Лабораторная работа №3 Измерение ксвн антенны с помощью rtl-sdr и источника шума.
Используя RTL-SDR устройства совместно с дешевым источником шума, возможно измерить ответ RF фильтра. Также, с помощью дополнительного устройства под названием направленный ответвитель, можно измерить КСВ антенн. Измерение ответа фильтра может быть полезным для людей, разрабатывающих свои фильтры, или если они просто хотят проверить характеристики фильтра, который приобрели. КСВ антенны определяет, где антенна резонирует и важен для ее настройки на частоту, в прослушивании которой заинтересован пользователь.
Используя лишь источник шума и RTL-SDR устройство возможно определить свойства RF фильтра. В наших экспериментах будет использоваться следующее оборудование:
Источник шума BG7TBL
12В источник питания с возможностью предоставления как минимум 0.2А для запитывания источника шума.
Устройство RTL-SDR
Т-подобный SMA коаксиальный разветвитель для тестирования коаксиальных фильтров-заглушек
Источник шума BG7TBL – широкополосный источник шума, позволяющий получить сильный шум на всем диапазоне частот RTL-SDR. Ему требуется питание от источника питания 12В, которое может быть получено из обычного источника тока. Также он использует SMA соединитель типа “Мама”, поэтому могут понадобиться некоторые адаптеры, чтобы подключить устройство к вашему тестируемому фильтру. Будьте внимательны, когда держите плату после ее использования, так как некоторые компоненты могут сильно разогреться.
Использованное программное обеспечение:
Rtl_power (keenerds build)
RTL-SDR Panorama (или любой другой rtl_power GUI или анализатор спектра RTL - SDR) - (Необязательно)
Мы будем использовать rtl_power с RTL-SDR Panorama GUI чтобы записать и отобразить график частоты на эффективном диапазоне фильтра. Если вы имеете опыт в использовании rtl_power, вы можете также использовать его без GUI. Чтобы установить RTL-SDR Panorama, поместите файл rtlpan.exe в ту же папку, где находится и rtl_power, предоставляемая с официальным выпуском RTL-SDR, или одной из версий keenerds. Рекомендуется использование версий keenerds, так как его модифицированные драйверы перестраиваются намного быстрее, делая сканирование больших диапазонов частот заметно быстрее.
Измерение ксв антенны
Наряду с оборудованием для характеристики фильтров, для определения КСВ нам понадобится:
-MiniCircuits ZFDC-20-5 направленный ответвитель
или
-RF мост.
В нашем случае мы исползуем ответвитель MiniCircuits ZFDC-15-5 с SMA соединителями. Тем не менее, ZFDC-20-5 также может быть использован. Попробуйте найти направленный ответвитель, который работает на нужных вам частотах.
Выполнение работы:
Чтобы измерить КСВ антенны, используем направленный ответвитель в обратном направлении. Подключим источник шума к выходу ответвителя, антенну ко входу, а RTL-SDL приемник к разветвляющему (CPL) входу ответвителя. Таким образом, сигнал с источника шума отразится от антенны в RTL-SDL.
Рис. 10. Установка для определения КСВ.
Откройте программное обеспечение RTL-SDR Panorama и введите диапазон частот, на котором вы хотите измерить КСВ антенны. Также, задайте разрешение 1М и усиление на 0. Далее, проведите сбор данных с антенной, отключенной от ответвителя. После этого, остановите программу и переименуйте файл scan.csv, расположенный в директории программы, на swr.csv. Заметьте, что после нажатия на кнопку “Стоп” в RTL-SDR Panorama, вам понадобится дождаться прекращения сбора информации до того, как вы сможете переименовать файл. Далее, проделайте то же самое, но с подключенной антенной. Теперь, поместите результаты измерений из swr.csv и последнего scan.csv файлов в Excel или любую подобную программу и скопируйте данные о мощности (последний столбец) из scan.csv в пустой столбец в swr.csv. Далее, вычтем значения первого столбца мощностей из второго столбца (с подключенной антенной), которые мы только что скопировали. Таким образом, получим значения возвратных потерь. Если были получены какие-либо отрицательные значения, может понадобиться регулировка значений, чтобы сделать их положительными, хоть и очень маленькими ( такими, как 0.0001). В Excel это можно осуществить, используя функцию МАКС, например, “=max(0.0001, J2)”. КСВ далее может быть рассчитан из возвратных потерь при помощи следующего уравнения:
.
Рассчитайте КСВ в другом стобце. Таблица 2. показывает, как может выглядеть полученный результат в Excel.
Таблица 2. Результаты измерения КСВ в Excel.
Теперь постройте график КСВ, используя построение графиков с частотой по оси x (горизонтальная) и КСВ по оси y (вертикальная). Смените вертикальную ось на логарифмическую шкалу для более наглядного изображения. На Рис. 11. показан график КСВ одноштыревой антенны длиной 23см, расположенной на оловянном диске диаметром 20см, служащем в качестве земной плоскости. Идеальная заземленная антенна с мачтой длиной 23см резонирует на частоте около 310МГц. Тем не менее, так как земная плоскость нашей антенны составляет лишь 20см, нижняя точка КСВ поднимется до частоты примерно 355МГц. В низшей точке КСВ принимает значение около 1.15. Использование большего диска приблизило бы нижнюю точку КСВ к 310МГц.
Рис. 11. КСВ одноштыревой антенны.
На Рис.12. сопоставляем наши результаты с симуляцией КСВ нашей 23см одноштыревой антенны и 20см земной плоскости, созданной в 4NEC2. Видно, что график реального КСВ приближен к симуляции. Немоделированные факторы, такие как коаксиальный кабель и соеденители, могут объяснять часть отклонений.
Рис. 12. Сопоставление реального и смоделированного КСВ.
На Рис. 13. Изображен график КСВ настренной антенны 1090 МГц, сделанной для ADS-B приема. КСВ на 1090 МГц принимает значение, близкое к 1.5.
Рис. 13. График КСВ 1090МГц ADS-B настроенной антенны.
Множество людей убеждены, что значение КСВ не важно для принимающих антенн. Возможно, это ложное предубеждение основано на том, что высокие значения КСВ на передающих антеннах могут разрушить передатчик, но принимающих антеннах они не представляют такой опасности. Тем не менее, даже не повреждая радио, высокое значение КСВ заметно исказит прием. На КСВ = 1.5 мы можем ожидать очень малые потери в районе 0,177дБ (4% от полученной мощности), когда КСВ равное 10 дает потерю в 4.807 дБ (67% полученной мощности).
Лабораторное задание:
Получить у преподавателя исследуемую антенну.
В соответствии методикой приведенной выше получить характеристики данной антенны с использованием приемника RTL-SDR.
В соответствии методикой приведенной выше получить характеристики данной антенны с использованием анализатора спектра Rigol dsa800.
Отобразить в отчете часть таблицы с результатами измерений.
Рассчитать коэффициент стоячей волны по напряжению в соответствии с приведенной методикой.
Отобразить в отчете результаты расчета.
Отобразить обе кривых с двух измерительных устройств в одних и тех же координатах.
Сравнить полученные данные, обьяснить причины расхождения, сделать выводы.