Berapa kisaran antena ini? Mengukur kinerja antena dengan OSA103 Mini

- Berapa kisaran antena ini?
- Saya tidak tahu, periksa.
- KAAAK?!?!

Bagaimana cara menentukan antena apa yang Anda miliki di tangan Anda jika tidak ada tanda di atasnya? Bagaimana cara memahami antena mana yang lebih baik atau lebih buruk? Masalah ini menyiksaku untuk waktu yang lama.
Artikel ini menjelaskan dalam bahasa sederhana metode untuk mengukur karakteristik antena, dan metode untuk menentukan rentang frekuensi antena.

Untuk insinyur radio yang berpengalaman, informasi ini mungkin tampak sepele, dan teknik pengukurannya mungkin tidak cukup akurat. Artikel ini ditujukan bagi mereka yang tidak mengerti apa-apa dalam bidang elektronik radio, seperti saya.

TL; DR Kami akan mengukur SWR antena pada frekuensi yang berbeda dengan bantuan instrumen Mini OSA 103 dan directional coupler, membuat grafik SWR versus frekuensi.

Teori

Ketika pemancar mengirimkan sinyal ke antena, sebagian energi dipancarkan ke udara, dan sebagian dipantulkan dan kembali. Rasio antara energi yang dipancarkan dan dipantulkan ditandai oleh koefisien gelombang berdiri (SWR atau SWR). Semakin kecil SWR, semakin besar energi pemancar yang dipancarkan dalam bentuk gelombang radio. Pada SWR = 1 tidak ada refleksi (semua energi dipancarkan). SWR antena asli selalu lebih besar dari 1.

Jika Anda mengirim sinyal dengan frekuensi berbeda ke antena dan secara bersamaan mengukur SWR, Anda dapat menemukan pada frekuensi berapa refleksi akan minimal. Ini akan menjadi rentang kerja antena. Anda juga dapat membandingkan berbagai antena untuk band yang sama dan menemukan mana yang lebih baik.


Sebagian dari sinyal pemancar dipantulkan dari antena

Antena yang dirancang untuk frekuensi tertentu, secara teori, harus memiliki SWR terendah pada frekuensi operasinya. Jadi itu cukup untuk memancarkan frekuensi yang berbeda ke dalam antena dan menemukan pada frekuensi berapa refleksi paling sedikit, yaitu, jumlah maksimum energi yang diterbangkan dalam bentuk gelombang radio.

Memiliki kemampuan untuk menghasilkan sinyal pada frekuensi yang berbeda dan mengukur refleksi, kita dapat membangun grafik yang memiliki frekuensi di sepanjang sumbu X dan koefisien refleksi sinyal di sepanjang sumbu Y. Akibatnya, di mana akan ada penurunan pada grafik (yaitu, refleksi terkecil dari sinyal), akan ada jangkauan operasi antena.


Plot imajiner refleksi versus frekuensi. Pada keseluruhan rentang, 100% pantulan, kecuali frekuensi kerja antena.

Osa103 Mini

Untuk pengukuran kita akan menggunakan OSA103 Mini . Ini adalah alat pengukur universal yang menggabungkan osiloskop, generator sinyal, penganalisis spektrum, pengukur frekuensi / fase, penganalisis antena vektor, pengukur LC, dan bahkan transceiver SDR. Rentang pengoperasian OSA103 Mini terbatas pada 100 MHz, modul OSA-6G memperluas rentang frekuensi dalam mode A / C hingga 6 GHz. Program asli dengan semua fungsi berbobot 3 MB, bekerja di bawah Windows dan melalui anggur di Linux.


Osa103 Mini - alat ukur universal untuk amatir radio dan insinyur

Directional coupler

Directional coupler adalah perangkat yang mengalihkan sebagian kecil dari sinyal RF yang bergerak ke arah tertentu. Dalam kasus kami, itu harus bercabang bagian dari sinyal yang dipantulkan (pergi dari antena kembali ke generator) untuk mengukurnya.
Penjelasan visual dari directional coupler: youtube.com/watch?v=iBK9ZIx9YaY

Karakteristik utama dari directional coupler:

• Frekuensi operasi - rentang frekuensi di mana indikator utama tidak melampaui norma. Coupler saya dirancang untuk frekuensi dari 1 hingga 1000 MHz
• Kopling - bagian mana dari sinyal (dalam desibel) yang akan dialihkan ketika arah gelombang dari IN ke OUT
• Directivity - betapa lebih sedikit sinyal akan dialihkan ketika sinyal bergerak ke arah yang berlawanan dari OUT ke IN

Sepintas, ini terlihat agak membingungkan. Untuk kejelasan, bayangkan coupler sebagai pipa air, dengan keran kecil di dalamnya. Keran dibuat sedemikian rupa sehingga ketika air bergerak ke arah depan (dari IN ke OUT), sebagian besar air dialihkan. Jumlah air yang dibuang ke arah ini ditentukan oleh parameter Kopling dalam lembar data coupler.



Ketika air bergerak ke arah yang berlawanan, lebih sedikit air yang dibuang. Itu harus diambil sebagai efek samping. Jumlah air yang dialihkan selama gerakan ini ditentukan oleh parameter Directivity dalam lembar data. Semakin kecil parameter ini (semakin besar nilai dB), semakin baik untuk tugas kami.

Diagram sirkuit

Karena kami ingin mengukur level sinyal yang dipantulkan dari antena, kami menghubungkannya ke IN coupler dan generator ke OUT. Dengan demikian, penerima akan menerima bagian dari sinyal yang dipantulkan dari antena untuk pengukuran.


Diagram koneksi coupler. Sinyal yang dipantulkan dikirim ke penerima.

Mengukur instalasi

Kami merakit instalasi untuk mengukur SWR sesuai dengan diagram sirkuit. Pada output generator perangkat, kami juga memasang atenuator dengan atenuasi 15 dB. Ini akan meningkatkan pencocokan coupler dengan output generator dan meningkatkan akurasi pengukuran. Atenuator dapat diambil dengan atenuasi 5..15 dB. Nilai atenuasi secara otomatis diperhitungkan selama kalibrasi berikutnya.


Attenuator melemahkan sinyal dengan jumlah desibel yang tetap. Karakteristik utama dari attenuator adalah koefisien atenuasi sinyal dan rentang frekuensi operasi. Pada frekuensi di luar rentang operasi, karakteristik attenuator dapat berubah secara tak terduga.

Beginilah tampilan pengaturan akhir. Anda juga harus ingat untuk mengirim sinyal frekuensi menengah (IF) dari modul OSA-6G ke papan utama perangkat. Untuk melakukan ini, hubungkan port IF OUTPUT pada papan utama dengan INPUT pada modul OSA-6G.



Untuk mengurangi tingkat gangguan dari catu daya switching laptop, saya melakukan semua pengukuran ketika laptop ini ditenagai oleh baterai.

Kalibrasi

Sebelum memulai pengukuran, Anda perlu memastikan bahwa semua simpul perangkat dan kualitas kabel berfungsi, untuk ini kami menghubungkan generator dan penerima dengan kabel secara langsung, menyalakan generator dan mengukur respons frekuensi. Kami mendapatkan grafik yang hampir datar pada 0dB. Ini berarti bahwa pada seluruh rentang frekuensi, semua daya yang dipancarkan generator telah mencapai penerima.


Menghubungkan generator langsung ke penerima

Tambahkan attenuator ke sirkuit. Anda dapat melihat atenuasi sinyal yang hampir merata sebesar 15dB pada seluruh rentang.

Menghubungkan generator melalui attenuator 15dB ke penerima

Kami menghubungkan generator ke konektor OUT dari coupler dan penerima ke CPL coupler. Karena tidak ada beban yang terhubung ke port IN, seluruh sinyal yang dihasilkan harus dipantulkan, dan sebagian akan bercabang ke receiver. Menurut datasheet pada coupler kami ( ZEDC-15-2B ), parameter Coupling adalah ~ 15dB, jadi kita akan melihat garis horizontal sekitar -30dB (coupling + attenuator attenuation). Tetapi karena rentang operasi coupler dibatasi hingga 1 GHz, semua pengukuran di atas frekuensi ini dapat dianggap tidak berarti. Ini terlihat jelas pada grafik, setelah 1 GHz pembacaan kacau dan tidak masuk akal. Oleh karena itu, kami akan melakukan semua pengukuran lebih lanjut dalam jangkauan operasi coupler.


Menghubungkan ketukan tanpa memuat. Batas rentang operasi coupler terlihat.

Karena data pengukuran di atas 1 GHz, dalam kasus kami, tidak masuk akal, kami akan membatasi frekuensi maksimum generator hingga nilai operasi coupler. Saat mengukur, kami mendapatkan garis lurus.


Membatasi rentang generator ke rentang operasi coupler

Untuk mengukur SWR antena secara visual, kita perlu mengkalibrasi untuk mengambil parameter rangkaian saat ini (refleksi 100%) sebagai titik referensi, yaitu nol dB. Untuk melakukan ini, program Mini OSA103 memiliki fungsi kalibrasi bawaan. Kalibrasi dilakukan tanpa antena yang terhubung (memuat), data kalibrasi ditulis ke file dan selanjutnya secara otomatis diperhitungkan ketika merencanakan grafik.


Fungsi kalibrasi respons frekuensi di OSA103 Mini

Menerapkan hasil kalibrasi dan memulai pengukuran tanpa beban, kami mendapatkan grafik genap pada 0dB.


Grafik setelah kalibrasi

Antena Pengukuran

Sekarang Anda dapat mulai mengukur antena. Berkat kalibrasi, kita akan melihat dan mengukur penurunan pantulan setelah menghubungkan antena.

Antena dari Aliexpress di 433MHz

Antena bertanda 443MHz. Dapat dilihat bahwa antena bekerja paling efisien dalam kisaran 446MHz, pada frekuensi ini SWR adalah 1,16. Pada saat yang sama, pada frekuensi yang dinyatakan, indikator secara signifikan lebih buruk, pada 433MHz SWR 4.2.

Antena tidak dikenal 1

Antena tanpa tanda. Dilihat dari jadwal, ia dirancang untuk 800 MHz, mungkin untuk rentang GSM. Dalam keadilan, saya harus mengatakan bahwa antena ini juga bekerja pada 1800 MHz, tetapi karena keterbatasan coupler, saya tidak dapat melakukan pengukuran yang benar pada frekuensi ini.

Antena tidak dikenal 2

Antena lain yang sudah tergeletak di kotak saya untuk waktu yang lama. Ternyata, juga untuk GSM-band, tetapi sudah lebih baik dari yang sebelumnya. Pada frekuensi 764 MHz, SWR dekat dengan satu, pada 900 MHz SWR adalah 1,4.

Antena tidak dikenal 3

Ini mirip dengan antena Wi-Fi, tetapi karena beberapa alasan konektornya adalah SMA-Male, dan bukan RP-SMA, seperti semua antena Wi-Fi. Dilihat dari pengukuran, pada frekuensi hingga 1 GHz antena ini tidak berguna. Sekali lagi, karena keterbatasan penggandeng, kami tidak akan tahu antena jenis apa itu.

Antena teleskopik

Mari kita coba hitung berapa banyak Anda perlu memperluas antena teleskopik untuk rentang 433MHz. Rumus untuk menghitung panjang gelombang: λ = C / f, di mana C adalah kecepatan cahaya, f adalah frekuensi.

299.792.458 / 443.000.000 = 0.69719176279 

Panjang gelombang penuh - 69,24 cm
Setengah panjang gelombang - 34,62 cm
Seperempat dari panjang gelombang - 17,31 cm



Antena yang dihitung dengan demikian sama sekali tidak berguna. Pada frekuensi 433 MHz, nilai SWR adalah 11.



Memperluas antena secara eksperimental, saya dapat mencapai SWR minimum 2,8 dengan panjang antena sekitar 50 cm. Ternyata ketebalan bagian sangat penting. Artinya, ketika menarik keluar hanya bagian tipis yang tipis, hasilnya lebih baik daripada saat menarik hanya bagian tebal dengan panjang yang sama. Saya tidak tahu berapa nilainya mengandalkan perhitungan ini dengan panjang antena teleskopik, karena dalam praktiknya mereka tidak bekerja. Mungkin dengan antena atau frekuensi lain itu berfungsi berbeda, saya tidak tahu.

Sepotong kawat di 433MHz

Seringkali di perangkat yang berbeda, seperti sakelar radio, Anda dapat melihat sepotong kawat lurus sebagai antena. Saya memotong seutas kawat yang setara dengan seperempat dari panjang gelombang 433 MHz (17,3 cm), dan memasang ujungnya sehingga pas dengan konektor SMA Female.



Hasilnya aneh: kawat seperti itu bekerja dengan baik pada 360 MHz tetapi tidak berguna pada 433 MHz.



Saya mulai memotong seutas kawat dari ujung dan melihat bacaan. Kegagalan pada grafik mulai perlahan-lahan bergeser ke kanan, menuju 433 MHz. Akibatnya, pada panjang kawat sekitar 15,5 cm, saya berhasil mendapatkan nilai SWR terendah 1,8 pada frekuensi 438 MHz. Selanjutnya pemendekan kabel menyebabkan peningkatan SWR.

Kesimpulan

Karena keterbatasan penggandeng, tidak mungkin untuk mengukur antena pada pita di atas 1 GHz, misalnya, antena Wi-Fi. Ini bisa dilakukan jika saya memiliki coupler broadband yang lebih besar.

Coupler, kabel penghubung, instrumen, dan bahkan laptop adalah bagian dari sistem antena yang dihasilkan. Geometri, posisi dalam ruang, dan objek di sekitarnya memengaruhi hasil pengukuran. Setelah instalasi di stasiun radio atau modem nyata, frekuensi dapat berubah, karena badan stasiun radio, modem, badan operator akan menjadi bagian dari antena.

OSA103 Mini adalah perangkat multifungsi yang sangat keren. Saya mengucapkan terima kasih kepada pengembangnya untuk konsultasi selama pengukuran.