CU. Elementarz Krótkofalowca. Pomiary podstawowych parametrów amatorskich urządzeń radiowych

Opublikowane w dn. , autor

Kolejny artykuł w serii Elementarz krótkofalowca to duża dawka wiedzy technicznej, ale – co bardzo ważne – wyjaśnionej w bardzo przejrzysty i przystępny sposób. Każdy krótkofalowiec – prędzej czy później – będzie dokonywał różnego rodzaju pomiarów parametrów swojej stacji. Jakich przyrządów użyć, jak zinterpretować wyniki, co oznaczają poszczególne wielkości. Pytań może być bardzo wiele.

Waldemar 3Z6AEF opracował fantastyczny materiał dotycząc pomiarów urządzeń amatorskich. Tę publikację umieszczamy w naszym Elementarzu przy pełnej aprobacie autora opracowania. Ogromne słowa podziękowania dla Waldka 3Z6AEF za udostępnienie materiału!

Niniejsze opracowanie jest krótkim podręcznikiem przyrządów oraz prostych metod pomiarowych, które znajdują zastosowanie w warunkach domowego laboratorium krótkofalowca-konstruktora urządzeń radiowych. Jednocześnie stanowi ono dokumentację zestawu pomocniczych  urządzeń pomiarowych przygotowanych w ramach konkursu „Przydatne Urządzenie  Krótkofalarskie” na IV Warsztatach SP-QRP w Burzeninie, 2010. Z tego względu najbardziej  rozbudowane są rozdziały bezpośrednio związane ze zgłoszonymi na Konkurs pomocniczymi przyrządami pomiarowymi oraz opisem wykonania pomiarów podstawowych parametrów urządzeń  nadawczo-odbiorczych.

Oczywiście to skromne opracowanie nie rości sobie pretensji wyczerpania tematu czy nawet  próby pełnego opisu – nie taki był cel. Może ono być potraktowane jako szkic do szerszego  potraktowania zagadnienia pomiarów w praktyce amatorskiej, będąc postawą do  „Podręcznika przyrządów i metod pomiarowych dla radioamatorów”.

Chciałbym podziękować wszystkim, którzy przyczynili się do powstania tej pracy, a w szczególności Kolegom z Dolnośląskiej Grupy Home Made: Jurkowi SQ6BBA, Ryszardowi SP6IFN  oraz Jarkowi SP6MLF, jak również uczestnikom technicznego Forum dyskusyjnego SP-HomeMade Group.

Mam nadzieję, że opracowanie zostanie życzliwie przyjęte przez krótkofalowców i radioamatorów samodzielnie projektujących i budujących radiowe urządzenia nadawczo-odbiorcze. 

Szczególnie polecam je tym z Kolegów, którzy rozpoczynają przygodę w tej dziedzinie naszego  krótkofalarskiego hobby, życząc jak największej radości w czasie magicznych chwil, kiedy garść elementów elektronicznych  zamienia się w użyteczne urządzenie radiowe, zaś z głośnika słychać  pierwsze sygnały QSO…

Waldek 3Z6AEF
Mokronos Górny, wrzesień 2010

Dlaczego mierzymy? Wstęp

Bogate stowarzyszenia radioamatorów (ARRL, RSGB, DARC) utrzymują bardzo dobrze wyposażone laboratoria pomiarowe, gdzie dokonuje się badań urządzeń – nie tylko amatorskich. Szczególną pozycję ma zwłaszcza laboratorium ARRL. Doskonale oprzyrządowane, prowadzone  przez profesjonalnych konstruktorów oraz stosujące ściśle określone procedury pomiarowe – zawsze takie same – co pozwala na rzeczywiste porównywanie parametrów różnych urządzeń radiowych.  ARRL-Lab wykonuje zestaw pomiarów praktycznie każdego nowego TRX-a wprowadzanego na rynek przez znane firmy. Wyniki pomiarów są publikowane w związkowym czasopiśmie QST – ułatwia to radioamatorom podjęcie odpowiednich decyzji zakupowych, a producentom pokazuje  kierunki ewentualnych zmian czy udoskonaleń.

Dlaczego sami producenci nie wykonują pomiarów swych urządzeń? Ależ oczywiście wykonują! Jednak procedury pomiarowe mogą być różne dla różnych wytwórców, a dodatkowo wymogi marketingu powodują, że niechętnie pokazywane są gorsze parametry, zaś mocno  eksponowane te lepsze niż u konkurencji…

W warunkach domowego warsztatu radioamatora też wykonuje się różne pomiary. Od najprostszych z użyciem tzw. miernika uniwersalnego czy miernika mocy lub SWR, poprzez bardziej skomplikowane, do których wykorzystuje się np. mierniki i analizatory antenowe, aż do zaawansowanych pomiarów wykonywanych w czasie uruchamiania i testowania budowanych  urządzeń.

Konstruktor krótkofalowiec, budujący urządzenia nadawczo-odbiorcze używa przyrządów pomiarowych najpierw do sprawdzania i testowania elementów oraz podzespołów, potem w trakcie budowy, aby ułatwić (a czasem wręcz umożliwić) uruchamianie, a na końcu dokonuje pomiarów i  sprawdzenia podstawowych  parametrów urządzenia.

Urządzenia nadawczo-odbiorcze budowane przez licencjonowanych krótkofalowców  zwolnione są z wymogu badań tzw. homologacyjnych. Jednak muszą one spełniać podstawowe normy (elektryczne, bezpieczeństwa) i przede wszystkim nie mogą powodować zakłóceń na paśmie. Warto  również po prostu sprawdzić parametry skonstruowanego urządzenia, aby potem móc porównać z  innymi urządzeniami, zbudowanymi przez Kolegów, czy fabrycznymi.

Co mierzymy? Podstawowe parametry urządzeń amatorskich

Podobnie, jak urządzenia fabryczne, każde urządzenie nadawczo-odbiorcze zbudowane przez  radioamatora, można scharakteryzować zestawem ściśle określonych parametrów elektrycznych.

Dla urządzenia nadawczego będą to następujące parametry:

  • Maksymalna moc wyjściowa
  • Poziom harmonicznych na wyjściu
  • Tłumienie nośnej i drugiej wstęgi  przy SBB

Natomiast dla odbiornika określa się zwykle:

  • Czułość odbiornika lub MDS
  • Zakres dynamiczny sygnałów wejściowych
  • Odporność na zniekształcenia intermodulacyjne
  • Liczbę IP3

Zarówno dla nadajnika jak i odbiornika (lub TRX-a) określa się też:

  • Zakres częstotliwości
  • Dopuszczalny zakres napięć zasilających
  • Pobór prądu (mocy) zasilania

Dodatkowo mierzone są inne, bardziej szczegółowe parametry, takie jak:

  • zakres dynamiczny automatycznej regulacji wzmocnienia AGC
  • stabilność krótko-  i długoterminowa VFO
  • szerokości pasma przenoszenia filtrów
  • dokładność kalibracji miernika S
  • moc wyjściowa wzmacniacza m.cz. odbiornika (przy określonym obciążeniu)

Czym mierzyć? Wyposażenie pomiarowe pracowni radioamatora

Podstawowe mierniki warsztatowe

W każdej pracowni znajdują się podstawowe przyrządy pomiarowe, używane w codziennej pracy. Do najczęściej spotykanych należą: mierniki uniwersalne, częstościomierze, oscyloskopy. Należy też pamiętać o generatorach, które choć nie są miernikami, to stanowią ważny element wykorzystywany w wielu pomiarach.

Miernik uniwersalny

Obecnie wybór tego rodzaju mierników jest ogromny – najlepiej wybrać dwa:

  • prostszy (zarazem tańszy), do mniej precyzyjnych (1..2%) pomiarów napięć i prądów zasilania czy szybkiego sprawdzania elementów
  • dokładniejszy (do 0.02 % na zakresach napięcia stałego) – do precyzyjnych pomiarów i  kalibracji innych przyrządów

Urządzenia pierwszej grupy to powszechnie spotykane, typowe mierniki uniwersalne, których  koszt nie przekracza kilkudziesięciu złotych. Można nimi mierzyć napięcia i prądy, stałe i przemienne (o niskich częstotliwościach). Zwykle umożliwiają też pomiar rezystancji, czasem pojemności, częstotliwości (w ograniczonym zakresie) a nawet impedancji. Wyposażone też są w tester diód oraz  szybkie sprawdzanie przejścia (zwarcia) elektrycznego. Reprezentantem tej grupy urządzeń są np.  niezłej jakości mierniki firm METEX, UNI-T czy VOLTCRAFT. 

Przyrządów z drugiej grupy można szukać wśród markowych producentów, jak FLUKE, APPA, SANWA, a również METEX czy ESCORT. Jednak ich ceny są zdecydowane wyższe.

Godnym polecenia, dość drogim, jak na kieszeń amatora, ale wartym swej ceny jest przyrząd  PC5000 firmy SANWA.

METEX M4650B
SANWA PC5000

Miernik poziomu mocy i napięcia w.cz.

Jakkolwiek amatorzy używają fabrycznych mierników mocy czy napięcia w.cz., to jednak najczęściej są to przyrządy budowane samodzielnie.

Najprostszą formą takiego przyrządu jest sonda diodowa (próbnik), dołączana do miernika  napięcia stałego.  Służy ona jako wskaźnik, pozwalający na stwierdzenie obecności napięcia w.cz. i  oszacowanie jego poziomu. Można także wyskalować miernik napięcia stałego (na stałe lub przy  pomocy tabeli) tak, aby pomiary były dokładniejsze. Przykład sondy tego typu, wykonanej w klasycznym jednodiodowym układzie (zastosowano diodę germanową typu GD507) przedstawiono  poniżej:

Jednak, aby wykonywać dokładne pomiary, potrzebny jest bardziej skomplikowany przyrząd. Doskonałym detektorem używanym w tym celu, jest układ scalony AD8307 firmy Analog Device. Jest to logarytmiczny wzmacniacz, przetwarzający napięcie w.cz. o częstotliwościach z zakresu 0..500  MHz i poziomach od -75 dBm do +17 dBm na napięcie stałe 0,2 .. 2,5 V z liniowością nie gorszą niż  1dB. Z użyciem tego układu można stosunkowo łatwo zbudować miernik poziomu mocy o dynamice  do 70..80 dB.

Przykładem zastosowania AD8307 są konstrukcje OZ2CPU czy W7ZOI (zob. odnośniki w  Dodatkach). Również analizatory serii NWT opracowane przez DK3WX, mierniki MAX Jarka  SP3SWJ i wiele innych konstrukcji wykorzystuje ten uniwersalny detektor.

Aby pomiary wykonywane przy wykorzystaniu AD8307 były wiarygodne, należy sprawdzić  wskazania przyrządu przy pomocy kalibratora, np. takiego jak opisywany dalej kalibrator K3NHI.

Inne przyrządy pomiarowe

Oczywiście oprócz przedstawionych powyżej najprostszych przyrządów warsztatowych używa  się całej gamy innych, które są równie niezbędne :

  • Miernik pojemności i indukcyjności
  • Częstościomierz
  • Generatory sygnałowe (stałe i przestrajane)
  • Oscyloskop anlogowy i cyfrowy (DSO)
  • Mierniki antenowe, SWR

Ostatnia grupą przyrządów pomiarowych w pracowni radioamatora-konstruktora są  zaawansowane urządzenia, których przydatność jest niewątpliwa, jednak stopień skomplikowania a także cena są duże. W tej grupie przyrządów znajdują się wszystkie analizatory (skalarne, wektorowe),  różnego rodzaju wobulatory i skomplikowane, specjalizowane zestawy testowe (radiotestery). Fabryczne urządzenia tego typu są bardzo drogie, więc do radioamatorów trafiają te starsze, wycofywane z eksploatacji w profesjonalnych laboratoriach. Często można okazyjnie kupić taki przyrząd – a po odnowieniu, kalibracji i uwierzytelnieniu będzie jeszcze długo służył w domowym  warsztacie.

Technika komputerowa i rozwój technologii elementów pozwala również na podjęcie wyzwania  samodzielnej budowy zaawansowanych przyrządów pomiarowych. Dalej przedstawiono najpopularniejsze opracowania analizatorów VNA/SVNA oraz analizatorów widma.

Omówienie wszystkich wymienionych urządzeń pomiarowych wykracza poza ramy tego  opracowania – być może pojawi się w kolejnej rozszerzonej wersji 🙂

Pomocnicze urządzenia pomiarowe

Oprócz przyrządów stricte pomiarowych, jak wymienione w poprzednich punktach, wykorzystuje się szereg urządzeń pomocniczych. Stanowią one nieodzowne uzupełnienie domowego laboratorium oraz są niezbędne przy niektórych pomiarach. Oczywiście, przyrządy pomocnicze także są produkowane przez różne firmy, ale w praktycznej działalności radioamatora są one zazwyczaj  wykonywane samodzielnie.

Materiały i elementy do budowy urządzeń pomocniczych są obecnie powszechnie dostępne: zakup precyzyjnych, stabilnych rezystorów w.cz. do regulowanego tłumika, firmowych rdzeni Amidon do sprzęgacza kierunkowego czy splittera oraz innych podzespołów nie stanowi większego problemu. Jako, że przyrządy te mają zazwyczaj niewielkie wymiary, wiec mogą być zamykane w typowych aluminiowych obudowach, np. firmy Hammond. Ich cena, przy wymaganych gabarytach, nie jest  duża. Naturalnie, możliwe jest również samodzielne wykonanie obudów – zwykle da się dobrać  odpowiednie kształtowniki aluminiowe, których oferta jest także bardzo bogata.

Dalej przedstawiono wykonania kilku wybranych pomocniczych przyrządów, które powinny  być łatwe do zbudowania i są obowiązkowym wyposażeniem domowego laboratorium:

  • Regulowany tłumik pomiarowy
  • Kalibrator poziomu mocy
  • Sprzęgacz kierunkowy
  • Tłumik do pomiarów mocy
  • Sztuczne obciążenie
Regulowany tłumik pomiarowy

Regulowane tłumiki pomiarowe (ang. step attenuator) są bodajże najwżniejszymi i najczęściej  wykorzystywanymi przyrządami w praktycznych pomiarach w.cz. Szczególnie użyteczne są właśnie  dla radioamatorów, a przy tym łatwe do wykonania oraz kalibracji, którą można przeprowadzić z użyciem źródła napięcia stałego i dokładnego miernika DC.

Tłumiki można wykonać się jako pojedyncze stopnie w konfiguracji PI lub T. Można je  wbudować w typowe złącza BNC, uzyskując komplet o typowych, praktycznych tłumieniach. Łącząc je szeregowo, uzyskuje się żądane tłumienie. Poniżej właśnie taki zestaw w wykonaniu Leszka  SP6FRE:

Tłumiki regulowane również konstruuje się w oparciu o pojedyncze stopnie PI lub T,  zabudowując je w grupach, aby osiągnąć żądaną maksymalną wartość tłumienia. Jako elementy przełączające należy wybrać przełączniki o dobrej jakości i minimalnych pojemnościach międzystykowych – chociaż przy częstotliwościach krótkofalowych (do 30 MHz) także typowe  przełączniki „hebelkowe” zdają egzamin.

Obliczenie wartości rezystorów poszczególnych stopni można wykonać posługując się ogólnie  znanymi wzorami, lub użyć w tym celu jednego z powszechnych programów komputerowych lub  kalkulatorów on-line (zob. linki w Dodatkach). Można też wykorzystać jeden z wielu schematów  dostępnych w Internecie – zarówno urządzeń fabrycznych, jak i typowych konstrukcji amatorskich.

W tabeli przedstawiono wartości rezystancji elementów stopnia w konfiguracji  PI dla różnych  poziomów tłumienia i kilku wykonań tłumików (wartości rezystancji w omach):

Wiersz TEORIA zawiera teoretyczne wartości, wyliczone z wykorzystanie arkusza  kalkulacyjnego, natomiast wiersz MMELF – praktyczne wartości najbliższe teoretycznym z szeregu precyzyjnych 1% rezystorów w.cz. w obudowach MMELF, firmy BEYCHLAG, które zastosowano w  regulowanym tłumiku pomiarowym.

Jako przełączniki zastosowano typowe „dalekowschodnie” przełączniki DPDT. Zmierzone pojemności międzystykowe wynoszą dla tego przełącznika 0,2 .. 0,3 pF.

Obudowa tłumika jest podwójna: wewnętrzną wykonano z kawałków laminatu FR-4 o grubości  1,5 mm, zaś przegrody między sekcjami z blachy stalowej ocynowanej o grubości 0,2 mm. Zewnętrzna obudowa wykonana jest z kształtownika aluminiowego (25×45 mm, profil C) o długości  150 mm.

Boki oraz pokrywkę obudowy wykonano z blachy aluminiowej o grubości 2 mm. Do połączenia boków z profilem C użyto domowej metody  „spawania” palnikiem gazowym z użyciem stopu AluWeld.

Elektrycznie tłumik stanowi 8 niezależnie włączanych stopni w konfiguracji PI o następujących wartościach tłumienia:

 1, 2, 2, 6, 10, 20, 20, 20   [dB]

Umożliwia to ustawienie dowolnej wartości tłumienia w zakresie do 81 dB z krokiem 1 dB. 

Zakres pomiarowy jest wystarczający do większości pomiarów, jedynie w niektórych przypadkach trzeba się posiłkować dodatkowymi stopniami tłumienia. Dokładność przyrządu, wynikająca z zastosowania dobrej jakości rezystorów 1% jest również zadowalająca, natomiast  zmierzony SWR dla wejścia tłumika nie przekracza wartości 1:1,03 w całym zakładanym zakresie  częstotliwości pracy 0..30 MHz.

Ostatni, dziewiąty przełącznik służy do odłączenia tłumika od wyjścia, załączając standardowy terminator 50 omów. Jest to pomocne przy niektórych pomiarach.

Poniżej przestawiono szczegóły budowy tłumika:

Kalibrator poziomu mocy

Kalibrator poziomu mocy jest prostym generatorem, na którego wyjściu jest sygnał przemienny (przebieg prostokątny) o ściśle określonym poziomie napięcia. Zakładając standardowe obciążenie 50  omów, można w ten sposób kalibrować poziom mocy – z precyzją wystarczająca do amatorskich  pomiarów. Kalibrator zaprojektował Bob Kopski, K3NHI, a jego opis ukazał się w dwumiesięczniku  QEX (Jan/Feb 2004)

Kalibrator został skonstruowany na bazie typowego generatora CMOS 10 MHz, stosowanego w sprzęcie komputerowym. Uzupełniony o stabilizator napięcia zasilania (z baterii 9V) oraz tłumik 20 dB na wyjściu, dostarcza określonego poziomu przebieg prostokątny, którego poziom można bardzo  łatwo skalibrować precyzyjnym miernikiem napięcia stałego, jak np. SANWA PC5000.

Po zabudowaniu układu na płytce PCB i umieszczeniu w obudowie wykonanej z typowych  kształtowników aluminiowych, uzyskano pożyteczny przyrząd, który posłużył do kalibrowania i uwierzytelniania innych mierników: sond wejściowych analizatorów NWT-7 , NWT-500, MAX6 oraz  innych, wykorzystujących układ AD8307 jako logarytmiczny wzmacniacz wejściowy. Dodatkowo 

przyrządem tym można sprawdzać skalibrowanie analizatorów widma, ponieważ przebieg wyjściowy  jest prawie idealnie prostokątny – pozwala to z dużą dokładnością sprawdzić wskazania kolejnych  nieparzystych prążków sygnału na analizatorze.

Kalibrator zmontowano techniką montażu przestrzennego na kawałku 45×30 mm dwustronnego laminatu FR-4 o grubości 1,5 mm.

Skalowanie kalibratora przeprowadza się ustawiając przy pomocy potencjometru dostrojczego, dokładnie 158 mV w punkcie testowym:

Tak dostrojony kalibrator, dostarcza na wyjściu przebieg prostokątny o napięciu Vpp=31,6mV co  pokazywane jest jako:

  • -20 dBm na przyrządach z wejściem na AD8307
  • -23 dBm na przyrządach, gdzie moc jest mierzona metodą termiczną
  • -24 dBm na analizatorze widma (prążek podstawowy)

Oczywiście, jak każdy przyrząd pomiarowy, należy go co jakiś czas sprawdzać (uwierzytelniać).  Jednak proces ten jest na tyle łatwy (używa się jedynie dokładnego miernika napięcia stałego), że nie  jest to kłopotliwe.

Projekt można ewentualnie rozwinąć o dodatkowy automatyczny wyłącznik zasilania (np. z  tranzystorem P-MOS). Zalecane jest także użycie precyzyjnego potencjometru wieloobrotowego dla dokładnego ustawienia poziomu sygnału wyjściowego kalibratora. Można także wykonać cały układ  na płytce drukowanej, zamiast montażu przestrzennego. Adam SP5FCS zaprojektował PCB do  kalibratora – projekt jest dostępny na Forum SP-HM Group.

Mostek pomiarowy w.cz.

Mostki pomiarowe w.cz. (ang. reflection bridge, Return-Loss bridge) działają na podobnej zasadzie,  jak typowe rezystorowe mostki Wheatstona. Zasadniczym ich zastosowaniem jest pomiar impedancji.  Można za ich pomocą określać współczynnik SWR, jak również użyć do sumowania sygnałów (ang. hybrid combiner). 

Wykonano dwa mostki pomiarowe: pierwszy jako przystawkę do analizatora NWT-500, a drugi  jako przystawkę do analizatora VNA-N2PK. Oczywiście oba przyrządy mogą być używane niezależnie do innych zastosowań.

Pierwszy mostek zbudowano z rezystorów metalizowanych 50 omów, 0,6W 1%. Transformator  został nawinięty bifilarnie, 9 zwojów drutem DNE 0,3 mm na rdzeniu złożonym z dwóch rdzeni  Amidon T37-43, przy których osiągnięto najlepszą kierunkowość mostka (wypróbowano również  rdzenie T37-77 oraz T50-61 osiągając gorsze rezultaty). Montaż wykonano technika przestrzenną  bezpośrednio na złączach BNC. Obudowa jest zrobiona z kształtowników aluminiowych (profile C:  25×45 mm oraz 25×117 mm) odpowiednio dociętych. Zewnętrzne wymiary obudowy wynoszą: 117x45x25 mm. Rozmieszczenie gniazd RF-in oraz DET jest tak dobrane, aby można było podłączyć  mostek do analizatora NWT-500 za pomocą krótkich adaptorów BNC (male-male).

Mostek wyposażono w dodatkowe gniazdo BNC które jest połączone wewnątrz rezystorem 50  omów z gniazdem LOAD. Pozwala to na wykorzystanie oprogramowania WinNWT (autorstwa  Andreasa DL4JAL) do pomiarów SWR.

Szczegóły budowy mostka pokazano na kolejnych fotografiach.

Drugi mostek wykonano na płytce PCB zaprojektowanej przez Ivana VE3IVM. Jako  transformator wykorzystano gotowy podzespół T1-6T (Mini Circuits), zaś 50 omowe oporniki to 1% elementy SMD. Całość zabudowana jest w obudowie typu 1590A firmy HAMMOND i wyposażona w  złącza typu SMA (female). Aby móc wykorzystywać mostek również z kablami zakończonymi wtykami BNC, mostek jest wyposażony w adaptory (przejściówki) SMA-BNC.

Szczegóły konstrukcyjne mostka:

Podstawowym parametrem charakteryzującym mostki RLB jest kierunkowość (ang. directivity). Określa  ona (w dB) tłumienie sygnału od LOAD do DETECTOR, przy rezystancyjnym 50 omowym obciążeniu dołączonym do LOAD. Oczywiście parametr ten zależy od częstotliwości i  dla dobrych firmowych mostków wynosi co najmniej 35 dB w całym zakresie krótkofalowym.

Wykonane mostki mają następującą kierunkowość :

Mostek T37-43
35 dB przy 1,8 MHz, 38 dB przy 3,5 dB i nie mniej niż 40 dB dla częstotliwości  7..30 MHz.

Mostek T1-6T
co najmniej 43 dB w zakresie od 0,1.25 MHz 
co najmniej 46 dB w zakresie 25..50 MHz

Osiągnięte parametry kierunkowości należy uznać za zadowalające.

Tłumik do pomiarów mocy

Górne ograniczenie zakresu sond wejściowych popularnych NWT-7/NWT-500 wynosi +10dBm, zaś miernik mocy OZ2CPU ma maksymalny zakres do 1W. Do pomiarów większych mocy z  użyciem mierników o ograniczonym zakresie pomiarowym, konieczne jest użycie tłumików. Jednak tłumiki dużej mocy są dość drogie, więc powszechnym rozwiązaniem jest stosowanie sztucznego  obciążenia uzupełnionego o odgałęźnik (ang. power tap) – rodzaj dopasowanego rezystorowego  dzielnika. 

Przyrząd taki poleca do swojego miernika Thomas OZ2CPU, a opis na podstawie którego  została wykonana poniższa wersja, ukazał się w miesięczniku ARRL QST, nr 01/2001 w artykule  W.Haywarda W7ZOI i B.Larkina W7PUA (zob. odnośnik w spisie Literatury na końcu).

Wykonany przyrząd obniża moc doprowadzaną do sondy wejściowej miernika mocy o 40 dB,  zatem rozszerza zakres NWT-7/NWT-500 do 100W, co jest już zupełnie wystarczające w większości  przypadków.

Tłumik wykonano z rezystorów metalizowanych 0,6W 1%. Zastosowano 3 * 820 omów oraz  50,1 omów. Jako obudowę wykorzystano fabryczne pudełko typu 1590A firmy HAMMOND (wymiary zewnętrzne ok. 90x30x35 mm). Zastosowano gniazda typu BNC, połączone linią paskową,  która została zrobiona z kawałka (15×20 mm) dwustronnego laminatu FR-4 o grubości 0,8 mm. Obie  strony laminatu połączone są na krawędziach paskami blachy ocynowanej (grubości 0,2 mm).

Poniższa fotografia przedstawia szczegóły budowy przyrządu. Odcinek drutu przy pierwszym  rezystorze 820 omów stanowi pojemność kompensacyjną, którą należy dobrać (docinając) przy  kalibracji. Ale nawet bez kalibracji charakterystyka częstotliwościowa przyrządu jest wyrównana w całym zakresie 0..70 MHz (zmierzony SWR jest poniżej 1:1,03).

Jak mierzyć? Metody podstawowych pomiarów urządzeń N/O

Jako przykład zastosowania wykonanych przyrządów pomocniczych, przedstawiono poniżej  trzy metody pomiarowe, dla wyznaczenia:

  • MDS lub czułości odbiornika
  • zakresu dynamicznego (współczynnika) zniekształceń intermodulacyjnych 3 rzędu 
  • pomiar mocy nadajnika

Pomiar MDS i czułości odbiornika

Pomiar parametru MDS (minimum detectable signal) lub czułości odbiornika wykonuje się w  układzie według następującego schematu:

Sygnał z kalibrowanego generatora sygnałowego o bardzo małym poziomie podawany jest  poprzez tłumik regulowany na wejście antenowe testowanego odbiornik. Na wyjście akustyczne  odbiornika (głośnikowe lub słuchawkowe) dołączony jest miernik napięcia m.cz. Najpierw należy  dostroić odbiornik do częstotliwości generatora, pamiętając o wcześniejszym wyłączeniu układu automatycznej regulacji wzmocnienia AGC. Następnie przy braku sygnału z generatora wyznacza się  poziom napięcia m.cz. na mierniku.  Jest to poziom odpowiadający poziomowi szumów własnych  odbiornika (noise floor). Następnie włączamy generator i regulujemy tłumienie tak, aby poziom  sygnału m.cz. był większy o 3 dB od poprzedniego. W  tym momencie poziom sygnału na wejściu  odbiornika określa parametr MDS.

Pomiar równie często spotykanego parametru „czułość odbiornika przy (S+N)/N = 10 dB” odbywa się dokładnie tak samo, tyle że zamiast 3 dB odstępu przyjmuje się 10 dB.

Pamiętać należy, że tak wyznaczony parametr MDS zależy od szerokości pasma filtru aktualnie  wybranego w odbiorniku oraz od częstotliwości, dlatego zawsze podając czułość lub MDS odbiornika,  należy zawsze podawać warunki, w jakich zostały zmierzone. Wynik podaje się zwykle w dBm lub uV  (przyjmując standardową impedancję wejścia odbiornika 50 omów).

Jako kalibrowany generator sygnału w.cz. można wykorzystać dowolny, stabilny generator –  oczywiście może być łatwo wykonany samodzielnie – należy tylko zapewnić jego „szczelność”  radiową oraz dokładnie skalibrować, porównując z innym, już skalibrowanym. Do tego celu można wykorzystać kalibrator K3NHI oraz  zestaw tłumików.

Jako miernik napięcia m.cz. może być z powodzeniem użyty komputer PC z kartą dźwiękową  oraz odpowiednim programem, np. Audiometer DG8SAQ.

Przykładowe wartości podane na rysunku odnoszą się do rzeczywistej sytuacji dobrego,  współczesnego odbiornika. Rzeczywiste pomiary dla odbiornika w amatorskiej konstrukcji Norcal NC-20 wykonane zostały z wykorzystaniem generatora sygnałowego typu PG-19 z wbudowanym tłumikiem do 110 dB (co 1 dB) oraz zewnętrznym tłumikiem regulowanym 0..80 dB Poziom sygnału z  generatora był skalibrowany przez porównanie z sygnałem kalibratora K3NHI. Wyjście głośnikowe  poprzez 50-omowy „feedthrough terminal” zostało połączone kablem m.cz. na wejście karty  dźwiękowej w PC z uruchomionym i skalibrowanym wcześniej Audiotesterem DG8SAQ. Uzyskane wyniki pomiarów: MDS = 122 dBm zaś czułość przy (S+N)/N=10dB na poziomie -113 dBm (ok. 0.5 uV). Pomiaru dokonano na częstotliwości 14,060 MHz, zaś TRX NC-20 wyposażony jest w wąski, telegraficzny filtr kwarcowy o szerokości pasma ok. 300 Hz.

Pomiar zniekształceń intermodulacyjnych IMD 

Pomiar zakresu dynamicznego zniekształceń intermodulacyjnych 3 rzędu wykonuje się w  układzie według następującego schematu:

Do wykonania pomiarów potrzebne są dwa, dobrej jakości generatory dostarczające sygnały  sinusoidalne s odstępem 20 kHz (stosuje się także odstęp 10 kHz, a nawet 5 kHz). Poziom obu  sygnałów musi być jednakowy, ustalony na 6 dBm. Sygnały te trafiają na mostek pomiarowy (RL  bridge) pracujący tutaj jako sumator sygnałów (ang. hybrid combiner). Sygnały doprowadza się do  gniazd RF-in oraz DETECTOR, natomiast do gniazda LOAD podłączony jest regulowany tłumik,  przez który sygnały (każdy o poziomie -12 dBm) trafiają na wejście testowanego odbiornika. Do wyjścia akustycznego odbiornika dołączony jest miernik napiecia m.cz. (albo wejście karty  dźwiękowej komputera z odpowiednim programem umożliwiającym pomiary m.cz.).

Doprowadzone do odbiornika silne sygnały (-12 dBm odpowiada poziomowi S9+60dB)  powodują powstawanie zniekształceń intermodulacyjnych m.in. trzeciego rzędu, tzn. jeśli np.  generatory mają częstotliwości 14.040 MHz oraz 14.060 MHz, to pojawiają się sygnały na  częstotliwościach 14.020 MHz oraz 14.080 MHz (ang. third-order products).

Dostrajamy odbiornik na częstotliwość jednego z sygnałów intermodulacyjnych, np. 14.020 MHz i tak ustawiamy tłumik regulowany, aby na wyjściu odbiornika dostać sygnał o 3 dB większy  ponad poziom szumów. Wyznaczamy poziom zniekształceń IMD dodając odpowiednio tłumienia do  poziomu sygnału z generatora – w powyższym przykładzie, jeśli ustawienie tłumika regulowanego byłoby 30 dB, to:

IMD = -6 dBm – 6 dB – 30 dB = -42 dBm

Znając parametr MDS (zmierzony wcześniej) można określić zakres dynamiczny zniekształceń intermodulacyjnych 3 rzędu:

IMD DR = MDS – IMD 

czyli w naszym przykładzie: IMD DR = -135 dBm – (-42 dBm) = -93 dB

Wes W7ZOI  opisuje w EMRFD nieco inny sposób wyznaczania parametru IMD DR (w tym  samym układzie pomiarowym) – rezultat jest identyczny. 

Pomiar mocy  nadajnika 

Najprostszą chyba metodą pomiaru mocy nadajnika jest dołączenie do wyjścia sztucznego  obciążenia (o standardowej wartości 50 omów i odpowiedniej mocy!) i pomiar napięcia na tym  obciążeniu. Do pomiaru napięcia można zastosować oscyloskop z odpowiednim zakresem  częstotliwości. Oczywiście należy przeliczyć zmierzone napięcie na moc, ale obliczenia te są bardzo  proste obowiązują tutaj ogólnie znane wzory:

Przyjmując R=50 omów mamy:    P  [mW]  =  2,5  *  Vpp * Vpp

Odczytane zatem z oscyloskopu napięcie międzyszczytowe wystarczy podnieść do kwadratu i  pomnożyć 2,5 raza, aby obliczyć moc w miliwatach. Poniższa tabela przedstawia wartość mocy  odpowiadającą wybranym wartościom napięcia Vpp.

Mając do dyspozycji miernik mocy z sondą wejściową na układzie AD8307 (wzmacniacz  logarytmiczny firmy Analog Devices) nie można użyć go bezpośrednio w miejsce oscyloskopu,  ponieważ mierniki te mają zazwyczaj ograniczony górny zakres pomiarowy. Należy wtedy użyć  opisywanego wcześniej tłumika-odgałęźnika (power tap), który obniży poziom o 40 dB i umożliwi  sonda miernika NWT-7/NWT-500 bezpośredni pomiar mocy do 100W. Poniższa fotografia  przedstawia zestawiony układ pomiarowy z wykorzystaniem fabrycznego sztucznego obciążenia 50  omów dużej mocy, tłumika-odgałęźnika oraz  miernika NWT-500 wykorzystanego jako miernik poziomu mocy.

Literatura

Liczba komentarzy: 1

Skomentuj

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *