Який КСВ має бути в антени

Щоб передавач передавав максимально можливу потужність антени, важливо узгодити вихідний опір передавача, хвильовий опір лінії передачі та імпеданс антени. КСВ це числовий параметр, що дозволяє оцінити якість такого узгодження.

КСВ відповідає англійська абревіатура SWR, або VSWR (Voltage Standing Wave Ratio). КСВ є функцією коефіцієнта відображення.

Коефіцієнт відображення також відомий як параметр s11 [2], або втрати на відображення Нижче в таблиці показано взаємозв'язок між відображеною потужністю, s11 і КСВ. калькулятор, то перейдіть за посиланням [3].

Для антен КСВ завжди представлений позитивним реальним числом зі значенням більшим за 1.0. потужності від антени

Часто антени повинні задовольняти вимогам частотної смуги пропускання в контексті КСВ. Наприклад, антена може бути розрахована на роботу в діапазоні 100.. 200 МГц з КСВ < 3. Цей КСВ означає, що коефіцієнт відображення від антени в такому позначеному діапазоні частот буде менше 0.5 .

[Фізичний зміст КРВ]

КСВ визначається за напругою, виміряною вздовж лінії передачі, що йде до антени.Через складання прямої та відбитої хвилі в лінії передачі на ній виходять ділянки стоячої хвилі з максимальною та мінімальною амплітудою. КСВ це відношення пікового значення максимальної амплітуди стоячої хвилі до значення мінімальної амплітуди стоячої хвилі, як показано на наступному малюнку:

Мал. 1. Напруги, виміряні вздовж лінії передачі.

Коли антена не узгоджена з передавачем, потужність від неї відбивається (що показує коефіцієнт відображення, який не дорівнює 0). Відбита хвиля створює лінії передачі " стоячі хвилі " . В результаті лінії передачі утворюються піки і провали напруги, як показано на рис. 1. Якщо КСВ = 1.0, відбиття потужності немає, і напруга сигналу постійне по всій довжині лінії передачі.

[КСВ, відбита потужність, та s11]

КСП 3 це хороший коефіцієнт? Наскільки поганий КСВ 12? Щодо цього жорстких правил не існує. У цьому розділі зроблено спробу перевести значення КСВ у реальний контекст: таблиця нижче показує взаємозв'язок між КСВ, загальною відбитою потужністю, та коефіцієнтом відображення Γ (який також відомий як параметр s11). Зверніть увагу, що відбита потужність це просто коефіцієнт відбиття у квадраті.

Таблиця 1. КСВ, відбита від антени потужність та Γ (s11).

По цій таблиці видно, що КСВ = 4 відповідає 36% відбитої потужності від потужності, переданої в антену (64% потужності є корисною, яка успішно випромінюється в ефір або розсіюється на активному опорі антени). Відбита потужність 0 dB означає, що вся потужність відбивається назад (100%), тоді як -10 dB означає, що відбивається 10% потужності. Якщо вся потужність відбивається, то КСВ дорівнює нескінченності.

Зверніть увагу, що ПКС дуже нелінійно залежить від коефіцієнта відображення. Т. е. існує дуже мала відмінність у відбитої потужності, коли КСВ змінюється від 9 до 10. Однак відбита потужність змінюється на 11%, коли КСВ змінюється від 1 до 2.

[КСВ-параметри антен]

У промисловості антени часто класифікуються (за критерієм погана/хороша) з урахуванням параметра їх КСВ. Це спосіб пасивного вимірювання параметрів антени, щоб швидко визначити, наскільки добре налаштована на цільовий діапазон частот. Антена перевіряється векторним аналізатором ланцюгів (VNA, див. [5]), і КСВ реєструється як функція, яка залежить від частоти. Як приклад розглянемо ситуацію, коли для 5 різних антен виміряно та побудовано графіки КСВ, див. рис. 2. На ньому прямими блакитними лініями позначені бажані граничні параметри КСВ для антени, які не можна перевищувати:

Мал. 2. Залежність КСВ антени від частоти.

Майте на увазі, що метрика КСВ не показує скільки потужності передається в антену. Т. е. КСВ не означає, що антена випромінює певну частину підведеної потужності. Натомість КСВ показує потенціал антени в контексті випромінювання. Низьке значення КСВ означає, що антена добре узгоджена, проте це не обов'язково означає, що передана потужність також потрапила до ефіру. Для визначення реальної потужності випромінювання потрібна безлужна камера або інше спеціальне вимірювальне обладнання. Лише КСВ недостатньо для визначення, що антена функціонує належним чином.

КСВ також може бути виміряний за допомогою діаграми Сміта [6].КСВ це лише скалярна метрика, тоді як діаграма Сміта показує реактивну (ємнісну чи індуктивну) складову повного опору антени.

[Посилання]

1. VSWR Voltage Standing Wave Ratio site:antenna-theory.com.
2. S параметри: що це?
3. VSWR Calculator site:antenna-theory.com.
4. EVM Error Vector Magnitude site:antenna-theory.com.
5. NanoVNA-F V2, векторний аналізатор радіоланцюгів.
6. The Smith Chart site:antenna-theory.com.

На який діапазон ця антена? Вимірюємо характеристики антен за допомогою OSA103 Mini

— На який діапазон ця антена?
- Не знаю, перевір.
- Кааак.

Як визначити, що за антена у вас у руках, якщо на ній немає маркування? Як зрозуміти, яка антена краща чи гірша? Ця проблема мене мучила давно.
У статті простою мовою описується методика вимірювання характеристик антен, і спосіб визначення частотного діапазону антени.

Досвідченим радіоінженерам ця інформація може здатися банальною, а методика вимірювання недостатньо точною. Стаття розрахована на тих, хто взагалі нічого не розуміє у радіоелектроніці, як я.

TL; DR Ми вимірюватимемо КСВ антен на різних частотах за допомогою приладу OSA 103 Mini і спрямованого відгалужувача, будуватимемо графік залежності КСВ від частоти.

Теорія

Коли передавач посилає сигнал в антену, частина енергії випромінюється в повітря, частина відбивається і повертається назад. Співвідношення між випромінюваною та відбитою енергією характеризують за допомогою коефіцієнта стоячої хвилі (КСВ або SWR). Чим менше КСВ, тим більша частина енергії передавача випромінюється у вигляді радіохвиль. При КСВ = 1 відбиття немає (вся енергія випромінюється). КСВ у реальної антени завжди більше 1.

Якщо посилати в антену сигнал різної частоти і водночас вимірювати КСВ, можна визначити, який частоті відбиток буде мінімальним. Це буде робочий діапазон антени. Також можна порівняти між собою різні антени для одного діапазону та знайти, яка з них краща.

Частина сигналу передавача відбивається від антени

Антена, розрахована на певну частоту, теоретично, повинна мати найменший КСВ на своїх робочих частотах. Значить досить випромінювати в антену різними частотами і визначити, який частоті відбиток найменше, тобто максимальна кількість енергії вилетіло як радіохвиль.

Маючи можливість генерувати сигнал на різних частотах і вимірювати відображення, ми зможемо побудувати графік, у якого по осі X буде частота, а по осі Y коефіцієнт відбиття сигналу. В результаті там, де на графіці буде провал (тобто найменше відображення сигналу) буде робочий діапазон антени.

Уявний графік залежності відображення частоти. На всьому діапазоні відображення 100%, крім робочої частоти антени.

Прилад Osa103 Mini

Для вимірювань ми використовуватимемо OSA103 Mini. Це універсальний вимірювальний прилад, який об'єднує осцилограф, генератор сигналу, аналізатор спектру, АЧХ/ФЧХ вимірювач, векторний антенний аналізатор, вимірник LC, і навіть SDR-трансівер. Робочий діапазон OSA103 Mini обмежений 100 МГц, модуль OSA-6G розширює частотний діапазон у режимі ІАЧХ до 6 ГГц. Рідна програма з усіма функціями важить 3 Мб, працює під Windows та через wine у ​​Linux.

Osa103 Mini - універсальний вимірювальний прилад для радіоаматорів та інженерів

Спрямований відгалужувач

Спрямований відгалужувач (directional coupler) - пристрій, який відводить невелику частину ВЧ-сигналу, що йде в певному напрямку.
Наочне пояснення роботи направленого відгалужувача: youtube.com/watch?v=iBK9ZIx9YaY

Основні характеристики спрямованого відгалужувача:

• Робочі частоти - Діапазон частот, на яких основні показники не виходять за межі норми.
• Відгалуження (Coupling) - Яка частина сигналу (у децибелах) буде відводиться при напрямку хвилі з IN в OUT
• Спрямованість (Directivity) — наскільки менше сигналу буде відведено під час руху сигналу у зворотному напрямку з OUT в IN

При русі води у зворотному напрямку відводиться значно менше води. Її слід сприймати як побічна явище.

Принципова схема

Оскільки ми хочемо вимірювати рівень сигналу, відбитий від антени, підключаємо її до IN відгалужувача, а генератор до OUT.

Схема підключення відгалужувача. Відбитий сигнал відводиться на приймач.

Вимірювальна установка

Зберемо установку для виміру КСВ відповідно до принципової схеми. На виході генератора приладу додатково встановимо атенюатор із загасанням 15 дБ.Атенюатор можна взяти із загасанням у 5..15 дБ. Величина згасання автоматично врахується при наступному калібруванні.

Атенюатор послаблює сигнал фіксованого числа децибел. Головною характеристикою атенюатора є коефіцієнт загасання (аттенюації) сигналу та робочий діапазон частот. На частотах поза робочим діапазоном характеристики атенюатора можуть непередбачено змінюватися.

Такий вигляд має фінальна установка. Потрібно також не забути подати сигнал проміжної частоти (ПЧ) із модуля OSA-6G на основну плату приладу. Для цього з'єднуємо порт IF OUTPUT на основній платі з INPUT на модулі OSA-6G.

Для зниження рівня перешкод від імпульсного джерела живлення ноутбука всі виміри я проводжу під час живлення ноутбука від батареї.

Калібрівка

Перед початком вимірювань необхідно переконатися у справності всіх вузлів приладу та якості кабелів, для цього з'єднуємо генератор та приймач кабелем безпосередньо, включаємо генератор та проводимо вимірювання АЧХ. Отримуємо майже рівний графік на 0dB. Це означає, що на всьому діапазоні частот вся випромінювана потужність генератора дійшла до приймача.

Підключення генератора безпосередньо до приймача

Додамо у схему атенюатор. Видно майже рівне ослаблення сигналу на 15dB по всьому діапазоні.

Підключення генератора через атенюатор на 15dB до приймача

Підключимо генератор до роз'єму OUT відгалужувача, а приймач до CPL відгалужувача. Так як до порту IN не підключено навантаження, весь сигнал, що генерується, повинен відображатися, і частина відгалужуватися на приймач. Згідно з датаситом на наш відгалужувач (ZEDC-15-2B), параметр Coupling дорівнює ~15db, значить ми повинні побачити горизонтальну лінію на рівні близько -30 дБ (coupling + загасання атенюатора).Але так як робочий діапазон відгалужувача обмежений 1 ГГц, всі вимірювання вище цієї частоти можна вважати такими, що не мають сенсу. Це чітко видно на графіці, після 1 ГГц свідчення хаотичні і не мають сенсу. Тому всі подальші вимірювання ми будемо проводити у робочому діапазоні відгалужувача.

Підключення відгалужувача без навантаження. Видно межу робочого діапазону відгалужувача.

Так як дані вимірювань вище 1 ГГц, у нашому випадку, не мають сенсу, обмежимо максимальну частоту генератора робочих значень відгалужувача. При вимірах отримуємо рівну лінію.

Обмеження діапазону генератора до робочого діапазону відгалужувача

Для того щоб наочно вимірювати КСВ антен, нам потрібно виконати калібрування, щоб прийняти поточні параметри схеми (100% відображення) як точку відліку, тобто нуль dB. Для цього у програмі OSA103 Mini є вбудована функція калібрування. Калібрування виконується без підключеної антени (навантаження), дані калібрування записуються у файл і надалі автоматично враховуються при побудові графіків.

Функція калібрування ІАЧХ у програмі OSA103 Mini

Застосувавши результати калібрування та запустивши вимірювання без навантаження, ми отримуємо рівний графік на 0dB.

Графік після виконання калібрування

Вимірюємо антени

Тепер можна приступити до вимірювання антен. Завдяки калібруванні, ми будемо бачити та вимірювати зменшення відображення після підключення антени.

Антена з Aliexpress на 433MHz

Антена з маркуванням 443MHz. Видно, що найбільше ефективно антена працює на діапазоні 446MHz, на цій частоті КСВ дорівнює 1.16. При цьому, на заявленій частоті показники суттєво гірші, на 433MHz КСВ 4,2.

Невідома антена 1

Антена без маркування.Судячи з графіка, розрахована на 800 МГц, імовірно для GSM-діапазону. Задля справедливості треба сказати, що ця антена також працює на 1800 МГц, але через обмеження відгалужувача я не можу робити коректні виміри на цих частотах.

Невідома антена 2

Ще одна антена, яка давно валяється у мене в коробках. Судячи з усього, теж для GSM-діапазону, але вже краще за попередню. На частоті 764 МГц КСВ наближається до одиниці, на 900 МГц КСВ — 1.4.

Невідома антена 3

Це схоже на антену Wi-Fi, але конектор чомусь SMA-Male, а не RP-SMA, як у всіх Wi-Fi-антен. Судячи з вимірів, на частотах до 1 ГГц ця антена марна. Знову ж таки, через обмеження відгалужувача ми не дізнаємося, що це за антена.

Телескопічна антена

Спробуємо розрахувати, скільки потрібно висунути телескопічну антену для діапазону 433MHz. Формула розрахунку довжини хвилі: = C/f, де C - швидкість світла, f - частота.

299.792.458 / 443.000.000 = 0.69719176279

Повна довжина хвилі - 69,24 см
Половина довжини хвилі - 34,62 см
Чверть довжини хвилі - 17,31 см

Розрахована таким чином антена виявилася абсолютно марною. На частоті 433MHz значення КСВ - 11.

Експериментально висуваючи антену, мені вдалося досягти мінімального КСВ 2.8 при довжині антени близько 50 см. У цьому виявилося, що товщина секцій має значення. Тобто, при висуванні лише тонких крайніх секцій, результат був кращим, ніж при висуванні на ту ж довжину тільки товстих секцій. Не знаю, наскільки варто покладатися на ці розрахунки з довжиною телескопічної антени, тому що на практиці вони не працюють. Може бути з іншими антенами чи частотами, це працює інакше, не знаю.

Шматок дроту на 433MHz

Нерідко в різних приладах, на кшталт радіовимикачів, можна побачити шматок прямого дроту як антена. Я відрізав шматок дроту, що дорівнює чверті довжини хвилі 433 МГц (17,3см), і залудив кінець так, щоб він щільно вставлявся в роз'єм SMA Female.

Результат вийшов дивний: такий провід непогано працює на 360 МГц, але марний на 433 МГц.

Я почав по шматочку обрізати провід з кінця і дивитись на свідчення. Провал на графіку почав повільно зрушуватися вправо, у бік 433 МГц. У результаті, на довжині дроту близько 15,5 см, мені вдалося отримати найменше значення ПВ 1.8 на частоті 438 МГц. Подальше скорочення кабелю призвело до зростання КВР.

Висновок

Через обмеження відгалужувача не вдалося вимірювати антени на діапазони вище 1 ГГц, наприклад, антени Wi-Fi. Це можна було зробити, якби я мав більш широкосмуговий відгалужувач.

Відгалужувач, з'єднувальні кабелі, прилад і навіть ноутбук - це частини антени, що виходить. Їхня геометрія, положення в просторі та навколишні предмети впливають на результат вимірювання. Після встановлення реальну радіостанцію чи модем, частота може зрушитися, т.к. корпус радіостанції, модему, тіло оператора стануть частиною антени.

OSA103 Mini – дуже крутий багатофункціональний прилад. Висловлюю подяку його розробнику за консультацію під час проведення вимірів.