Observation om antenner (LoRa)

Elektronikrelaterade (på komponentnivå) frågor och funderingar.
JanErik
Inlägg: 3118
Blev medlem: 11 februari 2008, 17:15:58
Ort: Vasa, Finland

Observation om antenner (LoRa)

Inlägg av JanErik »

20200101_162537.jpg
Har gjort lite test med SX1278, den färdiga modulen med orörd antenn får inte kontakt från mitt garage medan den på hemgjord breakout och med samma antenn men uttöjd får kontakt.
Båda har samma mjukvara och inställning för modulen, och kompenserar frekvensskillnaden mot inomhusmodulen.
Beror det på uttöjd antenn eller jordplanet?
Du har inte behörighet att öppna de filer som bifogats till detta inlägg.
Användarvisningsbild
SM7CZR
Inlägg: 2217
Blev medlem: 14 februari 2011, 22:45:08
Ort: Lund

Re: Observation om antenner (LoRa)

Inlägg av SM7CZR »

Om frekvensen är 433 MHz skall antennen vara c:a 35 cm lång = 1/4 våglängd. Dessutom vill den ha ett jordplan.
Användarvisningsbild
Biker
Inlägg: 6121
Blev medlem: 23 november 2005, 04:51:36

Re: Observation om antenner (LoRa)

Inlägg av Biker »

SM7CZR skrev:Om frekvensen är 433 MHz skall antennen vara c:a 35 cm lång = 1/4 våglängd. Dessutom vill den ha ett jordplan.
Näe :news:

Hälften av 35 :D
Användarvisningsbild
SM7CZR
Inlägg: 2217
Blev medlem: 14 februari 2011, 22:45:08
Ort: Lund

Re: Observation om antenner (LoRa)

Inlägg av SM7CZR »

Ja, du har rätt. :doh: 17cm.
JanErik
Inlägg: 3118
Blev medlem: 11 februari 2008, 17:15:58
Ort: Vasa, Finland

Re: Observation om antenner (LoRa)

Inlägg av JanErik »

Men det räknas väl samma längd fast den är ihoprullad som spole?
E Kafeman
Inlägg: 3260
Blev medlem: 29 april 2012, 18:06:22

Re: Observation om antenner (LoRa)

Inlägg av E Kafeman »

Antenns effektivitet är lite som en kedja. Den svagaste länken sätter begränsningen.
Antennen du använder är av typ som kallas monopol. Mono (en)-pol är lite en motsägelse. Det är som med ett ficklampsbatteri, det fungerar inte alls med endast en pol.
Samma gäller för antennen, den har givetvis två poler men bara ena polen/sprötet syns. Den andra polen skapas genom spegling i jordplanet.
För att det ska fungera bra måste spegeln vara tillräckligt stor och stabil att kunna agera spegel. Dit nuvarande jordplan består av en trasig spegel, några småbitar av en spegeln som förbinds med några kablar.
Småbitarna är de kretskort som syns och de förbinds med kablar som inte alls fungerar bra som ledare av antenn-signaler.
Ett bra jordplan är en enda sammanhängande metall-yta, med minst lika stor fysisk utbredning som antennen.
Det är kedjans svagaste länk som begränsar och i detta fallet är det jordplanet. Du kommer troligen nå lika långt med en 5cm tråd som antenn jämfört med dina spolar då du ändå aldrig kan nyttja större längd än det finns motpol till.
Det är som en gungbräda, för att fungera bra måste det väga jämnt på bägge antenn-delarna.

En antenn hoplindad till spole har ungefär samma karaktäristisk resistans som den utdragna tråd-längden men med antennen lindad som en spole tillför man även reaktiv impedans som försämrar antennens effektivitet. Även att antennens fysiska utbredning är kortare försämrar funktionen. Som bekant finns ingen som skulle komma på tanken att sätta förkortade hoprullade spröt som tv-antenn på hustaket. Att krulla ihop något är en nödlösning när utrymme saknas för fullstor antenn.
För TV-antenn används sällan den speglade monopolen. Ospeglade antenn-varianten som TV-antenner kalls dipol, där bägge polerna nu är fysiska element. TV-antenners dipol är dessutom en del i en större antennstruktur för att ge riktverkan.


En ideal monopol-antenn, en kvartsvåg lång, på ett oändligt och förlustfritt jordplan har typiska impedansen (resistans+reaktans) 36 + j21 Ohm. "j" anger att det är ett imaginärt tal. En radio av den typ du använder har en typisk resistans någonstans mellan 30 till 70 Ohm med reaktans.+/- 25 Ohm.
monop.jpg
Dipol-antenn till vänster och dess monopol-variant till höger.


För optimal funktion ska både radio och antenners impedanser vara matchade relativt varandra, annars kommer en del av utsänd signal studsa tillbaka in i radion och på mottagarsidan studsar en del av mottagna signalen ut i luften igen innan mottagaren kan få nytta av den. Det är dock lite överkurs då det kräver uppmätning med VNA och evt. konjugat-matchning som man normalt sett bara gör på kommersiell utrustning och i viss mån även de som sysslar med amatör-radio, då de brukar vara petiga med att få hög verkningsgrad och slippa elda upp sändareffekt som värme i säändaren.

Kvartsvåg långa spröt för monopol eller halvvågs långa dipol-antenner är den antenn-typ som är svårast att totalt misslyckas med vid själv-bygge. Dess impedans kommer vara någonstans mellan 25-100 Ohm och radion är i samma härad. Det blir kanske några dB i förlust pga ej optimal matchning men fungerar hyggligt. Det är enkel antenn-design som fungerar hyggligt och är därför vanlig i hobby-konstruktioner.

Ditt bygge saknar RF-mässigt dugligt jordplan. Om det är där flaskhalsen sitter, som begränsar nuvarande räckvidd, som minst borde vara 10-20 km vid fri sikt, kan du testa. Löd fast en lödfläta till radions skärmkåpa och efter 2-3 cm klämmer du fast den på en bakplåt eller annan stor plåt yta. Vid förbindelse till jordplan ska det vara breda och korta förbindelser för minsta förluster och lödfläta brukar fungera bra.
Alternativt kan man av två spröt tillverka en dipol-antenn. En sådan är inte i behov av något jordplan.

För LoRa på 433 får man räkna med att det finns gott om andra lokala sändare som tillfälligt kan blockera mottagning. Det är bara momentan sändning tillåten på bandet men det är inte ovanligt att elektronik som beter sej illa ligger och stör kontinuerligt.
För att kolla efter störningar och även kunna se om egna sändare fungera ordentligt och tillräckligt kraftfullt är en SDR TV-dongel ett billigt hjälpmedel, kostar ca 100kr. Lite av ett nödvändigt verktyg för att mäta och felsöka om man inte vill investera i en riktig spektrum-analysator.
Demo av TV-dongel av SDR-typ:
Priser:
Du har inte behörighet att öppna de filer som bifogats till detta inlägg.
JanErik
Inlägg: 3118
Blev medlem: 11 februari 2008, 17:15:58
Ort: Vasa, Finland

Re: Observation om antenner (LoRa)

Inlägg av JanErik »

Jag har en dipol påväg från Kina, https://www.aliexpress.com/item/32808910154.html , till inomhusmodulen. I nuläget en sån, https://www.elektronikforumet.com/forum ... =8&t=83793 . Får se hur det påverkar.

Det var nog ganska tyst på 433 MHz när jag testade med RTL-SDR senast. Bara mina CC110L som uppför sig och bara sänder några byte var tionde minut.
E Kafeman
Inlägg: 3260
Blev medlem: 29 april 2012, 18:06:22

Re: Observation om antenner (LoRa)

Inlägg av E Kafeman »

Ja det är inga super-antenner precis. AliX-antennen har datablad som är tydligt ljug eller har inget alls med någon uppmätning att göra. Den är i bästa fall tunad med de nedkortade spröten eller bara missanpassad. För en okortad halvvågs dipol borde spröten vara dubbelt så långa.
Den andra antennen ska sitta på ett jordplan för att fungera.

Om du har en dongel, så börja med att göra en antenn till den så ser du direkt om antennen fungerar bra. Enklast jämför man antenner genom att lyssna på sändare som knappt når över bruset. Skifta till alternativ antenn och jämför och justera.
Klippa till en egen antenn är annars rätt enkelt och resultatet blir bättre än diverse Kina-antenner om man inte slarvar allt för mycket.

Ta 1m koaxkabel och skala upp ena änden så att skärmtrådarna kan stoppas in en skruvplint och centerledaren skruvas in i plinten jämte. Håll uppskalningen kort och prydlig utan att oavsiktliga skärm-trådar orsakar kortslutning.
Som antenn-spröt tar du två ölburkar. Klipp upp öpningsringen så att en ände från varje burk når fram att stoppas in i vardera kopplingsplinten utan att burkarna kommer för nära varandra. Håll avståndet 5-10 mm mellan burkarna och smältlimma ett varv runt burkarna eller så att det är stadigt nog, så har du gjort dej en dipol-antenn som fungerar betydligt bättre än AliX-antennen.
Inget krav på kopplingsplint men aluminium kräver knep för att löda så skruvplint ger säkrare förbindelse. Inget krav på smältlim heller, det går lika bra med glasspinnar och eltejp, eller vad som helst som ger stabil isolation mellan burkarna och som tål vädret där man tänkt sätta upp antennen.
JanErik
Inlägg: 3118
Blev medlem: 11 februari 2008, 17:15:58
Ort: Vasa, Finland

Re: Observation om antenner (LoRa)

Inlägg av JanErik »

Nu har dipolantennen för inomhusmodulen anlänt och den fungerar klart bättre än bara "rörantennen". Dock har den 3m kabel som säkert försämrar lite.

Funderar skriva ut en egen dipol, som https://www.thingiverse.com/thing:3562749 .
Eller https://www.thingiverse.com/thing:2967791 eller https://www.thingiverse.com/thing:3814608 . Skulle de ha fördelar vad gäller polarisation t.ex.? Hur funkar det att ringantennen kortsluter antenn till jord sådär?
E Kafeman
Inlägg: 3260
Blev medlem: 29 april 2012, 18:06:22

Re: Observation om antenner (LoRa)

Inlägg av E Kafeman »

Som tidigare så är den AliX-antennen för kort för att kunna bli en bra dipol. Att den är bättre än tidigare antenn med okänt jordplan säjer inte så mycket.
Vill du göra flimsiga dipol-liknande men ej dipoler-antenner så är thingiverse- slim resp moxon exempel på sådana. Ser kul ut men saknar tanke. Kommer givetvis ge viss funktion om än inte av någon särskilt kontrollerad karaktär.
Det är antenner ungefär på den nivån där man skalar upp en bit koaxkabel som antenn.

Thingiverse ring-antennen finns det en viss tanke bakom, det är krångligt sätt att göra en antenn som närmast är en dubbel IFA-typ fast med dåligt jordplan.
Det är ingen kortslutning till jord, det är en del av impedansmatchningen, typ spar-transformator. Finns på alla IFA-antenner. Antenner av denna typ av jordplan är lite känslig för att det ska bli rätt avstämning vilket bl.a. justeras av avståndet mellan ringarna och placeringen av "kortslutningen". Kräver oftast nätverksanalysator för att det ska bli bra.
Skulle jag gissa är avstånden mellan ringarna för litet för bra funktion men man använder tunn tråd i ringen som minskar problemet. Normalt väljer man att göra lite grövre eller flertrådig variant för att få små förluster.
Det är för att minska förlusterna som man har den breda förbindelsen mellan ringarna men även ringarna skulle må väl av samma bredd.
Väl avstämd har den lite lägre gain än en dipol.

Vill du skriva ut en antenn-hållare för att det ska se kul ut, så gör det. Är antennens funktion viktigare så väljer du förslaget ovan med två ölburkar, det är än så länge överlägset med avseende på antenn-funktion för 433 MHz relativ det du hitintills kommit med som motbud som är mest sorgligheter till antenner.
Är du lite händig så kan du skriva ut en mellanring mellan ölburkarna som kan snäppas fast för att göra designen mer stabil.
Det är snabbt och enkelt tillverkad antenn så att verifiera att den fungerar bättre än AliX-antennen är snabbt gjort. Förutom att man mister tomburkspanten så är det dessutom en billig antenn och det finns konkreta tekniska skäl till varför den är ljusår enklare att få bra funktion på relativt t.ex. den relativt kritiska tuningen som behövs på ringantennen. De bägge andra antenn-förslagen från Thingiverse är bägge sådana att de aldrig kommer fungera bra oavsett hur man justerar längder.


En antenns effektivitet beror på förluster i dess delar och resitiva förluster i kopplingen till omgivningen. Ölburkar är bra ledare då de ur RF-synpunkt har låga förluster jämfört med tunnare ledare. Det är en frekvensberoende egenskap, så givetvis fungerar inte ölburkar så bra för WiFi men vid 433 MHz är de perfekta, i synnerhet eftersom somliga ölburkar har precis lagom längd.
Det kräver iofs att antennen placeras relativt fritt för bästa effektivitet och en bra dipol-antenn har tydliga min-riktningar (polarisering) så man bör försöka få ungefär samma orientering på både sändare och mottagar-antenn för bästa resultat
Det ska säjas dock att ölburkar är mycket mer förlåtande vad gäller hur fritt de placeras relativt AliX-varianten.

Sedan gäller det att för bästa effektivitet ska antennens impedans ligga nära radions impedans. Vanligt värde är 50 +j0 Ohm. detta sista med jo beskriver den reaktiva delen av impedansen som markers som imaginär, j eller i och 0 är att enklast är att den delen är noll Ohm. Det är för antennen på samma sätt som andra elektriska kretsar, kondensatorer och induktanser, där kondensatorns reaktans oftast anges till en negativ reaktans och enheten Ohm och induktansen är den positiva motsvarigheten.

Ett sätt att beskriva hur väl en antenn är anpassad till en radio med 50 Ohms impedans kan göras genom att ange hur mycket som reflekteras av signalen som kan uttryckas som VSWR. Ett bra VSWR-värde är som teoretiskt minimum 1:1, 1:3 är ofta acceptabel och mer än så sällan önskat.

Nu kan man ju undra, ölburkar som antenn, är det riktigt seriöst? För att ta reda på det kan man beräkna eller mäta faktiska prestanda.
Jag slängde ihop en ölburks-antenn lite snabbt och mätte upp VSWR-resultatet här nedan.
graph2.png
Det är så bra bra som man kan kräva. Det finns få köpe-antenner som ger bättre ståendevåg och dessutom har köpe-antenner oftast spröt med större förluster även om de är fullstora antenner ur längd-synpunkt.

Den antenn jag satte ihop, stack jag ett hål i sidan på vardera burken med en spik för att kunna spänna fast en ståltråd. Det är viktigt att det är tryck, att ståltråden inte glappar, då annars aluminum-oxiden ger förluster.
Man kan göra på många andra sätt, nita, plåtskruv eller skruvad kopplingsplint. Går även löda om man behärskar att löda i aluminium. Dålig kalllödning är däremot bland de sämre alternativet för att få låga förluster.
Dessa bägge ståltrådar använde jag sedan för att löda på en koaxialkabel med kort men tydlig avisolering. Dels är slack, onödigt lång avisolering, detsamma som ökade förluster, och skärmtrådar som pekar yvigt leder lätt till kortslutning och när koaxkabeln böjts några gånger så börjar trådar gå av.
Gör jobbet snyggt. och isolera samt ge mekanisk stadga till kabeln med typ smältlim eller annan praktisk lösning. Det är fritt fram att improvisera.
Den antennen jag satte ihop, där klippte jag av 10 mm på en toa-rulle och smälte fast som stabil distans mellan ölburkarna. Ger 6 mm total distans vid kanten
Delux-version skulle kanske haft en krok för att kunna hänga antennen någonstans eller slår man ett hål botten på ena burken och sätter den utomhus på ett kvastskaft.
DSC00545b.jpg
För att inte i onödan göra reklam för något ölmärke och kanske ge det hela en mer professionell look kan man slipa av reklamen till plåtren yta eller lacka med tunn sprayfärg. Färg är i princip lite förlust, i synnerhet om färgen innehåller kol, vilket svart färg ibland gör, så lacka måttligt tjockt.

Detalj på hur koaxialkabel löddes in:
DSC00548b.jpg
Du har inte behörighet att öppna de filer som bifogats till detta inlägg.
Senast redigerad av E Kafeman 12 januari 2020, 19:30:35, redigerad totalt 1 gång.
Användarvisningsbild
Biker
Inlägg: 6121
Blev medlem: 23 november 2005, 04:51:36

Re: Observation om antenner (LoRa)

Inlägg av Biker »

Snyggt , bra bandbredd med tjocka element :mrgreen:

Aerial Oy dipoler är ju ganska tjocka och är hyfsat breda i frekvens
E Kafeman
Inlägg: 3260
Blev medlem: 29 april 2012, 18:06:22

Re: Observation om antenner (LoRa)

Inlägg av E Kafeman »

Jo det är bra bandbredd men är man kritisk, så har även motstånd bra bandbredd men strålar uselt.
Att antenneffektivitet verkligen har förutsättningar till att bli bra kan man se av den välplacerade tydliga resonansen som i princip är en dubbelresonans med minimala förluster och därmed inte heller något behov av balun:
smith.png
Du har inte behörighet att öppna de filer som bifogats till detta inlägg.
Användarvisningsbild
Klas-Kenny
Inlägg: 11344
Blev medlem: 17 maj 2010, 19:06:14
Ort: Växjö/Alvesta

Re: Observation om antenner (LoRa)

Inlägg av Klas-Kenny »

E Kafeman: Kul design det där, och att den mäter så bra! :D

Vad tror du, skulle det påverka prestandan nämnvärt ifall man kapar av burkarna för annat frekvensband? Tex. korta ner till 17cm totallängd för 868 MHz.
JanErik
Inlägg: 3118
Blev medlem: 11 februari 2008, 17:15:58
Ort: Vasa, Finland

Re: Observation om antenner (LoRa)

Inlägg av JanErik »

Man kunde ju pröva.

Jag tror nog Aliexpress-antennen kan vara ganska nära 2*17cm, det är spolar som är ingjutna i gummi.
Användarvisningsbild
Biker
Inlägg: 6121
Blev medlem: 23 november 2005, 04:51:36

Re: Observation om antenner (LoRa)

Inlägg av Biker »

Klas-Kenny skrev:E Kafeman: Kul design det där, och att den mäter så bra! :D

Vad tror du, skulle det påverka prestandan nämnvärt ifall man kapar av burkarna för annat frekvensband? Tex. korta ner till 17cm totallängd för 868 MHz.
Finns ju skitsmå 1dl colaburkar o man gillar fat designen - kanske redan färdigavstämda :D
Skriv svar