— เสาอากาศนี้มีไว้เพื่อช่วงใด?
- ฉันไม่รู้ ตรวจสอบ
- อะไร?!?!
คุณจะทราบได้อย่างไรว่าคุณมีเสาอากาศประเภทใดอยู่ในมือหากไม่มีเครื่องหมายอยู่? จะเข้าใจได้อย่างไรว่าเสาอากาศไหนดีกว่าหรือแย่กว่า? ปัญหานี้กวนใจฉันมาเป็นเวลานาน
บทความนี้อธิบายในภาษาง่าย ๆ เกี่ยวกับเทคนิคในการวัดลักษณะของเสาอากาศและวิธีการกำหนดช่วงความถี่ของเสาอากาศ
สำหรับวิศวกรวิทยุที่มีประสบการณ์ ข้อมูลนี้อาจดูเหมือนไม่สำคัญ และเทคนิคการวัดอาจไม่แม่นยำเพียงพอ บทความนี้มีไว้สำหรับผู้ที่ไม่เข้าใจอะไรเลยเกี่ยวกับวิทยุอิเล็กทรอนิกส์เช่นฉัน
TL; DR เราจะวัด SWR ของเสาอากาศที่ความถี่ต่างๆ โดยใช้อุปกรณ์ OSA 103 Mini และตัวเชื่อมต่อทิศทาง โดยวางแผนการพึ่งพา SWR กับความถี่
ทฤษฎี
เมื่อเครื่องส่งสัญญาณส่งสัญญาณไปยังเสาอากาศ พลังงานบางส่วนจะแผ่ออกไปในอากาศ และบางส่วนจะสะท้อนและส่งคืนกลับ ความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานที่ปล่อยออกมาและพลังงานสะท้อนมีลักษณะเป็นอัตราส่วนคลื่นนิ่ง (SWR หรือ SWR) ยิ่ง SWR ต่ำ พลังงานของเครื่องส่งสัญญาณก็จะยิ่งถูกปล่อยออกมาเป็นคลื่นวิทยุมากขึ้นเท่านั้น ที่ SWR = 1 ไม่มีการสะท้อน (พลังงานทั้งหมดถูกแผ่ออกไป) SWR ของเสาอากาศจริงจะมากกว่า 1 เสมอ
หากคุณส่งสัญญาณความถี่ที่แตกต่างกันไปยังเสาอากาศและวัด SWR พร้อมกัน คุณจะพบว่าความถี่ใดที่การสะท้อนจะน้อยที่สุด นี่จะเป็นช่วงการทำงานของเสาอากาศ คุณยังสามารถเปรียบเทียบเสาอากาศต่างๆ สำหรับย่านความถี่เดียวกัน และค้นหาว่าอันไหนดีกว่ากัน
ส่วนหนึ่งของสัญญาณเครื่องส่งจะสะท้อนจากเสาอากาศ
ตามทฤษฎีแล้ว เสาอากาศที่ออกแบบมาสำหรับความถี่หนึ่งๆ ควรมี SWR ต่ำสุดที่ความถี่ในการทำงาน ซึ่งหมายความว่าเพียงพอที่จะแผ่รังสีไปยังเสาอากาศด้วยความถี่ที่แตกต่างกันและค้นหาว่าความถี่ใดที่การสะท้อนมีค่าน้อยที่สุด นั่นคือปริมาณพลังงานสูงสุดที่เล็ดลอดออกมาในรูปของคลื่นวิทยุ
ด้วยความสามารถในการสร้างสัญญาณที่ความถี่ต่างๆ และวัดการสะท้อน เราสามารถสร้างกราฟที่มีความถี่บนแกน X และความสะท้อนของสัญญาณบนแกน Y ได้ เป็นผลให้กราฟลดลง (นั่นคือการสะท้อนของสัญญาณน้อยที่สุด) จะมีช่วงการทำงานของเสาอากาศ
กราฟจินตภาพของการสะท้อนกับความถี่ การสะท้อนจะอยู่ที่ 100% ตลอดช่วงทั้งหมด ยกเว้นความถี่การทำงานของเสาอากาศ
อุปกรณ์ Osa103 Mini
สำหรับการวัดเราจะใช้ . นี่คืออุปกรณ์ตรวจวัดอเนกประสงค์ที่รวมออสซิลโลสโคป เครื่องกำเนิดสัญญาณ เครื่องวิเคราะห์สเปกตรัม มิเตอร์วัดการตอบสนองแอมพลิจูด-ความถี่/เฟส เครื่องวิเคราะห์เสาอากาศเวกเตอร์ มิเตอร์ LC และแม้แต่เครื่องรับส่งสัญญาณ SDR ช่วงการทำงานของ OSA103 Mini ถูกจำกัดไว้ที่ 100 MHz โมดูล OSA-6G จะขยายช่วงความถี่ในโหมด IAFC เป็น 6 GHz โปรแกรมเนทิฟพร้อมฟังก์ชั่นทั้งหมดมีน้ำหนัก 3 MB ทำงานบน Windows และผ่านไวน์บน Linux
Osa103 Mini - อุปกรณ์ตรวจวัดอเนกประสงค์สำหรับนักวิทยุสมัครเล่นและวิศวกร
ข้อต่อทิศทาง
Directional Coupler คืออุปกรณ์ที่เปลี่ยนเส้นทางสัญญาณ RF ส่วนเล็กๆ ที่เคลื่อนที่ไปในทิศทางที่กำหนด ในกรณีของเรา มันจะต้องแยกส่วนของสัญญาณที่สะท้อน (จากเสาอากาศกลับไปยังเครื่องกำเนิด) เพื่อวัด
คำอธิบายการทำงานของไดเรชันนัลคัปเปลอร์ด้วยภาพ:
ลักษณะสำคัญของตัวต่อทิศทาง:
- ความถี่ในการทำงาน - ช่วงความถี่ที่ตัวบ่งชี้หลักไม่เกินขีดจำกัดปกติ ตัวเชื่อมต่อของฉันได้รับการออกแบบสำหรับความถี่ตั้งแต่ 1 ถึง 1000 MHz
- สาขา (ข้อต่อ) - ส่วนใดของสัญญาณ (เป็นเดซิเบล) จะถูกลบออกไปเมื่อคลื่นถูกส่งจาก IN ไปยัง OUT
- ทิศทาง — สัญญาณจะถูกลบออกไปมากน้อยเพียงใดเมื่อสัญญาณเคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้ามจาก OUT ไปยัง IN
เมื่อมองแวบแรกสิ่งนี้ดูค่อนข้างสับสน เพื่อความชัดเจน ลองจินตนาการถึงข้อต่อที่เป็นท่อน้ำซึ่งมีช่องระบายอากาศเล็กๆ อยู่ข้างใน การระบายน้ำทำในลักษณะที่เมื่อน้ำไหลไปในทิศทางไปข้างหน้า (จากเข้าออก) น้ำส่วนสำคัญจะถูกกำจัดออกไป ปริมาณน้ำที่ระบายออกในทิศทางนี้ถูกกำหนดโดยพารามิเตอร์ข้อต่อในเอกสารข้อมูลข้อต่อ
เมื่อน้ำเคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้าม น้ำจะถูกกำจัดออกไปน้อยลงอย่างมาก ควรนำมาเป็นผลข้างเคียง ปริมาณน้ำที่ระบายออกระหว่างการเคลื่อนไหวนี้ถูกกำหนดโดยพารามิเตอร์ทิศทางในแผ่นข้อมูล ยิ่งพารามิเตอร์นี้มีขนาดเล็ก (ค่า dB ยิ่งมากขึ้น) ยิ่งดีสำหรับงานของเรา
แผนภาพวงจร
เนื่องจากเราต้องการวัดระดับสัญญาณที่สะท้อนจากเสาอากาศ เราจึงเชื่อมต่อมันเข้ากับ IN ของข้อต่อ และต่อเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเข้ากับ OUT ดังนั้นส่วนหนึ่งของสัญญาณที่สะท้อนจากเสาอากาศจะไปถึงเครื่องรับเพื่อทำการวัด
แผนภาพการเชื่อมต่อสำหรับก๊อกน้ำ สัญญาณที่สะท้อนจะถูกส่งไปยังเครื่องรับ
การตั้งค่าการวัด
มาประกอบการตั้งค่าการวัด SWR ตามแผนภาพวงจรกัน ที่เอาต์พุตของเครื่องกำเนิดอุปกรณ์เราจะติดตั้งตัวลดทอนเพิ่มเติมด้วยการลดทอนที่ 15 dB วิธีนี้จะปรับปรุงการจับคู่ของข้อต่อกับเอาท์พุตของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า และเพิ่มความแม่นยำในการวัด ตัวลดทอนสามารถรับได้ด้วยการลดทอนที่ 5..15 dB จำนวนการลดทอนจะถูกนำมาพิจารณาโดยอัตโนมัติในระหว่างการสอบเทียบครั้งต่อไป
ตัวลดทอนสัญญาณจะลดทอนสัญญาณตามจำนวนเดซิเบลคงที่ ลักษณะสำคัญของตัวลดทอนคือค่าสัมประสิทธิ์การลดทอนของสัญญาณและช่วงความถี่ในการทำงาน ที่ความถี่นอกช่วงการทำงาน ประสิทธิภาพของตัวลดทอนสัญญาณอาจเปลี่ยนแปลงอย่างไม่อาจคาดเดาได้
นี่คือลักษณะของการติดตั้งขั้นสุดท้าย คุณต้องจำไว้ว่าให้ส่งสัญญาณความถี่กลาง (IF) จากโมดูล OSA-6G ไปยังแผงวงจรหลักของอุปกรณ์ ในการดำเนินการนี้ ให้เชื่อมต่อพอร์ต IF OUTPUT บนกระดานหลักเข้ากับ INPUT บนโมดูล OSA-6G
เพื่อลดระดับการรบกวนจากแหล่งจ่ายไฟสลับของแล็ปท็อป ฉันจะทำการวัดทั้งหมดเมื่อแล็ปท็อปใช้พลังงานจากแบตเตอรี่
การสอบเทียบ
ก่อนที่จะเริ่มการวัด คุณต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าส่วนประกอบทั้งหมดของอุปกรณ์อยู่ในสภาพการทำงานที่ดีและคุณภาพของสายเคเบิล ในการดำเนินการนี้ เราจะเชื่อมต่อเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและตัวรับสัญญาณโดยตรงด้วยสายเคเบิล เปิดเครื่องกำเนิดไฟฟ้า และวัดความถี่ การตอบสนอง. เราได้กราฟเกือบแบนที่ 0dB ซึ่งหมายความว่าตลอดช่วงความถี่ทั้งหมด กำลังที่แผ่ออกมาของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าไปถึงเครื่องรับ
การเชื่อมต่อเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเข้ากับเครื่องรับโดยตรง
ลองเพิ่มตัวลดทอนลงในวงจร การลดทอนสัญญาณที่เกือบเท่ากันที่ 15dB สามารถมองเห็นได้ตลอดทั้งช่วง
การเชื่อมต่อเครื่องกำเนิดไฟฟ้าผ่านตัวลดทอนสัญญาณ 15dB เข้ากับเครื่องรับ
มาเชื่อมต่อเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเข้ากับขั้วต่อ OUT ของข้อต่อ และตัวรับเข้ากับขั้วต่อ CPL ของข้อต่อ เนื่องจากไม่มีโหลดเชื่อมต่อกับพอร์ต IN สัญญาณที่สร้างขึ้นทั้งหมดจะต้องสะท้อนให้เห็น และส่วนหนึ่งของสัญญาณจะแยกออกไปที่เครื่องรับ ตามเอกสารข้อมูลสำหรับตัวเชื่อมต่อของเรา () พารามิเตอร์ Coupling คือ ~15db ซึ่งหมายความว่าเราควรเห็นเส้นแนวนอนที่ระดับประมาณ -30 dB (coupling + attenuator attenuation) แต่เนื่องจากช่วงการทำงานของข้อต่อถูกจำกัดไว้ที่ 1 GHz การวัดทั้งหมดที่อยู่เหนือความถี่นี้จึงถือว่าไม่มีความหมาย สิ่งนี้มองเห็นได้ชัดเจนในกราฟ หลังจาก 1 GHz การอ่านจะวุ่นวายและไม่มีความหมาย ดังนั้น เราจะทำการวัดเพิ่มเติมทั้งหมดในช่วงการทำงานของข้อต่อ
การเชื่อมต่อก๊อกน้ำโดยไม่ต้องโหลด มองเห็นขีดจำกัดของช่วงการทำงานของข้อต่อได้
เนื่องจากในกรณีของเราข้อมูลการวัดที่สูงกว่า 1 GHz ไม่สมเหตุสมผลเราจะจำกัดความถี่สูงสุดของเครื่องกำเนิดไว้ที่ค่าการทำงานของตัวเชื่อมต่อ เมื่อทำการวัดเราจะได้เส้นตรง
การจำกัดช่วงเครื่องกำเนิดไฟฟ้าให้อยู่ที่ช่วงการทำงานของข้อต่อ
ในการวัด SWR ของเสาอากาศด้วยสายตา เราจำเป็นต้องทำการสอบเทียบเพื่อนำพารามิเตอร์กระแสของวงจร (การสะท้อน 100%) เป็นจุดอ้างอิง นั่นคือศูนย์ dB เพื่อจุดประสงค์นี้ โปรแกรม OSA103 Mini จึงมีฟังก์ชันการสอบเทียบในตัว การสอบเทียบจะดำเนินการโดยไม่ต้องเชื่อมต่อเสาอากาศ (โหลด) ข้อมูลการสอบเทียบจะถูกเขียนลงในไฟล์ และจะถูกนำมาพิจารณาโดยอัตโนมัติในภายหลังเมื่อสร้างกราฟ
ฟังก์ชั่นการสอบเทียบการตอบสนองความถี่ในโปรแกรม OSA103 Mini
เมื่อใช้ผลการสอบเทียบและดำเนินการวัดโดยไม่มีโหลด เราจะได้กราฟแบนที่ 0dB
กราฟหลังการสอบเทียบ
เราวัดเสาอากาศ
ตอนนี้คุณสามารถเริ่มการวัดเสาอากาศได้แล้ว ด้วยการสอบเทียบ เราจะเห็นและวัดการลดการสะท้อนหลังจากเชื่อมต่อเสาอากาศ
เสาอากาศจาก Aliexpress ที่ 433MHz
เสาอากาศทำเครื่องหมาย 443MHz จะเห็นได้ว่าเสาอากาศทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุดในช่วง 446MHz โดยที่ความถี่นี้ SWR คือ 1.16 ในเวลาเดียวกันที่ความถี่ที่ประกาศประสิทธิภาพจะแย่ลงอย่างมากที่ 433MHz SWR คือ 4,2
เสาอากาศที่ไม่รู้จัก 1
เสาอากาศไม่มีเครื่องหมาย เมื่อพิจารณาจากกราฟ มันถูกออกแบบมาสำหรับ 800 MHz ซึ่งน่าจะเป็นย่านความถี่ GSM พูดตามตรง เสาอากาศนี้ยังทำงานที่ความถี่ 1800 MHz แต่เนื่องจากข้อจำกัดของตัวเชื่อมต่อ ฉันจึงไม่สามารถวัดความถี่เหล่านี้ได้อย่างถูกต้อง
เสาอากาศที่ไม่รู้จัก 2
เสาอากาศอีกอันที่วางอยู่ในกล่องของฉันมาเป็นเวลานาน เห็นได้ชัดว่าสำหรับช่วง GSM ด้วย แต่ดีกว่ารุ่นก่อนหน้า ที่ความถี่ 764 MHz SWR ใกล้เคียงเอกภาพ ที่ 900 MHz SWR เท่ากับ 1.4
เสาอากาศที่ไม่รู้จัก 3
ดูเหมือนเสาอากาศ Wi-Fi แต่ด้วยเหตุผลบางอย่างตัวเชื่อมต่อจึงเป็น SMA-Male ไม่ใช่ RP-SMA เช่นเดียวกับเสาอากาศ Wi-Fi ทั้งหมด เมื่อพิจารณาจากการวัดที่ความถี่สูงถึง 1 MHz เสาอากาศนี้ไม่มีประโยชน์ ขอย้ำอีกครั้งเนื่องจากข้อจำกัดของข้อต่อ เราจึงไม่ทราบว่าเป็นเสาอากาศชนิดใด
เสาอากาศยืดไสลด์
ลองคำนวณว่าเสาอากาศยืดไสลด์จะต้องขยายได้ไกลแค่ไหนในช่วง 433MHz สูตรคำนวณความยาวคลื่นคือ แล = C/f โดยที่ C คือความเร็วแสง f คือความถี่
299.792.458 / 443.000.000 = 0.69719176279
ความยาวคลื่นเต็ม - 69,24 ซม
ความยาวคลื่นครึ่งหนึ่ง - 34,62 ซม
ความยาวคลื่นควอเตอร์ - 17,31 ซม
เสาอากาศที่คำนวณด้วยวิธีนี้กลายเป็นว่าไร้ประโยชน์อย่างแน่นอน ที่ความถี่ 433MHz ค่า SWR คือ 11
จากการทดลองขยายเสาอากาศ ฉันสามารถบรรลุ SWR ขั้นต่ำ 2.8 โดยมีความยาวเสาอากาศประมาณ 50 ซม. ปรากฎว่าความหนาของส่วนต่างๆ มีความสำคัญอย่างยิ่ง คือเมื่อขยายเฉพาะส่วนนอกบางๆ ผลที่ได้ก็ดีกว่าขยายเฉพาะส่วนที่หนาให้ยาวเท่ากัน ฉันไม่รู้ว่าในอนาคตคุณควรพึ่งพาการคำนวณเหล่านี้ด้วยความยาวของเสาอากาศแบบยืดไสลด์ได้มากน้อยเพียงใด เพราะในทางปฏิบัติมันไม่ได้ผล ฉันไม่รู้ บางทีมันอาจจะทำงานแตกต่างออกไปกับเสาอากาศหรือความถี่อื่นๆ
ชิ้นส่วนของสายไฟที่ 433MHz
บ่อยครั้งในอุปกรณ์ต่างๆ เช่น สวิตช์วิทยุ คุณสามารถมองเห็นเส้นลวดตรงเป็นเสาอากาศได้ ฉันตัดลวดเส้นหนึ่งซึ่งเท่ากับหนึ่งในสี่ของความยาวคลื่น 433 MHz (17,3 ซม.) และปิดปลายสายไฟเพื่อให้พอดีกับขั้วต่อ SMA Female
ผลลัพธ์ที่ได้นั้นแปลก: สายดังกล่าวทำงานได้ดีที่ 360 MHz แต่ไม่มีประโยชน์ที่ 433 MHz
ฉันเริ่มตัดลวดออกจากปลายทีละชิ้นแล้วดูค่าที่อ่านได้ การลดลงในกราฟเริ่มเคลื่อนไปทางขวาอย่างช้าๆ ไปที่ 433 MHz เป็นผลให้ฉันจัดการเพื่อให้ได้ค่า SWR ที่เล็กที่สุดที่ 15,5 ที่ความถี่ 1.8 MHz ด้วยความยาวสายไฟประมาณ 438 ซม. สายเคเบิลที่สั้นลงทำให้ SWR เพิ่มขึ้น
ข้อสรุป
เนื่องจากข้อจำกัดของตัวเชื่อมต่อ จึงไม่สามารถวัดเสาอากาศในย่านความถี่ที่สูงกว่า 1 GHz เช่น เสาอากาศ Wi-Fi ได้ สิ่งนี้สามารถทำได้หากฉันมีตัวต่อแบนด์วิธที่สูงกว่า
ตัวเชื่อมต่อ สายเคเบิลเชื่อมต่อ อุปกรณ์ และแม้แต่แล็ปท็อป ล้วนเป็นส่วนหนึ่งของระบบเสาอากาศที่เกิดขึ้น รูปทรง ตำแหน่งในอวกาศ และวัตถุรอบๆ มีอิทธิพลต่อผลการวัด หลังจากติดตั้งบนสถานีวิทยุหรือโมเด็มจริง ความถี่อาจเปลี่ยนไปเพราะว่า ตัวสถานีวิทยุ โมเด็ม และตัวผู้ควบคุมเครื่องจะกลายเป็นส่วนหนึ่งของเสาอากาศ
OSA103 Mini เป็นอุปกรณ์มัลติฟังก์ชั่นที่ยอดเยี่ยมมาก ฉันแสดงความขอบคุณต่อผู้พัฒนาที่ให้คำปรึกษาระหว่างการวัด
ที่มา: will.com