Zaloguj
Środowisko, metodyka i ramy pomiarów
Wykorzystane w testach sprzętowe środowisko pomiarowe zostało oparte na dwóch półprofesjonalnych wektorowych analizatorach obwodów (ang. Vector Network Analyser) w.cz. i b.w.cz. z rodziny nanoVNA [1]. Każdorazowo były one dostosowywane do partykularnych urządzeń testowanych, a także przyjętego zakresu testów. W przypadku testów urządzeń aktywnych dodatkowo używano: regulowanego zasilacza stabilizowanego na napięcia 3 V, 5 V, 9 V i 12 V oraz automatycznego multimetru cyfrowego do kontroli napięć zasilania. Przy pomiarach wzmacniaczy należało zmierzyć się z zagadnieniami przesterowań na wejściu i wyjściu badanego urządzenia i dlatego też stosowano obserwację jakości sygnałów za pomocą prostego oscyloskopu cyfrowego oraz półprofesjonalnego analizatora widma z rodziny tinySA (ang. Spectrum Analyser) [2]. Wszystkie wymienione analizatory zostały przed rozpoczęciem właściwych pomiarów skalibrowane zgodnie z instrukcjami dostępnymi na stronach twórców tych urządzeń.
Analizator wektorowy nanoVNA był wykorzystywany w dwóch wersjach: podstawowej (fotografia 19), pracującej w zakresie częstotliwości od 50 kHz do 900 MHz (z podziałem na dwa podpasma) oraz w wersji znacznie bardziej zaawansowanej H4 Plus (fotografia 20), pracującej w zakresie częstotliwości od 50 kHz do 2,7 GHz (z wewnętrznym podziałem na trzy podpasma). Liczne i wyczerpujące opisy sposobu eksploatacji obu wymienionych przyrządów pomiarowych można bez problemu znaleźć w Internecie (m.in. pod adresem [1] i dalszymi odnośnikami).
W tym miejscu warto wspomnieć, że pierwszy z nich, zarówno z uwagi na ograniczony zakres pomiarowy, jak i funkcjonalny, a także niewielki rozmiar wyświetlacza (2,8”), można traktować bardziej jako podręczne, kieszonkowe urządzenie do pomiarów polowych (w terenie) – przydatne głównie przy strojeniu anten na pasma HF, VHF oraz na niższe podpasma UHF. Natomiast drugi z zastosowanych przyrządów (z wyświetlaczem o przekątnej 4” oraz znacznie poszerzonym zakresem mierzonego pasma częstotliwości i rozbudowanymi funkcjami pomiarowymi) świetnie sprawdził się jako całkiem przyzwoity, półprofesjonalny przyrząd laboratoryjny, dostępny za dość przystępną cenę. Natomiast wspomniany analizator tinySA w wersji podstawowej (fotografia 21) nie nadaje się raczej do zastosowań istotnie ambitniejszych niż zgrubna obserwacja widma badanego sygnału. W szczególności sprawdził się przy wykrywaniu obecności wyraźnych zniekształceń nieliniowych sygnału podstawowego, objawiających się poprzez występowanie znacznych wartości jego wyższych harmonicznych.
Jeśli chodzi o generalną metodykę samych pomiarów, to należy w tym miejscu wyjaśnić, że wykorzystywane w testach analizatory wektorowe umożliwiały pomiar przede wszystkim dwóch kluczowych elementów doskonale znanej w technice mikrofalowej tzw. macierzy rozproszenia S [3]. Są nimi zespolone parametry: S11 oraz S21. Nie wdając się tutaj w zbyt daleko idące dywagacje teoretyczne, oba wymienione parametry są badane w warunkach dopasowania do impedancji wyjściowej (port oznaczony jako „S11”) oraz wejściowej VNA (port oznaczony jako „S21”), wynoszącej dokładnie 50 Ω. Pomiar parametru S11 odbywa się na podstawie analizy zespolonego sygnału odbitego od wrót wejściowych badanego urządzenia, czyli tzw. straty zwrotnej (ang. Return Loss). Natomiast pomiar parametru S21 jest oparty wyłącznie o analizę zespolonego sygnału odebranego na wrotach wyjściowych testowanego ustroju w warunkach odpowiedniego pobudzenia na jego wrotach wejściowych. Analiza parametru S11 może zostać wykorzystana do wyznaczenia m.in. takich szczegółowych parametrów elektrycznych, jak moduł impedancji |Z|, rezystancja R, reaktancja X, czy współczynnik fali stojącej WFS (ang. SWR, Standing Wave Ratio) – kluczowych przede wszystkim przy ocenie dopasowania, sprawności i ogólnej jakości pracy torów nadawczych. Z kolei analiza parametru S21 jest najbardziej przydatna do oceny wzmocnienia napięciowego i mocy dla danego zakresu częstotliwości dwuwrotników, jakimi są m.in. filtry i wzmacniacze pasmowe. Warto w tym miejscu wyraźnie podkreślić dwa zasadnicze aspekty praktyczne:
- pomiary szeroko pojętych charakterystyk częstotliwościowych nie muszą dotyczyć wyłącznie transmitancyjnej analizy elementu S21 macierzy rozproszenia, dostępnego wyłącznie w przypadku dwuwrotników (czwórników z wrotami wejściowymi i wyjściowymi – jak np. filtry, tłumiki czy wzmacniacze),
- w szczególności, pomiary szeroko pojętych charakterystyk częstotliwościowych w zakresie analizy elementu S11 macierzy rozproszenia są kluczowe dla przypadków jednowrotników, czyli dwójników z wyłącznie pojedynczymi wrotami (jak np. anteny czy sztuczne obciążenia).
Wyznaczone na potrzeby tej publikacji ramy pomiarów zostały podzielone na trzy główne grupy. Pierwsza z nich to swego rodzaju „wprawka” oparta na dedykowanej właśnie do tego celu (fotografia 22) płytce testowej (ang. EvB, Evaluation Board) [4], nazwanej przez producenta RF Demo-Kit i wyposażonej w 18 przykładowych obwodów jedno- i dwuwrotników pasywnych. Ta część prezentowanych eksperymentów pomiarowych miała na celu przede wszystkim oswojenie Czytelnika z podstawowym środowiskiem pomiarowym i jego możliwościami, jednak sam RF Demo-Kit będzie szerzej wykorzystywany w trakcie zapowiadanego wcześniej cyklu edukacyjnego o szeroko pojętych technikach radiowych – także do przybliżenia Czytelnikom sposobu korzystania z tzw. wykresu kołowego Smitha, zwizualizowanego na spodniej stronie płytki testowej. W drugiej grupie ujęto pomiary dwójników (jednowrotników): wybranych odbiorczo-nadawczych radiokomunikacyjnych anten HF/VHF/UHF, sztucznych obciążeń rezystancyjnych oraz rezonatorów kwarcowych, które zostały wykorzystane do konstrukcji przebadanych i opisanych dalej filtrów pasmowoprzepustowych SSB. Trzecia grupa pomiarów obejmowała czwórniki (dwuwrotniki), takie jak: tłumiki rezystancyjne, filtry pasmowoprzepustowe i pasmowozaporowe oraz szerokopasmowe wzmacniacze na pasma HF/VHF/UHF. Specyfiki konkretnych pomiarów w każdej z wymienionych grup (w szczególności: sposób pomiaru, zakres częstotliwości, jak również mierzone parametry) różniły się na tyle pomiędzy poszczególnymi przypadkami, że zostały wyczerpująco opisane dopiero przy partykularnych przypadkach testowych.
Pierwsze kroki, czyli pomiary obwodów na płycie nanoVNA EvB
Jako pierwsze badane urządzenie wybrano płytkę demonstracyjną RF Demo-Kit (fotografia 22), przeznaczoną do testów i nauki obsługi urządzeń z rodziny nanoVNA a – w szczególności – do zdobywania praktycznych umiejętności związanych z pracą z tzw. wykresem kołowym Smitha [3, 4]. Jakkolwiek, ostatnie z wymienionych zadań nie będzie poruszane w tym opracowaniu, a zostanie szczegółowo podjęte we wspomnianym wcześniej cyklu publikacji o technikach RF. Na PCB RF Demo-Kit umieszczono aż 18 obwodów jedno- i dwuwrotników pasywnych, podłączanych do analizatora VNA za pomocą załączonych w zestawie z płytką, przejściowych przewodów połączeniowych SMA-IPEX (fotografia 23).
Na rysunku 99 zaprezentowano opublikowany na stronie producenta płytki [4], graficzny wykaz dedykowanych testów z wyróżnionymi kolorowymi ramkami konfiguracjami testowymi (niebieskie – dwójniki, czerwone – czwórniki), które autor uznał za warte pomierzenia i prezentacji w ramach tego artykułu.
Rysunki 100 do 106 przybliżają charakterystyki pomiarowe wybranych obwodów: impedancję Z=R+jX dla dwójników oraz moduł transmitancji napięciowej |A(jΩ)| w skali logarytmicznej dla czwórników. Dla ułatwienia identyfikacji konkretnego obwodu, na każdym rysunku wklejono wyciętą z rysunku 99, odpowiednią etykietkę mierzonego obwodu. Przedstawione w tym rozdziale przykładowe proste pomiary, wykonane z wykorzystaniem podstawowej wersji przyrządu nanoVNA, mają za zadanie przede wszystkim pomóc Czytelnikowi w zdobyciu wprawy w prawidłowej konfiguracji mierzonych charakterystyk (dobór parametrów, skal i zakresów ich prezentacji oraz pracy z markerami) i dlatego nie będą tu głębiej analizowane.
Pomiary dwójników. Anteny, sztuczne obciążenia i rezonatory kwarcowe
W ramach pomiarów dwójników w pierwszej kolejności pod lupę wzięto fabryczne anteny na pasma HF, VHF oraz UHF. Na fotografii 24 zaprezentowano dwie samochodowe (z podstawami magnetycznymi), pionowe anteny na podpasmo CB pasma KF – często określane jako 27 MHz lub pasmo 11 metrów.
CB Radio (ang. Citizens Band) jest formą amatorskiej radiokomunikacji analogowej, wykorzystującej tzw. pasmo obywatelskie, które w Polsce i w większości Europy obejmuje zakres od 26,960 MHz do 27,400 MHz. Do pracy z emisjami AM lub FM z maksymalną mocą nadawaną do 4 W i przy użyciu fabrycznie homologowanych transceiverów nie jest wymagane posiadanie licencji radiooperatora. Kluczowe parametry krótszej i prostszej konstrukcyjnie (po lewej stronie na fotografii 24) anteny markowanej HUSTLER pokazano na skonsolidowanym rysunku 107 (obie składowe impedancji zespolonej Z=R+jX oraz współczynnik fali stojącej SWR).
Jak wynika z obu wykresów, omawiana antena ma rezonans (R≈50 Ω, X≈0j Ω, SWR≈1) w okolicach częstotliwości Frez=28,6 MHz, czyli całkiem daleko poza polskim pasmem częstotliwości CB Radia i teoretycznie wymaga ona podstrojenia na drodze regulacji długości wysuniętego promiennika. Jakkolwiek należy w tym miejscu wyjaśnić, że przedmiotowa antena (podobnie jak i inne dyskutowane dalej „samochodówki”) była mierzona po postawieniu na podstawie wykonanej z dwustronnie pokrytego miedzią laminatu szklano-epoksydowego o wymiarach około 50×50 cm, który nie był odpowiednio uziemiony w warunkach domowych. Tymczasem taka antena samochodowa powinna zostać zestrojona i pomierzona w rzeczywistych warunkach eksploatacji, tzn. na dachu auta, z którym będzie użytkowana, a nawet w konkretnym jego miejscu. Zatem zebrane tutaj wnioski o nieprawidłowym zestrojeniu omawianej anteny w praktyce eksploatacyjnej mogą okazać się w co najmniej znacznym stopniu nietrafione. Z kolei po prawej stronie na fotografii 24 ukazano markową antenę typu SIRIO ML-145, która jest dłuższa i bardziej zaawansowana konstrukcyjnie (m.in. dzięki wbudowanej w połowie długości promiennika, dodatkowej cewce wydłużającej go elektrycznie) od omówionej powyżej anteny HUSTLER. Skonsolidowany rysunek 108 także prezentuje parametry Z=R+jX oraz SWR. Rezonans tej anteny wypada w pobliżu częstotliwości Frez=29,7 MHz, czyli jeszcze dalej od dozwolonego pasma częstotliwości CB niż w przypadku poprzedniczki. Jednak także w tym przypadku ponownie mają zastosowanie uwagi odnośnie do prawidłowych, realnych warunków dostrajania i pomiarów anten samochodowych.
W dalszych krokach pomierzono dwie anteny mobilne na pasma VHF (144 MHz/2 m) oraz UHF (433 MHz/70 cm), dedykowane do pracy z dwupasmowym, ręcznym radiotelefonem typu BAOFENG UV-5R. Zostały one pokazane na fotografii 25 – od lewej: wydłużona antena dodatkowa typu „DIAMOND RH901S” oraz krótka antena będąca standardowym wyposażeniem wzmiankowanego ręcznego duobandera.
Zaaranżowane warunki pomiarowe były dobrze zbliżone do rzeczywistych warunków eksploatacji tych anten. Na skonsolidowanym rysunku 109 zilustrowano przebiegi współczynnika SWR krótkiej anteny standardowej (osobno w pasmach VHF oraz UHF), które w obu przypadkach, w użytecznych zakresach pasma, plasuje się pomiędzy wartościami 1,5 a 2,0.
Należy uznać je za całkiem satysfakcjonujące wobec bardzo niewielkich gabarytów badanej, wysoce „kompromisowej” anteny. Z kolei na skonsolidowanym rysunku 110 zobrazowano wartości parametru SWR dla elastycznej anteny DIAMOND RH901S (alternatywa dla ww. antenki standardowej) w obu rozpatrywanych pasmach częstotliwości. Paradoksalnie są one istotnie gorsze od osiągów króciutkiej antenki standardowej, bo oscylują w przedziale pomiędzy 2,0 a 3,0. Jakkolwiek finalną atrakcyjność użytkową drugiej z tych anten powinien poprawiać jej istotnie lepszy zysk kierunkowy promieniowania względem anteny standardowej.
W następnej kolejności dokonano pomiarów pokazanej na fotografii 26 pary samochodowych anten VHF/UHF (od lewej: NAGOYA NL-770R, obok DIAMOND SMA-F UT106UV).
Skonsolidowany rysunek 111 ukazuje przebiegi współczynnika SWR pierwszej z nich w pasmach VHF i UHF. W przypadku obu użytecznych zakresów tych pasm SWR leży znacznie poniżej wartości 1,5, co należy uznać za bardzo dobry rezultat.
Z kolei na skonsolidowanym rysunku 112 przedstawiono przebiegi współczynnika SWR dla drugiej anteny. Są one wyraźnie gorsze od osiągów wcześniej omówionego produktu (wartości poniżej 2,0) – wyjaśnia to uproszczona, wręcz miniaturowa i bardzo „ekonomiczna” konstrukcja tej anteny.
Na fotografii 27 pokazano dwa wykonania sztucznych obciążeń rezystancyjnych 50 Ω, przeznaczonych do pracy w pasmie HF (KF – praktycznie do około 30 MHz). Były one prezentowane przed kilku laty na łamach „Elektroniki Praktycznej” jako projekty AVT3210/1 oraz AVT3210/2.
Bazują one na połączeniach znacznej liczby połączonych równolegle, zwykłych rezystorów o dopuszczalnych mocach strat 0,25 W i nadają się do pracy z ciągłymi i szczytowymi mocami strat odpowiednio 5 W i 10 W oraz 10 W i 20 W, czyli praktycznie wyłącznie do testowania urządzeń nadawczych QRP (bardzo małej i małej mocy). Pierwsze z obciążeń ma wbudowany prosty, diodowy detektor szczytowy napięcia na obciążeniu, natomiast drugi wyposażono w progowy detektor chwilowej mocy szczytowej ze wskaźnikiem w postaci ciągu diod LED. Ograniczenie stosowalności obu tych przyrządów do pasma KF wynika z niedostatecznie zwartej konstrukcji, w której dodatkowo nie zastosowano rezystorów bezindukcyjnych. Potwierdzają to pomiary parametrów Z=R+jX oraz SWR pokazane na rysunkach 113 i 114.
W szczególności, wyraźnie lepsze własności wykazuje mniejszy i bardziej zwarty układ AVT3210/1, w którym zastosowano istotnie prostszą sieć połączeń równoległych rezystorów, a także nie występuje w nim dość znaczne obciążenie układu właściwego nieliniowym blokiem pomiarowym o niezerowych parametrach reaktancyjnych.
Grupę pomiarów częstotliwościowych charakterystyk dwójników liniowych zamyka przegląd własności dwóch grup rezonatorów kwarcowych (po 10 sztuk w każdej grupie) o częstotliwościach charakterystycznych (oznaczonych na obudowach elementów) równych 4,433619 MHz oraz 8,867238 MHz. Fotografia 28 przedstawia jeden z wymienionych kwarców osadzony na specjalnej podstawce, przeznaczonej właśnie do pomiarów tego typu elementów.
Niewidoczny na zdjęciu układ połączeń pomiędzy poszczególnymi polami połączeniowymi (stykowymi) płytki umożliwia zestawianie na niej nieco bardziej złożonych konfiguracji połączeń, np. polegających na dodaniu innych elementów dołączonych do głównego komponentu szeregowo bądź równolegle (do masy). Skonsolidowane rysunki 115 i 116 prezentują pełne charakterystyki Z=R+jX (|Z|, R, X) pomierzonych reprezentantów obu grup kwarców, umieszczone na pojedynczych rycinach. Na obu wykresach |Z| markerami wyróżniono lokacje rezonansów: szeregowego i równoległego. Dla obu grup rezonatorów powtarzalność parametrów w ramach danej grupy okazała się zaskakująco dobra (rozbieżności na poziomie tylko ±10 Hz), a różnice pomiędzy częstotliwościami obu rezonansów Fpar-Fser na poziomie pojedynczych kHz nieźle rokowały na zastosowanie przedmiotowych rezonatorów w pasmowych filtrach kwarcowych p.cz. [5], stosowanych do formułowania lub wyodrębnienia zmodulowanego sygnału jednowstęgowego SSB (ang. Single Side Band).
Pomiary czwórników Filtry, wzmacniacze i tłumiki
Dla zwiększenia przejrzystości przekazu (bez utraty jego ciągłości narracji) przejdziemy teraz płynnie do omówienia charakterystyk filtrów kwarcowych SSB, zbudowanych w oparciu o rezonatory kwarcowe – przebadane, a następnie omówione na końcu poprzedniego rozdziału.
Na rysunku 117 pokazano schemat układów badanych filtrów SSB oraz podano rekomendowane wartości elementów, zaś na fotografii 29 zilustrowano jeden z wykonanych dwóch prototypów.
Filtry zostały wykonane wg projektu opisanego w [6]. Z założenia projekt ten miał umożliwić skuteczną i stosunkowo łatwą implementację filtrów kwarcowych, pozbawioną uciążliwego i kosztownego: mierzenia, wyznaczania szczegółowych parametrów, a – ostatecznie – dobierania konkretnych rezonatorów z całkiem dużej grupy (do kilkudziesięciu sztuk) elementów o zbliżonych parametrach. Ponieważ deklarowane impedancje: wejściowa i wyjściowa badanych filtrów powinny być zbliżone do 500 Ω, na modelowym schemacie filtru uwzględniono dopasowujące rezystancje szeregowe Rd1=Rd2=430 Ω. Uzupełniają one oporności 50 Ω zarówno źródła sygnału pomiarowego, jak i wejścia pomiarowego przyrządu, obciążającego wyjście filtru. Oczywiście w konsekwencji zmierzony sygnał wyjściowy był mniejszy od oczekiwanego o wartość tłumienia (wniesionego przez dzielniki oporowe, powstałe na wejściach i wyjściach badanych filtrów) na poziomie około:
[500 Ω/(50 Ω+430 Ω+500 Ω)]·[50 Ω/(500 Ω+430 Ω+50 Ω)]≈0,5102·0,05102≈0,026
Po uwzględnieniu wewnętrznej korekty przyrządu pomiarowego na pomiar w warunkach dopasowania 50 Ω: (x·2·2=x·4) otrzymujemy wyniki pomiaru pomniejszone o około 20·log10(0,026·4) czyli 19,65 dB.
Taką właśnie poprawkę należy uwzględnić, analizując charakterystyki częstotliwościowe tłumienności pokazane na rysunkach 118 i 119. Rysunek 118 prezentuje uzyskaną charakterystykę filtru SSB opartego na sześciu niemal identycznych rezonatorach o częstotliwościach charakterystycznych równych 4,433619 MHz. Jak widać, tłumienie –40 dB względem środka pasma przepustowego tego filtru wyznacza jego zakres przenoszenia na jedynie około 1,9 kHz (czyli dość mało). Z kolei w przypadku wykonania filtru opartego na rezonatorach na częstotliwości 8,867238 MHz, analogiczne pasmo wynosi aż około 4,8 kHz (to znów nieco za dużo).
Doświadczenie praktyczne autora podpowiada tu, że pierwszy z filtrów może być ciekawą propozycją dla prostej konstrukcji jednopasmowego transceivera na pasmo 80 m – pracującego wyłącznie z pojedynczą, dolną wstęgą LSB (ang. Lower Side Band). Natomiast drugi filtr, z racji lokacji pasma przepustowego w bliskiej okolicy częstotliwości 9 MHz (bardzo chętnie wybieranej na p.cz. w prostych wielopasmowych transceiverach SSB z pojedynczą przemianą) oraz potencjalnej możliwości dalszego zawężania pasma audio sygnału SSB już w torze m.cz., wydaje się mieć nieco większy potencjał na potrzeby trochę ambitniejszych i bardziej rozbudowanych konstrukcji urządzeń radiokomunikacyjnych na pasma KF.
Niejako kontynuując tematykę konstrukcji radioamatorskich na pasma KF, autor pokusił się o pomiar „in vitro” filtrów pasmowych w.cz. na pasma 80 m oraz 40 m (fotografia 30) wg własnego projektu z odbiornika nasłuchowego KF „Dosia” [7].
Szczególnie intrygujące było to, czy filtry zaimplementowane i zestrojone przed niemal dziesięcioma laty nadal utrzymują wymagane parametry. Na rysunku 120 przedstawiono fragment schematu modułu AVT3190, kluczowy z punktu widzenia kształtowania pasma przedmiotowego odbiornika, czyli strojone obwody selektywne LC.
W praktyce ich pomiar objął pełny odcinek od wejścia antenowego odbiornika aż do (czasowo odłączonego od reszty urządzenia) wyjścia modułu filtrów. Oczywiście, pozostawiono aktywne i załączone, pełne zasilanie badanego modułu (+5 VDC/+9 VDC) oraz sterowanie cyfrowo-analogowym selektorem pasma 40 m/80 m. Skonsolidowane rysunki 121 i 122 ilustrują charakterystyki przenoszenia przedmiotowych filtrów LC.
Z rysunku 121 wynika, że filtr na pasmo 40 m co prawda obejmuje wymagany zakres 7,0...7,2 MHz i to całkiem skutecznie, bo na poziomie lepszym niż –40 dB, eliminuje wszelkie sygnały z pasma KF, jednak z dość znacznym zapasem (faktyczna szerokość zmierzonego pasma przepustowego to niemal 600 kHz przy spadku transmitancji o około –3 dB). Z kolei rysunek 122 pokazuje, że filtr na pasmo 80 m obejmuje wymagane pasmo 3,5...3,8 MHz i zapewnia tłumienie pozapasmowe dla fal krótkich znacznie lepsze niż –40 dB ze względnie niewielkim zapasem 3-decybelowego pasma przenoszenia, którego szerokość wyniosła około 450 kHz. Wnioski są takie, że oba przebadane filtry pasmowe LC niezmiennie zachowują przyzwoite walory użytkowe – zwłaszcza jak na potrzeby prostego odbiornika nasłuchowego – i nie jest niezbędna ich optymalizacja, która zapewne musiałaby prowadzić do poważniejszych zmian układowych.
Zestawienie pomiarów biernych filtrów pasmowych w.cz. zamykają dwa pokazane na fotografiach 31 i 32 filtry przeciwzakłóceniowe.
Pierwszy z nich to pasmowo-zaporowy filtr dedykowany do blokowania zakłóceń od silnych, rozsiewczych stacji radiowych UKF/FM na wejściu wysokoczułych, szerokopasmowych odbiorników SDR. Deklarowane parametry filtru to:
- zakres częstotliwości roboczej: 88...108 MHz,
- impedancja charakterystyczna: 50 Ω,
- tłumienność w pasmie przenoszenia: <1 dB,
- tłumienność w pasmie blokowania (76...120 MHz): ≥50 dB,
- maksymalna moc wejściowa: +30 dBm (1 W).
Na skonsolidowanym rysunku 123 pokazano, że przebadany filtr zaporowy FM spełnia postawione przed nim wymagania w zakresie tłumienności, całkiem przyzwoicie zachowuje się też współczynnik SWR, który jest stabilnie mniejszy od 2,0 w zakresie przenoszenia, co najmniej aż do około 700 MHz.
Z kolei drugi z badanych tu przyrządów to pasmowoprzepustowy filtr blokujący sygnały spoza pasma 70 m o częstotliwości roboczej 433 MHz ±20 MHz, impedancji wejściowej i wyjściowej 50 Ω, tłumienności w pasmie przepustowym <1,5 dB, tłumienności w pasmie blokowania ≥45 dB (w odległości ≥50 MHz od środka pasma przepustowego) i maksymalnej mocy wejściowej +13 dBm (20 mW). Skonsolidowany rysunek 124 wskazuje na to, że zbadany filtr wypełnia deklarowane parametry w zakresie tłumienności poza pasmem przepustowym, które jednak nie przekracza ±15 MHz, a impedancja wejściowa w tym pasmie jest dość nierównomierna i miejscami wyraźnie przekracza deklarowane 50 Ω. Podane informacje definiują zatem ten filtr bardziej jako układ odbiorczy o nieco ograniczonych zastosowaniach.
Osobną rodziną czwórników są tłumiki, dzięki którym można osłabić zbyt silny sygnał sterujący, by nie przesterować wejścia kolejnego bloku w torze przetwarzania sygnału – np. wzmacniacza, mieszacza lub ustroju pomiarowego. W ramach przeprowadzonych testów przebadano dwa tego typu podzespoły: poczwórny tłumik stały (fotografia 33) o dostępnych wartościach tłumienia: 0/10/20/30 dB (z możliwością dowolnego łączenia w szereg) oraz tłumik regulowany cyfrowo (fotografia 34) o 64 stopniach regulacji z krokiem 0,5 dB w zakresie dynamiki od 0 do 31,5 dB.
Deklarowane parametry tłumika stałego, to:
- pasmo robocze: 0...4,0 GHz,
- maksymalna moc odbierana: 23 dBm (200 mW),
- WFS: ≤1,20 w całym dozwolonym pasmie pracy,
- dostępne wartości tłumienia: 0 dB (odniesienie), 10±0,8 dB, 20±1,1 dB, 30±1,0 dB.
Na skonsolidowanych rysunkach 125...128 pokazano przebiegi tłumienia w funkcji częstotliwości (w zakresie od 50 kHz do 900 MHz, dostępnym w podstawowej wersji analizatora nanoVNA), uzupełnione o pomniejszone wykresy współczynnika SWR oraz składowych R i X wejściowej impedancji zespolonej Z badanego tłumika.
Wykresy sporządzono dla wszystkich czterech możliwych, elementarnych wartości tłumień. Nie wdając się nazbyt w szczegółowe dywagacje nad licznymi anomaliami zaprezentowanych charakterystyk, śmiało można stwierdzić, że przebadany zestaw tłumików stałych nie może pretendować do rangi tłumików wzorcowych: uzyskane parametry dość znacząco odbiegają od wartości deklarowanych i – co gorsza – trend ten nasila się wraz ze wzrostem częstotliwości pomiaru. Jakkolwiek, przyrząd ten można śmiało wykorzystywać jako skuteczne zabezpieczenie przed przesterowaniem wejść urządzeń zbyt czułych na dysponowany sygnał sterujący. Również z nienajlepszej strony zaprezentował się moduł tłumika regulowanego krokowo, oparty na układzie scalonym PE4302 produkcji Peregrine Semiconductor. Co prawda producent w nocie katalogowej układu (dostępnej w materiałach dodatkowych do tego kursu) wyczerpująco opisuje wszelkie niedoskonałości układu, jednak wydaje się, że uzyskane pomiarowo wartości odbiegają jeszcze nieco od wyznaczonych ram tolerancji. Na skonsolidowanym rysunku 129 ujęto wykresy jego parametrów: tłumienia A [dB] oraz współczynnika SWR [1] na jego wejściu.
Pomierzono je przyrządem nanoVNA-H4+ w maksymalnym dostępnym zakresie częstotliwości, tzn. od 50 kHz do 2,7 GHz. Układ zasilono stabilizowanym napięciem 3,0 V, a żądane tłumienie wypadkowe uzyskiwano poprzez ustawienie każdego ze sterujących pinów wejściowych oznaczonych V1...V6 w stanie logicznym niskim „0” (0 V) lub wysokim „1” (3,0 V). Załączenie danego pinu sterującego Vx w stan wysoki powinno wprowadzić do sumarycznego tłumienia wypadkowego A tłumienie cząstkowe A(Vx) wg schematu:
- A(V6)=16 dB,
- A(V5)=8 dB,
- A(V4)=4 dB,
- A(V3)=2 dB,
- A(V2)=1 dB,
- A(V1)=0,5 dB.
Do uzyskanej tą drogą wartości należało dodać stałą stratę wtrącenia, która wg deklaracji producenta nie powinna przekraczać 1,75 dB (typowo: 1,5 dB) w pasmie od 0 Hz do 2,2 GHz. Ponieważ trudno byłoby przetestować i zaprezentować przebiegi pomiarowe dla wszystkich możliwych 26=64 możliwych nastaw i w całym deklarowanym użytecznym pasmie częstotliwości roboczych, autor wybrał arbitralnie do analizy i prezentacji sześć nastaw, które w jego odczuciu znacząco różniły się zarówno uzyskiwanymi wartościami pożądanego tłumienia wypadkowego, jak i wzajemnymi konfiguracjami sąsiednich, pojedynczych bitów lub ich grup V6...V1. Zgrubne wnioski, wyciągnięte choćby już z tych wybiórczych pomiarów, są następujące: odchyłki uzyskanych nastaw od wartości teoretycznych (oczekiwanych) większe od minimalnego kroku regulacji raczej przekreślają badany moduł w zastosowaniach profesjonalnych, jakkolwiek użycie go w mniej wymagających aplikacjach półprofesjonalnych czy amatorskich (np. do analogowo-cyfrowej, automatycznej regulacji wzmocnienia w torze w.cz. – wstępnej, p.cz. – właściwej czy nawet m.cz. – uzupełniającej odbiornika radiokomunikacyjnego) wydaje się całkiem sensowne.
Ostatnią grupą testowanych czwórników były trzy miniaturowe wzmacniacze modułowe na pasma HF/VHF/UHF. Pierwszy z nich (fotografia 35) to niskoszumny wzmacniacz LNA (ang. Low Noise Amplifier) o bardzo dużej czułości, przeznaczony do pracy w zakresie częstotliwości 50...4000 MHz, np. w torach odbiorczych stacji bazowych telefonii komórkowej jako tzw. MHA (ang. Mast-Head Amplifier), czyli umieszczany bezpośrednio przy antenie, zaraz za filtrem dupleksowym (deklarowany współczynnik szumów jest tu na niezwykle niskim poziomie NF=0,6 dB).
Z uwagi na niskie napięcie zasilania wzmacniacza równe 5 VDC, aby uniknąć przesterowania jego wejścia sygnałem z analizatora nanoVNA-H4+, zastosowano wstępny tłumik 20 dB, który w praktyce całkowicie skompensował jego wzmocnienie deklarowane na tym samym poziomie. I tak, zilustrowane na rysunku 130, skorygowane o –20 dB, wzmocnienie badanego urządzenia oscylowało w granicach od około +0,5…+1 dB w zakresie częstotliwości do około 500 MHz, spadając do około –3 dB na krańcu zakresu pomiarowego (2,7 GHz).
Warto podkreślić, że moduł impedancji wejściowej |Z|, praktycznie w całym mierzonym pasmie częstotliwości, tylko dość nieznacznie odbiegał od oczekiwanych 50 Ω, co powinno mieć bardzo korzystny wpływ na energetyczną efektywność współpracy z anteną odbiorczą. Deklarowane parametry kolejnego przebadanego wzmacniacza (fotografia 36) to:
- zasilanie Vdd: 5...12 VDC,
- wzmocnienie: 30 dB przy Vdd=9 VDC,
- pasmo przenoszenia: 0,1...2000 MHz,
- LNA – niskim poziom szumów (niestety, nie podano jaki).
Na stronie oferenta produktu można znaleźć też ciekawe informacje o tym, że wzmocnienie może osiągnąć nawet 32,5 dB przy Vdd=12 V, a regulując Vdd w zakresie od 5 do 8 VDC można uzyskać efekt regulacji wzmocnienia w użytecznym zakresie. Niestety, nie podano tego zakresu – jest to warte zbadania, koniecznie wraz z wpływem takiej regulacji na liniowość przetwarzania wzmacniacza. Rysunek 131 odzwierciedla rezultaty testów pomiarowych, które zostały przeprowadzone przy nominalnym Vdd=9 VDC.
Dobrze prezentuje się charakterystyka przenoszenia wzmacniacza w całym deklarowanym pasmie (a nawet istotnie powyżej niego), która w szczególności w zakresie do 1 GHz jest bardzo dobrze wyrównana. Całkiem korzystnie wypadł też pomiar |Z|, który w całym mierzonym zakresie częstotliwości oscylował pomiędzy 50 a 70 Ω. Ostatni z pomierzonych wzmacniaczy szerokopasmowych (fotografia 37) był przeznaczony do pracy w pasmie 30...4000 MHz jako LNA (jakkolwiek, brak danych szczegółowych odnośnie do parametru NF), oferując wzmocnienie 40 dB przy impedancjach wejściowej i wyjściowej 50 Ω oraz zasilaniu Vdd=5 VDC. Urządzenie testowano sygnałem sterującym profilaktycznie stłumionym wstępnie o 40 dB.
Rysunek 132 pokazuje, że co prawda parametr |Z| w całym deklarowanym pasmie pracy tylko dość nieznacznie przekracza pożądaną wartość 50 Ω, to jednak sama częstotliwościowa charakterystyka przenoszenia jest wyraźnie poszarpana i spada aż do około –6 dB na górnym krańcu deklarowanego roboczego pasma częstotliwości. Wydaje się, że ten wzmacniacz mógłby nieźle sprawdzić się jako przedwzmacniacz RF (a może nawet jako drugi stopień przedwzmacniacza w warunkach odbioru bardzo słabych sygnałów), jednak tylko do częstotliwości około 1 GHz i przy przetwarzaniu sygnałów radiowych (wąskopasmowych), z uwagi na nierozpoznane własności szumowe oraz bardzo nierównomierną charakterystykę przenoszenia.
Podsumowanie
W ostatniej już części cyklu publikacji o pomiarach charakterystyk częstotliwościowych skupiono się na układach w.cz. w większości dostępnych w handlu detalicznym. Wnioski z pomiarów nie tylko dają wiedzę praktyczną na temat różnorakich charakterystyk i właściwości badanych urządzeń w.cz., ale także podkreślają rolę i znaczenie dobrze przeprowadzonych pomiarów weryfikacyjnych w warsztacie pracy rozważnego konstruktora urządzeń i systemów radiokomunikacyjnych. W tym miejscu autor chciałby gorąco zachęcić Czytelników EP do lektury przyszłego cyklu publikacyjnego, który z założenia ma stać się swego rodzaju studium nad obszerną dziedziną radiokomunikacji, tzn. od podstawowych zagadnień emisji i propagacji fal radiowych, poprzez ich przenoszenie i przetwarzanie w torach elektrycznych, aż do licznych technik efektywnej i bezpiecznej obróbki analogowych i cyfrowych informacji we współcześnie stosowanych kanałach radiokomunikacyjnych – ciągłych i ziarnistych.
Adam Sobczyk, EP
Literatura i inne źródła:
[1] https://nanovna.com/
[2] https://tinysa.org/
[3] J. Szóstka, Mikrofale, WKiŁ, 2008
[4] http://sysjoint.com/, (dot. produktu RF Demo-Kit)
[5] A. Janeczek SP5AHT, Konstrukcje krótkofalarskie dla początkujących, WKiŁ, 1994
[6] A. Janeczek SP5AHT, Filtr kwarcowy SSB (kit AVT277), „Elektronika Praktyczna” 2/96
[7] A. Sobczyk SQ5RWQ, Modułowy odbiornik nasłuchowy na pasma 80 m i 40 m „Dosia” (2), „Elektronika Praktyczna¨ 10/2017
