Quelle est la portée de cette antenne? Mesurer les performances de l'antenne avec l'OSA103 Mini

- Quelle est la portée de cette antenne?
- Je ne sais pas, vérifiez.
- KAAAK?!?!

Comment déterminer quel type d'antenne vous avez entre les mains s'il n'y a pas de marquage dessus? Comment comprendre quelle antenne est meilleure ou pire? Ce problème m'a tourmenté pendant longtemps.
L'article décrit dans un langage simple une méthode pour mesurer les caractéristiques des antennes et une méthode pour déterminer la gamme de fréquences d'une antenne.

Pour les ingénieurs radio expérimentés, ces informations peuvent sembler triviales et la technique de mesure peut ne pas être suffisamment précise. L'article est destiné à ceux qui ne comprennent rien du tout en électronique radio, comme moi.

TL; DR Nous mesurerons le SWR des antennes à différentes fréquences à l'aide de l'instrument OSA 103 Mini et d'un coupleur directionnel, construirons un graphique de la dépendance du SWR à la fréquence.

Théorie

Lorsque l'émetteur envoie un signal à l'antenne, une partie de l'énergie est rayonnée dans l'air, une partie est réfléchie et revient. Le rapport entre l'énergie rayonnée et l'énergie réfléchie est caractérisé par le coefficient d'onde stationnaire (SWR ou SWR). Plus le SWR est petit, plus la quantité d'énergie émise est émise sous forme d'ondes radio. À SWR = 1 il n'y a pas de réflexion (toute l'énergie est émise). Le SWR d'une antenne réelle est toujours supérieur à 1.

Si vous envoyez un signal de fréquences différentes à l'antenne et mesurez simultanément le SWR, vous pouvez trouver à quelle fréquence la réflexion sera minimale. Ce sera la plage de travail de l'antenne. Vous pouvez également comparer différentes antennes pour la même bande et trouver laquelle est la meilleure.


Une partie du signal de l'émetteur est réfléchie par l'antenne

Une antenne conçue pour une certaine fréquence, en théorie, devrait avoir le SWR le plus bas à ses fréquences de fonctionnement. Il suffit donc d'émettre des fréquences différentes dans l'antenne et de trouver à quelle fréquence la moindre réflexion, c'est-à-dire la quantité maximale d'énergie volée sous forme d'ondes radio.

Ayant la capacité de générer un signal à différentes fréquences et de mesurer la réflexion, nous pouvons construire un graphique qui a une fréquence le long de l'axe X et un coefficient de réflexion du signal le long de l'axe Y. Par conséquent, là où il y aura une baisse du graphique (c'est-à-dire la plus petite réflexion du signal), il y aura une plage de fonctionnement de l'antenne.


Un tracé imaginaire de réflexion en fonction de la fréquence. Sur toute la plage, réflexion à 100%, à l'exception de la fréquence de travail de l'antenne.

Osa103 Mini

Pour les mesures, nous utiliserons le OSA103 Mini . Il s'agit d'un appareil de mesure universel qui combine un oscilloscope, un générateur de signaux, un analyseur de spectre, un compteur de réponse en fréquence / phase, un analyseur d'antenne vectorielle, un compteur LC et même un émetteur-récepteur SDR. La plage de fonctionnement de l'OSA103 Mini est limitée à 100 MHz, le module OSA-6G étend la plage de fréquence en mode A / C à 6 GHz. Le programme natif avec toutes les fonctions pèse 3 Mo, fonctionne sous Windows et via wine sous Linux.


Osa103 Mini - l'instrument de mesure universel pour les radio-amateurs et les ingénieurs

Coupleur directionnel

Un coupleur directionnel est un dispositif qui détourne une petite partie du signal RF se déplaçant dans une direction spécifique. Dans notre cas, il doit dériver une partie du signal réfléchi (allant de l'antenne vers le générateur) pour le mesurer.
Explication visuelle du coupleur directionnel: youtube.com/watch?v=iBK9ZIx9YaY

Caractéristiques principales d'un coupleur directionnel:

• Fréquences de fonctionnement - une gamme de fréquences à laquelle les principaux indicateurs ne dépassent pas la norme. Mon coupleur est conçu pour des fréquences de 1 à 1000 MHz
• Couplage - quelle partie du signal (en décibels) sera détournée lorsque la direction des ondes va de IN à OUT
• Directivité - combien moins de signal sera détourné lorsque le signal se déplace dans la direction opposée de OUT à IN

À première vue, cela semble plutôt déroutant. Pour plus de clarté, imaginez un coupleur comme une conduite d'eau, avec un petit robinet à l'intérieur. Le robinet est fait de telle manière que lorsque l'eau se déplace vers l'avant (de IN à OUT), une partie importante de l'eau est détournée. La quantité d'eau rejetée dans cette direction est déterminée par le paramètre Couplage dans la fiche technique du coupleur.



Lorsque l'eau se déplace dans la direction opposée, beaucoup moins d'eau est évacuée. Cela devrait être considéré comme un effet secondaire. La quantité d'eau qui est détournée pendant ce mouvement est déterminée par le paramètre Directivité dans la fiche technique. Plus ce paramètre est petit (plus la valeur dB est élevée), mieux c'est pour notre tâche.

Schéma du circuit

Puisque nous voulons mesurer le niveau du signal réfléchi par l'antenne, nous le connectons au coupleur IN et le générateur à OUT. Ainsi, le récepteur recevra une partie du signal réfléchi par l'antenne pour la mesure.


Schéma de connexion du coupleur. Le signal réfléchi est envoyé au récepteur.

Installation de mesure

Nous assemblons l'installation de mesure du SWR conformément au schéma électrique. À la sortie du générateur de l'appareil, nous installons en plus un atténuateur avec une atténuation de 15 dB. Cela améliorera l'adéquation du coupleur avec la sortie du générateur et augmentera la précision de la mesure. L'atténuateur peut être pris avec une atténuation de 5..15 dB. La valeur d'atténuation est automatiquement prise en compte lors de l'étalonnage ultérieur.


L'atténuateur atténue le signal d'un nombre fixe de décibels. La principale caractéristique de l'atténuateur est le coefficient d'atténuation du signal et la plage de fréquence de fonctionnement. À des fréquences en dehors de la plage de fonctionnement, les caractéristiques de l'atténuateur peuvent changer de façon imprévisible.

Voici à quoi ressemble la configuration finale. Vous devez également vous rappeler d'envoyer un signal de fréquence intermédiaire (IF) du module OSA-6G à la carte principale de l'appareil. Pour ce faire, connectez le port IF OUTPUT de la carte principale avec INPUT sur le module OSA-6G.



Pour réduire le niveau d'interférence d'une alimentation à découpage de l'ordinateur portable, je prends toutes les mesures lorsque l'ordinateur portable est alimenté par batterie.

Calibration

Avant de commencer les mesures, vous devez vous assurer que tous les nœuds de l'appareil et la qualité des câbles fonctionnent, pour cela nous connectons directement le générateur et le récepteur avec un câble, allumons le générateur et mesurons la réponse en fréquence. Nous obtenons un graphique presque plat à 0 dB. Cela signifie que sur toute la plage de fréquences, toute la puissance rayonnée du générateur a atteint le récepteur.


Connexion du générateur directement au récepteur

Ajoutez un atténuateur au circuit. Vous pouvez voir une atténuation presque uniforme du signal de 15 dB sur toute la plage.

Connexion d'un générateur via un atténuateur de 15 dB à un récepteur

Nous connectons le générateur au connecteur OUT du coupleur et le récepteur au CPL du coupleur. Comme aucune charge n'est connectée au port IN, tout le signal généré doit être réfléchi et une partie de celui-ci se ramifie vers le récepteur. Selon la fiche technique de notre coupleur ( ZEDC-15-2B ), le paramètre de couplage est ~ 15 dB, nous devrions donc voir une ligne horizontale à environ -30 dB (couplage + atténuation d'atténuation). Mais comme la plage de fonctionnement du coupleur est limitée à 1 GHz, toutes les mesures au-dessus de cette fréquence peuvent être considérées comme dénuées de sens. Ceci est clairement visible sur le graphique, après 1 GHz, les lectures sont chaotiques et n'ont pas de sens. Par conséquent, nous effectuerons toutes les autres mesures dans la plage de fonctionnement du coupleur.


Connecter un robinet sans charge. La limite de plage de fonctionnement du coupleur est visible.

Étant donné que les données de mesure supérieures à 1 GHz, dans notre cas, n'ont pas de sens, nous limiterons la fréquence maximale du générateur aux valeurs de fonctionnement du coupleur. Lors de la mesure, nous obtenons une ligne droite.


Limitation de la plage du générateur à la plage de fonctionnement du coupleur

Afin de mesurer visuellement le SWR des antennes, nous devons calibrer pour prendre les paramètres du circuit actuel (réflexion à 100%) comme point de référence, c'est-à-dire zéro dB. Pour ce faire, le programme OSA103 Mini dispose d'une fonction d'étalonnage intégrée. L'étalonnage est effectué sans antenne connectée (charge), les données d'étalonnage sont écrites dans un fichier et ensuite automatiquement prises en compte lors du traçage des graphiques.


Fonction d'étalonnage de la réponse en fréquence dans OSA103 Mini

En appliquant les résultats de l'étalonnage et en commençant les mesures sans charge, nous obtenons un graphique pair à 0 dB.


Graphique après étalonnage

Antennes de mesure

Vous pouvez maintenant commencer à mesurer les antennes. Grâce à l'étalonnage, nous allons voir et mesurer la diminution de réflexion après avoir connecté l'antenne.

Antenne d'Aliexpress à 433 MHz

Antenne marquée 443 MHz. On peut voir que l'antenne fonctionne le plus efficacement dans la gamme de 446 MHz, à cette fréquence le SWR est de 1,16. Dans le même temps, à la fréquence déclarée, les indicateurs sont nettement pires, à 433 MHz SWR 4,2.

Antenne inconnue 1

Antenne sans marquage. À en juger par le calendrier, il est conçu pour 800 MHz, probablement pour la gamme GSM. Pour être honnête, je dois dire que cette antenne fonctionne également à 1800 MHz, mais en raison des limites du coupleur, je ne peux pas faire les mesures correctes à ces fréquences.

Antenne inconnue 2

Une autre antenne qui gisait depuis longtemps dans mes boîtes. Apparemment, également pour la bande GSM, mais déjà meilleur que le précédent. À une fréquence de 764 MHz, le SWR est proche de l'unité, à 900 MHz, le SWR est de 1,4.

Antenne inconnue 3

Ceci est similaire à une antenne Wi-Fi, mais pour une raison quelconque, le connecteur est SMA-Male, et non RP-SMA, comme toutes les antennes Wi-Fi. A en juger par les mesures, à des fréquences allant jusqu'à 1 GHz, cette antenne est inutile. Encore une fois, en raison des limites du coupleur, nous ne saurons pas de quel type d'antenne il s'agit.

Antenne télescopique

Essayons de calculer de combien vous avez besoin pour étendre l'antenne télescopique pour la gamme 433 MHz. La formule de calcul de la longueur d'onde: λ = C / f, où C est la vitesse de la lumière, f est la fréquence.

299.792.458 / 443.000.000 = 0.69719176279 

Pleine longueur d'onde - 69,24 cm
Demi-longueur d'onde - 34,62 cm
Un quart de la longueur d'onde - 17,31 cm



L'antenne ainsi calculée était absolument inutile. À une fréquence de 433 MHz, la valeur de SWR est de 11.



En étendant l'antenne expérimentalement, j'ai pu atteindre un TOS minimum de 2,8 avec une longueur d'antenne d'environ 50 cm, il s'est avéré que l'épaisseur des sections était d'une grande importance. Autrement dit, lorsque vous ne retirez que des sections extrêmes minces, le résultat était meilleur que lorsque vous retiriez uniquement des sections épaisses de la même longueur. Je ne sais pas combien il vaut la peine de s'appuyer sur ces calculs avec la longueur de l'antenne télescopique, car en pratique ils ne fonctionnent pas. Peut-être qu'avec d'autres antennes ou fréquences cela fonctionne différemment, je ne sais pas.

Un morceau de fil à 433 MHz

Souvent, dans différents appareils, tels que des commutateurs radio, vous pouvez voir un morceau de fil droit comme une antenne. J'ai coupé un morceau de fil égal à un quart de la longueur d'onde de 433 MHz (17,3 cm) et j'ai étamé l'extrémité de manière à ce qu'elle s'insère parfaitement dans le connecteur femelle SMA.



Le résultat était étrange: un tel fil fonctionne bien à 360 MHz mais est inutile à 433 MHz.



J'ai commencé à couper un bout de fil de fer et à regarder les lectures. L'échec sur la carte a commencé à se déplacer lentement vers la droite, vers 433 MHz. En conséquence, à une longueur de fil d'environ 15,5 cm, j'ai réussi à obtenir la valeur SWR la plus basse de 1,8 à une fréquence de 438 MHz. Un raccourcissement supplémentaire du câble a entraîné une augmentation du TOS.

Conclusion

En raison des limites du coupleur, il n’a pas été possible de mesurer des antennes dans les bandes supérieures à 1 GHz, par exemple les antennes Wi-Fi. Cela pourrait être fait si j'avais un coupleur large bande plus grand.

Un coupleur, des câbles de connexion, un instrument et même un ordinateur portable font partie du système d'antenne résultant. Leur géométrie, leur position dans l'espace et les objets environnants affectent le résultat de la mesure. Après l'installation sur une vraie station de radio ou un modem, la fréquence peut changer, car le corps de la station radio, modem, le corps de l'opérateur fera partie de l'antenne.

OSA103 Mini est un appareil multifonctionnel très cool. J'exprime ma gratitude à son développeur pour sa consultation lors des mesures.