Měření činitele odrazu a výkonu, měření E a H parametrů antén.
Pracoviště 1 – Měření E a H parametrů u různých typů wifi antén. Pomocí měřícího setu HZ-15 a užitím vektorového analyzátoru ESPI 7 se zde měří elektrické a magnetické veličiny u antén, určených pro pásmo WiFi 2,5 GHz. Bohužel, nelze zde měřit antény pro 5GHz pásmo, které jsou v učebně také k dispozici. Měřící set je vyroben pro frekvenční pásmo od 30 MHz do 3 GHz. Pokud bychom měřili veličiny mimo toto frekvenční pásmo uvedené výrobcem, naměřené hodnoty by byly irelevantní. Před měřením studenti kontrolují specifikace antény v dokumentačních materiálech výrobce. Měřenou anténu určí vyučující. Z naměřených hodnot vykreslí pomocí matematického programu Matlab (nebo i jiného) vyzařovací charakteristiky určené antény v obou osách. Naměřené hodnoty a vykreslené charakteristiky porovnají s hodnotami uvedenými v dokumentaci výrobce. Směrová (vyzařovací) charakteristika je funkcí dvou proměnných a komplikuje její grafické vykreslení. Pro jednoduchost ji lze vykreslit ve dvou na sebe kolmých rovinách E a H. Před provedením analýzy blízkého elektromagnetického pole antény, musíme nejprve vědět, jak jsou v konkrétní anténě distribuovány E a H parametry blízkého pole. Pět sond v měřícím setu HZ-15 je vhodně navrženo pro toto měření. Tyto sondy lze snadno použít pro měření blízkého elektromagnetického pole, a jsou ideální pro měření vysokých frekvencí do 2,5 GHz. Konkrétně sondy H 400-1, H50-1 a H2,5-2 jsou uřčeny pro měření H parametru a zbylé dvě sondy E 02 a E10 pro měření E parametrů.
Studenti znají vztah pro Poyntingův vektor:
P E H W/m2
Velikost Poyntingova vektoru v libovolném místě je rovna součinu rychlosti šíření vln a celkové hustoty energie.
1 P C ( 0 E2 0 H2 ) C 2 V ideálním prostředí se vlny šíří přímočaře ve všech směrech. V praxi se projevuje nerovnost zemského povrchu a zvláštní chování „obalu“ kolem Země. Ani anténa nevyzařuje rovnoměrně do všech směrů. Část vlnění se ztrácí v prostoru, protože směřuje vzhůru. V praxi je snaha směřovat elektromagnetické vlny vodorovně se zemí. Vysokofrekvenční energie se při tomto šíření zmenšuje se čtvercem vzdálenosti. Sondy obsahují speciální elektricky stíněný propojovací kabel. Na jedné straně je kabel ukončen typizovaným konektorem pro připojení do sondy a na straně druhé je ukončen BNC
konektorem. Různé tvary hrotu sond jsou určeny pro měření téměř všech elektromagnetických polí. Horní mezní frekvence sondy je určena její velikostí a provedením. Všechny sondy jsou pasivní a připojují se k 50 Ω vstupu zkušebního přijímače nebo spektrálního analyzátoru. Postup při měření je tento: 1. Vyučující určí konkrétní typ měřené antény, pracující s maximální frekvencí 2,5 GHz. 2. Podle přiloženého obrázku 1 studenti propojí měřenou anténu s přístupovým bodem – AP WLA-5000AP. Tento bod pracuje v pásmech 2,4 GHz a 5 GHz. Propojení antény a AP se provede cejchovaným kabelem R&S s maximální délkou 10m. Přístupový bod slouží jako generátor signálu do antény a je nutné ho správně nakonfigurovat pomocí počítače. Tím se rozumí zvolit kanál (frekvenční oblast), kde bude AP vysílat a generovat potřebný signál. Zde jsou důležité informace pro jeho nastavení (převzato z manuálu):
Základní IP adresa je 192.168.1.1 Základní mód je AP Základní maska sítě je 255.255.255.0 Základní heslo je airlive základní SSID je airlive DHCP klient je implicitně vypnutý.
Pokud není pří nastavování kanálu nikde uvedený kmitočet, je potřeba zkontrolovat si jej v tabulce 1. Přidělené kmitočty ke konkrétním kanálům jsou definovány normou. Pracovní frekvenci je potřebné poznamenat na papír, protože se nastavuje do spektrálního analyzátoru.
Obr. 1 – Zapojení antény.
Tabulka 1 – Frekvenční spektrum pásma 802.11b 2.4GHz.
3. Správný výběr sondy zajistí přesné měření veličiny E a H. Podle přiložených instruktážních obrázků 2 až 6 se provede její výběr. Nutno podotknout, že sondy musejí být natočeny přesně ve směru pole, jak je znázorněno na obrázcích. V případě jejich odlišného (špatného) natočení dochází k útlumu signálu a tím i k nepřesnému měření. Před měřením se doporučuje sondu vyzkoušet, jak reaguje na měřené pole. Sondy mají rozdílný tvar i velikost. Menší sondy (RS E 10, RS H 50-1, RS H 2.5-2) mají nižší senzitivitu, rozměrnější sondy (RS H 02, RS H 400-1) mají větší senzitivitu. Vztah mezi elektrickou a magnetickou složkou elektromagnetického pole je stálý a k určení velikosti signálu stačí pouze hodnota jedné veličiny. Pro vypočtení intenzity pole se měří VF výkon v podobě vstupní úrovně napětí, protože elektrické silové pole má podél čar určitý napěťový spád (vyjadřuje se μV / m).
Sondy pro měření E pole
Obr. 2 - Sonda RS E 02
Obr. 3 - Sonda RS E 10
Sondy pro měření H pole
Obr. 4 - Sonda RS H 400-1
Obr. 5 - Sonda RS H 50-1
Obr. 6 - Sonda RS H 2.5-2
4. Propojení měřící sondy s vektorovým analyzátorem ESPI 7 se provede tak, že se potřebná měřící sonda připojí na vstupní svorku RF INPUT našeho analyzátoru. Tento konektor se nachází v pravém spodním rohu čelního ovládacího panelu přístroje. Jelikož je na analyzátoru vstupní RF konektor typu N a měřící sonda zakončena typem BNC, jsme nuceni použít prodlužovací kabel ukončený odpovídajícími konektory, který nám umožní jejich vzájemné propojení. Také nám zajistí lepší pohyb okolo měřené antény. Propojení je provedeno 50 Ω kabely, které jsou od výrobce vyrobeny na zakázku a přímo určeny k tomuto měření. 5. Po správném propojení se zapne vektorový analyzátor. Zde pomocí intuitivního menu nastavíme přístroj tak, aby měřil úroveň vstupního signálu na zvoleném kmitočtu. To se provede pomocí následujících kroků: Stiskněte tlačítko RECEIVER, kterým přístroj uvedete do Rx modu. Pomocí tlačítka SWEEP –> USE SCAN TABLE se zobrazí tabulka, kde se nastavuje skenovaný kmitočtový rozsah. Zde je vhodné nastavit pouze kmitočet, na kterém vysílá přístupový bod. Pokud bychom nastavili větší šířku pásma, mohlo by se stát, že by harmonické signály zbytečně ovlivňovaly naše měření. V menu se pohybujeme pomocí směrových šipek. Na zadávání čísel, použijeme numerický blok tlačítek. Výběr se potvrzuje klávesou ENTER. Vymazání nastaveného měřícího rozsahu RANGE X provedeme klávesou DELETE RANGE. Pro nastavení detektoru stiskneme TRACE -> SELECT TRACE -> DETECTOR. Zde můžeme nastavit, zda chceme měřit: MAY PEAK, MIN PEAK, QUASIPEAK, AVARAGE a RMS. Pro naše měření nastavíme hodnotu položky na MAX PEAK.
Samotný proces měření zahájíme tlačítky SWEEP -> RUN SCAN. Ukončení a znovu přenastavení přístroje se provede položkou STOP SCAN. Pokud bychom chtěli měřit v jeden čas více signálů, pro tento účel je zde SPLIT mód. Dostaneme se do něj DISP -> SPLIT SCREEN. 6. Pro správnou orientaci je dobré pod, nebo nad anténu přiložit kotouč, na kterém je nakreslena uhlová stupnice. Podle ní se lze lépe orientovat, ve kterém směru vyzařovací diagram slábne nebo zesiluje. Vzdálenost sondy od antény je vhodné měřit svinovacím metrem. Více napoví přiložený obrázek 7. Je vhodné provést minimálně 24 měření v rozdílných směrech (úhlech). Měřené hodnoty zobrazuje analyzátor v dBµV. Důležitý je přechod, kdy z maxima začne signál klesat k minimální hodnotě. Tak poznáme okraj vyzařovacího diagramu. Po odměření dostatečného počtu hodnot, ze kterých jsme schopni nakreslit pomocí programu Matlab (Exel) tento diagram. Body se snažíme protnout tak, jak nám demonstruje obrázek pod textem. Pro intenzitu pole je dobré připomenout tento vzorec:
E
60 hd r
kde: hd - účinná výška antény r - vzdálenost místa, kde se zjišťuje intenzita pole. λ – vlnová délka
Obr. 7 – Vyzařovací diagram antény. 7. Výsledný vyzařovací diagram porovnáme s diagramem od výrobce.
Pracoviště 2 – Měřící můstek
SWR můstek ZRB2 se používá k měření velikosti a fáze koeficientu odrazu, např. filtrů, zesilovačů nebo antén. Výstupní signál z generátoru je přiváděn přes SWR most na testované zařízení. Část signálu se odráží přes SWR most na ukazatel, v závislosti na výši koeficientu odrazu testovaného zařízení. Inteligentní indikátory převádí naměřené hodnoty na ostatní parametry, např. impedanci nebo admitanci. V tomto případě je možné zobrazit velikost a fázi, jako reálné a imaginární hodnoty. Zaměření úlohy:
Sleduje a určuje ztráty signálem vracejícím se zpět do zařízení.
Zobrazuje zkušební parametry (útlum, činitel odrazu) v různých formátech: lineární, logaritmický
Přináší základní poznatky o analýze měření a pojmech.
Vyžadované zařízení: 1. Dcom 2008 2. WLA-5000AP v3 3. SWR most ZRB2 4. Testovací přijímač R&S ESPI 7 Měření zpětných útlumových ztrát (reprezentované činitelem odrazu) se v poslední době používá stále častěji. Důvodem je, že napájecí poměr mezi zpětnou a dopřednou vlnou UR/UV lze měřit pomocí směrové spojky – SWR můstku. Tento faktor je definován jako součinitel odrazu. Zpětnou ztrátu představuje rozdíl v dB, mezi dopředným a odraženým výkonem, měřenými v daném okamžiku na RF systému, Tato hodnota se nemění při změně napájecí úrovně.
Obr. 8 SWR můstek ZRB 2
SWR můstek ZRB 2 je zařízení, sloužící k měření RF energie odražené od zátěže, nebo testovaného zařízení, pokud je napájeno ze zdroje k zátěži přes SWR můstek ZRB 2. SWR můstek ZRB 2 má 3 porty. RF signál generátoru je připojen na vstupní port. Průchozí TEST port poskytuje RF signál pro měřicí zařízení, jako je ESPI 7, umožňující měřit požadované hodnoty. Na výstupní port se připojí patřičná zátěž (anténa).
Obr. 9 Směr signálu v SWR můstku ZRB 2
Obvykle, když je SWR můstek ZRB 2 použit k měření, je odražený signál použít ke kalibraci, nebo nastavení 0 dB referenční úrovně na měřicím přístroji. Dále se můstek ZRB 2 používá ke kontrole míry neshody filtrů, antén, vstupů přijímačů, vstupů zesilovačů a odpínačů ve zkratu. Všechny testované zařízení musejí mít rozhraní s impedancí 50 Ω.
Vlastnosti SWR můstku ZRB 2: Frekvenční rozsah:
5 – 2500MHz
Charakteristická impedance:
50Ω
Směrovost:
≥ 40dB
RF Test port
Postup při měření 1. Připojte testovací přijímač R&S ESPI 7: a) Stiskněte SYS tlačítko. b) Vyberte PRESET v MENU užitím horizontálního posuvného tlačítka. c) Stiskněte tlačítko FREQ. d) Stiskněte CENTER funkční tlačítko. e) Zadejte hodnotu 2.44 užitím numerických tlačítek. Ukončete zadání stiskem tlačítka s jednotkou GHz/s. f ) Vyberte MKR v horní nabídce menu užitím navigačních kláves. g) Zvolte MARKER 1 funkčním tlačítkem. 2. WLA-5000AP v3 Nastavit WLA-5000AP v3 přístupový bod, bezdrátový standard 802.11b/g pracující ve frekvenčním pásmu 2.4 – 2.48GHz. Bezpečnost: Nedotýkejte se žádného bezdrátového zařízení v době, kdy jsou napájeny. Nejdůležitější je, neodstraňovat antény od bezdrátového přístupového bodu v době napájení. To může vést k poškození přístroje.
Vzory vypracovaných protokolů
PROTOKOL č. 1 Naměřené hodnoty a) Měřená wifi anténa. Cvičícím byla zadaná anténa typu:
Airlive WAI-101 - 10dBi RP-SMA interiérová
b) Zapojení a konfigurace.
Anténa Airlive WAI-101 byla připojena koaxiálním kabelem délky 1m k WiFi accespointu typu WLA-5000AP. Ten sloužil jako generátor signálu. V AP byly nastaveny tyto parametry:
Kanál 6 v pásmu 802.11 b/g
Kmitočet 2.437 GHz
Zabezpečení - NONE
Beacon Interval – 20 ms
Vysílací výkon – 6 dBm
c) Výběr měřících sond. Pro měření jsme vybrali dle našeho uvážení a zkušebního testu sondy typu:
RS E 10 – pro měření E pole.
RS H 2,5-2 – pro měření H pole.
d) Nastavení analyzátoru a odměření hodnot. Vektorový analyzátor jsme nastavili do potřebného měřícího módu. Zadali jsme vysílací kmitočet 2,437 GHz z AP a šířku proměřovaného pásma.
Úhel [◦] 0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 195 210 225 240 255 270 285 300 315 330 345 360
E pole – vzdálenost sondy od dipólu [cm] 13 11 11 13 16 15 15 13 12 9 10 10 15 11 14 9 9 11 11 18 20 19 17 15 13
H pole – vzdálenost sondy od dipólu [cm] 40 39 39 38 37 37 43 46 41 39 40 36 36 35 34 36 36 37 39 34 26 36 34 33 40
Jako mezní možný signál jsme si zvolili 1 dBuV. Pod tuto hodnotu jsme vyhodnocovali signál jako přechodový. Vše závisí na nastaveném výkonu AP a vnitřního zesilovače měřicího přístroje.
Maximálně naměřené E pole – 26 dBuV. Maximálně naměřené H pole – 34 dBuV.
e) Vykreslení vyzařovacích diagramů v obou osách.
E pole
345 330 315 300
285
270
0 20 [cm] 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0
15 30 45 60
75
90
255
105
240
120 225
135 210
150 195
165 180
H pole
23
1 24 50 [cm]
2 3
40
22
4
30
21
5
20 20
6
10
19
7
0
18
8 17
9
16
10 15
11 14
12 13
Závěr Směrovou charakteristiku jsme získali tak, že měřenou anténu jsme budili generátorem se stálou úrovní signálu a měřili jsme velikost intenzity pole pro jednotlivé směry – úhly. Směrová charakteristika je funkcí dvou proměnných a komplikuje její grafické znázornění. Vykreslení lze provést v souřadnicích polárních a kartézských. Jelikož je první způsob vykreslení směrové charakteristiky názornější, rozhodli jsme se pro něj. Jak již jsme uvedli, pro měření byly zvoleny sondy RS E 10 – pro měření E pole a RS H 2,5-2 – pro měření H pole. Přístupový bod jsme nakonfigurovali podle odstavce – zapojení a konfigurace. Je vhodné připomenout, že byla potřeba nastavit nižší hodnota Beacon Intervalu na 20ms. Tím jsme dosáhli rychlejšího generování signálu do antény. Zadaná všesměrová anténa s poměrně vysokým ziskem je určená pro pokrytí vnitřních prostor. Anténu lze použít pro frekvenční rozsah 2400 - 2500 MHz, přičemž zisk dosahuje 10 dBi.
Anténa má pokrytí H polem na celých 360 stupních, kde je signál nejsilnější. Pokrytí E polem je jen asi na 40%, kde je znát značný útlum. Nejvyšší naměřená hodnota je v H poli – 34 dBuV a E poli – 26 dBuV. Úroveň napětí stoupá úměrně s vlnovou délkou, tedy s klesající frekvencí. Protože měření neprobíhalo v prostředí bez odrazů vln (bezodrazová komora), mohla tato skutečnost nepřímo ovlivnit naše měření. Slabé odrazy mohly měření zkreslovat a silné zase zcela znehodnotit. Proto bylo vhodné provádět ve volném prostoru – rovná střecha před okny laboratoře D401.
PROTOKOL č. 2 Postup a výsledky
Obr. 1 Blokové schéma experimentu.
Připojte systém, jak je znázorněno na Obr. 1.
Obr. 2 Zpětná ztráta – křivka zátěže.
Můstek SWR může být použit jako slučovač, který spojí dva zdroje signálu do jediného portu a tak nenaruší signálovou cestu, při jeho proměřování. Díky dobře navrženému SWR můstku, když připojíme vstupní signál do vstupního konektoru a zátěž (anténu s požadovanou impedancí) do konektoru výstupního, lze ve výsledku na průchozím konektoru označeném jako TEST konektor, měřit výkon a ztráty bez toho, abychom nějak výrazněji ovlivnili měřenou soustavu.
