W artykule opisano metody pomiaru SWR i impedancji anteny oraz problemy z tym związane. Na wstępie jednak należy zaznaczyć, że ewentualna osoba zainteresowana budownictwem nie może obejść się bez podstawowej wiedzy z zakresu programowania, czy to komputera PC, czy mikroprocesorów. Prostotę sprzętu rekompensują bardziej skomplikowane obliczenia matematyczne.
Przeczytasz w artykule
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, ustawieniu żądanej częstotliwości i podłączeniu złożonego obciążenia (anteny) mostek podaje trzy informacje o napięciu, które są wystarczające do obliczenia impedancji i PSV (SWR). W poniższym opisie będziemy się trzymać tego zapisu:
FWR…..połowa napięcia generatora częstotliwości pomiarowej
NR NR…..napięcie różnicowe na przekątnej mostka charakteryzującego PSV
VZA…..napięcie na mierzonym obciążeniu o złożonym charakterze
2. Praktyczne wdrożenie
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, zaprojektowane specjalnie do wykrywania małych napięć, np. 1PS79B62 (Philips) nadaje się do GHz, ale do 500 MHz ich wybór jest więcej niż bogaty... Typy potrójne są bardzo odpowiednie, np. HSMP-386L firmy Agilent, ale produkuje je wielu producentów. Wzmacniacze operacyjne są typu RAIL to RAIL z jednym zasilaczem, one również są błogosławione.
Rezystory w mostku R1, R2 i R3 powinny być bezindukcyjne, np.: 1206, ale TR191 bez końcówek przewodów, które można stosować do kilku GHz, są również bardzo odpowiednie. Wartość bezwzględna nie ma znaczenia, ważne jest, aby miały tę samą wartość, która jest następnie uwzględniana w obliczeniach jako Odbiór.
3. Pomiar generatora częstotliwości
Można zastosować dowolny generator o pożądanym zakresie częstotliwości, o wystarczającej mocy co najmniej 20 dBm i niskich zniekształceniach. Odpowiednie są zwykłe oscylatory LC, do 500 MHz można bez problemów 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 następujący schemat:
Zastosowane części są całkowicie normalne. Nie musisz nawet nakręcać i dostrajać wszystkich transformatorów szerokopasmowych, impedancyjnych i filtrów dolnoprzepustowych. Amerykańska firma Coilcraft http://www.Coilcraft.com/ ma to wszystko w swoim programie produkcyjnym, a do takiej bananowej republiki też wysyła to za darmo – wystarczy wypełnić formularz i porozmawiać trochę po angielsku. Przynajmniej u mnie działa to już jakieś dwa lata...
Eleganckie rozwiązanie generatora dla obszaru KV do 50 MHz wykorzystuje obwód DDS, który jest bezpośrednią syntezą częstotliwości. Zaangażowanie w IO firmy jest powszechne Analog Devices typ AD9851 udoskonalony przykład znajduje się na poniższym obrazku. Z reguły obwód sterowany jest mikroprocesorem, co jest odpowiednim rozwiązaniem, między innymi dlatego, że nie ma problemów z pomiarem częstotliwości - słowo programujące odpowiada częstotliwości, którą 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 obudowy) i są bardzo drogie. Oprócz AD trochę takich układów produkuje też firma HP, ale dla amatorów nie ma to większego znaczenia.
4. Kalkulacja własna
Obliczenia przeprowadza się w jednostkach bezwzględnych - woltach, omach, faradach i henrach - dlatego zestawiane są następujące wzory. Zakładamy, że urządzenie pomiarowe nam to pokazuje prawdziwe napięcia wszystkich trzech wielkości, a generator zapewnia częstotliwość Fx 20 dBm (100 mW/2,2 V/50 omów) widmowo czystą jak „słowo Boże…”:
Współczynnik fali stojącej - PSV , należy sprawdzić wartości graniczne REF, dla których nie ma sensu kontynuować obliczeń, gdyż PSV byłoby zbyt wysokie:
PSV = (1 + P) / (1 – P)
Określenie charakteru impedancji:
- Zwiększ częstotliwość generatora Fx przez małą wartość
- Oblicz ponownie wartość impedancji charakterystycznej Z1 = (Rx * VZA) / (FWD – VZA)
- Jeśli Z1 > Zo wówczas impedancja ma charakter indukcyjny L
- Jeśli Z1
Jeżeli zdecydujemy się na zbudowanie takiego analizatora i wykorzystanie do obliczeń mikroprocesora z przetwornicami napięcia, np. PIC… lub AWR… Polecam typy 10-bitowe. Następnie ustaw zakres odniesienia przetwornika AD na 2,5 V i podczas programowania pamiętaj, że wartość bitowa odczytanego zmierzonego napięcia w rejestrze jest „daleka od rzeczywistej…” i należy ją przeliczyć na wartość rzeczywistą:
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 znajduje się w obszarze najbardziej nieliniowej części charakterystyki diody, której nie można skompensować, a tym samym błąd przenoszony jest na obliczenie części rzeczywistej i urojonej impedancji. W ekstremalnych warunkach błąd może przekroczyć 15-20%, co unieważnia wyniki pomiaru.
Na szczęście istnieje eleganckie rozwiązanie do wyznaczania PSV za pomocą specjalizowanych obwodów firmy 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 Gdzie 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 w dB (Pomiar PSV jest rzadko stosowany w praktyce zawodowej, przeważa wyrażenie strat odbiciowych w dB):
VoutD……Napięcie różnicowe przeliczone na wartość bezwzględną w [V]
Centrum V….Średnie napięcie wyjściowe OutD, typowo 1V dla R1=0, co widać na załączonym wykresie
Nachylenie……Odchylenie transferu 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)
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.
Dziś każda poważniejsza firma zapewnia swoim klientom szeroką pomoc techniczną, obejmującą rozwój zastosowań oferowanych układów scalonych, tych najlepszych, a także usługę dostawy DARMOWYCH PRÓBEK. Niestety AD nie jest jedną z nich, podobnie jak te, które mają reprezentację w krajach postkomunistycznych.
Firma DALAS-MAXIM vyrába aj Inny 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 Obudowy 8uMAX, które bardziej nadają się do użytku amatorskiego.
W katalogu firmy znajdziemy wiele innych ciekawych układów dla radioamatorów jak np. MAX2620 czyli oscylator LC do 1050 MHz, odsprzęganie, wzmacniacze szerokopasmowe itp. Szkoda tylko, że większość najciekawszych znajduje się w miniaturowych obudowach SMD, co komplikuje amatorskie użytkowanie. Niestety taki jest światowy trend i być może za 10-15 lat tylko część z tych urodzonych wcześniej będzie znała tę dyskretną część...
Ale najlepsze jest to, że zazwyczaj wysyłają 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 dostać DARMOWEGO ZAMÓWIENIA PRÓBKI... ale może to po prostu nowa, nie do końca dopasowana usługa wysyłki.
6. Zmierzyć lub zamodelować anteny?
... oto pytanie. Jeśli weźmiemy pod uwagę pasmo KV, pomiar nie jest nawet bardzo ważny. Nowoczesne programy do modelowania takie jak MMANA, NEC-2, EZNEC, NEC WIN+ i inne będą nam służyć równie dobrze analizator antenowy. W dodatku bez wysiłku i kosztów produkcji, a błąd na jaki możemy liczyć jest praktycznie znikomy, a regulacje anteny „robimy” wygodnie w domu, przy stole. Nie musimy „skakać” po małpie wspinając 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, natomiast modelowanie matematyczne (niezależnie od zastosowanego algorytmu MININEC, NEC2 czy NEC4, jest to zawsze metoda chwilowa i poszczególne typy różnią się w zasadzie jedynie komfortem operatora) daje zaskakująco dokładne wyniki do około 500 MHz.
Jeśli mamy zamiar modelować anteny inne niż Yagi, piony lub druty - np. parabole lub Helical - korzystniej jest zastosować program pracujący z algorytmem NEC, który modeluje powierzchnie płaskie lub geometryczne jako struktury integralne, natomiast starszy algorytm MININEC (wykorzystywany przez MMANA) oblicza te struktury jako pojedyncze prymitywy, co znacznie wydłuża czas obliczeń. Nawiasem mówiąc, osobom zainteresowanym modelowaniem anten dobrze skorzystają nieoficjalne archiwa Numerical Electromagnetic Code (NEC).
Inaczej jest w przypadku wysokich częstotliwości. Ceny urządzeń pomiarowych sięgają astronomicznych wysokości, ale nawet programy modelarskie do tanich nie należą... Wśród bardziej znanych wymieniam GENESYS, HFSS92, ZELAND, 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. Zmierzyć czy modelować…?
(C)2006 Iwan Urda, OM7UR