Пора улучшать согласование

Я работаю в фирме, которая разрабатывает устройства для умных домов на частотах 869, 915 МГц. Это маломощные устройства с антеннами из провода, PCB-антеннами и внешними штыревыми антеннами. Для работы в квартире антенна должна быть всенаправленной. Заранее не известно, где будет расположено устройство и как сориентировано. Некоторые ключевые устройства мы относили к сторонним специалистам для настройки антенны, потом использовали эти согласования в других устройствах. Какое-то время этого хватало. У нас большой парк устройств, плюс одни и те же устройства работают в разных корпусах. Это требует настройки антенны для каждого типа продукта. Обращаться каждый раз к специалистам слишком дорого, поэтому несколько лет пытаемся научиться делать сами. Далее расскажу о процессе настройки антенны для одного из наших устройств с антенной из провода (ground plane).

▍ Описание измерительного оборудования

Для настройки антенны буду использовать следующее оборудование:

• Векторный анализатор цепей SV4401A — клон NanoVNA.
• Спектроанализатор DSA815TG для относительной оценки излучаемой мощности.
• Антенны Linx на 869 МГц и 915 МГц.
• Китайскую оценочную плату для калибровки векторного анализатора с разъёмами u.fl.
• Магазин подстроечных конденсаторов и индуктивностей.
• Программу Atyune для моделирования согласования.

Перед началом работы проверяю все переходники и соединительные кабели на спектроанализаторе. Подключаю к обоим портам прибора и проверяю каждый узел на отсутствие потерь в доступном диапазоне частот. Для моего спектроанализатора верхний предел 1,5 ГГц.

▍ Цели и задачи

Цель работы: увеличить дальность работы устройства. Этого можно добиться двумя путями:

• увеличить мощность излучения антенны,
• сделать антенну направленной.

Второй метод не подходит. Устройство должно быть простым в установке, и оно может одновременно работать с несколькими другими устройствами, расположенными в разных направлениях.

Задача: уменьшить КСВ антенны. КСВ — коэффициент, характеризующий количество сигнала, которое отразилось от антенны и вернулось в передатчик. Предполагаю, что чем меньше отразилось, тем больше излучилось. Энергия может тратиться на разогрев антенны, согласующих компонентов и печатной платы, попробую этим пренебречь. Дополнительная задача — сделать одно согласование на две частоты. Это уменьшит номенклатуру товаров и упростит логистику.

▍ Определение уровня идеального согласования

Определю максимальный уровень энергии сигнала, чтобы понять, что цель достигнута. Для этого сигнал с передатчика перенаправлю на лучшую из имеющихся антенн.

У меня есть антенны на 869 и 915 МГц. Из диаграммы Вольперта-Смита видно, что каждая антенна лучше работает в своём диапазоне (более низкий КСВ).

Linx 868 МГц

Linx 915 МГц

Антенну подключаю через u.fl пигтейл. Плата имеет перемычку, через которую можно выбрать направление для радиосигнала.

Подключение антенны к «живому» устройству

Для измерения энергии сигнала перевожу чип в режим генерации несущей частоты. Для каждой частоты выбираю свои антенны. Приёмную антенну подключаю к спектроанализатору. Расстояние между антеннами около трёх метров. В это расстояние укладывается около 9 длин волн, значит, измеряю в дальнем поле.

Безэховой камеры у меня нет, поэтому наблюдаю дисперсию сигнала из-за отражения от стен, пола и потолка. Принимающая антенна неподвижна. Передающую антенну двигаю в квадрате 20х20 см, и немного меняю положение своего тела, пока не добьюсь максимально возможного показания на спектроанализаторе.

Исходные устройства имели энергию -32 и -31 дБм для частот 869 и 915 МГц соответственно. Устройства с эталонными антеннами: -28 и -25 дБм соответственно.

▍ Ход работы

Согласовывать антенну буду с помощью п-фильтра.

П-фильтр

Общий смысл в следующем. Передатчик имеет волновое сопротивление 50 Ом, а антенна имеет другое неизвестное сопротивление. Компонентами п-фильтра можно изменить общее сопротивление антенны и п-фильтра так, что оно приблизится к 50 Ом. Следовательно, передаваемая в антенну мощность будет максимальной. Сопротивление согласующих компонентов зависит от ёмкости и индуктивности. Чем изначальное сопротивление антенны ближе к требуемому, тем меньшими номиналами согласования можно обойтись, и тем большая мощность передастся в эфир.

Во всех изученных источниках авторы подключают векторный анализатор (ВАЦ) к радиотракту коаксиальным кабелем. Центральную жилу припаивают рядом с ножкой микроконтроллера, а экран — к «земле». После этого калибруют ВАЦ на первом компоненте согласующей цепочки.

Вот пример:

Типичный пример подключения ВАЦ к исследуемой антенне

Напаивать компоненты тяжелее, чем подключать эталонные нагрузки, поэтому я припаял u.fl разъём к началу радиотракта. Теперь калибровку можно делать на оценочной плате.

Китайская оценочная плата

Доработанная плата

Не знаю, насколько качественная калибровка получается таким образом, но зато перекалибровать ВАЦ можно быстро. А это нужно делать при смене диапазона частот, при изменении температуры в комнате и при каждом включении прибора. За две недели выполнил много калибровок. Позже попробую второй метод.

▍ Подготовка ВАЦ к измерениям

На результат измерений оказывают сильное влияние окружающие предметы, особенно металлические, а также изменение изгиба кабеля. Лучше всего использовать жёсткие кабели, или полужёсткие. У меня есть только гибкий кабель. Поэтому приклеиваю скотчем к деревянному столу ВАЦ и кабель.

Китайская оценочная плата

• Диапазон частот от 869 и 915 МГц.
• Минимальное количество точек сканирования (101), потому что диапазон частот очень маленький.
• Усреднение результата 4. Чтобы уменьшить уровень шума и повысить стабильность графиков.
• Калибровка по трём эталонным сопротивлениям (SOL).

Прибор готов к измерениям. Подключаю печатную плату с напаянным u.fl разъёмом без согласующих элементов. На картинке показана схема измерения с припаянным коаксиальным кабелем, но проблема с плоскостью калибровки такая же, как и у меня.

Схема измерений с переносом плоскости калибровки

Сейчас плоскость калибровки находится где-то после u.fl разъёма. Чтобы продолжить согласование антенны, нужно или перенести плоскость калибровки к последовательному компоненту п-фильтра, или учесть это в программе моделирования. Двигать плоскость калибровки можно по коаксиальному кабелю, копланарной линии, если волновое сопротивление равно 50 Ом. Первый метод для меня сложнее. Кусочек копланарной линии между плоскостью калибровки и компонентами п-фильтра оказывает влияние на измерения. Чем он длиннее, тем сильнее будет поворачиваться кривая вокруг центра на диаграмме Вольперта-Смита. Сигнал проходит этот кусочек дважды, и у него увеличивается фаза. На картинке можно увидеть, как дополнительный кусочек коаксиального кабеля смещает кривую. Исходный график красного цвета, жёлтый — после добавления длины.

Китайская оценочная плата

Если не учитывать дополнительную длину копланарной линии между плоскостью калибровки и согласующими элементами, то результаты в программе моделирования и ВАЦ будут сильно отличаться. Конечно, нужно учитывать и копланарную линию между компонентами согласования, но пока приму её как несущественную и посмотрю, что получится.

В дорогих современных ВАЦ есть функции настройки порта, но в моём дешёвом есть одна функция «E-delay». Дальнейшая методика не требует расчётов и взята из обучающего ролика.
Согласующих компонентов нет. Открываю график зависимости фазы от частоты.

Фаза без коррекции

Добавляю задержку, пока фаза не станет нулевой.

Фаза с коррекцией

Считаю, что после этого плоскость калибровки передвинулась на последовательный элемент, середину п-фильтра.

Ставлю перемычку 0 Ом на место последовательного элемента и припаиваю антенну заведомо большей длины. Антенна называется «четвертьволновый штырь». Длина четверти волны 86 мм для частоты 869 МГц. Расчёт сделан для скорости электромагнитной волны в вакууме. Пусть будет 120 мм. Отрезаю понемногу кончик провода и смотрю, как изменяется согласование антенны. Выбираю самое лучшее согласование, в котором КСВ на обеих частотах минимально. К сожалению, картинок и подробных протоколов эксперимента не сохранилось. В таблице последние три эксперимента, когда уже знал, где искать.

Выбрал длину провода 95 мм с самым низким КСВ для двух частот. Данные результаты противоречат моим знаниям. Я и все в моём окружении уверены, что длина антенны четвертьволнового штыря должна быть равна или немного меньше четверти длинны волны из-за коэффициента укорочения. Но наверняка не всё так просто.

Диаграмма Вольперта-Смита антенны без согласования

Сохраняю измерения ВАЦ в файл и открываю их в программе Atyune. Выбираю следующий вариант согласования.

Вариант согласования двумя индуктивностями

Нажимаю «auto matching», кривая оказывается возле центра диаграммы. Картинка будет ниже.
Посмотрю по шагам, что происходит c кривой при добавлении элементов.

Оставлю только последовательную катушку в программе.

Согласование из последовательной катушки

А это показания прибора с напаянной катушкой.

Видно, что диаграмма сдвинулась в том же направлении, но недостаточно.

Попробую припаять индуктивность побольше. Это показания с катушкой 8.2 нГн.

Кривая ушла дальше, чем в программе, и КСВ стал приемлемым. Может, этого достаточно?
Напаиваю согласование на рабочий узел, спектроанализатор показывает -30 дБм. Стало лучше, но ещё не идеал. Продолжаю.

Это кривая с катушкой 7.5 нГн.

Стало более похоже на показания программы. Постараюсь запомнить эту катушку, а пока продолжу с тем согласованием, которое предложила программа, 6.8 нГн.

Это кривая в программе после добавления шунтирующей катушки.

Идеальное согласование в программе

И показания ВАЦ.

Гораздо хуже, чем предсказала программа. Но маркер 2 имеет КСВ 1,17. Это очень хороший результат. Напаиваю согласование на рабочий узел. Спектроанализатор показывает -26 дБм для частоты на маркере 2 и -32 дБм на второй частоте. Одну частоту удалось согласовать. К сожалению, то, что я описываю, происходило в течение недели, и я забыл про последовательную катушку 7.5 нГн. Сейчас, когда собрал все данные вместе, мой следующий шаг выглядит случайным и необдуманным. В процессе согласования не понимал, почему мои действия не приводят к ожидаемым результатам, и пробовал получить результат эмпирически. Насколько понимаю, это основной метод работы с антеннами. Ведь в программе идеальная картинка, потому что не учитываются паразитные свойства согласующих компонентов и расстояния между ними. Сам ВАЦ измеряет отражённый сигнал на модифицированной плате. На реальной плате вместо разъёма для ВАЦ будет стоять микроконтроллер, и это далеко не все пункты, вносящие рассогласование и погрешности. Поэтому показания ВАЦ для меня ориентир, а доверяю я только показаниям спектроанализатора.

Решил посмотреть, как изменятся показания спектроанализатора с другими шунтирующими катушками. Вдруг мне повезёт и КСВ второй частоты удастся понизить, не испортив хороший КСВ.

В таблице результаты измерений.

Лучший результат для 12 нГн. Это практически уровень эталонных антенн.

Осталось провести сравнение в «боевых» условиях. Место проведения — офис с длинным коридором. Методика: приёмник закреплён в комнате, я хожу с передатчиками по коридору и ищу максимальное расстояние, на котором передаются команды. К сожалению, коридора оказалось мало. На картинке представлены результаты сравнения для частоты 869 МГц.

Сравнение дальности работы антенн

На частоте 915 МГц дальность связи выше, и мне приходилось уходить по лестнице на другой этаж. Приводить эти данные не буду. В обоих случаях тенденция сохранялась. Худшей была исходная антенна, на втором месте антенна 95 мм и «немного» лучше антенна после согласования. Провести измерения на улице не получилось. Качество радиосвязи заметно хуже. Предполагаю, из-за большого уровня шумов. Сейчас в планах найти тихое, уединённое место возле озера, и не спеша в хорошей компании провести «измерения выходного дня».

▍ Выводы

После настройки антенны излучаемая энергия увеличилась в среднем на 5 дБм. Это соответствует увеличению излучаемой мощности примерно в три раза. Дальность связи значительно возросла.

Не имея глубоких познаний в теории антенн, не имея дорогостоящего оборудования и безэховой камеры, можно в домашних условиях значительно улучшить дальность связи.

Конечно, мне не хватает как теоретических знаний, так и практических. Нашёл интересный обучающий курс по разработке, оптимизации и тюнингу антенн. Он проходит в заочном формате на базе ТУСУР (томский университет). Чтобы курс начался, нужно собрать 6 человек. Пока нас двое. Приглашаю всех желающих (ссылка на страницу курса). Там же можно запросить подробную программу курса. Цена около 70 000 р. Никакого отношения к ТУСУР не имею, хочу понимать немного больше в работе антенн и писать более осмысленные статьи.

▍ Список использованной литературы:

1. Antenna Impedance Measurement and Matching.
2. Help-файл программы Atyune.
3. Многочисленные видеоролики на YouTube авторов: w2aew, «Не влезай — Убьёт!!! Канал про электричество», Andreas Spiess, EEVblog.
4. Джоэль П. Дансмор «Измерения параметров СВЧ устройств», Техносфера.