Izdelava in merjenje prilagoditve z merilnim mostičkom, uporabno tudi za WIFI 2,4GHz antene
Začelo se je s tem:
Malo sem tudi jaz padel v WIFI vode in kot neki konstrukter, v izdelavo anten. Sama izdelava sicer običajno niti ni tako zahtevna, le najti je treba primerno dokumentacijo za izdelavo, da ni ravno neka tako "čez prst". Tu bi možnim izdelovalcem anten predlagal, da si preberejo, kaj je napisal Dragoslav YU1AW ( link ), in če se držite navodil, je uspeh zagotovljen.
Jaz sem pa seveda zelo vesel, če lahko napravljeno tudi nekako dokumentiram in pa kaj pomerim. Tako sem začel z izdelavo merilnega mostička, za merjenje prilagoditve. Izdelal sem štiri in vsi so imeli na frekvencah nad 2 GHz neke reaktance, ki so se kompenzirale na anteni. Tako so bili rezultati seveda zelo mimo. Nato sem vzel smerni sklopnik -10dB in detektor (oboje sem za smešno vsoto kupil v Nemčiji) in dobil prave rezultate. Zadeva je bila tako merljiva. Moti pa me vseeno še to, da ima tak sklopnik omejitev glede frekvenčnega pasu.
Doma imam Wiltron mostiček, ki je deklariran za področje od 10 do 1000 MHz. Z njim sicer lahko merim tudi višje, vendar je nad 2 GHz neuporaben. Tako sem se lotil izdelave kopije. Prvo sem pogledal, kaj vse imam v predalih. Našel sem koaksialni kabel, z trdim opletom, zunanjega premera 0,8mm, z teflonskim dielektrikom in impedance 50E. Našel sem štiri malo daljše feritne cevi, premera 4mm in dolžine 12mm. Našel sem pa tudi feritne perle, ki jih je včasih Elrad uporabljal v kanalnikih, nataknjene na kakšno žico. Potem še velik ferit, zunanjega premera 15mm, z luknjo 9mm in dolžine 28mm. Ta je bil včasih na žicah, ki gredo na LED diode in stikalo v starem ohišju računalnika. Imam pa še tudi malo zalogo pozlačenih SMA ženskih konektorjev, ki sem jih odlotal iz nekih zavrženih testnih plošč.
Prvo sem zaspajkal skupaj ohišje iz 1mm Cu pločevine, dolžine 52mm in take širine, da je velik ferit šel tesno noter. V ohišje sem izvrtal luknje ter prispajkal SMA konektorje. Vstavil sem velik ferit in izmeril, koliko prostora ostane za tiskanine pri zgornjih treh konektorjih in pri spodnjem. Iz dvostranskega FR4, debeline 0,8mm sem izdelal dve ploščici z povezavami širine 1,4mm, kar bi naj ustrezalo impedanci 50E. Na spodnji strani tiskanin nisem jedkal, tako da je ostala vsa površina bakra. Zgornjo ploščico, kjer so trije konektorji, sem z zadnje strani v celoti prispajkal v ohišje. Na spodnji ploščici, kjer pa prideta plašča koaksialnih kablov povezana na maso, sem v delu pri feritu, približno 2mm ploščice odreskal vstran. V ta odreskani del sem potem s strani mase prispajkal košček bakrene ploščice, tako da je bila stranica spet ravna, na katero sem lahko potem prispajkal plašč koaksialnih linij. To ploščico sem na enak način kot zgornjo prispajkal v ohišje, pri spodnjem konektorju. Sedaj sem škatlico s spodnje strani zaprl, tako da sem na njo prispajkal pokrov iz 1mm Cu pločevine. Na dolžino sem si odrezal koaksialni liniji, od katerih je pri eni uporabljen samo plašč, pri drugi pa tudi žila in sicer tako, da sta bila plašča enako dolga. Žilo sem si na obeh straneh pripravil tako, da so bile povezave čim krajše. Pri zgornjih konektorjih sem prispajkal v ohišje dva smd upora velikosti 0805 in vrednosti 51E. Koaksialni liniji sem najprej prispajkal pri spodnjem konektorju, kot rečeno, pri eni samo masa, pri drugi pa masa in žila na žilo konektorja. Nato sem gor nataknil prvo daljše ferine cevke, nato velik ferit, in na koncu z perlami napolnil prostor do zgornje tiskanine. Tako se feriti niso mogli več premikati. Liniji sem zaspajkal še na zgornji strani in mostiček je bil končan. Na koncu sem ferite še vseeno dodatno pritrdil z par kaplicami vročega lepila, tako da so res trdno v ohišju. Za zgornji pokrov sem v ogale prispajkal M3 matice in napravil še pokrov.
Prve meritve so se lahko začele.
Kot VF generator sem uporabil prvi VCO iz Matjaževega (S53MV) spektralnega analizatorja in kot detektor prvo kupljenega in nato še tistega, ki sem ga izdelal po Primoževi (S53KS) dokumentaciji. Na REF vtičnico sem privil SMA zaključni upor. Tu je sledilo prvo presenečenje, kajti rezultati so bili z obema detektorjema praktično identični. Se pravi vse, kar sem potreboval za merjenje, sem izdelal sam v svoji delavnici.
Meril sem prilagoditev Biquad antene v področju od 2400 do 2500MHz, v korakih po 10MHz. Za meritev frekvence sem uporabil 4GHz vhod na NESY, ter nanj priklopil -5dBm izhod iz oscilatorja. Meril sem tako, da sem imel prvo TEST izhod mostička prost in sem izmeril nivo napetosti iz detektorja, ter nato gor priklopljeno anteno in ponovno izmeril nivo napetosti. Meritev sem tako ponavljal in vpisoval v Excelovo datoteko, kjer sem lahko narisal tudi graf.
Dobil sem tole. V resonanci sem izmeril prilagoditev 34,1dB. Ko sem anteno nesel na sosednjo firmo, so mi na profesionalni opremi izmerili prilagoditev 34dB in enako frekvenco. Skoraj nisem mogel verjeti, pričakoval sem, da bo rezultat pravi, vendar niti v sanjah, da bo tako natančno izmerjen. Spodaj je, v rumeni barvi, krivulja prilagoditve zaključnega upora.
Preverili smo tudi sam mostiček in ugotovili, da se mu odziv začne slabšati pri frekvencah pod 7MHz, vendar se ga da dovolj dobro uporabiti tudi na 1MHz, tu pade dinamika nekje na 30dB. Pri frekvencah nad 2GHz dinamično področje mostička počasi pada in dosega pri 5GHz 30dB in pri 10GHz 20dB. Nekje nad 11GHz pa se začnejo anomalije.
Imam par izrisanih krivulj, sicer le do 3GHz, ker mi drugih niso mogli izrisati.
Prehodno dušenje mostička z nezaključenim TEST izhodom S21, TEST izhod zaključen z zaključnim uporom S21 . Ter še karakteristika prilagoditve Suhner zaključnega upora, ki ga uporabljam za referenco in še neki noname zaključni upor.
Izkazalo se je, da mi bo merilni mostiček lahko služil za merjenja s Spektralnim analizatorjem, ter z dodatnimi VF generatorji tudi na višjih frekvenčnih področjih. Tu še si moram sedaj dograditi k mojemu osciloskopu še preklopnik za dva kanala, da bom lahko gledal hkrati prilagoditev S11 in prehodno karakteristiko S21. Nisem še našel nekega pametnega načrta, zgleda da se bom moral sam spraviti zraven.
Nekaj slik, prvo spektralni analizator, še ena skupna in pa osciloskop.Meritev na pasovno propustnem situ.
Seveda, za merjenja s tem merilnim mostičkom, ne potrebuješ ravno spektralnega analizatorja. Dovolj je kateri koli generator, oscilator, VF energije (DDS, YIG...), le da ima izhodni nivo nekje med 10 in 25dBm. Dobro je, za neka uglaševanja, da mu lahko spreminjaš frekvenco. Potem pa, je dobro imeti zraven še, merilnik frekvence.
Sedaj pa Shema merilnega mostička in pa mehanski načrt.
Pa še nekaj slik, kako izgleda: celi, celi, z koaksialnimi linijami, tako izgleda to v velikem feritu , še ena, odprt, z detektorjem.
Z tem sklopnikom, je bila zadeva na 2,4GHz merljiva in rezultati pravi, le dinamično področje je bilo nižje, kot pri merilnem mostičku. Zraven je mikrovalovna sonda, za merjenje moči, ki jo priključim na merilnik napetosti. Pa še slika vsega, kar je dovolj za merjenje WIFI anten, v ozadju se vidi Biquad antena, katero sem meril, ne vidi se edino merilnik frekvence.
Pa še ena slika, predhodnega, neuspelega, mostička, ki bi naj bil optimirana kopija HA8ET, vendar je na žalost kljub optimiranju in minimizaciji neuporaben pri frekvencah nad 2GHz, vsaj moj. Zanimivo je to, da sem z njim lahko meril prilagoditev tudi na 2,4GHz in dobil neko karakteristiko, ki je izgledala dokaj realna, vendar je neka reaktanca preveč vplivala na rezultat. To sem opazil tudi tako, da če sem meril prilagoditev Biquad antene in sem šel z roko v smeri sevanja antene proti anteni, mi je že od razdalje večje od 1m prilagoditev, oziroma izhodna napetost močno nihala gor in dol. Če sem to ovrednotil, sem videl, da bi prilagoditev nihala v mejah več kot 20dB.
Pri tem novem mostičku, katerega sem opisal, se sicer prilagoditev antene, če greš z roko proti njej, tudi spreminja, z bližanjem zmeraj bolj, vendar v komaj opaznih mejah in bisveno šele, ko se sevalnega elementa dotakneš z roko.
Upam da bo opisano komu kaj koristilo in bil bi zelo vesel, če bo še kdo zadevo preiskusil in mi javil njegove izkušnje.
Aha, še to, napravil sem še en mostiček, sicer konstrukcijsko enak in z enakimi feriti, le da sem uporabil BNC konektorje. Katastrofa, uporaben je nekje do 1GHz, pa še tu ima slabše karakteristike. Ugotovil sem, da so 50E zaključni upori z BNC konektorji katastrofalnih karakteristik, pri meni eni, ki imajo zadaj kovinski zaključek, neuporabni, eni ki imajo zaključek iz zelene plastične mase, so malo boljši. Tudi ženske vtičnice imajo zgleda karakteristike bolj približno, vsaj na GHz področju.
Tako da bi za izdelavo priporočal SMA konektorje, verjetno bi pa tudi N bili vredu. In pa kvalitetni zaključni upor za referenco.
Še rezultati meritev z tem mostičkom (Excel datoteka), za katere se je izkazalo, da so zelo napačni, pripel pa sem jo zato, ker so v tabeli vstavljene formule za izračun Vhodne prilagoditve S11, Koeficient refleksije in za Razmerje stojnih valov VSWR. Frekvenca se potrebuje za risanje grafa in da pozneje veš, kje si meril, vpišeš pa vhodno napetost, ki je napetost izmerjena, brez da bi kaj priključil na TEST izhod in pa izhodno napetost, ki jo izmeriš pri priključeni anteni na TEST. Iz grafa se vidi da, ko je bila osmica antene na 14 mm, sem dobil v merjenem področju dve resonanci, kar ni prav. Ko sem razdaljo med bakreno ploščo in osmico povečal na 21 mm, se lepo vidi dolina v resonanci, kar bi sicer moralo biti, vendar je meritev nepravilna. Ena krivulja je še z zaključnim uporom preko kosa kabla in pa direktno na konektor. Ta meritev kaže, da bi imel mostiček le 10dB dinamike, kar pa tudi ni pravilno.
Glede spreminjanja razdalje med bakreno ploščo in osmico sem podatke posredoval Dragoslavu (YU1AW), ki je podatke vnesel v simulacijo in ugotovil, da se smerni diagram antene ter dobitek antene z tem nista bistveno spremenila, zelo se je pa spremenila impedanca antene, ki se je povečala, z večanjem razdalje.
Še slike teh simulacij: Kako bi naj bilo na pravi razdalji 14mm SWR, Z , ter kaj je bilo z mojo anteno, na oddaljenosti osmice od plošče 22mm SWR, Z.
73 de S55WT,
Janko
