Protočni analizator antene DAA 10

Transcript

1 Elektronka, Vjest z HRS-a teorja, gradnje Pše Mladen Petrovć, 9A4ZZ Protočn analzator antene DAA 10 Drectonal Antenna Analyzer DAA 10 vod Predstavljamo vam jednostavn nstrument za mjerenje mpedancje antene SWR-a koaksjalnh kabela Samac, 9AHA, korgrao je shemu nstrumenta objavljenog u članku Amateur Measurement of R+jX, autora Doyla Stranlunda, W8CGD, QST, 1965 Ovo je postgnuto analzom zmjerenh napona u fazorskom oblku Tme smo dobl nov nstrument kojm se vrjednost mjerenja napona očtavaju na ugrađenom dspleju l dgtalnom voltmetru vrštavanjem vrjednost u formule određuje se rezultat, odnosno mpedancja antene SWR Do sth rezultata može se doć uvrštavanjem rezultata mjerenja grafčk u fazorsk djagram, odnosno grafčkom metodom, koja će ovdje bt predstavljena Instrument nema djelova koj b ga značajnje frekventno ogrančaval mjer od 1,8 MHz do 50 MHz Na slc su prkazana dva otpora u serjskom spoju je referentn otpor koj znos 50 Ω S njm je u serju spojen otpor Z koj predstavlja kompleksnu vrjednost mpedancje antene ( r ± jx), koja je nepoznata koju mjermo Prključenjem ovakvog spoja na predajnk koj nam služ kao zvor napona za mjerenje poteć će struja jednaka u svm otporma, dobt ćemo ukupn pad napona na ovoj serjskoj kombnacj O te pad napona na referentnom otporu pad napona na mpedancj antene Postavt ćemo zmjerene napone u njhovom fazorskom oblku Prkazan su fazor zmjerenh napona O,, Znajuć da je mpedancja antene r ± jx, napon koj odgovaraju padu napona na mpedancj antene na aktvnom reaktvnom djelu otpora su x r R 1 z R 1 x Z - r x Z - r r ± jx mpendancja r aktvn otpor jx reaktvn otpor Prncp rada Mjerač rad tako što za zvor napona korst predajnk na frekvencj na kojoj mjermo mpedancju antene Element su dmenzonran tako da u nstrument ulazmo sa snagom 5 10 W, kako bsmo dobl veće VF napone, 11,1 15,8 V Na taj načn se mčemo od nelnearnog djela, koljena, karakterstke germanj dode, u lnearnj do, kako b spravljen VF napon odgovarao ulaznom VF naponu Nađena je mjera zmeđu tog zahtjeva snage otpornka koj se korste Maksmalna ulazna snaga u nstrument (kako ne b došlo do proboja doda), određuje se formulom P (W) INV 100 Da bsmo objasnl prncp rada ovog mjerača mpedancje pogledat ćemo slku 1 Slka 1 Z ( + ) r r - - R z Kao što vdmo z zvedenh formula, temeljem tr zmjerena napona O,, zračunal smo Z,, x Sada možemo preć na konačnu shemu nstrumenta (slka ) Na ulazu otpor R služe kao opterećenje predajnka Opterećenje je u našem slučaju 50 Ω zabral smo ga kako bsmo mal što povoljnj prjenos snage z predajnka ka nstrumentu S razdjelnka napona /R uzma se napon O koj pogon struju kroz referentn otpor na njemu stvara pad napona Ista struja prolaz kroz mpedancju antene Z koju mjermo na njoj stvara pad napona Ove napone detektramo germanj dodama vodmo h na dsplej preko vsoko omskh otpora reda 100 kω kako ne bsmo poremetl rad doda potrebljene su germanj dode 1N34A (mal smo h na raspolaganju) Moguće je korstt druge germanj dode s odgovarajućm nverznm naponom nverznoj struj Da b ujednačl napone, dode D 3 D 4 moraju bt uparene, tj sa što slčnjm padovma napona na njma granu detektora za napon O stavljene su u serju dvje dode (D 1, D ) kako b se ovaj napon nešto smanjo Napon uvjek pada na lnearn do karakterstke dode uvjek je velk u odnosu na napone (on mogu bt znatno manj, što ovs o mpedancj antene) te padaju u nelnearn do karakterstke dode wwwhamradohr Rado hrs

2 Elektronka, teorja, gradnje Pops elemenata 5 Ω, 4 kom, paralelno, 100 Ω/ W, 5%, karbon flm R 5 Ω, 4 kom, paralelno, 100 Ω/ W, 5%, karbon flm 50 Ω, kom, paralelno, 100 Ω/ W, 5%, karbon flm R 3, R 4, R 5 47 kω/0,5 W, 5%, karbon flm R kω/0,5 W, trmer C 1, C, C 3 1nF, keramčk C 4, C 5, C 6 10 nf, keramčk D 1, D, D 3, D 4 dode 1N34A dsplej PM-438 preklopnk 4 SO 39, konektor, kom baterja 9 V Slka Shema nstrumenta DAA 10 Na taj b se načn dobl zlazn spravljen napon koj ne odgovaraju ulaznm što b dovelo do greške u mjerenju To se može rješt IC krugom za lnearzacju, al smo u ovom slučaju dobl dovoljnu točnost ostal na jednostavnom rješenju koje zadovoljava Ako radte s nekm drugm Ge dodama provjerte da l su dovoljne dvje dode u serj za mjerenje napona O Provjeru uparenost doda D 3 D 4 u detektorma napona odnos napona prema naponu O na dodama D 1, D treba zvršt tako da se prključ lažna antena 50 Ω tom slučaju napon moraju bt jednak njhov zbroj mora bt jednak s O ako vam je referentn otpor 50 Ω Ako vam referentn otpor nje 50 Ω onda vam napon neće bt jednak, al m zbroj mora bt jednak s O Ako nje, znač da dode D 3 D 4 nsu uparene pa treba zabrat nove koje daju st napon l treba dodat l oduzet broj doda u detektoru napona O Ispravljen napon vode se preko preklopnka na dsplej l se odmah mjere s dgtalnm voltmetrom Dsplej na svom ulazu ma razdjelnk napona koj se sastoj od otpornka, koj je već u dspleju, 10 MΩ u serj doda se prema mas trmer R 6 60 kω 100 kω kojm se podešavaju vrjednost napona pogodne za što točnje očtanje mjerene vrjednost napona Sve veze treba zvest što kraće Otpornc, R moraju bt nenduktvn Točnost mjerenja je oko 5% 1 Mjerenje mpedancje Ovaj nstrument mjer mpedancju spojenu neposredno na konektore l onu s početka napojnoga antenskog kabela kako bsmo podesl antenu Vertkalna antena neposredno znad tla može se mjert na samoj anten s kratkm kabelom No, ako je antena dpol koj se nalaz na nekoj vsn nedostupnoj za drektno mjerenje, onda mjermo preko antenskog kabela elektrčne dužne λ/ l umnoška ste dužne (ako je valna duljna mala pa ne bsmo mogl doć do točke napajanja antene) Tme se postže prblžno (zbog gubtaka) preslkavanje mpedancje antene na kraj kabela gdje mjermo Ovm se nstrumentom može zmjert realn faktor skraćenja On ovs o frekvencj, delektrcma gubtcma kabela (što varra od slučaja do slučaja) Realna elektrčna dužna dobva se tako da se zračunata mehančka dužna pomnož s realnm faktorom skraćenja kabela Na SO 39 konektor TX prključmo odašljač, a na drug ANT konektor prključmo nepoznatu mpedancju, tj antenu Aktvramo odašljač u predaju s malom snagom od 5 W do 10 W desetak sekund (kolko je potrebno da pročtamo jednu po jednu vrjednost napona) Na nstrumentu ćemo pročtat vrjednost tr napona ( O, ), temeljem kojh ćemo na već opsan načn zračunat vrjednost prključene mpedancje je referentn otpor 50 Ω Da bsmo odredl karakter reaktvnog djela mpedancje x (da l je kapactvna l nduktvna), promjent ćemo frekvencju predajnka na kojoj smo mjerl mpedancju antene na vše Ako je napon već nego na osnovnoj mjerenoj frekvencj znač da je reaktvna komponenta nduktvna, obrnuto, ako je manj znač da je x kapactvna Ako promjenmo frekvencju na nže u stom slučaju, a napon se smanj, znač da je x reaktancja nduktvna, obrnuto, ako se poveća, znač da je x kapactvna Ako nam ne odgovara mjenjanje frekvencje predajnka da se npr ne promjen mpedancja antene (da bsmo odredl karakter mpedancje), onda to možemo ustanovt pomoću dodavanja komada koaksjalnog kabela u serju Prpremmo dva komada koaksjalnog kabela RG 58 C/, 50 Ω, montramo na obadva kraja konektor PL 59 Jedan kabel je dugačak 1 cm, drug 31 cm Ovako prpremljen koaksjaln kabel spojmo u serju s mpedancjom koju smo mjerl Ako je vrjednost napona koj zmjermo veća od zmjerene vrjednost bez dodatnog kabela znač da je reaktvna komponenta poztvna, a ako je manja znač da je reaktvna vrjednost negatvna Kako b ovo mjerenje blo korektno za opseg 3,5 MHz 1,8 MHz korstmo obadva kabela spojena u serju 1 cm 31 cm, za opseg 7 MHz 14 MHz korstmo kabel dužne 31cm, a za opseg 18 MHz 8 MHz korstmo kabel dužne 1 cm Rado hrs wwwhamradohr 013 9

3 Elektronka, Vjest z HRS-a teorja, gradnje vrštavanjem vrjednost zmjerenh napona u formule, računsk ćemo odredt mpedancju antene 80, 50 Ω 34,6 49, r r 59 Ω r 71 Ω Drug korak sada na vrh vektora 50 mm pozconramo vrh šestara napravmo do kružnce polumjera 71 Treć korak na početak vektora zabodemo šestar napravmo do kružnce polumjera O 116 mm Četvrt korak z sjecšta te dvje kružnce nacrtamo vektor 71 mm Pet korak nacrtamo vektor O 116 mm Šest korak z sjecšta nacrtamo pod pravm kutom na apcsu crtu koja predstavlja reaktvn do mpedancje, x 39 Ω Z Slka 4 x Z - r x 39 Ω Sedm korak ujedno smo na apcs dobl vrjednost aktvnog djela mpedancje, r 59 Ω F R r ± jx 59 - j39 Ω Odredt ćemo SWR + 4 F + 4 R Grafčko određvanje mpedancje Demonstrrat ćemo grafčko određvanje konkretne mpedancje antene prkazano na slc 3 Na antensk konektor prključmo nepoznatu mpedancju Ranje opsanm načnom mjerenja dobl smo vrjednost na dspleju O 80,, 34,6 49, Formulama smo zračunal da je mpedancja 59 - j39 Ω, gdje je 71 Ω Buduć da smo mjerenjem ustanovl da je reaktvn do mpedancje kapactvan, odnosno negatvan, crtat ćemo slku u četvrtom kvadrantu Vektorsk djagram za napone odgovara vektorskom djagramu za otpore Prv korak zaberemo da referentn napon rad praktčnost bude 50 mm (odgovara 50 Ω za otpore) nanesemo ga na papr Stavljanjem u proporcju da je 50 mm/34,6 1,445, dobvamo koefcjent s kojm množmo vrjednost zmjerenh napona O 116 mm, 50 mm, 71 mm Osm korak sada ćemo spojt vrh vektora sa srednom O Ta dužna odgovara reflektrajućem naponu 1 mm Buduć da je + R - R , Tme smo grafčk odredl mpedancju antene, 59 - j39 Ω,1 3 Mjerenje SWR - a Ovm nstrumentom možemo odredt SWR, to tako da korstmo napon O napon Napon O mjermo drektno kao što smo već pokazal, a reflektrajuć napon zračunavamo z slke 4 Izmjerl smo napon O označt ćemo da je sa slke F O kako sljed ( + ) 4 F ( - ) 4 R + Z 4 F + 4 R R + Z - 4 F Vdmo da je konačna formula za R R ( + Z ) - Po defncj formula za SWR je F + R F - R Može se napsat na ovaj načn koj nam odgovara za lakše računanje F + R F - R Konačna formula za SWR je + R - R SWR možemo zračunat preko koefcjenta refleksje k 4 k R 4 R 4 F k ( - ) ( + ) + r Slka 3 x x wwwhamradohr Rado hrs

4 Elektronka, teorja, gradnje k (R + r) + x Izračunamo elektrčnu dužnu kabela ( - r) + x l k k ( - r) + x ( + r) + x 1 + k 1 - k Ako je vrjednost mpedancje kabela drugačja od 50 Ω, onda se za u formul stavlja ta vrjednost mpedancje kako da b se dobo adekvatan SWR u kabelu 4 Mjerenje elektrčne dužne kabela Možemo mjert elektrčnu dužnu koaksjalnog kabela Mjer se na baz elektrčne dužne λ/4 Ako mamo koaksjaln kabel otvoren na kraju, elektrčk dugačak λ/4 l neparn umnožak λ/4, tada se od otvorenog kraja kabela reflektra snusn val na početak kabela s fazom 180 prema drektnom valu Tme je taj napon mnmalan, al ne nula jer kabel ma gubtke reflektran val je manj od drektnog Elektrčna dužna kabela određuje se tako da se prvo krene od nomnalnog faktora skraćenja koj je dan za svak kabel Izračuna se elektrčna dužna kabela koj ćemo mjert To se postže tako da se mehančka dužna kabela podjel s nomnalnm faktorom skraćenja Izabere se λ/4 dužna tako da h ma neparn broj u našoj zračunatoj elektrčnoj dužn Zatm se zračuna frekvencja za tu λ to je frekvencja koja odgovara nomnalnom skraćenju Prključmo otvoren kabel na naš nstrument na mjesto tereta (antene) mjenjamo frekvencju odašljača dok napon ne dobje mnmalnu vrjednost Novu frekvencju za koju je napon bo mnmalan, podjelmo s frekvencjom koju smo prje zračunal za nomnaln faktor skraćenja S brojem koj dobjemo pomnožmo nomnaln faktor skraćenja dobjemo realn faktor skraćenja Taj je broj uvjek manj od 1 uvjek manj od nomnalne vrjednost faktora skraćenja S brojem realnog faktora skraćenja množmo mehančku dužnu kabela dobvamo realnu elektrčnu dužnu za tu frekvencju Prmjer mjerenje elektrčne dužne poznatog kabela Izmjert ćemo realn faktor skraćenja za koaksjaln kabel TASKER, RG58C, 50Ω, MIL C-17F nomnalna v n, fzčka dužna kabela l k v n neparn broj 6,3 m neparn broj 6,3 m λ/4 Želmo odredt realnu elektrčnu dužnu na nžm frekvencjama 6,3 m 1 6,3 m 6,3 m 4 105, m λ 6,3 m 9 105, 785 khz 85 khz 11,68 m,9 m 85 khz 0,9765 0,9765 0, khz khz λ/4 Počnemo s predajom od 5 W na toj frekvencj mjenjamo je na vše l nže da nam napon počne padat do mnmalne vrjednost ovom slučaju to će bt na frekvencj 785 khz Sada podjelmo te dvje frekvencje (uvjek manju s većom da dobjemo broj manj od jedan) S tm brojem pomnožmo v n nomnalnu vrjednost faktora skraćenja Vdmo da je u faktoru skraćenja znatna razlka Na všm frekvencjama,9 m 4 11,68 m λ 5,689 khz Počnemo s predajom s 5 W na toj frekvencj, mjenjamo frekvencju tražmo mnmum napona koj će bt na frekvencj 5,780 khz Podjelmo manju s većom 0,9963 S ovm brojem pomnožmo v n nomnalnu vrjednost faktora skraćenja 0,9963 Vdmo da je na všm frekvencjama manja razlka faktora skraćenja Da bsmo pokrl što šr opseg frekvencja možemo ć preko λ/ Koaksjaln kabel je otvoren na kraju tražmo mnmaln napon l k v n 13,15 m 6,3 m λ 6,3 m khz khz 11,407 khz 0,9954 0,9954 0, khz 4 30 khz 0,6576 parn broj 6,3 m 0,6446 λ/, 6,3 m, 13,15 m, Sada počnemo s predajom s 5 W na ovoj početnoj frekvencj tražmo mnmaln napon To će se u našem prmjeru dogodt kod frekvencje 11,355 khz Podjelmo manju s većom Prmjer mjerenje elektrčne dužne nepoznatog kabela Izmjermo fzčku dužnu kabela, u našem slučaju Pretpostavmo da je to λ/4 pa mamo 4 69,44 m 69,44 m 4 30 khz Kabel spojmo na antensk prključak počnemo s predajom s 5 W Mjenjamo frekvencju dok ne nađemo da je napon mnmalan Dobl smo frekvencju 785 khz Podjelmo Dobl smo realn faktor skraćenja, 0,6446 za frekvencju 785 khz Rado hrs wwwhamradohr

5 Elektronka, Vjest z HRS-a teorja, gradnje 5 Mjerenje gušenja u kabelu Kabel čje ćemo gubtke mjert spojmo na antensk konektor nstrumenta Drug kraj kabela mora bt l otvoren l kratko spojen ključmo predajnk s malom snagom 5 W 10 W zmjermo vrjednost tr napona, O, Gušenje defnramo kao odnos reflektranog napona drektnog napona Rezultat podjelmo s dva jer je reflektran val prešao dupl put u odnosu na drektn pa 0 log naponskh pšemo za zračun kao 10 log po snaz Gušenje se računa u db R ( + Z ) - g(db) 10 log R 65,55 R Prmjer mjert ćemo gušenje u koaksjalnom kabelu TASKER, RG58C, 50 Ω, MILC-17F g (db) 5,4 (db)/100 m na 10 MHz Prključt ćemo otvoren koaksjaln kabel dužne Pustt ćemo snagu 10 W na frekvencj 10 MHz Izmjert ćemo napone O, uvrstt h u gore navedene formule O 83,1, 50,1, 55,6 6 Mjerenje kapacteta nduktvteta Kapactet C, čju vrjednost želmo zmjert, spojmo na konektor gdje spajamo nepoznatu mpedancju ključmo predajnk s malom snagom od 5 W do 10 W Izaberemo najnžu frekvencju, npr 1,800 khz gledamo da napon bude već od nule Ako nje, povećamo frekvencju, zmjermo napon, uvrstmo h u formulu zračunamo mpedancju Z Tako zračunatu vrjednost x c uvrstmo u formulu za kapactet C L 1 πfx c (F) 50 Ω f (Hz) Na st načn mjermo nduktvtet L 50 Ω f (Hz) x c x c (Ω) Tako zračunatu vrjednost x L uvrstmo u formulu za nduktvtet x L πf (H) x L x L (Ω) Zaključak Ovm se nstrumentom, osm mpedancje antene, može mjert SWR, elektrčna dužna kabela gušenje u kabelu, kapactet nduktvtet Ovaj nstrument jednostavan je za gradnju, a trebao b ga napravt svatko tko nema mjerač mpedancje antene (mjer većnu velčna kao poznat MFJ-59B) Iako ma malo elemenata u odnosu na druge slčne nstrumente, može poslužt kod samogradnje antena, baluna ulaznh zlaznh krugova lnearnh pojačala Mjerenje s ovm nstrumentom od korsnka zahtjeva malo računanja kako b se došlo do konačnog rezultata, al smatramo da se to ne rad svak dan pa se može odvojt vše vremena za mjerenja (ona trebaju bt educrajuća, a ne samo rutnska) Također, rezultat mjerenja će se moć unjet u programrane formule na webu (uskoro će bt postavljene) dobt konačne rezultate bez ručnog računanja Instrument se može prošrt s dodatnm elementma (PIC) da se konačn rezultat prkazuju na dspleju, al ćemo o tome drugom prlkom Zajedno sa Samcem, 9AHA, razrado sam ovaj nstrument, zrado prototp predstavo ga zanteresranma Reference - Amateur Measurement of R+jX Doyle Stranlund, W8CGD, QST, ,55 g(db) 10 log 83,1 10 log 0,7888-1,030 (db) - 5,9 (db) 100 m Vdmo da smo dobl podatak upotrebljv za realn kabel Slka 5 Mjerač mpedancje antene, SWR-a, elektrčne dužne kabela gušenja u kabelu mjerenje kapacteta nduktvteta od 1,8 MHz do 50 MHz (pogled na prednju zadnju stranu u zrad) 9A7A lokacja wwwhamradohr Rado hrs