Podporujem Kódex DX správania

pondelok 5. januára 2015


Jednoduchý anténny analyzátor - 3V, vhodný do každého hamshacku                                                                                       

      Anténny analyzátor (AA) je veľmi potrebná súčasť hamshacku rádioamatéra, ale obyčajne ho potrebujeme len pri stavbe a kontrole antény, potom odpočíva v šuplíku. Preto náš AA musí dostatočne presne merať Ra+jXa a PSV, musí byť lacný a doma vyrobiteľný.
      Metód merania parametrov antén je veľa, ale najjednoduchšia je metóda troch voltmetrov s vyhodnotením v Exceli, buď s merným rezistorom, alebo merným kondenzátorom.
      Na nasledovnom obrázku je merací prípravok s merným rezistorom, kde sa multimetrom merajú napätia U1, U2 a U3, z ktorých sa vypočíta impedancia záťaže. Merací prípravok si musíme vyrobiť sami, ale ten je jednoduchý.

Merací prípravok s merným rezistorom
      Výhodou tejto metódy je jednoduchý merací prípravok a nevýhodou je meranie impedancie bez určenia znamienka. Takýto analyzátor navrhol VK5JST a viac sa o ňom dočítate na stránke www.users.on.net/~endsodds/analsr.htm. Použil tranzistorové VFO 1-30 MHz a na vyhodnotenie PIC procesor. Ďalší analyzátor pracujúci ma rovnakom princípe urobil UT2FW. Použil DDS generátor, na vyhodnotenie má PIC procesor a nájdete ho na stránke www.ut2fw.com/node/18. 
      Na meranie PSV je výborný a je pravda, že znamienko reaktancie sa dá určiť z dvoch meraní. Keď pri druhom meraní zvýšite frekvenciu (o 10-20 kHz) a imaginárna časť impedancie jX sa zvýši, tak máme +jX - induktívnu záťaž a keď sa jX zníži, tak máme -jX, teda kapacitnú záťaž. Problémom sú matematické obmedzenia výpočtu pri určitých meraných impedanciách. Rovnaký systém merania impedancie používa aj známy analyzátor MFJ-259.
     Ďalšia metóda merania je s metóda troch voltmetrov s merným kondenzátorom, ktorá je asi najlepšia z týchto jednoduchých. Pomocou nej je možné merať komplexnú hodnotu impedancie s určením znamienka.

Merací prípravok s merným kondenzátorom

         Túto metódu použili N2HO a R5OE vo svojom jednoduchom analyzátore. Ich analyzátor potrebuje na každé pásmo jeden merný kondenzátor, výpočtovú matematiku vložili do Excelu a merací prípravok ovládajú ručne. Tento analyzátor som postavil a odskúšal.
     Na meranie napätí U1-3 použili digitálny voltmeter na rozsahu 20V = s vnútorným odporom >1 MΩ
Poloha prepínačov je nasledovná:
Vypnuté merania      - oba prepínače sú vypnuté (stredy prepínačov sú spojené na zem)
Meranie U1              - prepínač S1 je zapnutý a S2 vypnutý
Meranie U2              - oba prepínače sú zapnuté
Meranie U3              - prepínač S1 je vypnutý a S2 zapnutý
   
Postup merania:
1. Na merací prípravok pripojíme čo najkratším koaxiálnym káblom transceiver, na výstup pripojíme buď koaxiálnu záťaž alebo anténu a krátkymi prívodmi digitálny multimeter.
2. Najskôr si skalibrujeme meracie kapacity všetkých pásiem. Pri správnej meracej kapacite a pri určených záťažiach odmeriame PSV 
     - Pri Rz= 50 Ω                v rozsahu 1,0 +-0,025 
     - Pri Rz= 16,6 Ω             v rozsahu 3,0 +-0,025
     - Pri Rz= 150 Ω              v rozsahu 3,0 +-0,025
Meracia kapacita má hodnotu C=1/(2*Pi*F*50), kde F je stredná frekvencia daného pásma. Túto kapacitu na danom pásme, zmenšenú o parazitnú kapacitu montáže 10-15 pF, pripojíme do meracieho prípravku. Koeficient K býva v rozsahu 0,92-0,96.
Meraciu kapacitu a koeficient K meníme dovtedy, kým zmerané PSV nie sú v daných medziach, najlepšie 1:1; 1:3 a 1:3.
Meraciu kapacitu kalibrujeme takto: 
a, meraciu kapacitu kalibrujeme pre každé pásmo zvlášť
b, pripojíme vypočítanú meraciu kapacitu zmenšenú asi o 15 pF
c, zmeráme U1, U2 a U3 pri Rz=50 Ω, 16,6 Ω a pri 150Ω, hodnoty vložíme do Excelového hárku
c, pripojíme Rz=50 Ω a hárok musí vypočítať na danom pásme PSV= 1 +-0,05
d, pripojíme Rz=16,6 Ω potom Rz=150 Ω a vypočítané PSV je napr. 2,9 (pri Rz=16,6 Ω) a 3,1 (pri Rz=150 Ω)
e, meraciu kapacitu zväčšíme cca o 5-10 pF, zmeriame PSV a keď sa rozdiel medzi vypočítanými hodnotami PSV zväčší, tak musíme meraciu kapacitu zmenšiť
f, meraciu kapacitu a koeficient K meníme týmto spôsobom pokiaľ nebude rovnaké PSV pri oboch záťažiach 1:3 (16,6 Ω a 150 Ω)

Vypočítané meracie kapacity:
F [MHz]                50Ω [pF]              75Ω [pF]
  1,86                     1721                     1147
  3,65                       872                       581
  7,1                         448                       299
10,12                       315                       210
14,15                       225                       150
18,12                       176                       117
21,20                       150                       100
24,92                       128                         85,3
28,30                       112                         75
Záťaž je vyrobená z paralelne zapojených rezistorov SMD typu 2512 1W (2x100Ω, 2x150Ω, 6x100Ω, 1x150Ω a pod.), ktoré vložíme do krimpovacieho UHF konektora PL239 (pozri obrázok na konci článku).
Ako generátor používame KV transceiver v móde CW, s výkonom 2-5W. Nastavíme si taký výkon, aby napätie U1 bolo asi 15V= a napätia U2  a U3 meriame pri rovnakom výkone.   
3.   Zvolíme si pásmo, na ktorom budeme merať impedanciu záťaže. V excelovskom hárku si najskôr vyplníme biele okienka „Premenné v programe“. Hodnotu meracej kapacity berieme z tabuľky uvedenej v bode 2.
4. Keď máme skalibrované meracie kapacity môžeme merať impedanciu antény. R5OE urobil excelovské hárky pre 5, 11 a 21 frekvencií, ja som ich len preložil do slovenčiny. Verzia 5.1. vie vypočítať sériovú aj paralelnú verziu záťaže, priebeh PSV, priebeh [Z], reálnej a imaginárnej časti Rz.  Hárok verzie 3.02 vie vypočítať len sériovú verziu záťaže.  


Pri meraní antény postupujte opatrne, lebo meracím signálom asi 1W môžeme rušiť prebiehajúce spojenia !
5. Na hárkoch ver. 5.1. a 3.02 je napísaný stručný návod na obsluhu analyzátora a nakreslená schéma meracieho prípravku.
6. Ukážka hárku verzie 5.01 je na nasledujúcej strane. Každé meranie si uložte ako zvláštny hárok s popisom čo a kedy ste merali. Popis môžete spraviť do modrého poľa Popis merania.
7. Transceiver musí byť odblokovaný, aby vedel vysielať i mimo amatérskych pásiem, lebo každá nová anténa naschvál rezonuje mimo amatérske pásma.
8. Použitá matematika je v ďalšom odstavci a excelovský hárok R5OE je na stránke www.radiozurnal.sk v sekcii download. 
9. Analyzátor môže merať PSV voči ľubovoľnej záťaži. Napríklad pre Rz=75 Ω je treba vypočítať nové meracie kapacity (C=1/2*Pi*F*75) a skalibrovať pre PSV 1:1 a 1:3. Kalibračné záťaže sú 75 Ω (1:1), 25 Ω (1:3) a 225 Ω (1:3).
10. Pri montáži meracieho prípravku musíme dodržať minimálne dĺžky spojov a dióda musí byť Schottky BAT41 so záverným napätím >100V. 
11. Excelovské hárky v slovenčine si môžete stiahnuť zo stránky radiozurnal.sk, z rubriky DOWNLOAD a tam kliknite na odkaz     RŽ 1/15Jednoduchý analyzátor - excelovské hárky 3V a 4V.  
Sú tam tri súbory pre analyzátor 3V a jeden pre analyzátor 4V. Vyberte si jeden zo súborov pre 3V analyzátor. 

                   Matematika AA s merným kondenzátorom

Vstupné veličiny
C - kapacita merného kondenzátora v [pF]                      U1 - Vstupné U z TRX
R - referenčný Rr pre výpočet PSV, napr. 50 Ω                U2 - Napätie na mernom C
K - koeficient korekcie vstupných napätí                          U3 - Napätie na záťaži
F - frekvencia v [MHz]

Výpočet parametrov záťaže
Uk1= (U1)k       Uk2= (U2)k       Uk3= (U3)k       [korekcie meraných napätí]
ω = 2*π*F                                    [výpočet kruhovej frekvencie F[MHz]]
m = 1,E+6/( ω*C*Uk2)                [koeficient na výpočet vplyvu frekvencie]
Ux=((Uk1*Uk1)-(Uk2*Uk2)-(Uk3*Uk3))/(2*Uk2)   [napätie na imaginárnej časti záťaže] 
Ur= √((Uk3*Uk3)-(Ux*Ux))         [napätie na reálnej časti záťaže]
Rs=m*Ur                                 [reálna časť sériovej impedancie záťaže]
Xs=m*Ux*(-1)                         [imaginárna časť sériovej impedancie záťaže]
Cs= |(1,E+6/(ω*Xs))|                   Ls= |(Xs/ω)|
Rp=Rs*(1+((Xs*Xs)/(Rs*Rs)))     Xp=Xs*(1+((Rs*Rs)/(Xs*Xs)))
Cp=|(1,E+6/(ω*Xp))|    Lp=|(Xp/ω)|   (tu bola chyba v originale, sri)
A=√(((Rs-Rr)*(Rs-Rr)+(Xs*Xs))/((Rs+Rr)*(Rs+Rr)+(Xs*Xs))) [konštanta pre výpočet PSV] 
PSV=(1+A)/(1-A)                                                                       [výsledné PSV]

Pohľad na stránku "Závislosť PSV na frekvencii"
Pohľad na stránku "Závislosť R+jX na frekvencii"
Príklad hotového anténneho analyzátora

Pohľad na merací prípravok

Pohľad do meracieho prípravku
Model 3V analyzátora s výmenými meracími kondenzátormi v reprokonektore


Pohľad na kalibračnú záťaž 75 Ω
     Kalibračnú záťaž si vyrobíme z krimpovacieho konektora PL239. Vrchnú časť odrežeme a opilníkujeme podľa obrázku, do živého kolíka prispájkujeme medený drôtik 0,7 mm a nakoniec prispájkujeme potrebné SMD rezistory na konektor.

Záver

     Tento anténny analyzátor je jednoduchý, lacný a meria dobre na KV. Na pásme 28 MHz je už kalibrácia meracej kapacity veľmi ostrá, hoci skalibrovaný analyzátor ešte aj tam mieria dobre. 
Pripomínam, že meracie kapacity treba kalibrovať vždy pri záťažiach 50, 16,6 a 150 Ω (PSV 1:1, 1:3 a 1:3). Ešte presnejšia kalibrácia bude pri PSV 1:5 (10 a 250 Ω).
     Po kalibrácii je meranie presnejšie ako s neskalibrovanými anténnymi analyzátormi typu miniVNA, ale nie také pohodlné.