. Gränsen för kopplingens arbetsområde är synlig.
Eftersom mätdata över 1 GHz, i vårt fall, inte är vettigt, kommer vi att begränsa generatorns maximala frekvens till kopplarens driftsvärden. Vid mätning får vi en rak linje.
Begränsning av generatorområdet till kopplingens arbetsområde
För att visuellt mäta antennernas SWR måste vi utföra en kalibrering för att ta kretsens nuvarande parametrar (100% reflektion) som referenspunkt, det vill säga noll dB. För detta ändamål har OSA103 Mini-programmet en inbyggd kalibreringsfunktion. Kalibrering utförs utan ansluten antenn (last), kalibreringsdata skrivs till en fil och tas sedan automatiskt med i beräkningen vid konstruktion av grafer.
Kalibreringsfunktion för frekvenssvar i OSA103 Mini-programmet
Genom att tillämpa kalibreringsresultaten och köra mätningar utan belastning får vi en platt graf vid 0dB.
Graf efter kalibrering
Vi mäter antenner
Nu kan du börja mäta antennerna. Tack vare kalibrering kommer vi att se och mäta reduktionen i reflektion efter att ha kopplat in antennen.
Antenn från Aliexpress på 433MHz
Antenn märkt 443MHz. Det kan ses att antennen fungerar mest effektivt i 446MHz-området, vid denna frekvens är SWR 1.16. Samtidigt, vid den deklarerade frekvensen är prestandan betydligt sämre, vid 433MHz är SWR 4,2.
Okänd antenn 1
Antenn utan märkning. Av grafen att döma är den designad för 800 MHz, förmodligen för GSM-bandet. För att vara rättvis fungerar denna antenn också på 1800 MHz, men på grund av kopplingens begränsningar kan jag inte göra giltiga mätningar på dessa frekvenser.
Okänd antenn 2
Ännu en antenn som har legat och legat i mina lådor länge. Tydligen även för GSM-utbudet, men bättre än den tidigare. Vid en frekvens på 764 MHz är SWR nära enhet, vid 900 MHz är SWR 1.4.
Okänd antenn 3
Det ser ut som en Wi-Fi-antenn, men av någon anledning är kontakten SMA-Male, och inte RP-SMA, som alla Wi-Fi-antenner. Av mätningar att döma är denna antenn värdelös vid frekvenser upp till 1 MHz. Återigen, på grund av kopplingens begränsningar kommer vi inte att veta vilken typ av antenn det är.
Teleskopisk antenn
Låt oss försöka beräkna hur långt teleskopantennen behöver förlängas för 433MHz-området. Formeln för att beräkna våglängden är: λ = C/f, där C är ljusets hastighet, f är frekvensen.
299.792.458 / 443.000.000 = 0.69719176279
Full våglängd - 69,24 cm
Halv våglängd - 34,62 cm
Kvartsvåglängd - 17,31 cm
Antennen beräknad på detta sätt visade sig vara helt värdelös. Vid en frekvens på 433MHz är SWR-värdet 11.
Genom att experimentellt förlänga antennen lyckades jag uppnå en minsta SWR på 2.8 med en antennlängd på ca 50 cm.Det visade sig att tjockleken på sektionerna har stor betydelse. Dvs när man förlängde endast de tunna ytterpartierna blev resultatet bättre än när man förlängde endast de tjocka partierna till samma längd. Jag vet inte hur mycket du ska lita på dessa beräkningar med längden på en teleskopisk antenn i framtiden, eftersom de i praktiken inte fungerar. Kanske fungerar det annorlunda med andra antenner eller frekvenser, jag vet inte.
En bit tråd på 433MHz
Ofta i olika enheter, till exempel radioströmbrytare, kan du se en bit rak tråd som en antenn. Jag klippte en bit tråd lika med en kvarts våglängd på 433 MHz (17,3 cm) och förtennade änden så att den passar tätt in i SMA Female-kontakten.
Resultatet var konstigt: en sådan tråd fungerar bra vid 360 MHz men är värdelös vid 433 MHz.
Jag började klippa av tråden bit för bit och titta på avläsningarna. Nedgången i grafen började sakta röra sig åt höger, mot 433 MHz. Som ett resultat, över en trådlängd på cirka 15,5 cm, lyckades jag få det minsta SWR-värdet på 1.8 vid en frekvens på 438 MHz. Ytterligare förkortning av kabeln ledde till en ökning av SWR.
Slutsats
På grund av begränsningar av kopplaren var det inte möjligt att mäta antenner i band över 1 GHz, såsom Wi-Fi-antenner. Detta kunde ha gjorts om jag hade en kopplare med högre bandbredd.
En koppling, anslutningskablar, en enhet och till och med en bärbar dator är alla delar av det resulterande antennsystemet. Deras geometri, position i rymden och omgivande föremål påverkar mätresultatet. Efter installation på en riktig radiostation eller modem kan frekvensen ändras, pga radiostationens kropp, modemet och operatörens kropp kommer att bli en del av antennen.
OSA103 Mini är en väldigt cool multifunktionsenhet. Jag uttrycker min tacksamhet till dess utvecklare för samråd under mätningar.
Källa: will.com