
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).


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

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.

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:

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


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.

- 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.

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.

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.

Добавляю задержку, пока фаза не станет нулевой.

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.
№ опыта |
Длина антенны |
869 МГц |
915 МГц | ||
КСВ | Z | КСВ | Z | ||
1 | 95 | 3,9 | 21R 48pF | 2,5 | 33R 5pF |
92,5 | 3,7 | 21R 5pF | 2,75 | 26R 5,8pF | |
2 | 95 | 3 | 28R .. | 2,4 | 34R .. |
93 | 3,1 | 27R .. | 2,4 | 32R .. | |
92 | 3,3 | 24R .. | 2,4 | 30R .. | |
90 | 3,5 | ... | 2,6 | ... | |
3 | 95 | 3,2 | 26R .. | 2,45 | 32R .. |

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

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.

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.

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.
Шунтирующая индуктивность, нГн |
869 МГц, дБм |
915 МГц, дБм |
15 | -28 | -28 |
12 | -28 | -26 |
10 | -33 | -26 |
8,2 | -31 | -28 |
6,8 | -32 | -30 |
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.

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:
- Antenna Impedance Measurement and Matching.
- Help-файл программы Atyune.
- Многочисленные видеоролики на YouTube авторов: w2aew, «Не влезай — Убьёт!!! Канал про электричество», Andreas Spiess, EEVblog.
- Джоэль П. Дансмор «Измерения параметров СВЧ устройств», Техносфера.
Telegram-канал с розыгрышами призов, новостями IT и постами о ретроиграх 🕹️
