Лабораторная работа №4

Измерение характеристик аттенюаторов с помощью RTL-SDR и источника шума

Используя RTL-SDR устройства совместно с дешевым источником шума, возможно измерить ответ аттенюатора. С помощью дополнительного устройства под названием направленный ответвитесь, можно измерить КСВ антенн. Измерение ответа аттенюатора может быть полезным для людей, разрабатывающих свои аттенюаторы, или если они просто хотят проверить характеристики аттенюатора, который приобрели. КСВ антенны определяет, где антенна резонирует и важен для ее настройки на частоту, в прослушивании которой заинтересован пользователь.

Используя лишь источник шума и RTL-SDR устройство возможно определить свойства аттенюатора. В наших экспериментах будет использоваться следующее оборудование:

• Источник шума BG7TBL

• 12В источник питания с возможностью предоставления как минимум 0.2А для запитывания источника шума.

• Устройство RTL-SDR

• Т-подобный SMA коаксиальный разветвитель для подключения аттенюатора и антенны

• Аттенюатор

• Одноштырьевая антенна

Источник шума BG7TBL – широкополосный источник шума, позволяющий получить сильный шум на всем диапазоне частот RTL-SDR. Ему требуется питание от источника питания 12В, которое может быть получено из обычного источника тока. Также он использует SMA соединитель типа “Мама”, поэтому могут понадобиться некоторые адаптеры, чтобы подключить устройство к вашему тестируемому аттенюатору. Будьте внимательны, когда держите плату после ее использования, так как некоторые компоненты могут сильно разогреться.

Использованное программное обеспечение:

• Rtl_power (keenerds build)

• RTL-SDR Panorama (или любой другой rtl_power GUI или анализатор спектра RTL - SDR) - (Необязательно)

Рекомендации по использованию rtl_power с RTL-SDR Panorama GUI представлены в предыдущей лабораторной работе.

Аттенюаторы

Аттенюаторы — это, как правило, пассивные устройства, сделанные из сетей простых делителей напряжения. Переключение между различными сопротивлениями формирует регулируемые ступенчатые и плавно регулируемые аттенюаторы, использующие потенциометры. Для более высоких частот используются тщательно подстроенные резистивные схемы для снижения коэффициента стоячей волны (КСВ).

Аттенюатором называется устройство, предназначенное для изменения мощности электромагнитных волн, распространяющихся по тракту СВЧ. Основной причиной уменьшения мощности на выходе аттенюатора по сравнению с ее уровнем на входе является поглощение части мощности, тем или иным способом отделенной от основного потока, в элементах конструкции аттенюатора, выполненных из материала с большим коэффициентом поглощения. Некоторое уменьшение мощности может происходить из-за отражения ее от входа аттенюатора, и из-за влияния аттенюатора на режим работы неразвязанного и несогласованного с трактом генератора СВЧ. Это дополнительное уменьшение мощности является нежелательным, поэтому при конструировании аттенюатора принимаются специальные меры, для того чтобы максимально уменьшить входной коэффициент отражения.

Аттенюаторы классифицируются по различным признакам:

1. по типу линии передачи – коаксиальные, волноводные, полосковые и т. д.;

2) по принципу регулирования мощности – поглощающие, отражающие;

3) по принципу действия – пластинчатые, поляризационные, полупроводниковые, невзаимные ферритовые и т. д.;

4) по поглощающему материалу – объемные, пленочные (резистивные);

5) по способу внесения ослабления – фиксированные, ступенчатые, плавные переменные);

6) по уровню поглощающей мощности – аттенюаторы большого, среднего и малого уровня.

Для классификации могут применяться и другие признаки: быстродействие, точность, надежность, экономические показатели и пр.

Используемые в данной лабораторной работе кристаллы аттенюаторов состоят из резистивного слоя CrO с напыленным на него поликором (рис. 1).

Рис. 1. Аттенюаторы на кристалле

Измерение КСВ антенны

Наряду с оборудованием для характеристики фильтров, для определения КСВ нам понадобится ответвитель из предыдущей лабораторной работы (MiniCircuits ZFDC-15-5 с SMA соединителями).

Рис. 2. Одноштыревая антенна

Выполнение работы:

КСВН — это измерение, которое может выполняться на антеннах, чтобы определить, насколько хорошо антенна согласована с (обычно) 50 Ом. Чем меньше значение КСВН, тем лучше, а КСВ, равное единице, является лучшим.

Рис. 10. Установка для определения КСВ.

Сначала запустим сканирование с отключенной антенной и запишем результаты scan.csv в таблицу.

Чтобы измерить КСВ антенны, используем направленный ответвитель в обратном направлении. Подключим источник шума к выходу ответвителя, антенну ко входу, а RTL-SDL приемник к разветвляющему входу ответвителя. Таким образом, сигнал с источника шума отразится от антенны в RTL-SDL.

Откройте программное обеспечение RTL-SDR Panorama и введите диапазон частот, на котором вы хотите измерить КСВ антенны. Также, задайте разрешение 1М и усиление на 0. Далее, проведите сбор данных с антенной, отключенной от ответвителя. После этого, остановите программу и переименуйте файл scan.csv, расположенный в директории программы, на swr.csv. Заметьте, что после нажатия на кнопку “Стоп” в RTL-SDR Panorama, вам понадобится дождаться прекращения сбора информации до того, как вы сможете переименовать файл. Далее, проделайте то же самое, но с подключенной антенной. Теперь, поместите результаты измерений из swr.csv и последнего scan.csv файлов в Excel или любую подобную программу и скопируйте данные о мощности (последний столбец) из scan.csv в пустой столбец в swr.csv. Далее, вычтем значения первого столбца мощностей из второго столбца (с подключенной антенной), которые мы только что скопировали. Таким образом, получим значения возвратных потерь. Если были получены какие-либо отрицательные значения, может понадобиться регулировка значений, чтобы сделать их положительными, хоть и очень маленькими (такими, как 0.0001). В Excel это можно осуществить, используя функцию МАКС, например, “=max(0.0001, H2)”. КСВ далее может быть рассчитан из возвратных потерь при помощи следующего уравнения:

.

Рассчитайте КСВ в другом стобце. Таблица 2. показывает, как может выглядеть полученный результат в Excel.

Таблица 1. Результаты измерения КСВ в Excel.

Рис. 3. КСВ одноштыревой антенны с аттенюатором в отраженном подключении.

Множество людей убеждены, что значение КСВ не важно для принимающих антенн. Возможно, это ложное предубеждение основано на том, что высокие значения КСВ на передающих антеннах могут разрушить передатчик, но принимающих антеннах они не представляют такой опасности. Тем не менее, даже не повреждая радио, высокое значение КСВ заметно исказит прием.

Мы показали, что RTL-SDR можно использовать в качестве недорогого устройства для определения характеристик фильтров и измерения КСВ антенн. Привели пример измерения КСВ аттенюатора с подключенной антенной и без нее.

Лабораторное задание:

1. Получить у преподавателя исследуемые аттенюаторы и антенну.

2. В соответствии методикой приведенной выше произвести замеры без антенны и с подключенной антенной с использованием приемника RTL-SDR и подключенным аттенюатором.

3. Отобразить в отчете часть таблицы с результатами измерений.

4. Рассчитать коэффициент стоячей волны по напряжению в соответствии с приведенной методикой.

5. Отобразить в отчете результаты расчета.

6. Построить график по полученными данными в координатах SWR-Частота.

7. Изучить полученные данные, объяснить форму графика, сделать выводы.