Между разработчиком радиоканального устройства и котом Базилио есть что-то общее. Оба героя работают с полями и оба помогают закапывать материальные ценности. Но если кот только прикидывается слепым, чтобы заработать денег, то разработчик таковым является. Не по своей воле мы получаем заработную плату за скопированные из мануалов готовые и совершенно непроверенные решения. Следовал четким указаниям производителя, трассировку бережно заимствовал с отладочного кита, дорожки и антенну рассчитал по широко известной методике или в известной программе.
Правильный выбор антенны является критически важным пунктом при проектировании радиоканальных устройств. Антенну необходимо подобрать под частоту рабочего диапазона и согласовать с выходным каскадом. При хорошем согласовании мощность передатчика излучается в окружающее пространство, при плохом – возвращается обратно. Немалое значение играет цена антенны, её повторяемость. Часто приходится сталкиваться с конструктивными ограничениями, малой площадью печатной платы или её сложной геометрией. Проверить параметры антенны можно при помощи векторного анализатора. Долгое время данные приборы были недосягаемы для радиолюбительских целей, да и компании зачастую жмотятся на покупку дорогостоящего оборудования. К счастью, времена меняются.
NanoVNA-F V2
Проверка брелка для ворот показала удручающие результаты, дальность связи не более 30 метров. На приемнике трансивер такой же, одинаковы опорные генераторы, идентична трассировка. Уровень сигнала в ответном пакте от приемника существенно выше, на последнем установлена выводная антенна. Брелок конечно можно приложить к подбородку, тем самым увеличив расстояние на лишних 10 метров, также можно поэкспериментировать с поляризацией. А как быть с устройствами, которые не подразумевают присутствие человека (всевозможные датчики, звонки, охранные приборы)?
Около года назад впервые наткнулся на бюджетный векторный анализатор NanoVNA. Почитал отзывы, посмотрел характеристики и покупку отложил. Но время идет, а нерешенные проблемы остаются. Недавно в компании предложили оплатить покупку такого прибора, это же не Anritsu S331E на который я изначально рассчитывал. Ну, уж нет, такой девайс я куплю себе сам. Так и обзавёлся бюджетным векторным анализатором NanoVNA-F V2.
Прибор создан на основе открытого проекта и поставляется с набором заглушек и переходников. Заглушки нужны для калибровки анализатора. Процедура очень простая, после установки частотного диапазона последовательно закручиваем заглушки: изолированная, перемычка, 50 Ом. Три шага и прибор откалиброван. Подробное о работе анализатора можно узнать на сайте производителя. Для проверки антенны дополнительно понадобится переходник, его в комплекте нет. На AliExpress такой можно подобрать по поисковому запросу «Штекер SMA, открытый кабель».
У заглушки OPEN нет центрального проводника, она обладает бесконечным сопротивлением (изолирует).
У заглушки SHORT центральный проводник замкнут на корпус (нулевое сопротивление).
У заглушки LOAD (стального цвета) сопротивление составляет 50 Ом.
Приобретенный векторный анализатор NanoVNA-F2 V2 работает в диапазоне частот от 50 кГц, до 3 ГГц. Динамические диапазоны S21: 70 дБ (1,5 ГГц), 60 дБ (3 ГГц); S11: 50 дБ (1,5 ГГц), 40 дБ (3 ГГц). Это означает, что ниже указанных значений будут наблюдаться искажения сигнала, вносимые самим прибором. Для сравнения, у векторного анализатора Tektronix TTR506A динамический диапазон > 122 дБ. Правда, эквивалентная стоимость последнего равна однокомнатной квартире на окраине Саратова. NanoVNA-F2 V2 имеет алюминиевый корпус, что дополнительно экранирует электронику. Прибор можно подключить к компьютеру и сохранить данные при помощи утилиты NanoVNA Saver. Выходная RF мощность анализатора составляет -9 дБм (погрешность в пределах 1 ГГц: ± 1 дБ). Мощность указывается в децибел милливаттах, т.е. единицах относительно уровня в 1 мВт (0 дБм).
S-параметры
В теории СВЧ характеристики устройства описывают при помощи матрицы S-параметров. Данные параметры оказались удобны как с математической точки зрения, так и для измерения. Физический смысл параметров показан на рисунке.
S11 - коэффициент отражения от входа;
S22 - коэффициент отражения от выхода;
S21 - коэффициент передачи "падающей волны" от входа к выходу;
S12 - коэффициент передачи от выхода к входу.
При проверке антенны анализатором интересуют её комплексное сопротивление и возвратные потери. Первое можно понять из круговой диаграммы полных сопротивлений - диаграммы Смита. Каждой точке плоскости диаграммы соответствует единственное значение комплексного нормированного сопротивления. Активное сопротивление соответствует горизонтальной оси, емкостная и индуктивная составляющие смещают точку на диаграмме вниз и вверх. Сказанное легко проверить, используя заглушки. При правильной калибровке заглушка с сопротивлением 50 Ом переместит точку на экране анализатора в центр диаграммы.
Возвратные потери показывают, насколько сильно отражается передаваемый сигнал от приемника обратно к генератору из-за несоответствия импеданса. При идеальном согласовании выходное сопротивление радиоканального трансивера равно входному сопротивлению антенны и вся энергия передатчика рассеивается в окружающее пространство. При плохом согласовании разработчик понимает, что то-то идёт не так и покупает векторный анализатор.
Проверка антенны
Производители радиоканальных трансиверов, такие как Texas Instruments, ST Microelectronics, Semtech, NXP, SiLab, Johanson Technology и многие, многие другие создают не только прекрасные микросхемы, антенны и балуны, необходимые для передачи данных в ISM диапазоне, но и обеспечивают разработчиков обильными справочными данными. Подходящую для вашей цели антенну можно найти в Reference Manual (не забудьте включить VPN):
Моим фаворитом является компания Texas Instruments. Если речь идет о PCB-антенне, то как правило имеется не только необходимая документация, но и готовая топология в CAD. Порывшись в коробке со старыми платами, нашёл несколько устройств с антенной типа F для разных частотных диапазонов, дипольной антенной, спиральной антенной (выводной и PCB), разными типами штыревых антенн. Протестируем некоторые из них.
Начнем с небольшого радиоканального реле, в котором установлена антенна TX2400-FPC-4405. Чтобы оценить её качество, вспомним, что уровень КСВ антенны при приеме должен быть не более четырех. Возвратные потери пересчитываются в КСВ, который для представленного случая примерно соответствует двум.
Оценивать качество PCB антенн нужно более внимательно, т.к. на характеристики последних влияет буквально все: топология платы и число слоев, расположенные рядом электронные компоненты, пластиковый корпус и даже вы со столом и стулом. Результаты теста для антенны типа F на 868 МГц порадовали. Антенна попадает в рабочий диапазон и достаточно хорошо согласована.
Характеристики PCB антенны можно улучшить при помощи дополнительных SMD компонентов. В документе SWRA726 описывается, как это сделать (не забудьте включить VPN).
Проверка устройства с антенной ANT-868-CW-HWR-SMA показала неожиданные результаты. Согласно документации резонансная частота антенны составляет 868 МГц. Измерения же демонстрируют иные значения. И хотя на 868 МГц антенна еще функционирует (КСВ ≈ 2,5), с чем связано смещение центральной частоты не ясно. Проблема либо в копланарной линии связи, либо в том, что антенна прибыла из поднебесной.
Не менее интересны результаты для спиральной антенны с заявленной резонансной частотой 868 МГц. Оказалось, что на качество её работы сильно (даже драматично) влияет ориентация относительно полигона земли. При перпендикулярном расположении к плате она показывает наилучшие, хотя и неважные результаты.
Спиральные антенны легко рассчитать (по широко известной методике), достаточно легко изготовить, она не занимает много места. Проверки нескольких спиральных антенн с разной толщиной проволоки, шагом спирали и изготовленных из разных материалов дали посредственные результаты. Если частоту легко согласовать подрезкой антенны, то что делать с возвратными потерями?
Напоследок вернемся к проблеме, упомянутой в начале статьи. Проверяем печатную антенну типа F, рассчитанную на 2,4 ГГц, результаты радуют. Обнаружить проблему, которую легко устранить намного приятнее, чем ничего не найти. Резонансная частота в данном случае смещена в область нижних значений, что легко исправить подрезкой антенны. И хотя характеристики последней далеки от идеальных, все же подстрока частоты позволила увеличить дальность связи на 10…15 метров. Учитывая, что устройство используется для открытия ворот, общий результат связи в 40…50 метров вполне приемлем.
Для качественной разработки нужны хорошие инструменты. Некоторые более или менее доступны – бюджетный осциллограф, прецизионный мультиметр, источник питания на несколько каналов. Двухканальный ATTEN ADS1042C мной был приобретен ещё в студенческие годы. О других приборах, например регулируемой нагрузке или анализаторе спектра можно было только мечтать. Но вот прошло каких-то 10 лет… и он видит сон юности дивной. Все доступно за относительно небольшие деньги с доставкой на дом. И пусть характеристики таких приборов существенно уступают профессиональному оборудованию, иметь под рукой TinySA, NanoVNA и XY-FZ35 намного лучше, чем не иметь ничего.
Покупка векторного анализатора, разумеется, не решает разом все проблемы. Даже при хорошо спроектированной антенне трудности могут возникнуть в цепи согласования с выходным импедансом трансивера. Не менее важно поддерживать стабильность несущей частоты, иметь представление о диаграмме направленности антенны, правильно рассчитать толщины дорожек, правильно разместить полигоны заземления и даже учесть явления переотражений в помещении, где будет установлено оборудование. Но если все это сделать и сказать "крекс фекс пекс", то золотое дерево точно вырастет.
Комментарии (32)
dmitriyrudnev
17.06.2023 23:06+5Спасибо за публикацию, коллега!
На своём опыте знаю, как облегчает жизнь радиолюбителю наличие и грамотное применение (о чём собственно Ваша публикация) даже бюджетных источника питания, генератора сигналов, осциллографа и векторного анализатора.
73! de RD9F
quaer
17.06.2023 23:06Рисунок 6 верный? Линия S11 странно выглядит, падения на 2.4 ГГц не видно. Или это иллюстрация, что резонанс аненны неверный и ниже 2 ГГц?
Как выбираете место где подрезать?
Evgeny_E Автор
17.06.2023 23:06+1Да, это иллюстрация того, что резонанс антенны смещен. В данном случае антенну необходимо укорачивать, т.к. рабочая частота смещена в сторону нижних частот. Подрезать нужно "маленькими шагами", примерно по 1 мм. После каждой подрезки повторно проверяем характеристику.
Astrei
17.06.2023 23:06+1В очередной раз хотел бы прорекламировать прибор Osa103. Он заткнет за пояс любой китайский векторный недоанализатор как по скорости так и по точности измерений. По цене (по крайней мере раньше) был вполне доступный. Не знаю правда можно ли купить сейчас, разработчик говорил о проблемах с комплектующими.
Moog_Prodigy
17.06.2023 23:06+1Оса хорошая, но и до всех событий ее доступность в продаже и цена оставляли желать лучшего.
nikhotmsk
17.06.2023 23:06+4Ура, статья человеческим языком. В сто раз лучше чем видео в ютубе на аналогичную тему, даже по английски.
Astroscope
17.06.2023 23:06+3В сто раз лучше чем видео в ютубе на аналогичную тему
Люто, бешено плюсую! ©
даже по английски
Так с англоязычными видео та же беда, что и с любыми другими - вместо в своем темпе прочитать текст и рассмотреть иллюстрации, приходится слушать в темпе автора, страдая от скуки на уже известном и неудобно перематывая назад на недопонятых моментах, и развивая навык нажимать на паузу, когда хочется спокойно рассмотреть иллюстрацию. В результате времени и усилий уходит до черта, а пользы от просмотра - около нуля.
N1X
17.06.2023 23:06Tektronix TTR506A динамический диапазон > 122 дБ. Правда, эквивалентная стоимость последнего равна однокомнатной квартире на окраине Саратова.
Тектроникс что-то больше VNA решил не делать, и похоже продал эту модель другой компании. Теперь это Minu-Circuits EVNA-63+
Но правда купить его от этого не проще, даже не из-за цены, понятное дело...
arrggh
17.06.2023 23:06спасибо, хороший ликбез по антеннам и их анализу. правильно ли я понимаю, что на алике лучше даже и не смотреть на эти устройства? или бывает приличное изготовление?
Evgeny_E Автор
17.06.2023 23:06Ну а где же их тогда покупать? Если есть возможность сделать печатную антенну - то это хороший вариант. Можно выбрать тип, найти нужную документацию с характеристиками и подстроить на прототипе. Но часто на плате просто нет места. Тогда придется рисковать и выбирать из того что есть. Можно приобрести несколько типов и обязательно их проверить. Печальный опыт покупки сомнительной антенны имеется, которая в итоге не заработала. До сих пор не могу понять, как мы тогда так сели в лужу. Но то была простая спиральная антенна. Когда антенна стоит хоть каких-то денег и есть коннектор или плата, то шансы на успех увеличиваются.
arrggh
17.06.2023 23:06с хвостиками-то ладно. али - и откусывать до результата. я про сам анализатор интересуюсь, можно ли китайским клонам доверять.
N1X
17.06.2023 23:06Спиральная антенна все же это конкретный тип антенны, коей эти "пружинки" с алика не являются, они же обычный изувеченый штырек, в отличии от спиральной антенны. Лучше как-то по-другому их называть...
Astroscope
17.06.2023 23:06В русскоязычной литературе спиральные антенны продольного и поперечного излучения называются одинаково и, будучи в принципе различными, понимаются из контекста. Смиритесь или используйте международную традицию наименования.
GennPen
Вроде интересно написано, но мне как человеку не очень далекому от антенной механики непонятны эти кружочки и линии на приборе. Можете дать ссылку где почитать простыми словами, или объясните вкратце, что они означают и как их понимать?
kkuznetzov
Это диаграмма Смита или Smith Chart.
Если набрать в Google: Smith Chart Basics, то будет отличное описание.
Ролик от Rohde Schwarz.
GennPen
Спасибо. Вроде понятней стало.
Evgeny_E Автор
Короткое пояснение для читателей, которые не захотят разбираться с диаграммой. Выходное сопротивление радиоканального передатчика представляет некоторую комплексную величину. Это означает, что в выходном каскаде микросхемы присутствуют некоторые ёмкости или индуктивности. Например, для микросхемы SX1261 выходное сопротивление равно 13,5 + j ∙ 7,6 Ом. Антенны проектируются на входное сопротивление 50 Ом. Понятно дело, что кусок проволоки – это не резистор, но на высоких частотах его можно считать таковым. Соответственно задача разработчика – согласовать трансивер и антенну между собой. Производители дают готовые согласующие цепочки, которые нужно тщательно скопировать в собственный дизайн. И вроде только остается соединить трансивер + согласующая цепочка (балун) + антенна. Но это не всегда работает из-за плохого качества антенны, т.к. последняя также может иметь емкостную или индуктивную составляющую. Для того чтобы представить всю информацию на одном графике, служит диаграмма Смита. Суть в том, что точка на диаграмме должна быть в центре. Однако, даже согласовав одну точку (при помощи дополнительных конденсаторов и индуктивностей), нет гарантии, что антенна будет работать в диапазоне частот (когда нужно несколько рабочих каналов). Для этого необходимо ещё смотреть на график возвратных потерь. График должен «проваливаться» как можно глубже и быть как можно «шире».
DGN
А зачем делать антенну на 50 ом? Почему бы не рассчитать ее под передатчик сразу?
Evgeny_E Автор
Такое тоже встречается. Например для трансивера CC2530 можно использовать дипольную антенну (Design Note DN041, DN004), которая подключается напрямую к дифференциальным выходам трансивера. В большинстве же случаев антенна покупная (или рассчитанная на сопротивление 50 Ом) и под неё нужен согласующий каскад. Чтобы самостоятельно спроектировать антенну, нужны глубокие знания в этой области.
zatim
50 Ом и 75 Ом (а еще и 120 ом) - это стандартные величины. На эти величины выпускается широкий ассортимент кабелей, разъемов и самих антенн. Под эти величины рассчитываются входные и выходные цепи ВЧ измерительных приборов, разветвителей (сплиттеров), делителей (аттенюаторов) и прочей вспомогательной аппаратуры.
Если антенна печатная, и будет работать исключительно только с конкретной микросхемой, то да, их можно согласовать как это более удобно. Но если сигнал пойдет через разъем по кабелю и на готовую антенну, тогда нужно согласовывать с волновым сопротивлением разъема, кабеля и антенны, а это обычно или 50 или 75 Ом.
Astroscope
Это фактический стандарт. Подавляющее большинство трансиверов рассчитываются на несимметричную 50-омную нагрузку. Не потому, что это какой-то там лучший или единственный вариант, а потому что это фактический стандарт, которому следуют по сути все за более чем нечастыми исключениями.
Среднестатистический передатчик имеет несимметричный 50-омный выход. Рассчитанный на среднестатистическую несимметричную 50-омную (в теории) антенну. На практике конструирование антенн часто выполняется удручающе плохо, по остаточному принципу - об этом, собственно, в статье и упоминается.
iggr63
50 Ом также оптимум по максимальной мощности и вносимого затухания в кабеле. Поэтому передатчики и антенные фидеры чаще всего 50-ти омные. А приемники и их фидеры - 75, как у винтажных телевизоров.
Astroscope
Вот хорошая короткая статья по теме, из которой следует немного другое.
Единственная иллюстрация в статье, если сму статью совсем невмоготу осилить
KstnRF
Прикольно. Вы уверены что это действительно так?
В некоторых девайсах антенна на приём является и антенной на передачу. И часть СВЧ тракта к этой антенне тоже (линия, циркулятор или переключатель например).
Iustinianus
Согласно теории цепей, если импеданс передатчика мощности и приемника мощности комплексно сопряжены, то вся мощность от передатчика передается в приемник без переотражений. Теоретически никто не мешает сделать межкаскадное (в данном случае - передатчик с антенной) сопряжение импедансов без перехода к 50 Ом, практически в макроустройствах (т.е. не в микросхемах) так делают очень редко и предварительно обдумав, ибо все контрольно-измерительное оборудование рассчитано на работу в тракте 50 Ом (редко 75 Ом - для ТВ систем), и в случае проведений измерений и настройки функциональных блоков могут возникать серьезные ошибки или вообще катастрофический отказ активных устройств.
P.S. С другой стороны, согласно теореме Боде-Фано, два комплексных импеданса можно сопрячь с КСВн, равным единице, только в одной частотной точке, так что реальное устройство - это всегда некоторый компромисс между полосой и мощностью.
Indemsys
Судя по этой презентации https://www.youtube.com/watch?v=rUDMo7hwihs диаграммы Вольперта—Смита - это такой архаичный подход поддерживаемый только старыми поколениями разработчиков. Диаграммы представляют собой искривленное до круга обычное декартово комплексное пространство. Т.е. на этих диаграммах частота никак не представлена. Согласно преданиям есть разработчики по одному только виду кривой на диаграмме способные определить схему и номиналы согласующих цепочек.
С современными численными методами, наверно было бы проще видеть обычный прямоугольный график. Потому что на готовых платах уже не сделать свои согласующие цепи, да и подключение анализатора к платам очень грубое и само вносит искажения. Тут не до математики, а плюс-минус лапоть.
Пакеты моделирования, думаю, точнее бы вычислили возможные предельные отклонения и позволили бы найти более технологичные приемы согласования и управления направленностью.
Astrei
Ну это вы сильно поспешили с выводами. Диаграмма была специально создана в таком формате чтобы гармонично вписывать в себя логарифмические и бесконечные величины, с которыми любой прямоугольный график быстро окажется неюзабельным.
Вся её структура создана так чтобы всё что нужно радиотехнику было доступно взгляду, а остальное ненужное - пространственно свёрнуто в виде сходящихся в бесконечность дуг. Да, на прямоугольном графике я хорошо увижу отличие импеданса, скажем в 1кОм и 100 кОм, но зачем это мне вообще надо, когда 99.99% задач на согласование нагрузки решаются для сопротивлений 10-200 Ом? Прямоугольный график будет содержать огромные бесполезные для практических задач площади координатной сетки, даже будучи построенным в логарифмическом масштабе. А на диаграмме всё четко и понятно - попал в центр и получил максимальную передачу энергии от источника к приёмнику.
Диаграмма это ещё и график с квадрантами: по тому где находится точка относительно её центра можно сказать какого характера нагрузка подключена к прибору: индуктивная или емкостная, где находится резонанс (место перехода одного в другое), и что именно переходит во что. Каждая точка на диаграмме конечно же соответствует своей частоте, так что она там ещё как есть.
По диаграмме не просто можно сказать, но и напрямую сделать расчёт согласующих цепей. Именно так их раньше без компьютеров и делали. Даже сегодня диаграмма актуальна как никогда, так как она просто шедевр юзабилити среди графиков. Научившись ей пользоваться вы обретёте более глубокое и фундаментальное понимание того что такое согласование вообще и импеданс в частности.
KstnRF
Ну почему же старыми разработчиками? Новыми тоже.
Да, неудобно что частота явно не отображается, зато вместо кучи графиков в декартовой системе координат, можно использовать эту диаграмму . Где в одном месте собраны в том или ином виде множество параметров СВЧ цепи. Отражения, КСВН, их характер, добротность, резонанс и прочее.
Есть ещё 3D диагр. Вольперта-Смита.) Не знаю насколько она юзабельна, не буду говорить за остальных.
Astroscope
Рискую нахвататься минусов, и даже наверное поделом, но все же признаюсь - мне нравятся прямоугольные графики, где по одной оси отложена частота, а по другой раздельно активная и реактивная компонента в виде двух совмещенных графиков.
KstnRF
Это индивидуальный выбор каждого. Удобство, быстрота чтения информации. Возможно для каких-то разработок удобней в прямоугольной СК, в каких-то с использованием д. Вольперта-Смита.
Iustinianus
Добавлю к написанному авторами выше:
Векторный анализатор цепей по сути своей измеряет именно S-параметры, в том числе коэффициент отражения в комплексной форме - точку на диаграмме Вольперта-Смита. При пересчете результатов измерений в декартову систему координат погрешность измерений будет точно так же пересчитываться и зависеть от положения измеряемой точки.
Написаны километры текста и тысячи статей по снижению погрешностей измерений S-параметров ВАЦ и извлечению параметров оснастки. Измерять "плюс-минус лапоть" иногда приходится, в силу стечения обстоятельств, но это не тот путь, коим должен следовать СВЧ-разработчик.
KstnRF
Так не очень далёкому, или далёкому от антенной техники?