L'articolo descrive i metodi di misurazione dell'SWR e dell'impedenza dell'antenna, nonché i problemi ad essa associati. Preliminarmente, però, va notato che un possibile interessato all'edilizia non può fare a meno di conoscenze di base di programmazione, sia PC che microprocessori. La semplicità dell'hardware viene riscattata da calcoli matematici più complicati.
Leggerai nell'articolo
1. Principio fondamentale
Solo i metodi a ponte vengono utilizzati per misurare una quantità complessa come l'impedenza dell'antenna. Questi funzionano con sufficiente precisione e, con una progettazione adeguata, possono elaborare un'ampia gamma di frequenze fino a GHz. Uno svantaggio parziale è la necessità di essere alimentati da un generatore di frequenza di misura con requisiti relativamente severi di purezza spettrale e notevole potenza. Il metodo bridge stesso consente vari tipi di misurazioni non solo sulle antenne ma anche su linee e alimentatori. Un ponte di questo tipo viene utilizzato anche nel noto dispositivo MFJ259. La connessione è banalmente semplice:
Dopo aver collegato il generatore, impostato la frequenza desiderata e collegato il carico complesso (antenna), il ponte fornisce tre informazioni di tensione, sufficienti per calcolare l'impedenza e PSV (SWR). Nella seguente descrizione ci atterremo a questa notazione:
FWR…..metà della tensione del generatore di frequenza di misura
RIF…..tensione differenziale nella diagonale del ponte che caratterizza il PSV
VZA…..tensione sul carico misurato di natura complessa
2. Implementazione pratica
A causa della non linearità dei diodi nella zona di raddrizzamento delle piccole tensioni utilizzate come rilevatori, è necessario compensare almeno parzialmente questa non linearità e amplificare le tensioni di uscita ad un livello sufficiente per le esigenze di misurazione. L'amplificatore di compensazione di un canale è mostrato nella figura seguente:
Ciascuna delle uscite del bridge ha il proprio amplificatore. Nella versione pratica imposteremo lo stesso guadagno su ogni ramo con la resistenza R2. Il diodo D1 dovrebbe essere dello stesso tipo utilizzato nel ponte. I più adatti sono i diodi Shotky con proprietà ZERO BIAS progettati specificatamente per rilevare piccole tensioni, ad es. 1PS79B62 (Philips) adatto fino a GHz, ma fino a 500 MHz la scelta è più che ricca... I tipi tripli sono molto adatti, ad es. HSMP-386L di Agilent, ma molti produttori li producono. Gli amplificatori operazionali sono di tipo RAIL to RAIL con un alimentatore, anche quelli sono benedetti.
I resistori nel ponte R1, R2 e R3 dovrebbero essere non induttivi, ad es. 1206, ma anche TR191 senza capicorda, che possono essere utilizzati fino a diversi GHz, sono molto adatti. Il valore assoluto non ha importanza, l'importante è che abbiano lo stesso valore, che poi verrà incluso nel calcolo Rx.
3. Generatore di frequenza di misurazione
È possibile utilizzare qualsiasi generatore della gamma di frequenza desiderata con una potenza sufficiente di almeno 20 dBm e una bassa distorsione. Sono adatti i comuni oscillatori LC, fino a 500 MHz è possibile realizzare senza problemi un generatore di mixaggio. L'esempio seguente mostra una possibile soluzione per la regione delle onde corte. Su Internet è possibile cercare uno schema dettagliato dell'analizzatore KV sotto il nome RAINBOW, da cui deriva il seguente schema:
Le parti utilizzate sono del tutto normali. Non è nemmeno necessario caricare e sintonizzare tutta la banda larga, i trasformatori di impedenza e i filtri passa-basso. Compagnia americana Coilcraft http://www.Coilcraft.com/ ha tutto questo nel suo programma di produzione e lo invia anche gratuitamente a una repubblica delle banane: basta compilare il modulo e chiacchierare un po' in inglese. Almeno a me funziona da circa due anni...
Un'elegante soluzione di generatore per la regione KV fino a 50 MHz utilizza un circuito DDS, che è la sintesi diretta di frequenza. Il coinvolgimento con l'IO dell'azienda è diffuso Analog Devices typ AD9851 un esempio raffinato del quale è nell'immagine seguente. Di norma il circuito è controllato da un microprocessore, che è una soluzione adatta perché, tra l'altro, non ci sono problemi con la misurazione della frequenza: la parola di programmazione corrisponde alla frequenza, che può essere facilmente visualizzata. Una soluzione simile è stata già descritta nel R® 3/98.
Va detto che l'azienda produce anche circuiti DDS più potenti che operano a frequenze molto più elevate. Sono meno adatti all'uso amatoriale (molte gambe, valigie piccole) e sono molto costosi. Oltre all'AD, alcuni di questi circuiti sono prodotti anche dalla ditta HP, ma per i dilettanti senza molta importanza.
4. Calcolo personale
Il calcolo viene eseguito in unità assolute - Volt, Ohm, Farad e Henry - quindi vengono compilate le seguenti formule. Partiamo dal presupposto che il dispositivo di misurazione ci mostra tensioni reali di tutte e tre le quantità e il generatore fornisce una frequenza Fx di 20 dBm (100 mW/2,2 V/50 Ohm) spettralmente pura come "la parola di Dio...":
Rapporto delle onde stazionarie - PSV , è necessario verificare i valori limite REF, per i quali non ha senso continuare il calcolo, perché il PSV sarebbe troppo alto:
PSV = (1 + P) / (1 – P)
Determinazione del carattere dell'impedenza:
- Aumentare la frequenza del generatore Fx da un piccolo valore
- Ricalcolare il valore dell'impedenza caratteristica Z1 = (Rx * VZA) / (FWD – VZA)
- Se Z1 > Zo quindi l'impedenza è di natura induttiva L
- Se Z1
Se si decide di costruire un analizzatore di questo tipo e di utilizzare un microprocessore con convertitori di tensione per il calcolo, ad es. PIC... o AWR... consiglio i tipi a 10 bit. Impostare quindi l'intervallo di riferimento del convertitore AD su 2,5 V e durante la programmazione non dimenticare di considerare che il valore del bit letto della tensione misurata nel registro è "lontano da quello reale..." e deve essere convertito in un valore reale:
5. Eliminazione degli errori di misurazione
Come si può vedere dai calcoli precedenti, una parte significativa dell'errore nel calcolo dell'impedenza è causata da imprecisioni nella determinazione della PSV. Ciò è comprensibile perché con valori PSV bassi la tensione REF misurata si trova nell'area della parte più non lineare della caratteristica del diodo, che non può essere compensata, e quindi l'errore viene trasferito al calcolo della parte reale e immaginaria dell'impedenza. In condizioni estreme, l'errore può superare il 15-20%, invalidando i risultati della misurazione.
Fortunatamente esiste una soluzione elegante per determinare il PSV utilizzando circuiti specializzati del tipo 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 Dove 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 (La misurazione PSV viene utilizzata raramente nella pratica professionale, prevale l'espressione delle perdite per riflessione in dB):
VoutD……Tensione differenziale convertita in valore assoluto in [V]
Vcenter….Tensione media in uscita OutD, tipicamente 1V per R1 = 0, come si può vedere dal grafico allegato
Pendenza……Bias di trasferimento mV/dB, tipicamente 25 mV/dB per R1 = 0
Il valore PSV si calcola semplicemente dalle perdite di riflessione espresse in dB:
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.
Oggi ogni azienda più seria fornisce ai propri clienti un'ampia assistenza tecnica, compreso lo sviluppo delle applicazioni dei circuiti integrati offerti, e dei migliori, nonché il servizio di consegna di CAMPIONI GRATUITI. Sfortunatamente, AD non è uno di questi, proprio come quelli che hanno rappresentanza nei paesi post-comunisti.
Firma DALAS-MAXIM vyrába aj Altro 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 Custodie 8uMAX, più adatte all'uso amatoriale.
Nel catalogo dell'azienda possiamo trovare tanti altri circuiti interessanti per radioamatori, come il MAX2620 che è un oscillatore LC fino a 1050 MHz, disaccoppiamento, amplificatori a banda larga, ecc. Peccato che la maggior parte di quelli più interessanti siano in contenitori SMD miniaturizzati, il che complica l'uso amatoriale. Purtroppo questa è la tendenza mondiale, e forse tra 10-15 anni, solo alcuni dei nati prima conosceranno la parte discreta...
Ma la parte migliore è che di solito inviano GRATUITAMENTE due pezzi per ogni tipo selezionato, quindi vale davvero la pena visitare il loro sito anche se hanno cambiato la struttura negli ultimi mesi e da allora non sono riuscito a ricevere un ORDINE CAMPIONE GRATUITO... ma forse è solo il nuovo servizio di spedizione non perfettamente ottimizzato.
6. Misurare o modellare antenne?
...questa è la domanda. Se consideriamo la banda KV la misura non è nemmeno molto importante. Programmi di modellazione moderni come MMANA, NEC-2, EZNEC, NEC WIN+ e altri ci serviranno altrettanto bene analizzatore d'antenna. In più, senza la fatica ed i costi di produzione, mentre l'errore su cui possiamo contare è praticamente trascurabile, e le regolazioni dell'antenna le "facciamo" comodamente a casa, a tavola. Non dobbiamo "saltare" la scimmia arrampicandoci sui tetti.
La situazione con il modellismo nelle bande dei 2 metri e dei 70 centimetri è simile, se non migliore. La precisione della misurazione hardware diminuisce leggermente con l'aumentare della frequenza, mentre il modello matematico (indipendentemente dall'algoritmo MININEC, NEC2 o NEC4 utilizzato, è sempre un metodo momentaneo e i singoli tipi sostanzialmente differiscono solo per la comodità dell'operatore) fornisce risultati sorprendentemente accurati fino a circa 500 MHz.
Se intendiamo modellare antenne diverse da yagi, verticali o fili - ad es. parabole o elicoidali: è più vantaggioso utilizzare un programma che lavora con l'algoritmo NEC, che modella le superfici planari o geometriche come strutture integrali, mentre il vecchio algoritmo MININEC (utilizzato da MMANA) calcola queste strutture come primitive individuali, il che aumenta significativamente il tempo di calcolo. A proposito, coloro che sono interessati alla modellazione di antenne saranno ben serviti dagli archivi non ufficiali del Codice Elettromagnetico Numerico (NEC).
Diversa è la situazione alle alte frequenze. I prezzi degli strumenti di misura raggiungono cifre astronomiche, ma anche i programmi di modellizzazione non sono proprio economici... Tra i più conosciuti cito GENESYS, HFSS92, ZELAND, MAXWELL_SV9 e molti altri, le cui possibilità superano le necessità anche del radioamatore più esigente. Possono anche modellare strutture che praticamente non possono essere misurate in alcun modo e senza questi programmi molte soluzioni tecniche non sarebbero possibili!
E quindi, caro amico, devi trovare tu stesso la risposta alla domanda. Misura o modello…?
(C)2006 Ivan Urda, OM7UR