Визначення напруженості електричного поля електромагнітної хвилі та потужності радіосигналу в точці прийому

Avatar
Автор Атамась Артем
Науковий співробітник НЦ "Мала академія наук України", кандидат технічних наук. Сфера наукових інтересів: розвиток технологій наукової освіти.

Завдання роботи:

визначити напруженість електричного поля електромагнітної хвилі й потужність радіосигналу в точці прийому розрахунковим та експериментальним методами, порівняти результати і дійти висновків.

Обладнання:

  • радіомодуль RFM119W-868S1;
  • понижувальний DC/DC перетворювач;
  • USB-джерело живлення (зарядний пристрій або Power Bank) – 2 шт.;
  • USB-кабель – 2 шт.;
  • логарифмічний детектор AD8313;
  • мультиметр;
  • дипольна антена з кабелем та SMA-штекером;
  • стріла з підставкою для антени з діелектричного матеріалу.

Основні терміни та поняття

Антена Хвильовий процес. Рівняння хвилі. Енергія хвилі ВИПРОМІНЮВАННЯ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ХВИЛЬ ВІДКРИТИМ КОЛИВАЛЬНИМ КОНТУРОМ – ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ ХВИЛІ ЕЛЕКТРОМАГНІТНЕ ПОЛЕ ТЕОРІЯ МАКСВЕЛЛА В ЯКІСНОМУ ВИГЛЯДІ Енергія магнітного і електромагнітного полів ЗАКОНОМІРНОСТІ ВІЛЬНИХ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ КОЛИВАНЬ. ЗГАСАЮЧІ КОЛИВАННЯ – ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ КОЛИВАННЯ КЛАСИФІКАЦІЯ РАДІОХВИЛЬ І ОСОБЛИВОСТІ ЇХ ПОШИРЕННЯ – ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ ХВИЛІ ПРИНЦИП РАДІОЗВ’ЯЗКУ. МОДУЛЯЦІЯ І ДЕТЕКТУВАННЯ (ДЕМОДУЛЯЦІЯ) – ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ ХВИЛІ ТЕСТ 12. ЕЛЕКТРОМАГНИТНІ КОЛИВАННЯ ТЕСТ 13. ЕЛЕКТРОМАГНИТНІ ХВИЛІ ШВИДКІСТЬ ПОШИРЕННЯ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ХВИЛЬ – ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ ХВИЛІ

Теоретична частина

Радіохвилі в однорідному середовищі розповсюджуються прямолінійно. Уявимо декілька променів, що розповсюджуються паралельно один одному. Якщо в усіх променях з’єднати точки, які коливаються в однаковій фазі, отримаємо поверхню, що називається хвильовим фронтом. Для плоскої хвилі це площина, перпендикулярна напрямку розповсюдження хвиль. Якщо хвилі розповсюджуються з однієї точки у всі боки, то хвильовий фронт має форму сфери. Оскільки на великих відстанях від джерела радіус кривизни досить великий, сферичну хвилю можна вважати плоскою.

Амплітуди електромагнітних коливань характеризують напруженості електричного поля Е та магнітного поля Н, які залежать від потужності джерела. Потік потужності, що переноситься електромагнітною хвилею через одиничну ділянку, перпендикулярну до напрямку поширення хвиль, називають вектором Пойнтинга:

П = Е×Н.                                                              (1)

Якщо Е вимірюється у В/м, а Н – у А/м, то для П отримуємо Вт/м2.

Оскільки змінне електричне поле породжує змінне магнітне поле, і навпаки, між ними є пряма пропорційна залежність. Ця залежність має вигляд:

Е = W×H → Н = Е/W,                                      (2)

де W – хвильовий опір простору, який для вакууму складає 120π, або 377 Ом. Приблизно таке саме значення він має і для атмосфери Землі.

З урахуванням останнього виразу щільність потоку потужності можна виразити:

П = Е2/120π.                                                      (3)

Якщо передавач випромінює потужність Р рівномірно за всіма напрямками, тоді на відстані D ця потужність розподілиться по площі сфери, що дорівнює 4πD2, а щільність потоку потужності дорівнюватиме:

 П = Р/4πD2.                                                       (4)

Підставляючи вираз (3) до виразу (4), отримаємо:

Е2/120π = Р/4πD2 → Е2 = 120π·Р/4πD2 = 30·Р/D2.

Отже, формула для визначення напруженості поля в точці прийому набуде вигляду:

                                                 (5)

Формула (5) справедлива лише у випадку рівномірного за всіма напрямками випромінювання потужності. Навіть простий півхвильовий вібратор випромінює потужність нерівномірно. Для визначення напруженості електричного поля, що створює передавач з реальною антеною, його потужність у формулі (5) треба помножити на коефіцієнт посилення антени в напрямку точки прийому:

                                        (6)

Коефіцієнт посилення антени до формули (6) підставляється в абсолютному значенні відносно ізотропного випромінювача. Для переведення коефіцієнта посилення, вираженого в dBi, у абсолютне значення слід скористатися формулою:

                              (7)

Якщо коефіцієнт посилення виражений у dB відносно півхвильового вібратора, то для його переведення в абсолютне значення відносно ізотропного випромінювача слід скористатися формулою:

                       (8)

Для визначення напруги на вихідних затисках антени необхідно напруженість електричного поля помножити на діючу довжину антени:

                                          (9)

Симетричний вібратор із синусоїдальним розподілом струму по його довжині є еквівалентним антені, струм у якій зберігається незмінним по довжині та дорівнює струму на її вході. Діючу довжину симетричного вібратора визначають з умови рівності площ струму реальної та еквівалентної антен (рис. 1).

 

Рис. 1. Діюча довжина симетричного вібратора

Діюча довжина симетричного півхвильового вібратора визначається за формулою:

           (10)

Знаючи напругу на вихідних затисках антени та опір, на який вона навантажена, можна визначити потужність сигналу на вході приймача або фідера за формулою:

                                                 (11)

У цій лабораторній роботі пропонується визначити напруженість електричного поля електромагнітної хвилі в точці прийому і потужність сигналу розрахунковим та експериментальним методами й порівняти результати. Для експериментального визначення напруженості поля пропонується використовувати передавач RFM119W-868S1 зі штировою антеною та логарифмічний детектор AD8313 з півхвильовим вібратором.

Радіомодулі серії RFM119 (рис. 2) – це передавачі, призначені для передачі цифрових даних на невеликі відстані.

Рис. 2. Зовнішній вигляд радіомодуля RFM119

Вихідна потужність радіомодуля RFM119W-868S1 може налаштовуватися програмно в межах -10…+13 dBm (0,1…20 мВт). Напруга живлення передавача має перебувати в межах 1,8…3,6. Для живлення RFM119W-868S1 від USB-блоку живлення або Power Bank необхідно застосувати підвищувальний DC/DC перетворювач. Схема для випромінювання радіохвиль частотою 868 МГц за вихідної потужності близько 20 мВт представлена на рис. 3.

 

Рис. 3. Схема підключення радіомодуля RFM119W-868S1

При підключенні контакту DATA радіомодуля до додатного контакту DC/DC перетворювача через резистор R2 відбувається генерація радіочастотного сигналу. При підключенні контакту DATA до від’ємного контакту перетворювача генерація відсутня.

Логарифмічний детектор AD8313 – це пристрій для вимірювання потужності радіочастотного сигналу в діапазоні 100…2500 МГц потужністю від -70 до +10 dBm (10-7…10 мВт).  Він має радіочастотній вхід, до якого можна підключити антену, та аналоговий вихід, напруга на якому залежить від потужності вхідного сигналу (рис. 4). Крім того, AD8313 потребує живлення 2,7…5,5 В, яке можна подати від USB-блоку живлення або Power Bank.

 Рис. 4. Схема вимірювання потужності радіосигналу за допомогою модуля AD8313

Графік залежності вихідної напруги від потужності вхідного радіочастотного сигналу представлено на рис. 5.

Рис. 5. Графіки залежності вихідної напруги, а також відхилення від логарифмічної залежності від потужності вхідного сигналу для частоти 900 МГц

Потужність вхідного радіочастотного сигналу на графіку відраховується у dBm (децибел-міліват). Переведення dBm у мВт здійснюється за формулою:

мВт.                                    (12)

Як вимірювальна антена в цій лабораторній роботі буде використовуватися півхвильовий розрізний вібратор, схема якого представлена на рис. 6.

Рис. 6. Схема вимірювальної антени

Антена виготовляється з тонкостінної мідної, бронзової або латунної трубки зовнішнім діаметром 6 мм та має довжину 154 мм.

Хід роботи

  1. Підготуйте таблицю результатів.

Таблиця 1. Результати розрахунків та вимірювань

Розрахунок Вимірювання
Р, мВт D, м Ga, dBi Ga Е, В/м la,

мм

 lд,

мм

 U, мВ Рвх, мкВт Uдет, В Рвх, dBm Рвх, мкВт
 

 
  1. Підготуйтеся до проведення дослідів.

2.1. Підпаяйте штирові планки до радіомодуля в усі контактні отвори, окрім отвору «ANT» (антена), штирками донизу.

2.2. Візьміть прямий відрізок мідного дроту діаметром 1 мм та довжиною 90 мм і підпаяйте його до контактного отвору «ANT», спрямувавши догори. За допомогою лінійки відмірте вздовж дроту відстань 84 мм від поверхні плати радіомодуля та обріжте дріт на цій відстані. За допомогою надфіля обточіть гострий край дроту так, щоб довжина антени від поверхні плати стала близько 83 мм.

2.3. На макетній платі складіть схему відповідно до рис. 3. Приклад складеної схеми представлено на рис. 7. Контакт DATA радіомодуля з’єднайте з від’ємним контактом DC/DC перетворювача.

Рис. 7. Приклад зібраної схеми джерела радіохвиль

2.4. Витягніть радіомодуль зі схеми та подайте на неї живлення через USB-штекер.

2.5. Підключіть мультиметр до вихідних контактів DC/DC перетворювача та підстроювальним резистором установіть напругу 3 В.

2.6. Відключіть живлення і встановіть радіомодуль на його місце.

2.7. Складіть схему для вимірювання потужності радіосигналу відповідно до рис. 4.

2.8. Розмістіть джерело радіосигналу та вимірювальну антену відповідно до схеми на рис. 8.

 Рис. 8. Схема розміщення вимірювальної антени відносно джерела радіосигналу

За такого розміщення вимірювальна антена приймає сигнал у напрямку, який відповідає максимальному значенню коефіцієнта посилення передавальної антени. Максимальний коефіцієнт посилення Ga цієї передавальної антени в реальних умовах становить близько -1,5 dBi.

2.9. Виміряйте або розрахуйте відстань D (рис. 8) від передавальної до приймальної антени та занесіть її до таблиці результатів.

2.10. Занесіть до таблиці результатів значення потужності передавача – 20 мВт, значення коефіцієнта посилення передавальної антени – -1,5 dBi – та довжину вимірювальної антени lа – 154 мм.

  1. Розрахуйте напруженість поля та потужність радіосигналу в точці прийому.

3.1. Розрахуйте й занесіть до таблиці 1 абсолютне значення коефіцієнта посилення передавальної антени за формулою (7).

3.2. Розрахуйте й занесіть до таблиці 1 напруженість електричного поля електромагнітної хвилі в точці прийому за формулою (6).

3.3. Розрахуйте й занесіть до таблиці 1 діючу довжину вимірювальної антени за формулою (10).

3.4. Розрахуйте й занесіть до таблиці 1 напругу на вихідних затисках антени за формулою (9).

3.5. Розрахуйте й занесіть до таблиці 1 потужність радіосигналу за формулою (11).

  1. Виміряйте потужність радіосигналу.

4.1. Подайте живлення на логарифмічний детектор та увімкніть мультиметр. На дисплеї мультиметра має з’явитися деяке значення напруги, що відповідає фоновому радіошуму.

4.2. Подайте живлення на передавач. Переключіть контакт DATA радіомодуля до додатного контакту DC/DC перетворювача.

4.3. Розмістіться позаду і якомога далі від передавальної антени, але так, щоб було видно показання мультиметра.

4.4. Зчитайте декілька значень вихідної напруги детектора, обчисліть середнє арифметичне та занесіть його до таблиці 1.

4.5. За графіком на рис. 5 якомога точніше визначте потужність сигналу у dBm та занесіть її до таблиці результатів.

4.6. За формулою (12) розрахуйте потужність сигналу у мВт, переведіть її у мкВт та занесіть до таблиці 1.

Аналіз даних

  1. Порівняйте розрахункові та експериментальні результати визначення потужності радіосигналу в точці прийому.
  2. Зробіть висновки щодо відмінності між розрахунковими та теоретичними значеннями потужності радіосигналу та її можливих причин.
mola62slot gacorscatter hitam