LABORATORIOTYÖ 2 (8 h) LIITE 2/1 WLAN-ANTENNIEN TUTKIMINEN JA AALTOJOHTOMITTAUKSET

Transkriptio

1 LABORATORIOTYÖ 2 (8 h) LIITE 2/1 WLAN-ANTENNIEN TUTKIMINEN JA AALTOJOHTOMITTAUKSET

2 LABORATORIOTYÖ 2 (8 h) LIITE 2/2 1 TYÖN KUVAUS Työssä tutustutaan antennien ominaisuuksiin rakentamalla ja mittaamalla WLAN-antenneja 2,45 GHz:n taajuudella. Tärkeää on ymmärtää sovittamisen ja antennin säteilyominaisuuksien ero. Tutustutaan myös antennien syöttämiseen käytettävien kaapeleiden mittauksiin. TURVALLISUUSOHJE Lähetysantenniin ei saa katsoa pääkeilan suunnassa, eikä sitä saa suunnata ihmisiä kohti, sillä antennin voimakkaan suuntaavuuden takia pääkeilassa voi esiintyä vaarallisen suuria tehotiheyksiä, jotka saattavat vaurioittaa silmiä pysyvästi. Vahinkojen välttämiseksi on aina ennen RF-tehon kytkemistä tarkistettava, että lähetyssignaalin taso on alle 0 dbm ja mittauksen jälkeen sammutettava generaattori välittömästi, jotta se ei unohdu päälle. Mittauksissa käytetty taajuus on sama kuin mikroaaltouunissa, eli kannattaa olla varovainen, sillä vaikka lähetysteho on erittäin pieni suuntaava antenni nostaa tehotiheyttä pienellä alueella.

3 LABORATORIOTYÖ 2 (8 h) LIITE 2/3 1.1 Työssä tarvittavat välineet - ATMS-järjestelmä - piirianalysaattori - erillinen signaaligeneraattori - mitattavat antennit - antennien valmistuksessa tarvittavat materiaalit ja työkalut - taustakansio - koaksiaalikaapelit 2 TYÖN KULKU Mittauksissa käytetään ATMS-laitteistoa, piirianalysaattoria sekä mittaussignaalin syöttämiseen erillistä signaaligeneraattoria. Työssä tarvittava teoria ja ATMS-järjestelmän käyttöohjeet löytyvät taustakansiosta. Ennen jokaista mittausta kannattaa miettiä, mitä suuretta mitataan ja mitkä ovat oletetut mittaustulokset. Mikroaaltolaitteet ovat herkkiä staattiselle sähkölle ja niitä käsiteltäessä on käytettävä maadoitusranneketta. Mittauksista tehdään mittauspöytäkirja ja mittaustapahtumista otetaan tarpeelliset kuvat selostukseen. Mittaustulokset voi tallentaa ja tutkia niitä LVDAM-ANT ohjelmistolla, joka löytyy osoitteesta Kuvat voi myös kaapata SnagIt-ohjelmalla ja tallentaa haluamaansa kuvaformaattiin.

4 LABORATORIOTYÖ 2 (8 h) LIITE 2/4 2.1 Dipolin ominaisuuksien tutkiminen Tässä mitataan ATMS laitteistolla valmiiden 2,45 GHz:n puoliaaltodipolien suuntakuviot ja selvitetään piirianalysaattorimittauksilla, mikä aiheuttaa erot antennien säteilyominaisuuksissa. KUVIO 1. Mitattavat puoliaaltodipolit Suuntakuvion mittaus Suuntakuvion mittauksessa käytetään erillistä generaattoria, jolla syötetään AM-moduloitua 2,45 GHz:n signaalia lähetysantennille. Moduloivan suorakaidesignaalin taajuus on oltava 1 KHz. Asetetaan seuraavat RF-generaattorin kantoaaltotaajuuden asetukset FREQUENCY -> FREQUENCY = 2,45 GHz OFFSET = 0

5 LABORATORIOTYÖ 2 (8 h) LIITE 2/5 sekä moduloivan signaalin asetukset ANALOG MOD -> AM -> AM DEPTH = 100 %, AM SOURCE INT = INT, AM SOURCE EXT = OFF, AM EXT COUPLING = AC LF GEN FREG = 1 KHz. Signaali saadaan päälle RF-ON/OFF-napilla ja modulointi MOD-ON/OFFnapilla. RF-tehoja ei saa kytkeä päälle, jos kaapelia ei ole kytketty kuormaan tai mittalaitteeseen. Selostukseen laitetaan mitattujen antennien suuntakuviot sekä kuva syötetyn signaalin spektristä ja selitys mistä spektrin osat muodostuvat. Mitataan kahden puoliaaltodipolin suuntakuviot ja tutkitaan niitä LVDAM- ANT-ohjelmalla. ATMS-laitteiston perustoiminnot ja suuntakuvion mittauksen voi kerrata taustakansion työohjeessa antennimittauksiin tutustuminen tai Lab- Voltin käyttöohjeista. Mitattaessa 2,45 GHz:n taajuudella lähetysantenni kannattaa sijoittaa aivan pöydän seinän puoleiseen reunaan ja pyöritysmoottori toiseen päähän pöytää. Jos antennien etäisyyttä tarvitsee säätää kannattaa siirtää pyöritysmoottoria, eikä lähetysantennia. Tässä mittauksessa käytetään samaa säädettävän vaimentimen arvoa molemmilla antenneilla, jotta tulokset ovat keskenään vertailukelpoisia. Ensin kannattaa mitata neljännesaaltomuuntajalla sovitetun dipolin suuntakuvio, koska sillä saadaan suurin signaalitaso. Vaimennin säädetään siten, että vastaanotetun signaalin taso on noin - 3 db.

6 LABORATORIOTYÖ 2 (8 h) LIITE 2/ Sovituksen ja resonanssitaajuuden tutkiminen piirianalysaattorilla Piirianalysaattorille valitaan mittaukseen sopiva taajuusalue ja tehdään yksiporttikalibrointi mittakaapelin päähän asti. Selvitetään piirianalysaattorin avulla, mikä aiheuttaa edellä mitattujen antennien suuntakuvioiden eroavaisuudet. Hyviä apuvälineitä ovat piirianalysaattorin Smithin-kartta ja SWR-näyttö. Mietitään miten antennien ominaisuuksia voi parantaa. Mietitään erilaisia dipolin syöttö- ja sovitusratkaisuja. Mitä ovat ja miten vaikuttavat antennin toimintaan säteilyresistanssi ja syöttöpisteen impedanssi? Paljonko on puoliaaltodipolin impedanssi ja säteilyresistanssi? Puoliaaltodipolin rakentaminen ja mittaaminen Rakennetaan puoliaaltodipoli 2,45 GHz:n taajuudelle ja mitataan antennin ominaisuuksia piirianalysaattorilla. Dipoli rakennetaan kuvion 1 mukaan juottamalla SMA-liittimeen säteilijät 1,2 mm kuparilangasta. KUVIO 1. Puoliaaltodipoli

7 LABORATORIOTYÖ 2 (8 h) LIITE 2/7 Dipolin pituus on noin 0,485λ, joka saadaan kaavasta: λ = c f 8 2, m / s = 9 2,45 10 Hz = 122mm Säteilijä katkaistaan hieman puolta aaltoa pidemmäksi ja lopullinen virittäminen tehdään piirianalysaattorin avulla lyhentämällä säteilijää, kunnes antenni on vireessä taajuudella 2,45 GHz. Virittämisessä käytetään piirianalysaattorin Smithin karttaa. Antenni on vireessä kun haluttu taajuus on reaaliakselilla. Tuolloin antenni on hieman lyhyempi kuin λ/2, selitä selostuksessa, mistä lyhennys johtuu. 2.2 Koaksilaalikaapeleiden ominaisuuksien tutkiminen Suorita aluksi piirianalysaattorille transmission kalibrointi. Tämän jälkeen on mittauksia apuna käyttäen tarkoitus selvittää seuraavien kaapeleiden pituudet, hyödyntäen laskutoimituksissa signaalin kuluttamaa aikaa/viivettä kulkiessa kaapelin lävitse. Tallennetaan ja tarkastellaan myös kaapelin vaimennuskäyrää ja raportoidaan vaimennus pituusyksikköä kohden. Tee arvio kunkin kaapelin käyttökelpoisesta taajuusalueesta ja kerro mihin arviosi perustuu. RG213 AIRCELL 7 AIRCOM PLUS RG174

8 LABORATORIOTYÖ 2 (8 h) LIITE 2/8 Lisäksi määritetään RG58-kaapelin nopeuskerroin ja vaimennus pituusyksikköä kohden, kun mitattavan kaapelin pituus on 100m. 2.3 Sovituksen mittaaminen Suorita suoraan piirianalysaattorin porttiin heijastuskalibrointi. Tämän jälkeen tutki annetun epämääräisen kuorman ominaisuuksia (impedanssi, SWR, yms). Kirjaa havaintosi ylös käyttäen apuna mahdollisesti kuvia. Tämä epämääräinen kuorma kuvaa tässä harjoituksessa antennia. Seuraavaksi kuvittelemme tilanteen, jossa sinulla on TRX ja sen perässä 100m kaapelia ja antenni mastossa. Kytke seuraavaksi aiemmassa harjoituksessa käytetty RG58-kaapeli piirianalysaattoriin ja kaapelin toiseen päähän epämääräinen kuorma. Mittaa uudelleen äsken mitatut ominaisuudet. Mistä johtuvat mahdolliset erot? Perustele näkemyksesi laskutoimituksin. 3 KYSYMYKSIÄ 1. Mitkä asiat vaikuttavat olennaisesti koaksiaalikaapelin ominaisimpedanssiin Z 0? 2. Mikä on baluuni? Mitä sillä tehdään? 3. Miksi pyritään mahdollisimman pieneen seisovan aallon suhteeseen (SAS, SWR)?

9 LABORATORIOTYÖ 2 (8 h) LIITE 2/9 4. Antennin syöttöpisteessä on seisovanaallonsuhde S = 2. Syöttökaapelin vaimennus A = 1 db. Mikä on lähettimen lähtönavoissa mitattava seisovan aallon suhde? 4 SELOSTUKSEN LAATIMINEN Selostuksen teoriaosassa selitetään mitkä asiat vaikuttavat antennin kykyyn siirtää radioaalto tehokkaasti ilmakehään sekä kerrotaan mitkä asiat määräävät antennin resonanssitaajuuden ja kaistanleveyden. Kerrotaan mitatuissa antenneissa käytetyistä sovitus- ja syöttöratkaisuista. Selostuksessa käsitellään myös mittaustulokset ja suoritetaan virheenarviointi sekä kirjoitetaan pohdinta, jossa kerrotaan työn onnistumisesta sekä annatetaan palautetta työn mielekkyydestä, ohjeistuksesta ja opettavaisuudesta. Vastataan myös työohjeessa esitettyihin kysymyksiin ja tuodaan sopivalla tasolla esille oma tietämys erilaisista aaltojohdoista. Mikäli ryhmä ei tee työstä työselostusta tulee palauttaa mahdollisimman tarkka mittauspöytäkirja täydennettynä vastauksilla työssä esitettyihin kysymyksiin.