¿De qué alcance es esta antena? Medición del rendimiento de la antena con el OSA103 Mini

- ¿De qué alcance es esta antena?
- No sé, compruébalo.
- ¡¿KAAAK?!?!

¿Cómo determinar qué tipo de antena tiene en sus manos si no tiene marcas? ¿Cómo entender qué antena es mejor o peor? Este problema me atormentó por mucho tiempo.
El artículo describe en un lenguaje sencillo un método para medir las características de las antenas y un método para determinar el rango de frecuencia de una antena.

Para los ingenieros de radio con experiencia, esta información puede parecer trivial, y la técnica de medición puede no ser lo suficientemente precisa. El artículo está destinado a aquellos que no entienden nada de electrónica de radio, como yo.

TL; DR Mediremos la ROE de las antenas a diferentes frecuencias con la ayuda del instrumento OSA 103 Mini y un acoplador direccional, construiremos un gráfico de la ROE versus la frecuencia.

Teoría

Cuando el transmisor envía una señal a la antena, parte de la energía se irradia al aire, y parte se refleja y regresa. La relación entre la energía radiada y reflejada se caracteriza por el coeficiente de onda estacionaria (SWR o SWR). Cuanto más pequeña es la ROE, la mayor parte de la energía del transmisor se emite en forma de ondas de radio. En SWR = 1 no hay reflexión (se emite toda la energía). La ROE de una antena real siempre es mayor que 1.

Si envía una señal de diferentes frecuencias a la antena y mide simultáneamente la ROE, puede encontrar a qué frecuencia la reflexión será mínima. Este será el rango de trabajo de la antena. También puede comparar diferentes antenas para la misma banda y encontrar cuál es mejor.


Una parte de la señal del transmisor se refleja desde la antena

Una antena diseñada para una determinada frecuencia, en teoría, debería tener la SWR más baja en sus frecuencias de funcionamiento. Por lo tanto, es suficiente emitir diferentes frecuencias en la antena y encontrar a qué frecuencia es menor la reflexión, es decir, la cantidad máxima de energía ha circulado en forma de ondas de radio.

Al tener la capacidad de generar una señal a diferentes frecuencias y medir la reflexión, podemos construir un gráfico que tenga una frecuencia a lo largo del eje X y un coeficiente de reflexión de la señal a lo largo del eje Y. Como resultado, donde habrá una caída en el gráfico (es decir, el menor reflejo de la señal), habrá un rango operativo de antena.


Una trama imaginaria de reflexión versus frecuencia. En todo el rango, 100% de reflexión, excepto la frecuencia de trabajo de la antena.

Osa103 Mini

Para las mediciones usaremos el OSA103 Mini . Este es un dispositivo de medición universal que combina un osciloscopio, un generador de señal, un analizador de espectro, un medidor de respuesta de frecuencia / fase, un analizador de antena vectorial, un medidor LC e incluso un transceptor SDR. El rango operativo del OSA103 Mini está limitado a 100 MHz, el módulo OSA-6G extiende el rango de frecuencia en el modo A / C a 6 GHz. El programa nativo con todas las funciones pesa 3 MB, funciona bajo Windows y mediante Wine en Linux.


Osa103 Mini: el instrumento de medición universal para radioaficionados e ingenieros

Acoplador direccional

Un acoplador direccional es un dispositivo que desvía una pequeña porción de la señal de RF que viaja en una dirección específica. En nuestro caso, debe ramificar una parte de la señal reflejada (que va desde la antena de regreso al generador) para medirla.
Explicación visual del acoplador direccional: youtube.com/watch?v=iBK9ZIx9YaY

Características principales de un acoplador direccional:

• Frecuencias operativas : un rango de frecuencias en el que los indicadores principales no van más allá de la norma. Mi acoplador está diseñado para frecuencias de 1 a 1000 MHz.
• Acoplamiento : qué parte de la señal (en decibelios) se desviará cuando la dirección de la onda sea de IN a OUT
• Directividad : cuánto menos se desviará la señal cuando la señal se mueva en la dirección opuesta de OUT a IN

A primera vista, esto parece bastante confuso. Para mayor claridad, imagine un acoplador como una tubería de agua, con un pequeño grifo adentro. El grifo se realiza de tal manera que cuando el agua se mueve hacia adelante (de IN a OUT), una parte significativa del agua se desvía. La cantidad de agua que se descarga en esta dirección está determinada por el parámetro Acoplamiento en la hoja de datos del acoplador.



Cuando el agua se mueve en la dirección opuesta, se descarga mucho menos agua. Debe tomarse como un efecto secundario. La cantidad de agua que se desvía durante este movimiento está determinada por el parámetro Directividad en la hoja de datos. Cuanto más pequeño es este parámetro (mayor es el valor de dB), mejor para nuestra tarea.

Diagrama de circuito

Dado que queremos medir el nivel de señal reflejado desde la antena, lo conectamos al acoplador IN y el generador a OUT. Por lo tanto, el receptor recibirá parte de la señal reflejada desde la antena para la medición.


Diagrama de conexión del acoplador. La señal reflejada se envía al receptor.

Instalación de medición

Ensamblamos la instalación para medir la ROE de acuerdo con el diagrama del circuito. En la salida del generador del dispositivo, también instalamos un atenuador con una atenuación de 15 dB. Esto mejorará la correspondencia del acoplador con la salida del generador y aumentará la precisión de la medición. El atenuador se puede tomar con una atenuación de 5..15 dB. El valor de atenuación se tiene en cuenta automáticamente durante la calibración posterior.


El atenuador atenúa la señal en un número fijo de decibelios. La característica principal del atenuador es el coeficiente de atenuación de la señal y el rango de frecuencia de funcionamiento. A frecuencias fuera del rango operativo, las características del atenuador pueden cambiar de manera impredecible.

Así es como se ve la configuración final. También debe recordar enviar una señal de frecuencia intermedia (IF) desde el módulo OSA-6G a la placa principal del dispositivo. Para hacer esto, conecte el puerto IF OUTPUT en la placa principal con INPUT en el módulo OSA-6G.



Para reducir el nivel de interferencia de una fuente de alimentación conmutada de la computadora portátil, tomo todas las medidas cuando la computadora portátil funciona con batería.

Calibración

Antes de comenzar las mediciones, debe asegurarse de que todos los nodos del dispositivo y la calidad de los cables estén funcionando, para esto conectamos el generador y el receptor directamente con un cable, encendemos el generador y medimos la respuesta de frecuencia. Obtenemos un gráfico casi plano a 0dB. Esto significa que en todo el rango de frecuencia, toda la potencia radiada del generador ha llegado al receptor.


Conectar el generador directamente al receptor

Agregue un atenuador al circuito. Puede ver una atenuación casi uniforme de la señal en 15 dB en todo el rango.

Conexión de un generador a través de un atenuador de 15dB a un receptor

Conectamos el generador al conector de SALIDA del acoplador y el receptor a la CPL del acoplador. Como no hay cargas conectadas al puerto IN, toda la señal generada debe reflejarse y parte de ella se bifurcará al receptor. De acuerdo con la hoja de datos de nuestro acoplador ( ZEDC-15-2B ), el parámetro de acoplamiento es ~ 15db, por lo que deberíamos ver una línea horizontal de aproximadamente -30dB (acoplamiento + atenuación del atenuador). Pero dado que el rango operativo del acoplador está limitado a 1 GHz, todas las mediciones por encima de esta frecuencia pueden considerarse sin sentido. Esto es claramente visible en el gráfico, después de 1 GHz las lecturas son caóticas y no tienen sentido. Por lo tanto, realizaremos todas las mediciones adicionales en el rango operativo del acoplador.


Conectar un grifo sin carga. El límite del rango operativo del acoplador es visible.

Dado que los datos de medición superiores a 1 GHz, en nuestro caso, no tienen sentido, limitaremos la frecuencia máxima del generador a los valores operativos del acoplador. Al medir, obtenemos una línea recta.


Limitar el rango del generador al rango de operación del acoplador

Para medir visualmente la ROE de las antenas, necesitamos calibrar para tomar los parámetros del circuito actual (100% de reflexión) como punto de referencia, es decir, cero dB. Para hacer esto, el programa OSA103 Mini tiene una función de calibración incorporada. La calibración se realiza sin una antena conectada (carga), los datos de calibración se escriben en un archivo y posteriormente se tienen en cuenta automáticamente al trazar gráficos.


Función de calibración de respuesta de frecuencia en OSA103 Mini

Aplicando los resultados de calibración y comenzando las mediciones sin carga, obtenemos un gráfico par a 0dB.


Gráfico después de la calibración

Antenas de medición

Ahora puedes comenzar a medir las antenas. Gracias a la calibración, veremos y mediremos la disminución de la reflexión después de conectar la antena.

Antena de Aliexpress a 433MHz

Antena marcada 443MHz. Se puede ver que la antena funciona de manera más eficiente en el rango de 446MHz, a esta frecuencia la ROE es 1.16. Al mismo tiempo, a la frecuencia declarada, los indicadores son significativamente peores, a 433MHz SWR 4.2.

Antena desconocida 1

Antena sin marcar. A juzgar por el cronograma, está diseñado para 800 MHz, presumiblemente para el rango GSM. Para ser justos, debo decir que esta antena también funciona a 1800 MHz, pero debido a las limitaciones del acoplador no puedo hacer las mediciones correctas en estas frecuencias.

Antena desconocida 2

Otra antena que ha estado en mis cajas durante mucho tiempo. Aparentemente, también para la banda GSM, pero ya es mejor que la anterior. A una frecuencia de 764 MHz, el SWR está cerca de la unidad, a 900 MHz el SWR es 1.4.

Antena desconocida 3

Esto es similar a una antena Wi-Fi, pero por alguna razón el conector es SMA-Macho, y no RP-SMA, como todas las antenas Wi-Fi. A juzgar por las mediciones, a frecuencias de hasta 1 GHz, esta antena es inútil. Nuevamente, debido a las limitaciones del acoplador, no sabremos qué tipo de antena es.

Antena telescopica

Intentemos calcular cuánto necesita extender la antena telescópica para el rango de 433MHz. La fórmula para calcular la longitud de onda: λ = C / f, donde C es la velocidad de la luz, f es la frecuencia.

299.792.458 / 443.000.000 = 0.69719176279 

Longitud de onda completa : 69,24 cm.
Media longitud de onda - 34,62 cm
Un cuarto de la longitud de onda - 17.31 cm.



La antena así calculada era absolutamente inútil. A una frecuencia de 433 MHz, el valor de SWR es 11.



Extendiendo la antena experimentalmente, pude lograr una ROE mínima de 2.8 con una longitud de antena de aproximadamente 50 cm. Resultó que el grosor de las secciones es de gran importancia. Es decir, al extraer solo secciones extremas delgadas, el resultado fue mejor que al extraer solo secciones gruesas de la misma longitud. No sé cuánto vale la pena confiar en estos cálculos con la longitud de la antena telescópica, porque en la práctica no funcionan. Tal vez con otras antenas o frecuencias funciona de manera diferente, no lo sé.

Un trozo de cable a 433 MHz

A menudo, en diferentes dispositivos, como interruptores de radio, puede ver un cable recto como antena. Corté un trozo de cable igual a un cuarto de la longitud de onda de 433 MHz (17.3 cm), y estañé el extremo para que encaje perfectamente en el conector hembra SMA.



El resultado fue extraño: este cable funciona bien a 360 MHz pero es inútil a 433 MHz.



Comencé a cortar un trozo de alambre desde el final y mirar las lecturas. La falla en el gráfico comenzó a desplazarse lentamente hacia la derecha, hacia 433 MHz. Como resultado, con una longitud de cable de aproximadamente 15.5 cm, logré obtener el valor SWR más bajo de 1.8 a una frecuencia de 438 MHz. Un mayor acortamiento del cable condujo a un aumento en la ROE.

Conclusión

Debido a las limitaciones del acoplador, no fue posible medir antenas en las bandas por encima de 1 GHz, por ejemplo, antenas Wi-Fi. Esto podría hacerse si tuviera un acoplador de banda ancha más grande.

Un acoplador, cables de conexión, instrumentos e incluso una computadora portátil son partes del sistema de antena resultante. Su geometría, posición en el espacio y los objetos circundantes afectan el resultado de la medición. Después de la instalación en una estación de radio o módem real, la frecuencia puede cambiar, porque El cuerpo de la estación de radio, módem, el cuerpo del operador se convertirá en parte de la antena.

OSA103 Mini es un dispositivo multifuncional muy bueno. Expreso agradecimiento a su desarrollador por la consulta durante las mediciones.