V článku jsou popisovány metody měření SWR a impedance antény i problémy s tím spojené. Hned v úvodu je 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.
V článku se dočtete
1. Základní princip
Pro měření komplexní veličiny jako je impedance antény se používají výlučně 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 i na vedeních a napáječích. Můstek tohoto typu je použit i ve známém přístroji MFJ259. Zapojení je až triviálně jednoduché:
Po připojení generátoru, nastavení požadovaného kmitočtu a připojení komplexní zátěže (antény) můstek dodává tři napěťové informace, které postačují k výpočtu impedance i PSV (SWR). V dalším popisu se budeme držet tohoto značení:
FWR…..poloviční napětí generátoru měřicího kmitočtu
REF…..rozdílové napětí v diagonále můstku charakterizující PSV
VZA…..napětí na měřené zátěži komplexního charakteru
2. Praktické provedení
Vzhledem k nelinearitě diod v oblasti usměrňování malých napětí použitých jako detektory je nutno 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 jsou Shotkyho diody s vlastnostmi ZERO BIAS určené speciálně pro detekci malých napětí. 1PS79B62 (Philips) vyhovující až do GHz, ale do 500 MHz jejich výběr je více než bohatý… Velmi vhodné jsou trojité typy například. HSMP-386L firmy Agilent, ale vyrábí je 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 bezindukční, např. 1206, ale velmi vhodné jsou i TR191 bez drátových vývodů, které lze používat až do několika GHz. Na absolutní hodnotě nezáleží, důležité je aby měli stejnou hodnotu, která se pak zahrne do výpočtu jako Rx.
3. Generátor měřicího kmitočtu
Lze 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 provést směšovací generátor. Následující příklad ukazuje možné řešení pro oblast krátkých vln. Na internetu si můžete vyhledat podrobné 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. Rozšířeno je zapojení s IO firmy Analog Devices typ AD9851 jehož přepracovaný příklad je na následujícím obrázku. Obvod se zpravidla ovládá mikroprocesorem, což je vhodné řešení, neboť mimo jiné odpadají problémy s měřením kmitočtu – programovací slovo odpovídá kmitočtu, který lze snadno zobrazovat. Podobné řešení bylo svého času popisováno iv RŽ 3/98.
Třeba říci, že firma vyrábí i výkonnější obvody DDS pracující na mnohem vyšších kmitočtech. Ty jsou pro amatérské použití méně vhodné (mnoho nohou, malá 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 měřící přístroj nám ukazuje skutečná napětí všech tří veličin a generátor dodává kmitočet Fx o výkonu 20 dBm (100mW/2.2V/50 Ohm) spektrálně čistý jako „slovo Boží…“:
Poměr stojatého vlnění – PSV , je třeba zkontrolovat mezní hodnoty REF, pro které nemá význam pokračovat ve výpočtu, neboť PSV by vycházelo příliš vysoké:
PSV = (1 + P) / (1 – P)
Určení charakteru impedance:
- Zvýš kmitočet generátoru Fx o malou hodnotu
- Znovu vypočítej hodnotu charakteristické impedance Z1 = (Rx * VZA) / (FWD – VZA)
- Pokud Z1 > Ze pak impedance je induktivního charakteru L
- Pokud Z1 < Ze pak impedance je kapacitního charakteru C
Pokud byste se rozhodli postavit si takový analyzátor a použít pro výpočet mikroprocesor s převodníky napětí například. PIC… nebo AWR… doporučuji 10bitové typy. Referenční rozsah AD převodníku pak nastavte na 2.5V a při programování si nezapomeňte uvědomit, že načtená bitová hodnota měřeného napětí v registru má od skutečného „hodně daleko…“ a je třeba ji převést na reálnou hodnotu:
5. Eliminace chyb měření
Jak je 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 nejnelineárnější části charakteristiky diody, kterou nelze vykompenzovat a tak se chyba přenáší do výpočtu reálné i imaginární části impedance. V hraničních podmínkách může chyba přesáhnout i 15-20%, což výsledky měření znehodnotí.
Naštěstí existuje elegantní řešení stanovení PSV použitím specializovaného obvody firmy MAXIM-DALLAS typu MAX2016. Obvod je tvorený dvoma logaritmickými detektormi pracujúcimi v rozsahu kmitočtom od LF až do 2,5 GHz a s dynamickým rozsahom až 80 dB. Podrobný popis a použitie obvodu nájde záujemca na Maxim-IC.com kde sa dá stiahnuť datasheet. Jeho veľkou nevýhodou pre amatérske použitie je puzdro QFN-28 o rozmeroch 5x5mm, ktoré sa dá zaletovať len technológiu povrchovej montáže. Uvediem preto len principiálne zapojenie pre meranie PSV a s tým súvisiace výpočty hlavne pre tých, ktorý nevedia anglicky.
Smerová väzba (vytvorená napr. vedením plošného spoja) je pripojená na vstupy logaritmických detektorov. Výstup OutD je výstupom vnútorného diferenciálneho zosilňovača, ktorého vstupy merajú rozdielové napätie výstupov logaritmických detektorov. Vlastný výpočet je v princípe jednoduchý. Najskôr sa vypočítajú straty odrazom RL v dB (měření PSV se v profesionální praxi málo používá, převládá vyjádření odrazových ztrát v dB):
VoutD……Rozdílové napětí přepočtené na absolutní hodnotu ve [V]
Vcenter….Střední výstupní napětí OutD, typicky 1V pro R1 = 0, jak je vidět z přiloženého grafu
Slope……Směrník převodu mV/dB, typicky 25mV/dB pro R1 = 0
Ze ztrát odrazem vyjádřených v dB se jednoduše vypočítá hodnota PSV:
PSV = (1 + P) / (1 – P)
Logaritmické detektory použiteľné pre tento účel vyrába aj Analolog Devices napr. AD8362, alebo typ AD8364 veľmi podobný MAX2016 ale v ešte „nepodarenejšom“ 32 vývodovom puzdre o rozmeroch 5x5mm. Všetky tieto obvody sa dajú použiť na meranie zisku, výkonu na reálnej záťaži, ako citlivý merač RSSI pre smerovanie a nastavovanie antén a pod.
Dnes už každá serióznější firma poskytuje svým zákazníkům rozsáhlou technickou pomoc zahrnující také 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 vyrába aj Jiné typy logaritmických detektorov jeden z nich MAX2015 je na obrázku vľavo v zapojení ako citlivý detektor RSSI. Ide o jednokanálový typ z vysokou citlivosťou -65dBm až +5dBm (citlivosť 0.125mV/50 Ohm) v kmitočtovom rozsahu 0,1 až 2,5 GHz. Je umiestnený v SMD pouzdře 8uMAX, které je pro amatérské použití více vhodné.
V katalogu firmy najdeme řadu dalších, pro radioamatéry zajímavých obvodů jako je např. 100%. MAX2620 což je LC oscilátor do 1050 MHz, oddělovací, širokopásmové zesilovače a pod. Škoda jen, že většina z těch nejzajímavějších je v miniaturních SMD pouzdrech což komplikuje amatérské použití. Bohužel takový je světový trend a možná za 10-15 let už diskrétní součástku budeme znát jen někteří dříve narození…
Nejlepší na tom však je, že běžně posílá z každého vybraného typu 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 neodladěná zásilková služba.
6. Měřit nebo modelovat antény?
…to je otázka. Uvažujeme-li KV pásma, měření ani velký význam nemá. Moderní modelovací programy jako MMANA, NEC-2, EZNEC, NEC WIN+ a jiné nám poslouží stejně dobře jako anténní 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 „zaskakovat“ kocovinu lezením po střechách.
I situace s modelováním v pásmech 2m a 70cm je podobná ne-li lepší. Přesnost hardwarového měření mírně klesá se zvyšujícím se kmitočtem, zatímco matematické modelování (bez ohledu na použitý algoritmus MININEC, NEC2 nebo NEC4 se vždy jedná o momentovou metodu a jednotlivé typy se v podstatě odlišují jen komfortností obsluhy) dává asi do 500 MHz udivující přesné výsledky.
Máme-li v úmyslu modelovat antény jiné než yagi, vertikály nebo drátové - např.paraboly nebo Helical - výhodnější je použít program pracující s algoritmem NEC, který modeluje planární nebo geometrické plochy jako celistvé struktury zatímco starší algoritmus MININEC (používá jej MMANA) počítá tyto struktury jako jednotlivé primitivy což značně prodlužuje čas výpočtu. Mimochodem, zájemcům o modelování antén dobře poslouží The unofficial Numerical Electromagnetic Code (NEC) Archives.
Jiná je situace na vysokých kmitočtech. Ceny měřicích přístrojů dosahují astronomických výšek, ale ani modelovací programy nejsou zrovna levné… Ze známějších zmíním GENESYS, HFSS92, ZELAND, MAXWELL_SV9 a mnohé jiné, jejichž možnosti přesahují potřebu i toho nejnáročnějšího radioamatéra. Dokáží modelovat i takové struktury, které se prakticky žádným způsobem nedají měřit a mnohá technická řešení by bez těchto programů nebylo možné realizovat!
A tak jsi milý přítel musíš sám najít odpověď na otázku. Měřit nebo modelovat…?
(C)2006 Ivan Urda, OM7UR