Pomiar anteny
W artykule opisano metody pomiaru SWR i impedancji anteny oraz problemy z tym związane. Warto jednak zaznaczyć to już na początku, że ewentualna osoba zainteresowana budownictwem nie może się już obejść bez podstawowej wiedzy z zakresu programowania, czy to komputera PC, czy mikroprocesorów. Prostotę sprzętu rekompensują bardziej skomplikowane obliczenia matematyczne.
1. Podstawowa zasada
Do pomiaru złożonej wielkości, takiej jak impedancja anteny, stosuje się wyłącznie metody mostkowe. Działają one z wystarczającą dokładnością i przy odpowiedniej konstrukcji mogą przetwarzać duży zakres częstotliwości aż do GHz. Częściową wadą jest konieczność zasilania z generatora częstotliwości pomiarowej o stosunkowo rygorystycznych wymaganiach dotyczących czystości widmowej i znacznej mocy. Sama metoda mostkowa umożliwia różnego rodzaju pomiary nie tylko na antenach, ale także na liniach i polach zasilających. Mostek tego typu zastosowano także w znanym urządzeniu MFJ259. Podłączenie jest banalnie proste:
Po podłączeniu generatora, ustawienie wymaganej częstotliwości i podłączenie złożonego obciążenia (anteny) most dostarcza trzech informacji o napięciu, które są wystarczające do obliczenia zarówno impedancji, jak i PSV (SWR). W poniższym opisie będziemy trzymać się tego oznaczenia:
FUTRO…..połowę napięcia generatora częstotliwości pomiarowej
NR NR…..napięcie różnicowe na przekątnej mostka charakteryzującego PSV
VZA…..napięcie na mierzonym obciążeniu o złożonym charakterze
2. Praktyczny projekt
Ze względu na nieliniowość diod w obszarze prostowania małych napięć stosowanych jako detektory, konieczna jest przynajmniej częściowa kompensacja tej nieliniowości i wzmocnienie napięć wyjściowych do poziomu wystarczającego dla potrzeb pomiarowych. Wzmacniacz kompensacyjny jednego kanału pokazano na poniższym rysunku:
Każde z wyjść mostka ma swój własny wzmacniacz. W wersji praktycznej ustawimy takie samo wzmocnienie każdej gałęzi za pomocą rezystora R2. Dioda D1 powinna być tego samego typu, co zastosowana w mostku. Najbardziej odpowiednie są diody Shotky'ego o właściwościach ZERO BIAS, specjalnie zaprojektowane do wykrywania małych napięć, np.. 1PS79B62 (Philipsa) nadaje się do GHz, ale do 500 MHz, ich wybór jest więcej niż bogaty… Bardzo odpowiednie są typy potrójne, np. HSMP-386L firmy Agilent, ale wielu producentów je produkuje. Wzmacniacze operacyjne są typu RAIL to RAIL z pojedynczym zasilaniem, oni też są błogosławieni.
Rezystancje w mostku R1, R2 i R3 powinny być nieindukcyjne, np. 1206, ale TR191 bez wyjść przewodowych są również bardzo odpowiednie, które można wykorzystać do kilku GHz. Wartość bezwzględna nie ma znaczenia, ważne jest, aby miały tę samą wartość, co jest następnie uwzględniane w obliczeniach jako Rx.
3. Generator częstotliwości pomiarowej
Możliwe jest zastosowanie dowolnego generatora o pożądanym zakresie częstotliwości, co najmniej o wystarczającej mocy 20 dBm i niewielkie zniekształcenia. Odpowiednie są zwykłe oscylatory LC, robić 500 MHz można bez problemu wykonać generator mieszający. Poniższy przykład pokazuje możliwe rozwiązanie dla obszaru fal krótkich. W Internecie można znaleźć szczegółowy schemat analizatora KV pod nazwą RAINBOW, z którego wynika poniższy schemat:
Zastosowane części są całkowicie normalne. Nawet wszystkie łącza szerokopasmowe, nie trzeba nawet nawijać i dostrajać transformatorów impedancyjnych ani filtrów dolnoprzepustowych. Amerykańska firma Coilcraft http://www.coilcraft.com/ ma to wszystko w swoim programie produkcyjnym i też za darmo wysyła to do takiej republiki bananowej – po prostu wypełnij formularz i porozmawiaj trochę po angielsku. Przynajmniej u mnie działa już jakieś dwa lata…
Eleganckie rozwiązanie generatora dla obszaru KV do 50 MHz wykorzystuje obwód DDS, czyli bezpośrednia synteza częstotliwości. Zaangażowanie w IO firmy jest powszechne Urządzenia analogowe typu AD9851 udoskonalony przykład znajduje się na poniższym obrazku. Obwód jest zwykle kontrolowany przez mikroprocesor, co jest odpowiednim rozwiązaniem, między innymi dlatego, że nie ma problemów z pomiarem częstotliwości – słowo programowe odpowiada częstotliwości, które można łatwo wyświetlić. Podobne rozwiązanie opisano kiedyś w RŽ 3/98.
Trzeba powiedzieć, że firma produkuje także mocniejsze układy DDS pracujące na znacznie wyższych częstotliwościach. Są mniej odpowiednie do użytku amatorskiego (wiele nóg, małe przypadki) i są bardzo drogie. Oprócz AD trochę takich układów produkuje też firma HP, ale dla amatorów nie ma to większego znaczenia.
4. Własna kalkulacja
Obliczenia przeprowadza się w jednostkach bezwzględnych – Napięcie, O mój, Farady i Henry – w ten sposób konstruowane są następujące formuły. Oczekujemy, jakie pokazuje nam urządzenie pomiarowe prawdziwe napięcia wszystkich trzech wielkości, a generator dostarcza częstotliwość Fx w przybliżeniu mocy 20 dBm (100mW/2,2 V/50 omów) widmowo czysty jak “słowo Boże…”:
Stosunek fali stojącej – PSW , należy sprawdzić wartości graniczne REF, dla których kontynuacja obliczeń nie jest istotna, ponieważ PSV byłoby za wysokie:
PSV = (1 + P) / (1 – P)
Wyznaczanie charakteru impedancji:
- Zwiększ częstotliwość generatora Fx przez małą wartość
- Oblicz ponownie wartość impedancji charakterystycznej Z1 = (Rx * VZA) / (FWD – VZA)
- Jeśli Z1 > Zalecono wentylator 24V w lodówce. wówczas impedancja ma charakter indukcyjny L
- Jeśli Z1 < Zalecono wentylator 24V w lodówce. wówczas impedancja ma charakter pojemnościowy C
Jeżeli zdecydujemy się na zbudowanie takiego analizatora i wykorzystanie do obliczeń mikroprocesora z przetwornicami napięcia, np. FOTKA… lub GODZINĘ… Polecam typy 10-bitowe. Następnie ustaw zakres odniesienia przetwornika AD na 2,5 V i nie zapomnij wziąć tego pod uwagę podczas programowania, że odczytana wartość bitowa zmierzonego napięcia w rejestrze różni się od rzeczywistej “bardzo daleko…” i należy ją przeliczyć na wartość godziwą:
5. Eliminacja błędów pomiarowych
Jak widać z poprzednich obliczeń, znaczna część błędu w obliczeniach impedancji wynika z niedokładności w określeniu PSV. Jest to zrozumiałe, ponieważ przy niskich wartościach PSV zmierzone napięcie REF mieści się w obszarze najbardziej nieliniowej części charakterystyki diody, których nie można skompensować, w związku z czym błąd zostaje przeniesiony na obliczenie rzeczywistej i urojonej części impedancji. W warunkach brzegowych błąd może przekroczyć 15-20% co unieważnia wyniki pomiarów.
Na szczęście istnieje eleganckie rozwiązanie do wyznaczania PSV za pomocą specjalizowanych obwodów firmy MAXIM-DALLAS MAX2016. Obwód składa się z dwóch detektorów logarytmicznych pracujących w zakresie częstotliwości od LF do 2,5 GHz i zakresie dynamicznym do 80 dB. Szczegółowy opis i zastosowanie obwodu można znaleźć na stronie Maxim-IC.com skąd możesz pobrać arkusz danych. Jego dużą wadą w zastosowaniach amatorskich jest koperta QFN-28 5x5mm, które można lutować wyłącznie przy użyciu technologii montażu powierzchniowego. Dlatego przedstawię jedynie podstawowe podłączenie do pomiaru PSV i związane z nim obliczenia głównie dla nich, którzy nie znają angielskiego.
Wiązanie kierunkowe (stworzony m.in. poprzez prowadzenie płytki drukowanej) podłączony jest do wejść detektorów logarytmicznych. Wyjście OutD jest wyjściem wewnętrznego wzmacniacza różnicowego, których wejścia mierzą napięcie różnicowe wyjść detektorów logarytmicznych. Rzeczywiste obliczenia są w zasadzie proste. Najpierw obliczane są straty odbiciowe RL vs dB (Pomiar PSV jest rzadko stosowany w praktyce zawodowej, przeważa wyrażenie strat odbicia w dB):
VoutD……Napięcie różnicowe przeliczone na wartość bezwzględną w [V]
Centrum V….Średnie napięcie wyjściowe OutD, typowo 1 V dla R1 = 0, jak widać na załączonym wykresie
Nachylenie……Wskaźnik konwersji mV/dB, typowo 25 mV/dB dla R1 = 0
Wartość PSV jest po prostu obliczana na podstawie strat odbiciowych wyrażonych w dB:
PSV = (1 + P) / (1 – P)
Detektory logarytmiczne nadające się do tego celu produkowane są także przez firmę Analog Devices, m.in. AD8362, lub wpisz AD8364 bardzo podobny do MAX2016, ale jeszcze dostępny “bardziej nieudane” 32 obudowa gniazdkowa o wymiarach 5x5mm. Wszystkie te obwody można wykorzystać do pomiaru wzmocnienia, wydajność przy rzeczywistym obciążeniu, jako czuły miernik RSSI do trasowania i ustawiania anten itp.
Dziś każda poważniejsza firma zapewnia swoim klientom szeroką pomoc techniczną, obejmującą rozwój zastosowań oferowanych układów scalonych, tych najlepszych, a także usługę dostawy DARMOWE PRÓBKI (Darmowe próbki). Niestety, AD nie jest jednym z nich w takim stopniu jak oni, które mają swoje przedstawicielstwa w krajach postkomunistycznych.
Firma DALAS-MAXIM produkuje także inne typy detektorów logarytmicznych, jednym z nich jest MAX2015 jest on na zdjęciu po lewej podłączony jako czuły detektor RSSI. Jest to typ jednokanałowy o wysokiej czułości od -65dBm do +5dBm (czułość 0,125 mV/50 omów) w zakresie częstotliwości 0,1 do 2,5 GHz. Umieszczony jest w obudowie SMD 8uMAX, który jest bardziej odpowiedni do użytku amatorskiego.
W katalogu firmy znajdziemy wiele innych, dla radioamatorów ciekawych torów np. MAX2620 do czego służy oscylator LC 1050 MHz, rozsadzający, wzmacniacze szerokopasmowe itp. To po prostu wstyd, że większość najciekawszych znajduje się w miniaturowych obudowach SMD, co komplikuje amatorskie użytkowanie. Niestety taka jest tendencja światowa i być może ks 10-15 lat, tylko niektórzy z nas, urodzeni wcześniej, będą znać część dyskretną…
Ale to jest najlepsza część, że zazwyczaj wysyła po dwie sztuki każdego wybranego rodzaju GRATIS, więc naprawdę warto odwiedzić ich stronę, mimo że w ciągu ostatnich kilku miesięcy zmienili strukturę i od tego czasu nie mogę się dostać do DARMOWEGO ZAMÓWIENIA PRÓBEK…ale może to wina nowego, doskonale niedostrojona usługa dostawy.
6. Zmierz lub zamodeluj anteny ?
…Oto jest pytanie. Jeśli weźmiemy pod uwagę pasmo KV, pomiar nie ma większego znaczenia. Nowoczesne programy do modelowania takie jak. MATKA, NEC-2, EZNEC, NEC WIN+ i inne będą nam służyć równie dobrze jako analizator antenowy. W dodatku bez wysiłku i kosztów budowy, natomiast błąd na który możemy liczyć jest praktycznie znikomy a regulacje na antenie “my robimy” wygodnie w domu przy stole. Nie musimy “przestraszyć” małpa wspinająca się po dachach.
Podobnie, jeśli nie lepiej, sytuacja wygląda przy modelowaniu w pasmach 2m i 70cm. Dokładność pomiaru sprzętowego nieznacznie maleje wraz ze wzrostem częstotliwości, podczas modelowania matematycznego (niezależnie od użytego algorytmu MININEC, NEC2 lub NEC4 to zawsze metoda momentowa, a poszczególne typy różnią się w zasadzie jedynie komfortem operatora) daje około do 500 MHz zaskakująco dokładne wyniki.
Jeśli mamy zamiar modelować anteny inne niż YAGI, pionowy lub drutowy – np. parabola lub śruba – korzystniej jest zastosować program pracujący z algorytmem NEC, który modeluje powierzchnie płaskie lub geometryczne jako struktury integralne, podczas gdy starszy algorytm MININEC (jest używany przez MMANA) oblicza te konstrukcje jako pojedyncze prymitywy, co znacznie wydłuża czas obliczeń. Przy okazji, osobom zainteresowanym modelowaniem anten będzie dobrze służył nieoficjalny numeryczny kod elektromagnetyczny (NEC) Archiwa.
Inaczej jest w przypadku wysokich częstotliwości. Ceny urządzeń pomiarowych osiągają astronomiczne wyżyny, ale nawet programy modelowania nie są dokładnie tanie…Wśród bardziej znanych wymienię GENESYS, HFSS92, ZELANDIA, MAXWELL_SV9 i wiele innych, których możliwości przekraczają potrzeby nawet najbardziej wymagającego radioamatora. Potrafią także modelować takie konstrukcje, których praktycznie nie da się w żaden sposób zmierzyć, a bez tych programów wiele rozwiązań technicznych nie byłoby możliwych do wdrożenia!
A zatem, drogi przyjacielu, musisz sam znaleźć odpowiedź na to pytanie. Zmierz lub modeluj…?
(C)2006 Iwan Urda, OM7UR
