Der Artikel beschreibt die Methoden zur Messung von SWR und Impedanz der Antenne sowie die damit verbundenen Probleme. Vorab ist jedoch zu beachten, dass ein möglicher Bauinteressierter nicht auf grundlegende Programmierkenntnisse, sei es PC oder Mikroprozessoren, verzichten kann. Die Einfachheit der Hardware wird durch kompliziertere mathematische Berechnungen ausgeglichen.
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1. Grundprinzip
Zur Messung einer komplexen Größe wie der Antennenimpedanz werden ausschließlich Brückenverfahren eingesetzt. Diese arbeiten ausreichend genau und können bei geeigneter Auslegung einen großen Frequenzbereich bis in den GHz-Bereich verarbeiten. Ein teilweiser Nachteil ist die Notwendigkeit der Stromversorgung durch einen Messfrequenzgenerator mit relativ strengen Anforderungen an die spektrale Reinheit und beträchtlicher Leistung. Das Brückenverfahren selbst ermöglicht verschiedene Arten von Messungen nicht nur an Antennen, sondern auch an Leitungen und Zuleitungen. Eine solche Brücke wird auch im bekannten Gerät MFJ259 verwendet. Der Zusammenhang ist trivial einfach:
Nach Anschluss des Generators, Einstellung der gewünschten Frequenz und Anschluss der komplexen Last (Antenne) liefert die Brücke drei Spannungsinformationen, die zur Berechnung der Impedanz und ausreichen PSV (SWR). In der folgenden Beschreibung bleiben wir bei dieser Notation:
FWR…..halbe Spannung des Messfrequenzgenerators
REF…..Differenzspannung in der Diagonale der Brücke, die PSV charakterisiert
VZA…..Spannung an der gemessenen Last komplexer Natur
2. Praktische Umsetzung
Aufgrund der Nichtlinearität der Dioden im Bereich der Gleichrichtung kleiner Spannungen, die als Detektoren verwendet werden, ist es erforderlich, diese Nichtlinearität zumindest teilweise zu kompensieren und die Ausgangsspannungen auf ein für die Messanforderungen ausreichendes Niveau zu verstärken. Der Kompensationsverstärker eines Kanals ist in der folgenden Abbildung dargestellt:
Jeder Ausgang der Brücke verfügt über einen eigenen Verstärker. In der praktischen Version werden wir mit dem Widerstand R2 die gleiche Verstärkung jedes Zweigs einstellen. Die Diode D1 sollte vom gleichen Typ sein wie in der Brücke. Am besten geeignet sind Shotky-Dioden mit ZERO BIAS-Eigenschaften, die speziell für die Erkennung kleiner Spannungen entwickelt wurden, z. 1PS79B62 (Philips) geeignet bis GHz, aber bis 500 MHz ist die Auswahl mehr als reichhaltig... Triple-Typen sind sehr gut geeignet, z.B. Agilents HSMP-386L, aber viele Hersteller stellen sie her. Operationsverstärker sind vom RAIL-zu-RAIL-Typ mit einem Netzteil, diese sind ebenfalls gesegnet.
Die Widerstände in der Brücke R1, R2 und R3 sollten nichtinduktiv sein, z.B. 1206, aber auch TR191 ohne Drahtklemmen, die bis zu mehreren GHz eingesetzt werden können, sind sehr gut geeignet. Der absolute Wert spielt keine Rolle, wichtig ist, dass sie den gleichen Wert haben, der dann als in die Berechnung einfließt Rx.
3. Messfrequenzgenerator
Es kann jeder Generator des gewünschten Frequenzbereichs mit ausreichender Leistung von mindestens 20 dBm und geringer Verzerrung verwendet werden. Geeignet sind gängige LC-Oszillatoren, bis 500 MHz ist der Aufbau eines Mischgenerators problemlos möglich. Das folgende Beispiel zeigt eine mögliche Lösung für den Kurzwellenbereich. Im Internet können Sie unter dem Namen RAINBOW nach einem detaillierten Diagramm des KV-Analysators suchen, aus dem das folgende Diagramm stammt:
Die verwendeten Teile sind völlig normal. Sie müssen nicht einmal alle Breitband-, Impedanztransformatoren und Tiefpassfilter aufziehen und abstimmen. Amerikanisches Unternehmen Coilcraft http://www.Coilcraft.com/ Das alles hat es in seinem Produktionsprogramm, und es verschickt es auch kostenlos in eine solche Bananenrepublik – einfach das Formular ausfüllen und ein wenig auf Englisch plaudern. Zumindest funktioniert es bei mir seit etwa zwei Jahren ...
Eine elegante Generatorlösung für den KV-Bereich bis 50 MHz ist die Verwendung einer DDS-Schaltung, also einer direkten Frequenzsynthese. Die Beteiligung am IO des Unternehmens ist weit verbreitet Analog Devices typ AD9851 Ein verfeinertes Beispiel dafür finden Sie im folgenden Bild. Die Steuerung der Schaltung erfolgt in der Regel durch einen Mikroprozessor, was unter anderem deshalb eine geeignete Lösung ist, weil bei der Messung der Frequenz keine Probleme auftreten – das Programmierwort entspricht der Frequenz, die einfach angezeigt werden kann. Eine ähnliche Lösung wurde einmal in RŽ 3/98 beschrieben.
Es muss gesagt werden, dass das Unternehmen auch leistungsstärkere DDS-Schaltkreise herstellt, die mit viel höheren Frequenzen arbeiten. Diese sind für den Amateurgebrauch weniger geeignet (viele Beine, kleine Gehäuse) und sehr teuer. Neben AD werden einige solcher Schaltungen auch von der Firma HP hergestellt, allerdings für Amateure ohne große Bedeutung.
4. Eigene Berechnung
Die Berechnung erfolgt in absoluten Einheiten – Volt, Ohm, Farad und Henry – daher ergeben sich die folgenden Formeln. Wir gehen davon aus, dass uns das Messgerät anzeigt echte Spannungen aller drei Größen und der Generator liefert eine Fx-Frequenz von 20 dBm (100 mW/2,2 V/50 Ohm), spektral rein wie „das Wort Gottes…“:
Stehwellenverhältnis - PSV , ist es notwendig, die REF-Grenzwerte zu überprüfen, für die es keinen Sinn macht, die Berechnung fortzusetzen, da der PSV zu hoch wäre:
PSV = (1 + P) / (1 – P)
Bestimmung des Impedanzcharakters:
- Erhöhen Sie die Frequenz des Generators Fx um einen kleinen Wert
- Berechnen Sie den Wert der charakteristischen Impedanz neu Z1 = (Rx * VZA) / (FWD – VZA)
- Wenn Z1 > Zo dann ist die Impedanz induktiver Natur L
- Wenn Z1 < Zo dann ist die Impedanz kapazitiver Natur C
Entscheidet man sich, einen solchen Analysator zu bauen und zur Berechnung einen Mikroprozessor mit Spannungswandlern zu verwenden, z.B. PIC… oder AWR… ich empfehle 10-Bit-Typen. Stellen Sie dann den Referenzbereich des AD-Wandlers auf 2,5 V ein und vergessen Sie beim Programmieren nicht, sich darüber im Klaren zu sein, dass der gelesene Bitwert der gemessenen Spannung im Register „weit vom echten Wert entfernt“ ist und in einen echten Wert umgewandelt werden muss:
5. Beseitigung von Messfehlern
Wie aus den vorherigen Berechnungen hervorgeht, wird ein erheblicher Teil des Fehlers bei der Impedanzberechnung durch Ungenauigkeiten bei der Bestimmung des PSV verursacht. Dies ist verständlich, da bei niedrigen PSV-Werten die gemessene REF-Spannung im Bereich des nichtlinearsten Teils der Diodenkennlinie liegt, der nicht kompensiert werden kann, und somit der Fehler auf die Berechnung des Real- und Imaginärteils der Impedanz übertragen wird. Unter extremen Bedingungen kann der Fehler 15–20 % überschreiten, was die Messergebnisse ungültig macht.
Glücklicherweise gibt es eine elegante Lösung zur Bestimmung des PSV mithilfe spezieller Schaltkreise vom Typ MAXIM-DALLAS 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 Wo 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 in dB (PSV-Messung wird in der beruflichen Praxis selten verwendet, die Angabe der Reflexionsverluste in dB ist vorherrschend):
VoutD……Differenzspannung umgerechnet in einen Absolutwert in [V]
Vcenter….Durchschnittliche Ausgangsspannung OutD, typischerweise 1 V für R1 = 0, wie aus dem beigefügten Diagramm ersichtlich ist
Neigung……mV/dB-Übertragungsvorspannung, typischerweise 25 mV/dB für R1 = 0
Der PSV-Wert wird einfach aus den Reflexionsverlusten in dB berechnet:
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.
Heutzutage bietet jedes seriösere Unternehmen seinen Kunden umfassende technische Unterstützung, einschließlich der Entwicklung von Anwendungen der angebotenen und besten integrierten Schaltkreise sowie den kostenlosen Lieferservice für Muster. Leider gehört AD nicht dazu, genau wie diejenigen, die in postkommunistischen Ländern vertreten sind.
Firma DALAS-MAXIM vyrába aj Andere 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 8uMAX-Gehäuse, die eher für den Amateurgebrauch geeignet sind.
Im Katalog des Unternehmens finden wir viele weitere interessante Schaltungen für Funkamateure, wie z. B. MAX2620, einen LC-Oszillator bis 1050 MHz, Entkopplung, Breitbandverstärker usw. Schade, dass sich die meisten der interessantesten Schaltungen in Miniatur-SMD-Gehäusen befinden, was den Amateurgebrauch erschwert. Leider ist dies der weltweite Trend, und vielleicht werden in 10 bis 15 Jahren nur einige der früher Geborenen den diskreten Teil kennen ...
Aber das Beste daran ist, dass sie in der Regel zwei Stücke von jedem ausgewählten Typ KOSTENLOS verschicken, es lohnt sich also wirklich, ihre Website zu besuchen, auch wenn sie in den letzten Monaten die Struktur geändert haben und ich seitdem keine KOSTENLOSE MUSTERBESTELLUNG mehr erhalten konnte ... aber vielleicht liegt das einfach am neuen, nicht perfekt abgestimmten Versandservice.
6. Antennen messen oder modellieren?
...das ist die Frage. Wenn wir das KV-Band betrachten, ist die Messung nicht einmal sehr wichtig. Moderne Modellierungsprogramme wie z.B MMANA, NEC-2, EZNEC, NEC WIN+ und andere werden uns genauso gute Dienste leisten Antennenanalysator. Darüber hinaus können wir ohne den Aufwand und die Kosten für die Herstellung rechnen, wobei der Fehler praktisch vernachlässigbar ist und wir Anpassungen an der Antenne bequem zu Hause am Tisch „vornehmen“. Wir müssen den Affen nicht „überspringen“, indem wir auf die Dächer klettern.
Ähnlich, wenn nicht sogar besser, ist die Situation beim Modellieren im 2m- und 70cm-Band. Die Genauigkeit der Hardwaremessung nimmt mit zunehmender Frequenz leicht ab, während die mathematische Modellierung (unabhängig vom verwendeten MININEC-, NEC2- oder NEC4-Algorithmus, es handelt sich immer um eine Momentenmethode und die einzelnen Typen unterscheiden sich grundsätzlich nur im Komfort des Bedieners) bis etwa 500 MHz überraschend genaue Ergebnisse liefert.
Wenn wir beabsichtigen, andere Antennen zu modellieren als Yagi, Vertikalen oder Drähte – z.B. Parabeln oder Helical – ist es vorteilhafter, ein Programm zu verwenden, das mit dem NEC-Algorithmus arbeitet, der ebene oder geometrische Flächen als integrale Strukturen modelliert, während der ältere MININEC-Algorithmus (von MMANA verwendet) diese Strukturen als einzelne Grundelemente berechnet, was die Berechnungszeit deutlich erhöht. Übrigens werden diejenigen, die sich für Antennenmodellierung interessieren, in den inoffiziellen NEC-Archiven (Numerical Electromagnetic Code) gute Dienste leisten.
Bei hohen Frequenzen ist die Situation anders. Die Preise für Messgeräte erreichen astronomische Höhen, aber auch Modellierungsprogramme sind nicht gerade günstig... Unter den bekannteren nenne ich GENESYS, HFSS92, ZELAND, MAXWELL_SV9 und viele andere, deren Möglichkeiten die Bedürfnisse selbst der anspruchsvollsten Funkamateure übertreffen. Sie können auch solche Strukturen modellieren, die praktisch überhaupt nicht messbar sind und viele technische Lösungen wären ohne diese Programme nicht umsetzbar!
Und so, lieber Freund, müssen Sie selbst die Antwort auf die Frage finden. Messen oder modellieren…?
(C)2006 Ivan Urda, OM7UR