Měření na anténě

V článku jsou popisovány metody měření SWR a impedance antény jakož i problémy s tím spojené. Hned v úvodu však třeba poznamenat, že případný zájemce o stavbu se zde již neobejde bez základních znalostí programování ať už PC nebo mikroprocesorů. Hardwarová jednoduchost je vykoupena komplikovanějšími matematickými výpočty.

1. základní princip

Na měření komplexní veličiny jakou je impedance antény se používají výhradně můstkové metody. Tyto pracují s dostatečnou přesností a při vhodném provedení zpracují velký rozsah kmitočtů až do GHz. Částečnou nevýhodou je potřeba napájení generátorem měřicího kmitočtu s poměrně přísnými nároky na spektrální čistotu a značným výkonem. Samotná můstková metoda umožňuje různé druhy měření nejen na anténách ale také na vedeních a napájecí. Můstek tohoto typu je použit i ve známém přístroji MFJ259. Zapojení je až triviální jednoduché:

Po pripojení generátoru, nastavení požadovaného kmitočtu a připojení komplexní zátěže (antény) můstek dodává tři napěťové informace, které postačují na výpočet impedance i PSV (SWR). V dalším popisu se budeme držet tohoto značení:

FWR…..poloviční napětí generátoru měřícího kmitočtu
REF…..rozdílové napětí v diagonále můstku charakterizující PSV
VZA…..napětí na měřené zátěži komplexního charakteru

2. praktické provedení

Vzhledem k nelinearitu diod v oblasti usměrňování malých napětí použitých jako detektory je nutné alespoň částečně vykompenzovat tuto nelinearitu a výstupní napětí zesílit na dostatečnou úroveň pro potřeby měření. Kompenzační zesilovač jednoho kanálu je na následujícím obrázku:

Každý z výstupů můstku má takový vlastní zesilovač. V praktickém provedení nastavíme stejné zesílení každé větve odporem R2. Dioda D1 by měla být stejného typu jako je použita v můstku. Nejvhodnější su Shotkyho diody s vlastnostmi ZERO BIAS určené speciálně pro detekci malých napětí, např. 1PS79B62 (Philips) vyhovující až do GHz, ale do 500 MHz jejich výběr je více než bohatý… Velmi vhodné jsou trojité typy např. HSMP-386L firmy Agilent, ale vyrábí jejich mnoho výrobců. Operační zesilovače jsou typu RAIL to RAIL s jedním napájením, těch je také požehnaně.
Odpory v můstku R1, R2 a R3 by měly být bezindukčné, napr.1206 ale velmi vhodné jsou i TR191 bez drátových vývodů, které se dají používat až do několik GHz. Na absolutní hodnotě nezáleží, důležité je aby měly stejnou hodnotu, která se potom zahrne do výpočtu jako Rx.

3. Generátor měřicího kmitočtu

Je možné použít libovolný generátor požadovaného kmitočtového rozsahu s dostatečným výkonem alespoň 20 dBm a malým zkreslením. Vyhovují běžné LC oscilátory, do 500 MHz lze bez problémů udělat směšovací generátor. Následující příklad ukazuje možné řešení pro oblast krátkých vln. Na internetu si můžete vyhledat podrobnou schéma KV analyzátoru pod názvem RAINBOW ze kterého je následující schéma:

Použité součástky jsou zcela běžné. Dokonce všechny širokopásmové, impedanční transformátory a dolní propusti nemusíte ani navíjet a ladit. Americká firma Coilcraft http://www.coilcraft.com/ to vše má ve svém výrobním programu a navíc to zasílá i do takové banánové republiky zcela zdarma – stačí vyplnit formulář a trochu anglicky pokecat. Alespoň mně to funguje dodnes už asi dva roky…
Elegantní řešení generátoru pro oblast KV až do 50 MHz je pomocí obvodu DDS, což je přímá kmitočtová syntéza. Rozšířené je zapojení s IO firmy Analogová zařízení typ AD9851 jehož propracovaný příklad je na následujícím obrázku. Obvod se zpravidla ovládá mikroprocesorem, což je vhodné řešení, neboť mj odpadají problémy s měřením kmitočtu – programovací slovo odpovídá kmitočtu, který lze jednoduše zobrazovat. Podobné řešení bylo svého času popisované iv RZ 3/98.

Třeba říct že firma vyrábět i výkonnější obvody DDS pracující na mnohem vyšších kmitočtech. Ty jsou pro amatérské použití méně vhodné (mnoho nohou, malé pouzdra) a jsou velmi drahé. Kromě AD některé takové obvody vyrábí i firma HP ale pro amatéry bez většího významu.

4. vlastní výpočet

Výpočet se provádí v absolutních jednotkách – Volty, Ohmy, Farady a Henry – tak jsou sestaveny následující vzorce. předpokládáme, že měřicí přístroj nám ukazuje skutečné napětí všech tří veličin a generátor dodává kmitočet Fx o výkonu 20 dBm (100mW/2,2 V/50 ohmů) spektrální čistý jako “slovo Boží…”:

Poměr stojatého vlnění – PSV , třeba zkontrolovat mezní hodnoty REF, pro které nemá význam pokračovat ve výpočtu, neboť PSV by vycházelo příliš vysoké:

FWD = 2 * FWR P = REF / FWD
PSV = (1 + P) / (1 – P)charakteristická impedance – Takhle , třeba zkontrolovat mezní hodnoty VZA které ukazují na nepřipojené zátěž nebo zátěž v zkratu. Ve vzorci je Rx hodnota odporů R1 ÷ R3, v našem případě 50 Ohmy.

Takže = (Rx * VZA) / (FWD – VZA)Reálná část impedance – R.:

R = (Rx² * Takhle²) * PSV / (50 * (PSV² + 1))Imaginární část impedance – X:

X = SQR (Takhle² – R.²) kde SQR je druhá odmocnina

Určení charakteru impedance:

1. Zvýš kmitočet generátoru Fx o malou hodnotu
2. Znovu vypočítej hodnotu charakteristické impedance Z1 = (Rx * VZA) / (FWD – VZA)
3. Pokud Z1 > Takhle pak impedance je induktivního charakteru L
4. Pokud Z1 < Takhle pak impedance je kapacitního charakteru C

Pokud byste se rozhodli postavit si takový analyzátor a použít pro výpočet mikroprocesor s převodníky napětí např. PIC… nebo AWR… doporučujem 10-bitové typy. Referenční rozsah AD převodníku pak nastavte na 2.5V a při programování si nezapomeňte uvědomit, že načtena bitová hodnota měřeného napětí v rejstříku má od skutečného “hodne daleko…” a třeba ji převést na reálnou hodnotu:

Jedna = (2.5 / 2¹⁰) * B₁₀kde B₁₀ je desítková hodnota obsahu registru měřeného napětí. Platí pro 10-bitový převodník, 2.5V referenčního napětí a plný rozsah 10b.

5. Eliminace chyb měření

Jak vidět z předchozích výpočtů značný podíl chyby při výpočtu impedance je způsoben nepřesnostmi stanovení PSV. To je pochopitelné neboť při nízkých hodnotách PSV je měřeno napětí REF v oblasti najnelineárnejšej části charakteristiky diody, ktera se nedá vykompenzovat a tak se chyba přenáší do výpočtu reálné i imaginární části impedance. V hraničních podmínkách může chyba přesáhnout i 15-20% co výsledky měření znehodnotí.
Naštěstí existuje elegantní řešení stanovení PSV použitím specializovaného obvody firmy MAXIM-DALLAS typu MAX2016. Obvod je tvořen dvěma logaritmické detektory pracujícími v rozsahu kmitočtem od LF až do 2,5 GHz a s dynamickým rozsahem až 80 dB. Podrobný popis a použití obvodu najde zájemce na Maxim-IC.com kde se dá stáhnout datasheet. Jeho velkou nevýhodou pro amatérské použití je pouzdro QFN-28 o rozměrech 5x5mm, které se dá zaletět jen technologii povrchové montáže. Uvedu proto jen principiálně zapojení pro měření PSV a s tím související výpočty hlavně pro ty, který neumí anglicky.

směrová vazba (vytvořena např. vedením plošného spoje) je připojena na vstupy logaritmických detektorů. Výstup OutD je výstupem vnitřního diferenciálního zesilovače, jehož vstupy měří rozdílové napětí výstupů logaritmických detektorů. Vlastní výpočet je v principu jednoduchy. Nejdříve se vypočtou ztráty odrazem RL v dB (měření PSV se v profesionální praxi málo používá, převládá vyjádření odrazových ztrát v dB):

RL = (VoutD – Vcenter) / Sklon kde

VoutD……Rozdílové napětí přepočteno na absolutní hodnotu ve [PROTI]
Vcenter….Střední výstupní napětí outd, typicky 1V pro R1 = 0, jak to vidět z přiloženého grafu
Sklon……Ukazatel převodu mV / dB, typicky 25mV / dB pro R1 = 0

Ze ztrát odrazem vyjádřených v dB se jednoduše vypočte hodnota PSV:

P = 10 ^{-(RL / 20)}
PSV = (1 + P) / (1 – P)

Logaritmické detektory použitelné pro tento účel vyrábí i Analolog Devices např. AD8362, nebo typ AD8364 velmi podobný MAX2016 ale v ještě “nepodarenejšom” 32 vývodovém pouzdře o rozměrech 5x5mm. Všechny tyto obvody se dají použít k měření zisku, výkonu na reálné zátěži, jak citlivý měřič RSSI pro směrování a nastavování antén apod.

Dnes už každá serióznější firma poskytuje svým zákazníkům rozsáhlou technickou pomoc zahrnující i vývoj aplikací nabízených integrovaných obvodů a ty nejlepší i zásilkovou službu FREE SAMPLES (vzorky zdarma). Bohužel AD mezi ně nepatří zrovna tak jako ty, které mají v postkomunistických zemích zastoupení.

Firma DALAS-MAXIM vyrábí i jiné typy logaritmických detektorů jeden z nich MAX2015 je na obrázku vlevo v zapojení jako citlivý detektor RSSI. Jde o jednokanálový typ z vysokou citlivostí -65dBm až + 5dBm (citlivost 0,125 mV/50 Ohm) v kmitočtovom rozsahu 0,1 až 2,5 GHz. Je umístěn v SMD pouzdře 8uMAX, které je pro amatérské použití více vhodné.

V katalogu firmy najdeme množství dalších, pro amatéra zajímavých obvodů jako je např. MAX2620 což je LC oscilátor do 1050 MHz, oddělovací, širokopásmové zesilovače apod. Škoda jen, že většina z těch nejzajímavějších je v miniatútnych SMD pouzdrech což komplikuje amatérské použití. Bohužel takový je světový trend a možná o 10-15 let už diskrétní součástku budeme znát jen někteří dříve narození…

Nejlepší na tom však je, že běžně posílá z každého vybraného typu po dva kusy ZDARMA, takže se opravdu vyplatí navštívit jejich stránky i když v posledních měsících změnily strukturu a od té doby se mi už nepodařilo dostat se na FREE SAMPLE ORDER…ale možná to způsobuje jen nová, dokonale neodladená zásilková služba.

6. Měřit nebo modelovat antény ?

…to je otázka. Pokud uvažujeme KV pásma, měření ani velký význam nemá. Moderní modelovací programy jako jsou např. MMANA, NEC-2, EZNEC, NEC WIN + a jiné nám poslouží stejně dobře jako Antenna analyzátor. Navíc bez námahy a nákladů se zhotovením, přičemž chyba se kterou můžeme počítat je prakticky zanedbatelná a úpravy na anténě “děláme” pohodlně doma u stolu. Nemusíme “Niesakovať” opici lezením po střechách.

I situace s modelováním v pásmech 2m a 70cm je podobná pokud ne lepší. Přesnost hardwarové měření mírně klesá se zvyšujícím se kmitočtem, zatímco matematické modelování (bez ohledu na použitý algoritmus MININEC, NEC2 nebo NEC4 vždy jde o momentovou metodu a jednotlivé typy se v podstatě liší pouze komfortnosti obsluhy) dává asi do 500 MHz obdivuhodně přesné výsledky.

Pokud máme v úmyslu modelovat antény jiné než Yagi, vertikály nebo drátové – napr.paraboly nebo Helical – výhodnější je použít program pracující s algoritmem NEC, který modeluje planární nebo geometrické plochy jako celistvé struktury kým starší algoritmus MININEC (používá ho MMANA) počítá tyto struktury jako jednotlivé primitivní což značně prodlužuje čas výpočtu. Mimochodem, zájemcům o modelování antén dobře poslouží The unofficial Numerical Electromagnetic Code (NEC) Archiv.

Jiná je situace na vysokých kmitočtech. Ceny měřicích přístrojů dosahují astronomických výšek, ale ani modelovací programy nejsou zrovna levné…Ze známějších vzpomenu GENESYS, HFSS92, ZÉLAND, MAXWELL_SV9 a mnohé jiné, jejichž možnosti přesahují potřebu i toho nejnáročnějšího amatéra. Dokáží modelovat i takové struktury, které se prakticky nijak nedají měřit a mnohé technické řešení by bez těchto programů nebylo možné realizovat!

A tak si milý přítel musíš sám najít odpověď na otázku. Měřit nebo modelovat…?

---

(C)2006 Ivan Urda, OM7UR