Дослідження посилення та спрямованості багатоелементної антени

Завдання роботи:

Дослідити посилення та спрямовану дію багатоелементної антени залежно від кількості пасивних елементів та порівняти результати експериментів з результатами комп’ютерного моделювання.

Обладнання:

• радіомодуль RFM119W-868S1;
• понижуючий 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;
• набір пасивних елементів;
• стріла з підставкою для антени з діелектричного матеріалу.

Основні терміни та поняття

Антена ВИПРОМІНЮВАННЯ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ХВИЛЬ ВІДКРИТИМ КОЛИВАЛЬНИМ КОНТУРОМ – ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ ХВИЛІ Енергія магнітного і електромагнітного полів КЛАСИФІКАЦІЯ РАДІОХВИЛЬ І ОСОБЛИВОСТІ ЇХ ПОШИРЕННЯ – ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ ХВИЛІ ПРИНЦИП РАДІОЗВ’ЯЗКУ. МОДУЛЯЦІЯ І ДЕТЕКТУВАННЯ (ДЕМОДУЛЯЦІЯ) – ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ ХВИЛІ ТЕСТ 13. ЕЛЕКТРОМАГНИТНІ ХВИЛІ

Теоретична частина

У даній лабораторній роботі пропонується експериментально дослідити посилення та спрямованість багатоелементної антени, змодельованої під час попередньої лабораторної роботи.

Для дослідів пропонується використовувати прототип даної антени, конструкція якого передбачає можливість швидкого встановлення пасивних елементів на стрілу (рис. 1). Антена встановлюється на підставку довільної конструкції, виготовлену з діелектричного матеріалу. В якості активного елементу використовується та сама дипольна антена, яка використовувалася у одній з попередніх лабораторних робіт. Для фіксації елементів на них у потрібному місці встановлюються дистанційні кільця з діелектричного матеріалу (рис. 1, 2). Пасивні елементи встановлюються зверху у отвори на стрілі. Діаметр отворів має бути трохи більшим за діаметр елементів, та меншим за діаметр дистанційних кілець. Довжина й діаметр елементів такі самі, як у попередній роботі.

Досліди полягають у вимірюванні потужності сигналу, який надходить до логарифмічного детектора з досліджуваної антени залежно від кількості елементів у ній. В якості джерела радіохвиль буде використано радіомодуль RFM119W-868S1.

Окрім коефіцієнту посилення, у даній роботі пропонується також визначити співвідношення F/B шляхом розвороту антени на 180º від джерела випромінювання та додаткового вимірювання потужності сигналу у такому положенні.

Коефіцієнт посилення багатоелементної антени відносно півхвильового диполя за результатами вимірювань потужності сигналу за допомогою логарифмічного детектору визначається за формулою, dB:

Ga = P_nF – P₁,                                                  (1)

де P_nF – потужність фронтального сигналу з n-елементної антени, dBm;

P₁ – потужність сигналу з одиночного півхвильового вібратору за інших рівних умов, dBm.

Коефіцієнт посилення багатоелементної антени відносно ізотропного випромінювача визначається за формулою, dBi:

Ga = P_nF – P₁ + 2,14,                                            (2)

Співвідношення F/B визначається за формулою, dB:

F/B = P_nF – P_nB,                                                (3)

де P_nB – потужність тилового сигналу з n-елементної антени, dBm.

Рис. 1. Приклад конструкції антени для самостійного виготовлення

Рис. 2. Комплект елементів антени

Хід роботи

1. Підготувати таблицю результатів.

Таблиця 1. Результати моделювання та експериментів

2. Підготовка до проведення дослідів.

2.1. Виконати пп. 2.1…2.7 лабораторної роботи № 3.

2.2. Встановити активний елемент на стрілу. Розмістити джерело радіосигналу та досліджувану антену у відповідності до схеми на рис. 3.

Рис. 3. Схема розміщення досліджуваної антени відносно

джерела радіосигналу

2.3. Занести до таблиці результатів значення коефіцієнту посилення Ga та співвідношення F/B за результатами моделювання у попередній лабораторній роботі для частоти 868 МГц. Для одноелементної антени (одиночного активного елементу) занести значення Ga = 2,14 dB; F/B = 0 dB.

3. Вимірювання потужності радіосигналу та обчислення показників.

3.1. Подати живлення на логарифмічний детектор та увімкнути мультиметр. На дисплеї мультиметру має з’явитися деяке значення напруги, що відповідає фоновому радіошуму.

3.2. Подати живлення на передавач. Переключити контакт DATA радіомодуля до додатного контакту DC/DC перетворювача.

3.3. Розміститися позаду і якомога далі від антени, але так, щоб було видно показання мультиметру.

3.4. Зчитати декілька значень вихідної напруги детектора (U_д), обчислити середнє арифметичне та занести до таблиці 1.

3.5. Встановити на стрілу рефлектор і перший директор у відповідності до рис. 5 попередньої роботи.

3.6. Повторити вимірювання за п.п. 3.3 – 3.4.

3.7. Занести результат (U_дF) до таблиці 1.

3.8. Розвернути антену на 180º навколо осі активного елементу.

3.9. Повторити вимірювання за п.п. 3.3 – 3.4.

3.10. Занести результат (U_дВ) до таблиці 1.

3.11. Розвернути антену у початкове положення.

3.12. Встановити на стрілу наступні три директора у відповідності до рис. 5 попередньої роботи та повторити вимірювання за п.п. 3.6 – 3.10.

3.13. За графіком на рис. 5 лабораторної роботи № 3 якомога точніше визначити потужності сигналу у dBm та занести до таблиці результатів.

3.14. За формулою (2) розрахувати коефіцієнти посилення для трьох- та шестиелементної антен, та занести до таблиці 1.

3.15. За формулою (3) розрахувати співвідношення F/B для трьох- та шестиелементної антен, та занести до таблиці 1.

Аналіз даних

1. Порівняти результати експериментального визначення коефіцієнту посилення та співвідношення F/B з результатами моделювання.
2. Зробити висновки щодо відмінностей між результатами експерименту та моделювання, та їх можливими причинами.