Loop på monopole-antenn fick det att funka, varför?

Elektronikrelaterade (på komponentnivå) frågor och funderingar.
mik4el
Inlägg: 98
Blev medlem: 30 augusti 2015, 10:35:02

Loop på monopole-antenn fick det att funka, varför?

Inlägg av mik4el »

Har försökt göra 1/4 våglängds monopole antenner genom att löda en grov koppartråd i 1/4 våglängd långa direkt på stiftet i en sma-hane och sen smältlimmat på plats. Funkar ju rent mekaniskt men har tyckt dem ger dålig performance och fick mycket riktigt det bekräftat när jag kunde mäta med en enkel VNA. Inga vidare antenner. Har prövat olika längder för att få resonans på 868 MHz men får inte till det. Framförallt har de gett dålig S11 på -6dB och VSWR på 2+, helt kasst. Sen prövade jag lite olika alternativ bara helt på måfå och gjorde denna antenn:
IMG_6309.JPG
Den är ungefär en kvarts våglängd lång på 86mm men har en loop på 6-7mm i diameter precis efter sma-kontakten (lödde åxå på en extra bit). Den fick jag till S11 -15dB och VSWR 1.3... Det är ju en ok antenn. Förstår inte riktigt varför :) Det är inte enbart för att den är längre iom loopen eftersom jag prövat olika långa tråd i samma setup utan att få denna performance. Gör loopen någon slags choke för att inte sma-skalet ska bli en dålig dipole? Vad är det som händer här?
Du har inte behörighet att öppna de filer som bifogats till detta inlägg.
E Kafeman
Inlägg: 3238
Blev medlem: 29 april 2012, 18:06:22

Re: Loop på monopole-antenn fick det att funka, varför?

Inlägg av E Kafeman »

Antenn-typen kallas ofta för kvartsvåg då den är ca 0.25 våglängder lång. Den kallas också monopol men det är missvisande namn.
Om man förser antennen med bottenspole kallas antennen för förkortad kvartsvåg.
Ju mer spole => ju kortare spröt, ju smalare bandbredd och sämre gain.

Problemet är att kvartsvåg som antenn-typ finns inte. Den fungerar inte alls eller mycket dåligt.
Den kortaste antennen som man kan få någorlunda resonant är minst en halv våglängd lång bestående av två anslutningspunkter (di-pol=två poler) och kan bestå av två stycken kvartsvågsdelar som pekar åt varsitt håll. Det är precis som med ficklampsbatteri, de fungerar inte med bara en pol (mono-pol).

Nu har du mätt och ser att antennen trots allt är resonant, åtminstone tyder lågt VSWR på det..
Det beror på att antenn-strömmarna hittat den saknade delen av kvartsvågen, förutom den del du har på bild. Det är apparat-lådan eller antennkabelhöljet som utnyttjas som den saknade delen av antennen. Den delen måste med för att man ska kunna bedöma antennens egenskaper.
Hur bra antennen är som helhet, dvs hela halvvågen, fungerar beror åtminstone till hälften på hur bra den andra halvan av antennen är avstämd.
Det är den sämsta antenn-delen som begränsar prestandan. Är ena halvan dåligt avstämd så hjälper det inte hur bra man avstämmer andra halvan.

Vanligt är att man kan få bra VSWR när antennen skruvas fast på en nätverkare, då hela nätverkarens hölje fungerar som motpol till din antenn-del.
När du sedan flyttar antennen till ett annat apparathölje så behöver det inte längre alls fungera bra, för du har ju bytt ut halva antennen till något annat.

Antenner som består av kvartsvåg som skapar motpolen i sitt jordplan är trots allt rätt förlåtande i sin konstruktion. Har man kapat antenn-sprötet någorlunda rätt och jordplanet utbreder sej minst lika långt som själva antenn-längden så är chansen god att antennen fungerar hyggligt.
Det som möjligen kan skapa lite problem är att man då kan få större problem med hand-dämpning i bärbara enheter eftersom det är svårt att hitta rätt med impedanserna för antennegenskaperna både med och utan hand. Då är en VNA ett bra verktyg så att man kan trimma antennen för bästa beteende vid olika närfälts-egenskaper och med VNA så trimmas denna antenn-typ när den sitter på aktuell apparat, inte när antenn-sprötet sitter kopplad direkt på en VNA eller i änden av en koax-kabel kopplad till en VNA. Att mäta en monopol när den sitter i änden på kabel kopplad till VNA, impedans, VSWR som då mäts upp gäller för totala antennen som består av koaxkabeln och ditt spröt. Den typen av mätning säjer inget om egenskaperna för enbart spröt-delen.
mik4el
Inlägg: 98
Blev medlem: 30 augusti 2015, 10:35:02

Re: Loop på monopole-antenn fick det att funka, varför?

Inlägg av mik4el »

Tack för svar!

Så du tror inte loopen har någon egentlig påverkan på resonansen/s11 utan det är någon slags slump av perfekt avstämd längd som fick det att bli bättre resonans? Det skulle ju stämma överens bättre med det jag trodde jag visste om antenner iaf :) Jag har ju som sagt provat olika längder utan att komma i närheten av samma beteende.
E Kafeman
Inlägg: 3238
Blev medlem: 29 april 2012, 18:06:22

Re: Loop på monopole-antenn fick det att funka, varför?

Inlägg av E Kafeman »

Bottenspolen har naturligtvis inverkan genom tillförd induktans, men vi vet inte hur mycket om inte den andra halvan av antenn/jordplan är känt.
Att det av slump blev perfekt tror jag inte och borde inte resulterat i en spole, vilket försämrar antennens effektivitet relativt en fulllängds kvartsvågs-antenn.
Optimala impedansen för en ideal kvartsvåg är 37+j0 Ohm. För att matcha mot en radio med ideala impedansen 50 Ohm behövs minst ett matchningsnät med en spole och en kondensator alternativt att man trixar med transmissionsledare,h antennens ledarbredder.o.dyl.

Det är som med gungbrädan på lekplatsen, känner vi bara lasten på den ena sidan, vet vi inte om den andra sidan väger emot lagom mycket så det alls kan svänga.
Det kan fungera bra men jag vet inte tillräckligt om din antenn för att kunna gissa och får nöja mej med att beskriva hur dessa okända faktorer kan påverka.
Nu sitter Kalle på den ena sidan av gungbrädan och hans ände av gungbrädan har dessutom kortats något genom en loop i början på brädan.
Om det väger jämnt mot gungbrädans andra sida vet vi inget om eller är inte redogjort för här i vart fall. Kanske finns där ingen motvikt alls. Då gungar det inte något vidare bra=> kass antenn.
Normalt mäter man in antennen i den miljö den ska sitta. En VNA ansluts till hela mätobjektet, alltså både kvartsvågs-antennen och dess motpart/jordplan.
För att inte mätkabeln från nätverkaren ska störa mätningarna och förlänga mätobjektets jordplan via koaxkabelns ytterhölje är det vanligt med ferrit-tuber på mätkabeln.
Nu är kvartsvågen rätt förlåtande så även om antennen inte är helt perfekt eller korrekt uppmätt så blir resultatet rätt hyggligt ändå.
Att träffa optimalt rätt av slump med matchning av antenn, det är allt för många parametrar för att vara möjligt.
Däremot att antennen blir så väl fungerande att att man är nöjd med resultatet är en annan sak. Även om man missat och bara har hälften av möjlig antenn-effektivitet så betyder det en skillnad på 3dB och det är nära omöjligt att i praktiskt bruk kunna avgöra skillnaden då lokala rums-variationer påverkar mera.
mik4el
Inlägg: 98
Blev medlem: 30 augusti 2015, 10:35:02

Re: Loop på monopole-antenn fick det att funka, varför?

Inlägg av mik4el »

Tack igen för svar. Det är en bra läxa att mäta på plats. Verkligen för mycket okända variabler här annars. Ska se till att framtida designs har möjlighet att lätt koppla in en extern kabel i transmission line så jag kan göra det tillförlitligt.

Jag gjorde även en dipol tidigare som jag nu kunde snabbtesta och den ger motsvarande performance som den här "slumpantennen" i range här i min utemiljö... Ska testa lite mer mätbart och se vad jag får i skillnader mellan dipol, "turantennen", monopoles och köpeantenner.
E Kafeman
Inlägg: 3238
Blev medlem: 29 april 2012, 18:06:22

Re: Loop på monopole-antenn fick det att funka, varför?

Inlägg av E Kafeman »

Är du nöjd med din antenn så är alt bra.
Det är ingen kritik från min sida utan mer en förklaring vilka de typiska problem man som ny på området antenn-design inte alltid tänker på.
Till skillnad från monopolen, dipol och tunad loop-antenn är exempel på antenner som inte är direkt beroende av jordplanet.

Monopolen är lurig eftersom den synliga antenn-tråden bara är halva antennen. Resten göms i apparatens jordplan och kan ställa till mycket bekymmer.
Bild med mer förklaring hur motpolen speglas i jordplanet finns här: https://en.wikipedia.org/wiki/Monopole_antenna

Finns utrymmet så kan man lägga till egna jord-spröt till en monopol och på det viset få bättre kontroll på jordplanet. Genom att välja längd och vinkel på dessa spröt kan man tuna antennen direkt till 50 Ohm och nå nära optimal effektivitet.
Exempel på välkänd sådan antenn är ofta kallad GP-antenn
mik4el
Inlägg: 98
Blev medlem: 30 augusti 2015, 10:35:02

Re: Loop på monopole-antenn fick det att funka, varför?

Inlägg av mik4el »

Uppskattar verkligen din feedback och såg det inte som annat än konstruktiv kritik.

Återkommer när jag har lite mer mätdata :)
Användarvisningsbild
Biker
Inlägg: 6090
Blev medlem: 23 november 2005, 04:51:36

Re: Loop på monopole-antenn fick det att funka, varför?

Inlägg av Biker »

På höga frekvenser räcker ju ofta apparatens jordplan men på lägre som 70 och 150 MHz krävs det nästan att man håller i radion för att agera jordplan när det gäller bärbara komradios
mik4el
Inlägg: 98
Blev medlem: 30 augusti 2015, 10:35:02

Re: Loop på monopole-antenn fick det att funka, varför?

Inlägg av mik4el »

Mätte lite RSSI vid samma avstånd på runt en meter mellan två enheter. Resultat finns nedan. Där kan jag ändå se att turantennen enligt ovan ger aningen bättre resultat än jag är van vid (exv köpeantennen i testet) men att dipolen är mycket bättre (typ 10dBm). Jag kan också igen verifiera att det är mycket stor skillnad på min v1.0 och v1.1 av PCB där v1.1 är ungefär 20dBm bättre. Hursom kommer jag nog fortsätta prototyparbetet med dipoler eftersom de enkla dipoler jag byggt av koax här ger så pass mycket bättre resultat. I ett nästa skede när det kommer till att optimera enkelhet och footprint kanske jag går tillbaka till att använda enkla monopoler men då behöver jag som sagt åxå mäta i apparatlådan med pcb monterat.

Alla mätningar vid 868MHz och 14dBm effekt i SmartRF studio. 1m avstånd mellan två launchpad ger ungefär 24dBm tx/rx.

1m launchpad till CC1352 v1.0:

Köpeantenn på CC1352 tx/rx
-45dBm/-50dBm

Turantenn på CC1352 tx/rx
-42dBm/-46dBm

Dipol på CC1352 tx/rx
-34dBm/-39dBm


1m launchpad till CC1352 v1.1:

Dipol på CC1352 tx/rx
-15dBm/-18dBm


CC1352 v1.0 till CC1352 v1.1:

Dipol på CC1352 v1.0 till köpeantenn på CC1352 v1.1
-45/-45
Användarvisningsbild
4kTRB
Inlägg: 18279
Blev medlem: 16 augusti 2009, 19:04:48

Re: Loop på monopole-antenn fick det att funka, varför?

Inlägg av 4kTRB »

Har du inte sett när Mr Bean får störningar på tv så ta och kika på den episoden.
Skriv svar