Дослідження посилення та спрямованості багатоелементної антени

Завдання роботи:

дослідити посилення та спрямовану дію багатоелементної антени залежно від кількості пасивних елементів і 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 цій лабораторній роботі пропонується експериментально дослідити посилення та спрямованість багатоелементної антени, змодельованої під час попередньої лабораторної роботи.

Для дослідів пропонуємо використовувати прототип зазначеної антени, конструкція якого передбачає можливість швидкого встановлення пасивних елементів на стрілу (рис. 1). Антену встановлюють на підставку довільної конструкції, виготовлену з діелектричного матеріалу. Як активний елемент використовують ту саму дипольну антену, що й в одній з попередніх лабораторних робіт. Для фіксації елементів на них у потрібному місці встановлюють дистанційні кільця з діелектричного матеріалу (рис. 1, 2). Пасивні елементи встановлюють згори в 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. Як джерело радіохвиль буде використано радіомодуль RFM119W-868S1.

Окрім коефіцієнту посилення, у цій роботі пропонуємо 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 детектора 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 вібратора 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. Підготуйте таблицю результатів.

Таблиця 1. Результати моделювання та експериментів

2. Підготуйтеся до проведення дослідів.

2.1. Виконайте пп. 2.1-2.7 лабораторної роботи № 3.

2.2. Установіть активний елемент на стрілу. Розмістіть джерело радіосигналу та досліджувану антену відповідно до схеми на рис. 3.

Рис. 3. Схема розміщення досліджуваної антени відносно джерела радіосигналу

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

3. Виміряйте потужність радіосигналу та обчисліть показники.

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

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

3.3. Розмістіться позаду і якомога далі від антени, але так, щоб було видно показники мультиметра.

3.4. Зчитайте декілька значень вихідної напруги детектора (U_д), обчисліть середнє арифметичне та занесіть до таблиці 1.

3.5. Установіть на стрілу рефлектор і перший директор відповідно до рис. 5 попередньої роботи.

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

3.7. Занесіть результат (U_дF) до таблиці 1.

3.8. Розверніть антену на 180º навколо осі активного елемента.

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

3.10. Занесіть результат (U_дВ) до таблиці 1.

3.11. Розверніть антену у початкове положення.

3.12. Установіть на стрілу наступні три директора відповідно до рис. 5 попередньої роботи та повторіть вимірювання за п.п. 3.6 – 3.10.

3.13. За графіком на рис. 5 лабораторної роботи № 3 якомога точніше визначте потужність сигналу у dBm та занесіть до таблиці результатів.

3.14. За формулою (2) розрахуйте коефіцієнти посилення для трьох- та шестиелементної антен і занесіть їх до таблиці 1.

3.15. За формулою (3) розрахуйте співвідношення F/B для трьох- та шестиелементної антен і занесіть їх до таблиці 1.

Аналіз даних

1. Порівняйте результати експериментального визначення коефіцієнта посилення та співвідношення F/B з результатами моделювання.
2. Зробіть висновки щодо відмінностей між результатами експерименту й моделювання та їх можливих причин.