Podporujem Kódex DX správania

sobota 25. apríla 2015

Jednoduchý anténny analyzátor  - 4V, za málo peňazí veľa muziky                                                                                                                              

         Tento jednoduchý anténny analyzátor som postavil a odskúšal. Je založený na metóde štyroch voltmetrov s odporovým mostíkom, s ručným excelovským vyhodnotením a ako generátor používame KV transceiver s výkonom asi 5 W. Odporový mostík a štyri merania používajú aj známe analyzátory MFJ259, SARK100, Mini60, RigExpert, samozrejme s vlastným VF generátorom a vyhodnotením PIC procesorom. 
         Metóda 4V je jednoduchá, ale priamo nevie zmerať znamienko komplexnej impedancie. Musíme spraviť dve merania impedancie a pri druhom meraní zvýšime frekvenciu (o 10-20 kHz). Keď sa imaginárna časť impedancie jX zvýši, tak je +jX - induktívna záťaž a keď sa jX zníži, tak máme -jX, teda kapacitnú záťaž. Poučka vyzerá jednoducho, ale realizácia je zložitejšia.        
       Merací prípravok analyzátora 4V je na nasledovnom obrázku. Je frekvenčne nezávislý a meranie prebieha v troch základných krokoch. Najskôr zmeria PSV môstikovou metódou, potom známou metódou zaťažovaciu impedanciu a nakoniec ručne určíme znamienko impedancie.  Nevýhoda tejto metódy je, že meria PSV len voči záťaži 50 Ω.

Merací prípravok 4V


Polohy prepínačov:
Vypnuté merania - oba prepínače sú v polohe 0 (stredy prepínačov sú pripojené na zem)
Meranie VF          - prepínač S1 je v polohe 1 a S2 je v polohe 0. Veľkosť VF napätia nastavíme reguláciou výkonu transceivra na 12-15 V= a ďalej výkon nemeníme
Meranie VR         - prepínač S1 je v polohe 2 a S2 v polohe 1. Tu sa meria PSV.
Meranie VA          - prepínač S1 je v polohe 1 a S2 v polohe 1
Meranie VZ          - prepínač S1 je v polohe 0 a S2 v polohe 1. Tu sa meria Z.

        Nakoniec to vidíme zo schémy meracieho prípravku. Napätia meriame lepším digitálnym voltmetrom s vnútorným odporom >1 MΩ na rozsahu 20V=.

Matematika merania je jednoduchá,  F je meracia frekvencia v [MHz].

PSV=(VF+2*VR)/(VF–2*VR)
Z=50 x VZ/VA
Rs=((2500+Z2)*PSV)/(50*(PSV2+1))                                      
Xs= √(Z2-Rs2) alebo inak napísané SQRT(Z2-Rs2) 
Ls=Xs/2*π*F
Cs=106/2*π*F*Xs

Postup merania

 Pred prvým meraním si vyvážime merací môstik na frekvencii 52 MHz (alebo 30 MHz). Merací prípravok spojíme koaxiálnym káblom s transceivrom (TRX) naladeným na 52 MHz a na výstup (ANT) pripojíme umelú záťaž 50 ohmov. Najskôr si nastavíme výkonom TRX veľkosť napätia VF (riadok 6) na 15 V=, potom zmeriame hodnoty VF(6) a VR(7). Veľkosť kompenzačnej kapacity Ck nastavíme tak, aby sa napätie VR rovnalo nule (VR=0). Potom zmeníme frekvenciu napr. na 2 MHz a napätie VR musí byť stále nulové.   
Kalibráciu merania robíme zmenou koeficientu K (riadok 5) (0,92-1,0) na každom pásme zvlášť, čím kompenzujeme nelinearitu usmerňovacej diódy. Linearitu usmerňovacej diódy sme vylepšili zvýšením vstupného napätia VF na 12-15 Voltov js. Lineárny rozsah napätia na dióde je 0,4 - 15 V, t.j. asi 30 dB, takže chyba merania bude po kalibrácii zopár percent. Kalibrujeme použitím záťaží 50 Ω, 75 Ω, 16,6 Ω, 150 Ω a zmenou koeficienta K tak, aby bola zmeraná odchýľka od správnej hodnoty (1:1, 1:1,5 a 1:3) max. 0,05. Obyčajne stačí kalibrovať PSV 1:3 pri záťažiach 16,666 Ω a 150 Ω, prípadne na 10 a 300 Ω.
            Na meranie impedancie si spojíme merací prípravok koaxiálnym káblom s transceivrom (TRX) a na výstup (ANT) pripojíme anténu alebo umelú záťaž.

Zapojenie anténeho analyzátora


            Najskôr si nastavíme výkonom TRX veľkosť napätia VF (riadok 6) na 15 V=, potom zmeriame hodnoty VF(6), VR(7), VA(8), VZ(9), vložíme ich do pripraveného excelovského hárku a ten nám vypočíta PSV(17), Z [Ω] (18),  Rs [Ω], (19), Xs [Ω] (20), prípadne ďalšie hodnoty. Po prvom výsledku si určíme znamienko reaktancie pomocou vyššie popísanej metódy a získané Xs vynásobíme v bunke na riadku 10 s 1 alebo -1. Poznámka: v riadku 10 musí byť buď číslo 1 alebo -1. Neskôr meníme znamienko až po prechode krivky nulou.  Doplnok poučky: pred prvým prechodom krivky nulou je impedancia záťaže vždy kapacitná a po prechode induktívna. Hárok nám potom spraví grafy závislostí PSV, Z, Rs a Xs na frekvencii. Je dobré, keď nám hárok prepočíta aj Rp (24), Xp (25), Cp (26) a Lp (27).
Vf. napätia meriame jedným usmerňovačom (diódou), aby sme mali pri všetkých meraniach rovnakú chybu a dvomi prepínačmi si prepíname usmerňovač do štyroch polôh (VF, VR, VA a VZ). Použitá dióda je Schottky BAT41 so záverným napätím >100V, alebo podobná a pri montáži meracieho prípravku musíme dodržať minimálne dĺžky spojov. Rezistory 50 Ω musia byť bezindukčné na výkon 2W, najlepšie v prevedení SMD. Na nasledovnom obrázku je časť excelovského hárku na výpočet PSV a impedancie Ra+jXa.
            
Ukážeme si postup merania jednotlivých hodnôt:
    - do riadku Objekt (3) si zapíšeme akú anténu meriame a na ktorom pásme
    - do riadku F[MHz] (4) napíšeme frekvenciu, na ktorej meriame
    - do riadku Koeficient K (5) na začiatok napíšeme 0,96 a po kalibrácii ho na danom pásme spresníme
    - do riadkov VF (6), VR (7), VA (8) a VZ (9) napíšeme namerané hodnoty (riadky 4-10 sú biele)
- keď chceme merať len PSV, tak zmeráme hodnoty VF a VR, vyplníme biele riadky (3) až (7) a výsledok sa zobrazí v políčku PSV 


Postup vyhodnotenia výsledkov:
    - na riadkoch (17) PSV=1,56, (18) Z [Ω]=50,19, (19) Rs [Ω ]=45,19, (20) Xs [Ω]=20,98 máme vypočítané výsledky (červené riadky)                                                                                     - získané hodnoty Rs a Xs pri frekvencii F nám budú slúžiť pri vyhodnotení merania v programe Zplots od AC6LA
    -  keďže sa hodnota Xs pri zvýšení frekvencie znížila, tak do žltého riadku p[1 or -1] napíšeme -1 a hodnota Xs [Ω] zn sa zmení na zápornú
    - zmeraná impedancia je Rs+jXs=45,59-j20,98, čo znamená, že náhradná sériová impedancia je rezistor Rs=45,59 Ω v sérii s kondenzátorom Cs=371,78 pF
    - ekvivalentná paralelná náhradná impedancia je zložená z Rp=55,25 Ω a paralelného kondenzátora Cp= 64,99 pF
    - keby bola reaktancia +Xs (kladná), tak náhradná sériová reaktancia by bola indukčnosť Ls=0,16 uH a náhradná paralelná reaktancia by bola indukčnosť Lp=0,94 uH
Pohľad na anténny analyzátor 4V

Mechanická konštrukcia


              Na stavbu analyzátora potrebujeme vhodnú kovovú krabičku, dva konektory SO239, jeden konektor Cinch (alebo dve zdierky), dva posuvné prepínače napr. typ SS-13H12-G5 z GM elektronic, diódu BAT41 a zopár rezistorov, kondenzátorov, všetko maximálne za 10 €. Merací prípravok môžeme postaviť aj na dosku plošných spojov, ale stále musíme dbať na krátke VF spoje.. Ďalej potrebujeme dva koaxiálne káble RG58U s konektormi PL239 a trocha lepší multimeter s dvomi krátkymi káblikmi. Ľavý konektor SO239 je pripojený na TRX a pravý na záťaž, alebo anténu. Na predné zdierky sa pripája multimeter krátkymi prívodmi.

Záver 
              V pásme 1,8 - 30 MHz meria analyzátor dobre impedancie v rozsahu 10 - 500 Ω a môžeme ho kalibrovať raz na každom amatérskom pásme. PSV zmeria dobre aj na pásmach 50, 70 a snáď aj na 144 MHz. Nevýhoda je, že musíme pri prvom meraní impedancie určovať znamienko reaktancie a pri ostatných meraniach ho zadávame ručne. 
               Analyzátor 4V je jednoduchý, lacný a na KV má potrebnú presnosť merania. Meranie je troška nepohodlné, ale keď meriame jednu-dve antény za rok, tak to iste nevadí. Rozhoduje cena analyzátora. Excelovský hárok Vám pošlem Emailom na požiadanie (om3lu@omradio.sk), alebo si ho stiahnite zo stránky radiozurnal.sk v rubrike DOWNLOAD, kliknite na      RŽ 1/15Jednoduchý analyzátor - excelovské hárky 3V a 4V.  
Sú tam tri súbory 3V analyzátora a jeden       Analyzer 4V PSV a Z Rs a Rp graf ZAB3 eng cisty.xlsx