Antennen Tester für 5.8 GHz

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    • Antennen Tester für 5.8 GHz

      Es gibt ein Projekt, das ich schon lange mit mir herumtrage: einen Antennentester für 5.8 GHz Antennen. Manche werden jetzt sagen: "Das gibt's ja schon!". Mag sein, aber für uns nicht wirklich.

      Es gibt:

      1. Professionelle Spectrum Analyzer. (Sind eher in der oberen Preiskategorie).
      2. Das N1201SA, ein feines Tool, geht aber leider nur bis 2.7 GHz. (Das hab ich schon).
      3. Das OwlRC SWR Meter. Ist eine Option, bietet aber nicht alles, was ich mir wünsche.
      4. Die Eigenbaulösung von 'bonafidepirate' mittels SDR. Gute Idee, geht aber nicht bis 5.8 MHz.
      5. Das VSWR Meter von Terence Chan.

      Weshalb die Mühe? Mit dem N1201SA habe ich gelernt, dass uns mit vielen Antennen fürchterlicher Schrott angedreht wird. Oder dass wir eine Antenne falsch einsetzen. Ein Beispiel: Wenn ich mit einer CL Antenne auf Kanal F1 (5740 MHz) herumfliege, aber die Antenne bei 5860 MHz ihre beste Leistung hätte, dann verliere ich einige dB. Dumm ist nur, dass ich davon nichts weiss. Also muss ein Antennentester her, der mir zuverlässig sagt, bei welcher Frequenz eine Antenne ihren besten Empfang hat, was dort ihr VSWR ist und ob die Impedanz stimmt, inklusive ein allfällig verwendetes Pigtail oder eine sonstige Verlängerung.

      Mein Projekt sieht deshalb wie folgt aus:

      1. Am Anfang steht ein VCO Frequenzgenerator, der Frequenzen von 5650 bis 5950 MHz liefert. VCO heisst "Voltage controlled oscillator", das heisst, man kann über eine angelegte Spannung bestimmen, auf welcher Frequenz gesendet wird. Man kann somit über das gesamte uns interessierende Frequenzspektrum scannen.

      2. Vom Frequenzgenerator geht es über einen Abschwächer ("Attenuator") in einen "Directional Coupler" [keine Ahnung, was das auf Deutsch heisst]. Man findet Directional Coupler gebraucht zu tragbaren Preisen auf Ebay.

      3. Am primären Ausgang des Couplers hängt die zu testende Antenne.

      4. Am Nebenausgang des Couplers hängt ein Power Meter, das die dort anliegende Signalstärke misst.

      5. Das Signal des Power Meter geht zu einem Arduino, der auch die Sendefrequenz des Frequenzgenerators steuert und die Messdaten an einen PC weitergibt.

      Die Einkaufsliste umfasst Teile im Gesamtwert von 100 bis 120 Euro. Ein OwlRC wäre knapp billiger.

      Noch ganz kurz zum Funktionsprinzip, damit Ihr wisst, was ich plane: Das Signal des Senders geht durch den Coupler zur Antenne. Eine ideale Antenne würde die gesamte Energie abstrahlen (was man zur Kalibrierung mit einem 50 Ohm Terminator simulieren kann). In der Praxis und ausserhalb der optimalen Frequenz wird jedoch ein mehr oder weniger grosser Teil der Energie zurückreflektiert, und vom Coupler zum Power Meter umgeleitet. Aus der Messung kann man (= der Arduino) die VSWR berechnen. Durch das Frequenzscanning erhält man auch eine schöne graphische Kurve über die Antennenleistung bei verschiedenen Frequenzen.

      So weit der Plan. Eure Kritik und Ideen sind erwünscht. Vielleicht habe ich einiges vergessen oder übersehen.
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    • Stefan73 schrieb:

      Also letztlich der Build von Mr Chan + ein Frequenzgenerator, richtig?
      Ja, richtig. Der Frequenzgenerator bringt mir die Möglichkeit, nicht nur bei diskreten Frequenzen zu messen, sondern auch relativ einfach und schnell die Resonanzfrequenz der Antenne zu finden. Es ist ganz klar eine Variante der Lösung von Terence Chan. Bonafidepirate (Keith) macht das Scanning mit dem SDR Empfänger und kann deshalb einen Noise Generator verwenden. Das ist eine sehr elegante Lösung, aber leider gibt es keine preislich günstigen SDR Empfänger für 5.8 GHz. Im übrigen habe ich mir die wichtigsten Informationen in den hoch interessanten Videos von w2aew geholt.

      @Zeusway: Das OwlRC tut anscheinend was es soll. Genaueres wissen wir aber nicht. Was mich zur Selbstbaulösung treibt, ist die Möglichkeit (und Notwendigkeit :( ), für alle Komponenten sauber zu kalibrieren. Dabei bekommt man wertvolle Anhaltspunkte für die Präzision der Messungen respektive die Grenzen der Präzision. Die fürchterlichen Videos von JB zum OwlRC (#1 und #2) haben mich jedenfalls sehr irritiert, besonders das zweite. Wenn die Antenne auf einem Gewirr von Kabeln liegt, und sich kein Unterschied in den Messungen zeigt, dann ist das verdächtig. So ein Resultat einfach zu akzeptieren gelingt mir nicht. JB ist da sehr unkritisch. Gelernt haben wird dabei sicherlich nichts.
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    • meiner reagiert schon auf die nähe einer Hand oder sonstiges in der nahe der zu messenden Antenne.
      ob er zu 100% kalibriere ? aber er zeigt mir ob ich ne Antenne ehr im unteren mittleren oder oberen Frequenzbereich besser nutzen kann.
      die JB Messungen kenne ich ... meiner funktioniert ...

      aber ich finde dein Projekt sehr gut ... HackRF One ist auch sehr interessant da er bis 6Ghz geht...
      wenn du fertig bist können wir ja ein und die selbe Antenne mal messen ... Porto übernehme ich gern.

      Dieser Beitrag wurde bereits 1 mal editiert, zuletzt von Zeusway ()

    • Es gab mal yt Video, bei dem die VTX Sendeleistung über das Frequenzspektrum hinweg gemessen wurde. Die war alles andere als homogen. Vermutlich wirst Du die hinlaufende Leistung erst mal in einer Kalibrierungsmessung erfassen müssen. Ideal wäre es, die Sendeleistung so fein steuern zu können, dass Du in der Folge mit gleichmäßiger Sendeleistung testen kannst.
    • Zeusway schrieb:

      meiner reagiert schon auf die Nähe einer Hand oder sonstiges in der Nähe der zu messenden Antenne.
      Das ist eine gute Nachricht und spricht für den OwlRC. Denn die Physik zeigt genau solche Auswirkungen wegen allem, was sich in der Nähe der Antenne befindet, und das soll man auch in der Messung sehen.

      Stefan73 schrieb:

      Es gab mal ein yt Video, bei dem die VTX Sendeleistung über das Frequenzspektrum hinweg gemessen wurde. Die war alles andere als homogen.
      Das ist beim VCO Frequenzgenerator nicht anders. Die Sendeleistung verändert sich ziemlich erratisch mit der abgerufenen Frequenz und die Frequenz ist zudem nicht ganz linear zur Steuerspannung.
      Das Diagramm des Herstellers sieht so aus:



      Wenn ich das Diagramm richtig interpretiere: Die Skala unten ist die Steuerspannung und die Skala links ist GHz resp. dB. Die blaue Linie zeigt die Sendefrequenz in Abhängigkeit der Steuerspannung und die braune Linie zeigt die Sendeleistung in Abhängigkeit von der Steuerspannung.

      Beides lässt sich rechnerisch recht einfach berücksichtigen. Eine gesteuerte Anpassung der Sendeleistung geht bei diesem Frequenzgenerator nicht. Das ist aber nicht weiter schlimm, denn das Nachregeln der Sendeleistung hätte vermutlich auch wieder Nebenwirkungen und würde die Sache richtig kompliziert machen.

      Es ist nicht nur der Sender allein. Richtig spannend wird die Geschichte beim AD8318 Power Meter. Die Messung ist nicht ganz linear zur Leistung am Eingang, vor allem an den beiden Enden des Messbereichs:



      Die schwarze Linie gilt bei +25°C. Hinzu kommt noch folgendes: Vout ist auch noch frequenzabhängig.
      Im Moment hoffe ich darauf, dass die Messung nicht (oder nicht allzu stark) von den Eigenschaften der zu messenden Antenne abhängt. Das würde die Sache deutlich komplizierter machen.
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    • Habe gerade mal aus Neugier die Amplitudenstabilität meines betagten HP Sweeper/Osc zwischen 5000Mhz und 6000MHz mit dem Powermeter nachgemessen...da betrachte ich immer 5G8 Antennen am SA und am SweptAmplitudeAnalyzer , die ich so baue :)
      generell gilt: das HF Signal muss über den Sweep ( hier 5-6GHz ) stabil sein, sonst kommt keine gute Messung der Antennenparameter zusammen
      Im Beispiel
      Hier mal als Beispiel der Screenshot einer Helical bei 5800MHz
      Scan oben Impedanzverlauf
      Scan unten S11 Parameter bei -34dB = VSWR 1: 1,02
      Marker bei 5600MHz und 6000MHz
      Teilung 10dB/cm
      Bilder
      • Helical.jpg

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      Das AD8318 RF-Power-Meter ist heute angekommen. Zuerst habe ich etwas daran rumgelötet (na ja, was soll man sonst tun?) und dann sah es so aus:



      Der Aufbau ist klassisch und folgt dem Evaluation Board des Herstellers, wobei aber viele Details weggelassen wurden. Der Anschluss ist SMA.

      Zur weiteren Besprechung ein besseres Bild:



      Das Signal kommt vom Dorn des SMA-Female und wird dann mit dem "510" beschrifteten Widerstand gegen GND kurzgeschlosen (terminiert). Der Widerstand hat nach Beschriftung 51 Ohm, nachgemessen 50.9 Ohm. Einigermassen gut, aber nicht wirklich gut. Der Widerstand müsste 52.3 Ohm haben, damit sich zusammen mit dem Eingangswiderstand des AD8318 Chips ein Terminierungs-Widerstand von genau 50 Ohm ergibt.

      Dann geht es über einen Kondensator zum Signaleingang des AD8318 Chips und gleich darunter über einen zweiten Kondensator zu GND. Das ist so weit korrekt. Das Schaltdiagramm habe ich ins Bild eingeblendet. Nachmessen konnte ich die Kapazitäten nicht. Es sollte je 1 nF sein, aber mein Messgerät zeigt mit den langen Kabeln nur Unfug. Die beiden Kondensatoren lassen die hohen Frequenzen ungehindert durch, trennen aber den Mess-Chip von allfälligen Gleichstrom-Potentialen.

      Oben rechts ist ein 78L05 Spannungswandler von VCC auf 5 Volt. VCC soll mindestens 7 Volt betragen, aber nicht viel mehr, denn der LDO wird rasch warm. Er liefert nachgemessene 4.91 Volt. Der LDO ist schlicht zu klein bemessen. Ich wundere mich, dass die so etwas nie richtig hinkriegen, denn Platz wäre auf der Platine mehr als genug. Die Eingangsspannung ist aber ok, denn erlaubt sind 4.5V bis 5.5V.

      An Pins 3 und 4 liegt die positive Versorgungsspannung für den Input-Teil (VPSI), ebenso an Pin 9 für den Output-Teil (VPSO) des AD8318. Das wird mit zwei Kondensatoren gegen GND gepuffert. Gleich rechts daneben sind zwei leere Pads. Dort kann man mit einem weiteren Kondensator das Output-Resultat glätten, falls der Eingang ein Signal aufmoduliert hat. Ist aber vorliegend nicht notwendig.

      OUT ist eine Spannung, welche die Information über die Stärke des zu messenden Eingangssignals gibt. Ganz ohne Eingangssignal (Eingang mit einem 50 Ohm Terminator verschlossen) liegt an OUT eine Spannung von 2.155 Volt. Das entspricht dem Datenblatt. Dann habe ich am Eingang eine Antenne angeschraubt, einen Kopter unter Strom gesetzt und mit langsamer Annäherung der Antennen bis 1.18 Volt an OUT getestet. Das entspricht etwa -20 dBm am Eingang. Das Power-Meter scheint zu funktionieren.

      In der Mitte rechts ist eine rote Leuchtdiode mit einem 10k Vorwiderstand. Die Diode zeigt lediglich, ob VCC anliegt. Oben ist rechts des LDO ein Glättungskondensator für VCC und links des LDO zwei weitere Kondensatoren für den Ausgang des Spannungswandlers. Interessant ist der Widerstand "511" links neben den zwei Kondensatoren. Dieser steuert resp. kalibriert die Temperaturkompensation für den AD8318. Die nominellen 510 Ohm sind in Wirklichkeit 506 Ohm gemessen. Passt gut und ist der korrekte Wert für Frequenzen von 900 MHz bis 2.2 GHz. Für 5.8 GHz müsste es aber ein 1 kOhm Widerstand sein. Vermutlich werde ich den bei Gelegenheit noch tauschen müssen.

      Zur besseren Orientierung habe ich über das Bild das Schaltdiagramm einkopiert. Die Spezifikation für den AD8318 findet man leicht im Internet. Der File ist zu gross für das Forum.
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      Die benötigten Teile trudeln so nach und nach ein. Gestern kam der 5.8 GHz Frequenzgenerator KVCO-5800. Jetzt kann man die Teile auf die Schneidematte legen und sieht, wie das dereinst miteinander verbunden werden soll.



      Leider fehlt noch einiges. Zwischen den VCO und den Narda 4014C Richtkoppler kommt noch ein Abschwächer (Attenuator), vermutlich 10 dB. Dann sind noch verschiedene Verbindungsstücke auf dem unendlichen Postweg unterwegs. Den KVCO-5800 habe ich gleich mal am ImmersionRC Power Meter getestet und folgendes festgestellt:

      1. Er funktioniert :)

      2. Die Sendestärke variiert wie erwartet und beschrieben mit der Frequenz. Sie folgt dabei der Kurve des Herstellers, aber die Sendeleistung ist etwas höher als publiziert. Habe folgende Sendeleistungen in Abhängigkeit der Steuerspannung gemessen:

      4.5V 7.78 dBm
      4.0V 8.06 dBm
      3.5V 8.33 dBm
      3.0V 8.63 dBm
      2.5V 8.89 dBm
      2.0V 9.11 dBm
      1.8V 9.17 dBm
      1.6V 9.10 dBm
      1.4V 9.03 dBm
      1.2V 9.00 dBm
      1.0V 8.89 dBm
      0.5V 8.47 dBm

      3. Für die Eingabe der Steuerspannung steht ein SMA-Female Anschluss zur Verfügung (im Bild rechts). Das ist unpraktisch, weil man nicht einfach Drähte anlöten kann. Deshalb habe ich ein RG316 Pigtail geschlachtet, das man bekanntlich für 5.8 GHz ohnehin nicht gebrauchen kann, aber zum Transport von Gleichspannungen ist es ganz praktisch.

      Ein kleines Problem hat sich noch ergeben. Ich muss zu meiner Schande gestehen, dass ich davon ausgegangen bin, dass ich mit dem Arduino an den Analog-Pins nicht nur Analogspannungen als Eingang messen, sondern auch ausgeben kann. Das ist ein Irrtum. Der Arduino macht zwar etwas ähnliches, aber er simuliert die Ausgansspannung durch ein PWM Signal. Das ist vorliegend nicht brauchbar. Es kommt somit noch ein weiteres Teil hinzu, nämlich ein DAC (Digital - Analog - Converter). Dabei habe ich mich für den Adafruit MCP4725-DAC entschieden. Das ist ein 12-Bit DAC mit nur einem Kanal, aber das reicht mir. Das Board hat ein EEPROM, wo man dauerhaft abspeichern kann, mit welcher Spannung gleich nach dem Start begonnen werden soll. Die Ansteuerung erfolgt über I2C und es gibt eine kleine Library welche einem die Mühe abnimmt. Das wird in einem Tutorial schön erklärt.



      Eigentlich würde ich sehr gerne Winkelstecker vermeiden, aber so wie auf dem Bild ausgelegt, geht die Anordnung nicht gut. Der Arduino ist weit vom Power Meter entfernt, was dann eine sehr lange Messleitung ergeben würde. Wenn jemand eine bessere Idee hat -- her damit!
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      Das war auch mein erster Gedanke. Der Vorteil wäre noch, dass es keine diskreten Schritte im Spannungsverlauf gibt, weil der Low Pass Filter das wegbügelt. Das Problem ist aber, dass ein Low Pass Filter entweder gut und dann auch langsam ist, oder schnell und mit Ripple. Bei tiefen Volt-Werten kommt im PWM hin und wieder ein Puls und dann "lange" nichts mehr, und genau diese tiefen Werte von 1.15 bis ca. 2.725 Volt brauche ich.

      Der Arduino macht das PWM anscheinend mit gemütlichen 490 Hz, angeblich auf einzelnen Pins auch mehr. Mit 1kOhm und 10 uF hätte ich eine cut-off Frequenz von 16 Hz. Das ginge zweifellos, und liesse sich auch noch etwas schärfer einstellen. Leider habe ich noch viele unbekannte Faktoren in der Planung. So weiss ich noch nicht, wie schnell der VCO auf die Inputs reagiert. Falls er schnell ist - was ich hoffe - dann könnte ich einen Scan so machen, dass ich 100x durchscanne und dann die Resultate zu einer Kurve mittle. Dazu müsste aber die Steuerung flink sein. Das Power Meter ist schnell (10 ns). Habe mich einfach für die sichere Variante entschieden, wobei ein 12 Bit DAC natürlich ein völliger Overkill ist, aber der Anschluss des DAC mit 4 kurzen Drähten ist nicht komplizierter, als ein RC Glied an den Arduino zu frickeln. Wenn ich die Frequenz auf 1 MHz genau steuern wollte, dann wären rein numerisch die Schritte 13.6 mV Steuerspannung pro MHz am VCO. Auf der Empfangsseite vom Power Meter habe ich eine maximale Auflösung von 0.1 dB über einen nutzbaren Bereich von 45 dB, genauer gesagt von -5 db bis zu -50 dB.
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      Ui, ein sehr ambitioniertes Projekt das du da angehst. Hochfrequenz bis 6GHz ist nicht so leicht zu bändigen, ich spreche da aus Erfahrung.

      Die Messgrenze bzw. die Genauigkeit steht und fällt mit dem Richtkoppler. Ausschlaggebend dafür ist das Richtverhältnis (Directivity) des Richtkopplers. Eine Faustformel besagt: Für eine Genauigkeit von +-1dB muss das Richtverhältnis um 20dB höher sein als der zu erwartende Messwert. Will man also ein S11 von -20dB (VSWR=1.22) messen, dann sollte das Richtverhältnis 40dB sein. Nur solche Richtkoppler bzw. SWR-Brücken sind bei 6GHz verdammt teuer.
      Hier ein Link dazu: anritsu.com/en-us/test-measure…Understanding-directivity
      Ich weiß nicht was du für einen Richtkoppler verwendest, aber ich fürchte er wird nicht besser als 20dB sein, wenn überhaupt.
      Ich wünsche dir trotzdem gutes Gelingen!
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      Qopter schrieb:

      ... aber ich fürchte er wird nicht besser als 20dB sein, wenn überhaupt.
      Danke für den wertvollen Input. Deine Glaskugel funktioniert perfekt ;)

      Habe mir bei Ebay zwei Narda Coupler gekrallt. Der bessere hat 20 dB Directivity. Für den Anfang reicht mir das, denn ich kann zumindest sehen, bei welcher Frequenz eine Antenne am besten arbeitet. Genaue quantitative Aussagen zu S11 resp. VSWR gibt das nicht. Ich kann aber erfahren, ob mein Plan im Prinzip funktioniert und die Software schreiben. Falls sich das Resultat meiner Basteleien als funktional und nützlich erweisen sollte, ist immer noch Zeit, um auf die Jagd nach einem besseren Coupler zu gehen.
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      Ja, mach erstmal den Rest fertig bevor du in eine teure SWR-Bridge inventierst. Mit 20dB Directivity kann man auch Antennen bewerten. Man mus sich nur klar sein, dass Messwerte kleiner als -14dB keine Aussage mehr haben.

      Dann noch ein Tipp: Du wirst noch Übergänge, Dämpfungsglieder und einen 50 Ohm Abschluss brauchen. Kauf die von namhaften Herstellern, die auch ein Datenblatt haben. Nicht die billigen Dinger über ebay oder aus China, sonst wirst nicht mehr froh.