|
— На какой диапазон эта антенна? — Не знаю, проверь. — КАААК?!?!
Как определить, что за антенна у вас в руках, если на ней нет маркировки? Как понять, какая антенна лучше или хуже? Эта проблема меня мучила давно. В статье простым языком описывается методика измерения характеристик антенн, и способ определения частотного диапазона антенны.
Опытным радиоинженерам эта информация может показаться банальной, а методика измерения — недостаточно точной. Статья рассчитана на тех, кто вообще ничего не понимает в радиоэлектронике, как я.
TL;DR
Мы будем измерять КСВ антенн на различных частотах с помощью прибора OSA 103 Mini и направленного ответвителя, строить график зависимости КСВ от частоты.
Теория
Когда передатчик посылает сигнал в антенну, часть энергии излучается в воздух, а часть отражается и возвращается назад. Соотношение между излучаемой и отраженной энергией характеризуют с помощью коэффициента стоячей волны (КСВ или SWR). Чем меньше КСВ, тем большая часть энергии передатчика излучается в виде радиоволн. При КСВ = 1 отражения нет (вся энергия излучается). КСВ у реальной антенны всегда больше 1.
Если посылать в антенну сигнал разной частоты и одновременно измерять КСВ, можно найти, на какой частоте отражение будет минимальным. Это и будет рабочий диапазон антенны. Также можно сравнить между собой разные антенны для одного диапазона и найти, какая из них лучше.
Часть сигнала передатчика отражается от антенны
Антенна, рассчитанная на определенную частоту, в теории, должна иметь наименьший КСВ на своих рабочих частотах. Значит достаточно поизлучать в антенну разными частотами и найти, на какой частоте отражение наименьшее, то есть максимальное количество энергии улетело в виде радиоволн.
Имея возможность генерировать сигнал на разных частотах и измерять отражение, мы сможем построить график, у которого по оси X будет частота, а по оси Y — коэффициент отражения сигнала. В результате там, где на графике будет провал (то есть наименьшее отражение сигнала), будет рабочий диапазон антенны.
Воображаемый график зависимости отражения от частоты. На всем диапазоне отражение 100%, кроме рабочей частоты антенны.
Прибор Osa103 Mini
Для измерений мы будем использовать OSA103 Mini. Это универсальный измерительный прибор, который объединяет осциллограф, генератор сигнала, анализатор спектра, измеритель АЧХ/ФЧХ, векторный антенный анализатор, измеритель LC, и даже SDR-трансивер. Рабочий диапазон OSA103 Mini ограничен 100 МГц, модуль OSA-6G расширяет частотный диапазон в режиме ИАЧХ до 6 ГГц. Родная программа со всеми функциями весит 3 Мб, работает под Windows и через wine в Linux.
Osa103 Mini — универсальный измерительный прибор для радиолюбителей и инженеров
Направленный ответвитель
Направленный ответвитель (directional coupler) — устройство, которое отводит небольшую часть ВЧ-сигнала, идущего в определенном направлении. В нашем случае он должен ответвлять часть отражённого сигнала (идущего от антенны назад в генератор) для его измерения. Наглядное объяснение работы направленного ответвителя: youtube.com/watch?v=iBK9ZIx9YaY
Основные характеристики направленного ответвителя:
- Рабочие частоты
— диапазон частот, на которых основные показатели не выходят за пределы нормы. Мой ответвитель рассчитан на частоты от 1 до 1000 МГц - Ответвление (Coupling)
— какая часть сигнала (в децибелах) будет отводится при направлении волны из IN в OUT - Направленность (Directivity)
— насколько меньше сигнала будет отводится при движении сигнала в обратном направлении из OUT в IN
На первый взгляд это выглядит достаточно запутанно. Для наглядности представим ответвитель как водопроводную трубку, с небольшим отводом внутри. Отвод сделан таким образом, что при движении воды в прямом направлении (от IN к OUT), отводится существенная часть воды. Количество воды, которое отводится при этом направлении, определяется параметром Coupling в даташите ответвителя.
При движении воды в обратном направлении отводится значительно меньше воды. Ее следует воспринимать как побочное явление. Количество воды, которое отводится при этом движении, определяется параметром Directivity в даташите. Чем этот параметр меньше (больше значение dB), тем лучше для нашей задачи.
Принципиальная схема
Так как мы хотим измерять уровень сигнала, отраженный от антенны, подключаем ее к IN ответвителя, а генератор к OUT. Таким образом на приёмник попадёт часть отражённого от антенны сигнала для измерения.
Схема подключения ответвителя. Отраженный сигнал отводится на приемник
Измерительная установка
Соберём установку для измерения КСВ в соответствии с принципиальной схемой. На выходе генератора прибора дополнительно установим аттенюатор с затуханием 15 дБ. Это улучшит согласование ответвителя с выходом генератора и повысит точность измерения. Аттенюатор можно взять с затуханием в 5..15 дБ. Величина затухания автоматически учтётся при последующей калибровке. Аттенюатор ослабляет сигнал на фиксированное число децибел. Главной характеристикой аттенюатора является коэффициент затухания (аттенюации) сигнала и рабочий диапазон частот. На частотах вне рабочего диапазона характеристики аттенюатора могут непредсказуемо изменяться.
Так выглядит финальная установка. Нужно также не забыть подать сигнал промежуточной частоты (ПЧ) с модуля OSA-6G на основную плату прибора. Для этого соединяем порт IF OUTPUT на основной плате с INPUT на модуле OSA-6G.
Для снижения уровня помех от импульсного источника питания ноутбука все замеры я провожу при питании ноутбука от батареи.
Представляю вашему вниманию обновленный калькулятор антенны Харченко. Антенна смоделирована в программе HFSS и оптимизирована для Wi-Fi и 3G диапазонов. . Диаметр провода соответствует стандартному набору сечений провода электропроводки. Без существенных изменений характеристик антенны можно применить ближайший имеющийся в наличии. Форма рамок скругленная на изгибах, что позволяет добиться максимально широкой полосы пропускания и облегчает изготовление антенны. В отличии от Bi-Quad Тревори Маршалла рефлектор не имеет бортиков. Подробнее о возможных вариантах конструкции читайте в соответствующей статье. Если кто-то сюда попал в поиске расчета антенны Харченко для цифрового телевидения (DVB-T2), то имейте ввиду, что такая «цифровая» антенна не требует расчета и описана другой статье. Хотя, если вы просто хотите рассчитать 75-омную антенну для определенной частоты ДМВ диапазона, то данный калькулятор позволяет это сделать.
Схематическое изображение антенны:
Боковые стойки изготавливаются из металлических болтов или шпилек М2-М8 в зависимости от диаметра провода и крепятся к рефлектору и вибратору посредством гаек и шайб. Поскольку в точках крепления находятся узлы напряжения, так называемые точки нулевого потенциала, то по стойкам токи не текут. Поэтому металлические стойки могут быть и диэлектрическими, не имеет значения. На частотах выше 2 ГГц диэлектрические стойки более предпочтительны. Размеры даны по центральным осям провода, размер D — от оси провода (плоскости вибратора) до поверхности рефлектора. Размер R — радиус скругления провода. Важна точность общей длины провода (при этом периметры каждого квадрата должны быть одинаковыми), а также расстояния D, размеры W и H допускают некоторое округление размеров. Радиус R не критичен и примерно одинаков по всем точкам изгиба. Промежуток между проводами в месте подключения минимально возможный. Величина этого промежутка не влияет на входной импеданс антенны, а все утверждения об обратном основаны на моделях MMANA и ошибочны, поскольку в точке подключения не соблюдаются основные ограничения вычислительного ядра NEC. Антенна подключается 50-омным либо 75-омным коаксиальным кабелем. (КСВ < 2). Расчетный коэффициент усиления не менее 10 dBi. Рефлектор цельнометаллический, но возможно использование сетчатого рефлектора, как на схеме. Параметры такого рефлектора можно определить воспользовавшись онлайн калькулятором рефлектора из металлической сетки. Поляризация антенны, при расположении ее как на схеме, — вертикальная. При горизонтальной поляризации разверните целиком все полотно на 90°.
Калькулятор обновлен 29.05.2020. При повторных расчетах не забудьте обновить кэш браузера.
ВВЕСТИ ДАННЫЕ: Очистить все
© 2020 — 2020 Valery Kustarev Ограничения и особенности расчетов антенн
Расчет, аналогичный этому калькулятору, есть в андроид приложении Cantennator, доступном на Google play. Вы его можете загрузить на свое мобильное устройство, нажав на QR-код ниже или отсканировав его. Не забудьте оценить приложение…
Подобные упрощенные калькуляторы:
- Калькулятор другой конструкции антенны, основанной на оригинальгой статье Тревори Маршалла.
- Калькулятор Bi-loop антенны
- Калькулятор Double Bi-quad антенны
Для симметрирования и отсечки тока питающий фидер необходимо завести через точку нулевого потенциала (возле стойки) и проложить по одной из рамок. Оплетка припаивается к тому плечу, по которому проходит фидер, центральная жила к противоположному
Если на частотах ДМВ по антенной рамке можно проложить непосредственно фидер снижения, например распространенный RG6, то на СВЧ, это сделать нельзя. Необходимо использовать на обоих сторонах фидера пигтейлы из тонкого коаксиального кабеля, например , для 50-и омной антенны или для 75-и омной. Однако для уменьшения затухания сигнала в качестве магистрального фидера снижения нужен именно толстый коаксиал.
Проволоку для рамок на низкочастотных диапазонах можно заменить металлической пластиной с шириной равной расчетному диаметру провода. При этом длина пути по центру пластины должна быть равна длине провода из калькулятора.
В диапазоне 2100 Мгц (3G UMTS) при настройке на центральную частоту 2045 Мгц антенна, в отличии от Double Bi-Quad, имеет достаточно широкую полосу пропускания при КСВ < 2 и хотя также не захватывает как исходящий так и входящий каналы, однако, если не страдать перфекционизмом, вполне может быть использована, хотя в этом случае лучше стоит обратить внимание на более удачные конструкции, например на «Гнутик» или панельную широкополосную антенну «Эллипс-патч 2х2» с высоким усилением, либо использовать оптимизированную специально для этого диапазона. Список таких оптимизированных конструкций для большинства диапазонов собран в конце статьи.
.
Диапазон Wi-Fi без труда и с запасом вкладывается в полосу пропускания антенны:
Довольно часто в этих ваших интернетах можно встретить случаи, когда данную антенну называют «двойной квадрат» или биквадрат. Это неправильно, друзья! Пошло это от дословного перевода названия антенны BiQuad с английского и от незнания наших собственных традиций. Дело в том, что двойной и тройной квадрат — давно известные у наших радиолюбителей, но принципиально другие конструкции, в англоязычной литературе носящие название «». А эта антенна у нас всегда носила название зигзаг Харченко, в честь автора конструкции, который и изобрел ее в 1958 г.
Полезные ссылки:
- Обсуждение антенны Харченко на форуме сайта
- Антенна Харченко для цифрового телевидения
- Удвоенный зигзаг Харченко для цифрового телевидения
Оптимизированные конструкции зигзага Харченко для отдельных диапазонов с рефлектором в виде короба, который закрывается радиопрозрачной пластиковой крышкой:
- — Исследование лияния коаксиального балуна, проложенного вдоль плеча антенны на характеристики зигзага Харченко
0
- Comments (210)
- VK ()
- Facebook ()
Комментарии
«1112131415161718192021
#201 валентин 19.03.2015 16:24 Цитирую 3G-Aerial admin:
Вот эквивалентная схема с двумя двойными квадратами с согласованием на полосковых линиях…
Размеры есть можно гденибуть посмотреть например длина полоски под 75ом или под 900мгц подругому делать и подробное соглосование
#202 3G-Aerial admin 19.03.2015 18:35 Цитирую валентин:
Размеры есть можно гденибуть посмотреть например длина полоски под 75ом или под 900мгц подругому делать и подробное соглосование
Это фото с «буржунетного» форума. К сожалению чудак размеров не привел. 
Здесь двусторонний текстолит. Нижняя сторона фольги соединяется с нижней стороной рамок и «землей» коннектора (он в центре под текстолитом). Сверху широкие полоски — четвертьволновы е согласующие отрезки. Узкие полоски — ‘фидеры’ 50 ом. Размеры можно посчитать, времени нет. Может кто возьмется?
#203 Борис 19.03.2015 18:41 Перекрестия должны быть изолированы друг от друга как я понимаю? И еще, извините за офф. Будет ли развиваться тематика сайта? Интересуют так же панельные антенны, в сети, в отличии от антенн Харченко, крайне скудная информация о них. Народ готовые покупает, хвалит.
#204 валентин 20.03.2015 04:30 https://4pda.ru/pages/go/?u=http%3A%2F%2Frj3dde.narod.ru%2Fwifi3%2Fwifi3.htm : извините та сылка не работает вот здесь подробное описание и подключение такой антены посмотрите можноли пересчитать под 3g или 2g
#205 Борис 28.03.2015 19:39 Цитирую 3G-Aerial admin:
Двойная восьмерка эквивалентна 2-м независимым антеннам. Дело в том, что увеличение усиления в 2 раза, как пишут в комментариях выше, и есть +3 dB. Вариант двойной восьмерки самый оптимальный. .
Собрался лепить двойную восьмерку. Все же немного непонятно, изображения/фот о наверное с толку сбивают. Продолжение стороны L1 за перекрестием — равна длине L1 или L2 ? Чему равны стороны внешних квадратов(ромбо в)
#206 3G-Aerial admin 28.03.2015 21:09 Цитирую Борис:
Собрался лепить двойную восьмерку. Все же немного непонятно, изображения/фото наверное с толку сбивают. Продолжение стороны L1 за перекрестием — равна длине L1 или L2 ? Чему равны стороны внешних квадратов(ромбов)
Стороны можно сделать равными L1. Появится свободное время, выложу расчеты двойного квадрата и удвоенного двойного квадрата как на фото выше в посте #200.
#207 Борис 29.03.2015 13:51 Цитирую 3G-Aerial admin:
Появится свободное время, выложу расчеты двойного квадрата и удвоенного двойного квадрата как на фото выше в посте #200.
ОтличнО, а если двойную можно будет спаивать без текстолита , вообще здорово.
#208 Андрей 30.03.2015 18:18 СПАСИБО авторам за программу. Результат -77 dBm (на открытом месте до -65 dBm) и прирост drc recuested (измерял программой AxesstelPst EvDO BSNL) от 1228 без антены до 3072 kbps (максимум для rev A)! Частота 860 МГц, проволка диаметром 3 мм, до вышки больше 5 км. АХТУНГ: сделал 1 рефлектор меньше расчетного, результат был, но когда добавил еще один проволочный от телевизионной антены (в 2 раза больше расчетного) тогда антена дала еще лучший сигнал. Для максимальной скорости важно направление антенны.
#209 Андрей 30.03.2015 18:25 во избежание разных вопросов просьба не путать drc recuested и скорость загрузки (доходило до 1,7 Мб/с при тесте), а реально в опере до 280 кб/с, торренты и через загрузчики еще не пробовал.
#210 Андрей 30.03.2015 18:31 использовал сопротивление антены для расчет 75 Ом, кабель 75 Ом 2 м.
«1112131415161718192021
Обсуждение этой статьи уже закрыто, предлагаю воспользоваться соответствующей веткой форума, либо комментариями во вкладках VK или Facebook.
Калибровка
Перед началом измерений необходимо убедиться в исправности всех узлов прибора и качестве кабелей, для этого соединяем генератор и приемник кабелем напрямую, включаем генератор и проводим измерение АЧХ. Получаем почти ровный график на 0dB. Это значит, что на всем диапазоне частот вся излучаемая мощность генератора дошла до приемника.
Подключение генератора напрямую к приемнику
Добавим в схему аттенюатор. Видно почти ровное ослабление сигнала на 15dB на всем диапазоне.
Подключение генератора через аттенюатор на 15dB к приемнику
Подключим генератор к разъему OUT ответвителя, а приемник к CPL ответвителя. Так как к порту IN не подключено нагрузки, весь генерируемый сигнал должен отражаться, и часть ответвляться на приемник. Согласно даташиту на наш ответвитель (ZEDC-15-2B), параметр Coupling равен ~15db, значит мы должны увидеть горизонтальную линию на уровне около -30 дБ (coupling + затухание аттенюатора). Но так как рабочий диапазон ответвителя ограничен 1 ГГц, все измерения выше этой частоты можно считать не имеющими смысла. Это отчетливо видно на графике, после 1 ГГц показания хаотичны и не имеют смысла. Поэтому все дальнейшие измерения мы будем проводить в рабочем диапазоне ответвителя.
Подключение ответвителя без нагрузки. Виден предел рабочего диапазона ответвителя.
Так как данные измерений выше 1 ГГц, в нашем случае, не имеют смысла, ограничим максимальную частоту генератора до рабочих значений ответвителя. При замерах получаем ровную линию.
Ограничение диапазона генератора до рабочего диапазона ответвителя
Для того, чтобы наглядно измерять КСВ антенн, нам нужно выполнить калибровку, чтобы принять текущие параметры схемы (100% отражение) как точку отсчета, то есть ноль dB. Для этого в программе OSA103 Mini есть встроенная функция калибровки. Калибровка выполняется без подключенной антенны (нагрузки), данные калибровки записываются в файл и в дальнейшем автоматически учитываются при построении графиков.
Функция калибровки ИАЧХ в программе OSA103 Mini
Применив результаты калибровки и запустив измерения без нагрузки, мы получаем ровный график на 0dB.
График после выполнения калибровки
Измеряем антенны
Теперь можно приступить к измерению антенн. Благодаря калибровке, мы будем видеть и измерять уменьшение отражения после подключения антенны.
Улучшение скорости интернет-соединения антенной Харченко
Акцентируем внимание на том, что такое изделие будет принимать сигналы мобильных операторов. Поэтому девайс усилит и чистоту работы телефона, придаст преимущества в использовании беспроводных роутеров. Это отличное решение для тех, кто живет за городом, в низине и т.д.
Расчет
Для того, чтобы работа изделия была корректной, и принимала трансляционную волну, важно правильно провести расчет антенны харченко для цифрового ТВ и роутера. По размеру усилитель для роутеров будет чуть больше ладони. Он подойдет для частоты волн мобильного интернета в диапазоне от 1,9 до 2,1 гГц. Точные параметры зависят от оператора, однако отличаются они немного. Уточнить параметры следует у провайдера или мобильного оператора.
Сборка
Здесь также сгибаете проволоку по заранее очертанному плану, паяете края и добавляете кабель. Готовое оборудование коннектится с точкой доступа.
Подключение
Большинство современных роутеров не содержат готового разъёма для антенного кабеля, поэтому его придётся соединять напрямую. Для этого понадобится разобрать роутер или сотовый телефон; отключить датчик, ответственный за прием сигнала и соединение с сетью. Последний этап — подключить на его место изготовленный усилитель.
Как сделать логопериодическую антенну для цифрового ТВ своими руками: размеры, чертежи
Телескопическая антенна
Попробуем рассчитать, на сколько нужно выдвинуть телескопическую антенну для диапазона 433MHz. Формула расчета длины волны: λ = C/f, где C — скорость света, f — частота. 299.792.458 / 443.000.000 = 0.69719176279 Полная длина волны
— 69,24 см
Половина длины волны
— 34,62 см
Четверть длины волны
— 17,31 см
Рассчитанная таким образом антенна оказалась абсолютно бесполезна. На частоте 433MHz значение КСВ — 11.
Экспериментально выдвигая антенну, мне удалось добиться минимального КСВ 2.8 при длине антенны около 50 см. При этом оказалось, что толщина секций имеет большое значение. То есть, при выдвигании только тонких крайних секций, результат был лучше, чем при выдвигании на ту же длину только толстых секций. Не знаю, насколько впредь стоит полагаться на эти расчеты с длиной телескопической антенны, потому что на практике они не работают. Может быть с другими антеннами или частотами это работает иначе, не знаю.
Особенности конструкции антенны
Дециметровый вариант
Особенностью конструкции антенны Харченко является фиксированное соотношение между периметром каждого из ее двух квадратов и длиной принимаемых волн (они должны быть равны). Для получения нужной напряженности наведенного поля также важно правильно подобрать диаметр провода рамки.
Поскольку эфирное вещание ранее было ориентировано на метровый диапазон, для приема такого сигнала потребовался бы провод диаметром порядка 12 см. В этом случае зигзагообразная антенна получалась слишком громоздкой и неудобной в эксплуатации, а ее размеры не позволяли бы пользоваться ей в домашних условиях.
Второе свое рождение зигзагообразные антенны Харченко пережили в момент появления эфирного вещания в дециметровых диапазонах.
Дополнительная информация. Рассчитанная на приём ДМВ сигнала зигзагообразная антенна должна иметь фиксированные размеры, которые будут рассмотрены в следующих разделах.
Волновое сопротивление, на которое рассчитываются такие самодельные конструкции, составляет обычно порядка 50 Ом. Этот показатель, тем не менее, хорошо согласуется с типовой коаксиальной линией с соответствующим параметром, равным 50-ти (75-ти) Омам. Для расширения полосы пропускания телевизионного сигнала такая антенна изготавливалась не из простой проволоки, а из плоской медной или алюминиевой шины, отдельные части которой соединялись в биквадрат посредством заранее отобранных алюминиевых заклепок (фото ниже).
Изделие из шины на заклепке
В местах сочленения полос из меди антенна диапазона ДМВ дополнительно пропаивалась; при этом за ее длину принималось расстояние между заклепками. В тех случаях, когда с целью уверенного приема приходилось пользоваться стандартным антенным усилителем, разработчики обходились без второго квадрата (для уверенного приема достаточно было и одного).
Исполнение в стандарте DVB-T2
Цифровое вещание, обозначаемое стандартом «dvb t2», ведется, как известно, на частотах дециметрового диапазона, соответствующих ТВ каналам с 21 по 69-ый, с использованием формата «мультиплекс». Во многих городах России местные телевизионные станции постепенно переходят на формат вещания тв dvb, что вызывает определенный интерес к обеспечению его уверенного приема.
В связи с этим пользователь обязан знать, что самодельная конструкция для т2 должна иметь те же размеры, что и классическая антенна для дециметрового цифрового вещания.
Важно! Современные телевизионные приемники, в комплект которых входит антенна для цифрового сигнала, при близком расположении передающей станции могут ослаблять его.
В особых ситуациях, когда передатчик для т2 диапазона находится совсем близко, при использовании старой рамочной конструкции придется либо полностью снять второй квадрат (или экран), либо выбрать менее чувствительный усилитель.
В качестве вариантов изготовления дцв конструкции можно выбрать следующие решения:
- Сделать совершенно новое приемное устройство для t2 своими руками;
- Попробовать соорудить комбинированную антенну, содержащую элемент в виде окружности из проволоки длиной 55,5 см (смотрите фото ниже);
- С ее помощью можно будет принимать все известные форматы (включая 3g мобильной связи).
Комбинированная антенна
Второй из этих способов изготовления антенны для цифровой связи подробно рассмотрен в следующем источнике https://elquanta.ru/antenna/kharchenko.html.
В том случае, когда нужно изготовить конструкцию для приема сигналов Интернета, включая каналы Bluetooth, WiFi (3g, 4g) или мобильной связи, работающие на сверхкоротких волнах, габариты такой антенны будут совсем миниатюрными.
Размеры антенны для 3g из-за высокой частоты будут ограничены длиной в 10 сантиметров, а все возможные разновидности самодельного изделия можно будет собирать, используя один и тот же чертеж.
Существенные различия, касающиеся всевозможных вариантов исполнения миниатюрной антенны (для Bluetooth или для сотового телефона), проявятся только в размерах самой приемной конструкции.
Дополнительная информация. При необходимости расчета такой антенны вы можете использовать онлайн-калькулятор.
Порядок расчета в этом случае задается методикой использования конкретного сетевого ресурса (эти методики широко представлены в сети как для т2, так и для других форматов тв сигнала).
Кусок провода на 433MHz
Часто во разных приборах, вроде радиовыключателей, можно видеть кусок прямого провода в качестве антенны. Я отрезал кусок провода, равного четверти длины волны 433 МГц (17,3см), и залудил конец так, чтобы он плотно вставлялся в разъем SMA Female.
Результат получился странный: такой провод неплохо работает на 360 МГц но бесполезен на 433 МГц.
Я начал по кусочку обрезать провод с конца и смотреть на показания. Провал на графике начал медленно сдвигаться в вправо, в сторону 433 МГц. В итоге, на длине провода около 15,5 см, мне удалось получить наименьшее значение КСВ 1.8 на частоте 438 МГц. Дальнейшее укорачивание кабеля привело к росту КСВ.
