Welche Reichweite hat diese Antenne? Messung der Antennenleistung mit dem OSA103 Mini

- Welche Reichweite hat diese Antenne?
- Ich weiß nicht, überprüfe es.
- KAAAK?!?!

Wie können Sie feststellen, welche Art von Antenne Sie in Ihren Händen haben, wenn keine Markierung darauf ist? Wie kann man verstehen, welche Antenne besser oder schlechter ist? Dieses Problem hat mich lange gequält.
Der Artikel beschreibt in einfacher Sprache ein Verfahren zum Messen der Eigenschaften von Antennen und ein Verfahren zum Bestimmen des Frequenzbereichs einer Antenne.

Für erfahrene Funkingenieure scheinen diese Informationen trivial zu sein, und die Messtechnik ist möglicherweise nicht genau genug. Der Artikel richtet sich an diejenigen, die in der Funkelektronik überhaupt nichts verstehen, wie ich.

TL; DR Wir werden das SWR von Antennen bei verschiedenen Frequenzen mit Hilfe des OSA 103 Mini-Instruments und eines Richtkopplers messen und ein Diagramm des SWR gegenüber der Frequenz erstellen.

Theorie

Wenn der Sender ein Signal an die Antenne sendet, wird ein Teil der Energie in die Luft abgestrahlt und ein Teil wird reflektiert und kommt zurück. Das Verhältnis zwischen abgestrahlter und reflektierter Energie wird durch den Stehwellenkoeffizienten (SWR oder SWR) charakterisiert. Je kleiner das SWR ist, desto mehr Sendeenergie wird in Form von Funkwellen abgegeben. Bei SWR = 1 erfolgt keine Reflexion (die gesamte Energie wird abgegeben). Das SWR einer realen Antenne ist immer größer als 1.

Wenn Sie ein Signal mit unterschiedlichen Frequenzen an die Antenne senden und gleichzeitig das SWR messen, können Sie feststellen, bei welcher Frequenz die Reflexion minimal ist. Dies ist der Arbeitsbereich der Antenne. Sie können auch verschiedene Antennen für dasselbe Band vergleichen und herausfinden, welche besser ist.


Ein Teil des Sendersignals wird von der Antenne reflektiert

Eine Antenne, die für eine bestimmte Frequenz ausgelegt ist, sollte theoretisch das niedrigste SWR bei ihren Betriebsfrequenzen aufweisen. Es reicht also aus, unterschiedliche Frequenzen in die Antenne zu senden und herauszufinden, bei welcher Frequenz die Reflexion am geringsten ist, dh die maximale Energiemenge ist in Form von Radiowellen geflossen.

Mit der Fähigkeit, ein Signal mit verschiedenen Frequenzen zu erzeugen und die Reflexion zu messen, können wir einen Graphen erstellen, der eine Frequenz entlang der X-Achse und einen Signalreflexionskoeffizienten entlang der Y-Achse aufweist. Infolgedessen gibt es einen Antennenbetriebsbereich, wenn der Graph einfällt (dh die kleinste Reflexion des Signals).


Eine imaginäre Darstellung von Reflexion gegen Frequenz. Über den gesamten Bereich 100% Reflexion, mit Ausnahme der Arbeitsfrequenz der Antenne.

Osa103 Mini

Für Messungen verwenden wir den OSA103 Mini . Dies ist ein universelles Messgerät, das ein Oszilloskop, einen Signalgenerator, einen Spektrumanalysator, ein Frequenz- / Phasenantwortmessgerät, einen Vektorantennenanalysator, ein LC-Messgerät und sogar einen SDR-Transceiver kombiniert. Der Betriebsbereich des OSA103 Mini ist auf 100 MHz begrenzt, das OSA-6G-Modul erweitert den Frequenzbereich im A / C-Modus auf 6 GHz. Das native Programm mit allen Funktionen wiegt 3 MB, funktioniert unter Windows und über Wine unter Linux.


Osa103 Mini - das universelle Messgerät für Funkamateure und Ingenieure

Richtkoppler

Ein Richtkoppler ist eine Vorrichtung, die einen kleinen Teil des HF-Signals umleitet, das sich in eine bestimmte Richtung bewegt. In unserem Fall muss ein Teil des reflektierten Signals (von der Antenne zurück zum Generator) verzweigt werden, um es zu messen.
Visuelle Erklärung des Richtungskopplers: youtube.com/watch?v=iBK9ZIx9YaY

Hauptmerkmale eines Richtkopplers:

• Betriebsfrequenzen - ein Frequenzbereich, bei dem die Hauptindikatoren nicht über die Norm hinausgehen. Mein Koppler ist für Frequenzen von 1 bis 1000 MHz ausgelegt
• Kopplung - Welcher Teil des Signals (in Dezibel) wird umgeleitet, wenn die Wellenrichtung von IN nach OUT ist
• Richtwirkung - Wie viel weniger Signal wird umgeleitet, wenn sich das Signal von OUT nach IN in die entgegengesetzte Richtung bewegt

Auf den ersten Blick sieht das ziemlich verwirrend aus. Stellen Sie sich aus Gründen der Klarheit einen Koppler als Wasserleitung mit einem kleinen Hahn im Inneren vor. Der Wasserhahn ist so hergestellt, dass bei einer Bewegung des Wassers in Vorwärtsrichtung (von IN nach OUT) ein erheblicher Teil des Wassers umgeleitet wird. Die Menge an Wasser, die in diese Richtung abgegeben wird, wird durch den Kopplungsparameter im Kopplerdatenblatt bestimmt.



Wenn sich das Wasser in die entgegengesetzte Richtung bewegt, wird viel weniger Wasser abgegeben. Es sollte als Nebenwirkung genommen werden. Die Wassermenge, die während dieser Bewegung umgeleitet wird, wird durch den Parameter Richtwirkung im Datenblatt bestimmt. Je kleiner dieser Parameter ist (je größer der dB-Wert), desto besser für unsere Aufgabe.

Schaltplan

Da wir den von der Antenne reflektierten Signalpegel messen möchten, verbinden wir ihn mit dem Koppler IN und den Generator mit OUT. Somit empfängt der Empfänger einen Teil des von der Antenne reflektierten Signals zur Messung.


Anschlussplan des Kopplers. Das reflektierte Signal wird an den Empfänger gesendet.

Installation messen

Wir montieren die Anlage zur Messung des SWR nach Schaltplan. Am Ausgang des Gerätegenerators installieren wir zusätzlich ein Dämpfungsglied mit einer Dämpfung von 15 dB. Dies verbessert die Anpassung des Kopplers an den Ausgang des Generators und erhöht die Genauigkeit der Messung. Das Dämpfungsglied kann mit einer Dämpfung von 5,15 dB aufgenommen werden. Der Dämpfungswert wird bei der nachfolgenden Kalibrierung automatisch berücksichtigt.


Das Dämpfungsglied dämpft das Signal um eine feste Anzahl von Dezibel. Das Hauptmerkmal des Dämpfers ist der Dämpfungskoeffizient des Signals und der Betriebsfrequenzbereich. Bei Frequenzen außerhalb des Betriebsbereichs können sich die Eigenschaften des Dämpfers unvorhersehbar ändern.

So sieht das endgültige Setup aus. Sie müssen auch daran denken, ein Zwischenfrequenzsignal (IF-Signal) vom OSA-6G-Modul an die Hauptplatine des Geräts zu senden. Verbinden Sie dazu den IF OUTPUT-Port auf der Hauptplatine mit INPUT am OSA-6G-Modul.



Um die Interferenz durch ein Schaltnetzteil des Laptops zu verringern, nehme ich alle Messungen vor, wenn der Laptop mit Batterie betrieben wird.

Kalibrierung

Bevor Sie mit den Messungen beginnen, müssen Sie sicherstellen, dass alle Knoten des Geräts und die Qualität der Kabel in gutem Zustand sind. Dazu verbinden wir den Generator und den Empfänger direkt mit einem Kabel, schalten den Generator ein und messen den Frequenzgang. Wir erhalten eine fast flache Grafik bei 0 dB. Dies bedeutet, dass über den gesamten Frequenzbereich die gesamte abgestrahlte Leistung des Generators den Empfänger erreicht hat.


Generator direkt an den Empfänger anschließen

Fügen Sie dem Stromkreis ein Dämpfungsglied hinzu. Sie können eine fast gleichmäßige Signaldämpfung von 15 dB über den gesamten Bereich sehen.

Anschließen eines Generators über ein 15-dB-Dämpfungsglied an einen Empfänger

Wir verbinden den Generator mit dem OUT-Anschluss des Kopplers und den Empfänger mit der CPL des Kopplers. Da keine Lasten an den IN-Port angeschlossen sind, sollte das gesamte erzeugte Signal reflektiert werden und ein Teil davon wird zum Empfänger verzweigen. Gemäß dem Datenblatt auf unserem Koppler ( ZEDC-15-2B ) beträgt der Kopplungsparameter ~ 15 dB, daher sollten wir eine horizontale Linie bei etwa -30 dB sehen (Kopplung + Dämpfungsglieddämpfung). Da der Betriebsbereich des Kopplers jedoch auf 1 GHz begrenzt ist, können alle Messungen oberhalb dieser Frequenz als bedeutungslos angesehen werden. Dies ist in der Grafik deutlich sichtbar, nach 1 GHz sind die Messwerte chaotisch und nicht sinnvoll. Daher werden wir alle weiteren Messungen im Betriebsbereich des Kopplers durchführen.


Wasserhahn ohne Last anschließen. Die Betriebsbereichsgrenze des Kopplers ist sichtbar.

Da die Messdaten über 1 GHz in unserem Fall nicht sinnvoll sind, begrenzen wir die maximale Frequenz des Generators auf die Betriebswerte des Kopplers. Beim Messen erhalten wir eine gerade Linie.


Begrenzung der Reichweite des Generators auf den Betriebsbereich des Kopplers

Um das SWR der Antennen visuell zu messen, müssen wir kalibrieren, um die aktuellen Schaltungsparameter (100% Reflexion) als Referenzpunkt zu verwenden, dh Null dB. Zu diesem Zweck verfügt das Programm OSA103 Mini über eine integrierte Kalibrierungsfunktion. Die Kalibrierung wird ohne angeschlossene Antenne (Last) durchgeführt, die Kalibrierungsdaten werden in eine Datei geschrieben und anschließend beim Zeichnen von Diagrammen automatisch berücksichtigt.


Frequenzgang-Kalibrierungsfunktion in OSA103 Mini

Wenn wir die Kalibrierungsergebnisse anwenden und die Messungen ohne Last starten, erhalten wir ein gleichmäßiges Diagramm bei 0 dB.


Grafik nach der Kalibrierung

Antennen messen

Jetzt können Sie mit dem Messen der Antennen beginnen. Dank der Kalibrierung können wir die Abnahme der Reflexion nach dem Anschließen der Antenne sehen und messen.

Antenne von Aliexpress bei 433MHz

Antenne markiert 443MHz. Es ist ersichtlich, dass die Antenne im 446-MHz-Band am effizientesten arbeitet, bei dieser Frequenz beträgt das SWR 1,16. Gleichzeitig ist die Leistung bei der angegebenen Frequenz mit 433 MHz SWR 4,2 erheblich schlechter.

Unbekannte Antenne 1

Antenne ohne Markierung. Nach dem Zeitplan ist es für 800 MHz ausgelegt, vermutlich für den GSM-Bereich. Fairerweise muss ich sagen, dass diese Antenne auch mit 1800 MHz arbeitet, aber aufgrund der Einschränkungen des Kopplers kann ich bei diesen Frequenzen nicht die richtigen Messungen durchführen.

Unbekannte Antenne 2

Eine weitere Antenne, die schon lange in meinen Boxen liegt. Anscheinend auch für das GSM-Band, aber schon besser als das vorherige. Bei einer Frequenz von 764 MHz ist das SWR nahezu eins, bei 900 MHz beträgt das SWR 1,4.

Unbekannte Antenne 3

Dies ähnelt einer Wi-Fi-Antenne, aber aus irgendeinem Grund ist der Anschluss SMA-Stecker und nicht RP-SMA, wie bei allen Wi-Fi-Antennen. Gemessen an den Messungen ist diese Antenne bei Frequenzen bis zu 1 GHz unbrauchbar. Aufgrund der Einschränkungen des Kopplers wissen wir nicht, um welche Art von Antenne es sich handelt.

Teleskopantenne

Versuchen wir zu berechnen, um wie viel die Teleskopantenne für den 433-MHz-Bereich verlängert werden muss. Die Formel zur Berechnung der Wellenlänge: λ = C / f, wobei C die Lichtgeschwindigkeit ist, f die Frequenz ist.

299.792.458 / 443.000.000 = 0.69719176279 

Volle Wellenlänge - 69,24 cm
Halbe Wellenlänge - 34,62 cm
Ein Viertel der Wellenlänge - 17,31 cm



Die so berechnete Antenne war absolut unbrauchbar. Bei einer Frequenz von 433 MHz beträgt der Wert des SWR 11.



Durch experimentelles Ausfahren der Antenne konnte ich ein Mindest-SWR von 2,8 bei einer Antennenlänge von ca. 50 cm erreichen. Es stellte sich heraus, dass die Dicke der Abschnitte von großer Bedeutung ist. Das heißt, wenn nur dünne extreme Abschnitte herausgezogen wurden, war das Ergebnis besser als wenn nur dicke Abschnitte auf dieselbe Länge herausgezogen wurden. Ich weiß nicht, wie sehr es sich lohnt, sich auf diese Berechnungen mit der Länge der Teleskopantenne zu verlassen, da sie in der Praxis nicht funktionieren. Vielleicht funktioniert es bei anderen Antennen oder Frequenzen anders, ich weiß es nicht.

Ein Stück Draht bei 433 MHz

In verschiedenen Geräten, wie z. B. Funkschaltern, ist häufig ein Stück gerader Draht als Antenne zu sehen. Ich habe ein Stück Draht geschnitten, das einem Viertel der Wellenlänge von 433 MHz (17,3 cm) entspricht, und das Ende so verzinnt, dass es genau in die SMA-Buchse passt.



Das Ergebnis war seltsam: Ein solcher Draht funktioniert gut bei 360 MHz, ist aber bei 433 MHz unbrauchbar.



Ich fing an, ein Stück Draht vom Ende abzuschneiden und mir die Messwerte anzusehen. Der Fehler auf der Karte begann sich langsam nach rechts in Richtung 433 MHz zu verschieben. Als Ergebnis gelang es mir bei einer Drahtlänge von etwa 15,5 cm, den niedrigsten SWR-Wert von 1,8 bei einer Frequenz von 438 MHz zu erhalten. Eine weitere Verkürzung des Kabels führte zu einer Erhöhung des SWR.

Fazit

Aufgrund der Einschränkungen des Kopplers war es nicht möglich, Antennen über 1 GHz zu messen, z. B. Wi-Fi-Antennen. Dies könnte geschehen, wenn ich einen größeren Breitbandkoppler hätte.

Ein Koppler, Verbindungskabel, ein Instrument und sogar ein Laptop sind Teile des resultierenden Antennensystems. Ihre Geometrie, Position im Raum und umgebende Objekte beeinflussen das Messergebnis. Nach der Installation auf einem echten Radiosender oder Modem kann sich die Frequenz verschieben, weil Der Körper des Radiosenders, des Modems und der Körper des Bedieners werden Teil der Antenne.

OSA103 Mini ist ein sehr cooles Multifunktionsgerät. Ich danke dem Entwickler für die Beratung während der Messungen.