Измерение параметров антенн: старый принцип, новая элементная база.
Журнал «РадиоХобби», сентябрь 2007 г.
В этой статье рассмотрено применение современной элементной базы в измерительном приборе, предназначенном для определения параметров антенн и других элементов высокочастотных цепей.
История, наверное, уже не помнит о тех, кто впервые применил способ измерения параметров антенны, проиллюстрированный рисунком 1.
рис. 1
Напряжение с выхода высокочастотного генератора поступает на антенну через резистор (к примеру, с сопротивлением 50 Ом). При этом замеряются высокочастотные напряжения VIN, V50 и VOUT. Далее при помощи несложных вычислений определяются активная и реактивная составляющие импеданса антенна (R и X), а также основной параметр, используемый для оценки эффективности согласования антенны – коэффициент стоячей волны (КСВ). Обычно эти расчеты проводятся микроконтроллером, встроенным в измерительный прибор. Этот же микроконтроллер меряет (в случае применения LC-генератора с «ручной» настройкой) или задает (при использовании синтезатора) частоту генератора. Результат выводится на дисплей в числовом виде или в форме графика (см., например, статью [1]).
Следует заметить, что, несмотря на простоту, этот метод измерений имеет и недостаток: нельзя определить знак реактивной составляющей (X). В случае острой потребности это может быть сделано одним из нескольких косвенных способов.
Один из наиболее удачных приборов, использующих этот принцип измерения, разработал Джим, VK5JST [2]. На веб-странице автора находится подробное описание анализатора антенн, в том числе формулы и векторные диаграммы, поясняющие способ расчета характеристик антенны. Схожее построение имеет множество антенных анализаторов, разработанных как для самостоятельного повторения, так и в коммерческих целях.
«Слабое место» всех этих приборов – использование диодов (обычно, германиевых) в качестве детекторов для измерения высокочастотного напряжения. Это приводит к усложнению схемы анализатора для сохранения требуемой точности измерения:
• требуется большой уровень выходного сигнала генератора;
• этот уровень должен быть одинаков во всем диапазоне измерений (нужна цепь автоматической регулировки усиления);
• необходима компенсация (в том числе, температурная) характеристик диодов, а также калибровка анализатора с использованием нескольких подстроечных элементов.
Есть ли возможность отказаться от применения диодов, сохранив при этом простоту схемы измерителя? Микросхема AD8307 фирмы Analog Devices [3], кажется, вполне пригодна для этих целей. Структурная схема AD8307 изображена на рис. 2. Сигнал с дифференциальных входов INP и INM поступает на логарифмический усилитель. Постоянное напряжение на его выходе (OUT) имеет известную зависимость от действующего значения входного напряжения. Высокая рабочая частота этой микросхемы (до 500 МГц) и динамический диапазон как нельзя лучше подходят для ее применения в схеме измерителя параметров антенн.
рис. 2
Схема с использованием AD8307 для замены диодных детекторов приведена на рис. 3. Как и в иллюстрации принципа измерения, изображенной на рис. 1, сигнал с выхода генератора подается на антенну через резистор сопротивлением 50 Ом. Высокочастотные напряжения (цепи а и б) снимаются с обоих выводов резистора. Два электронных ключа (микросхемы ADG779 фирмы Analog Devices), управляемые сигналами K1 и K2, коммутируют входы логарифмического усилителя для последовательного измерения одного из трех необходимых высокочастотных напряжений. При этом используются оба дифференциальных входа (INP и INM) микросхемы AD8307, один из которых переключается на «землю» при измерении VIN или VOUT. Постоянное напряжение с выхода детектора подается на аналого-цифровой преобразователь, встроенный в микроконтроллер. Далее проводится вычисление параметров антенны и их отображение на дисплее. Следует отметить, что стоимость компонентов этой схемы – около 10$.
рис. 3
Однако при практической проверке оказалось, что такой способ не обеспечивает желаемой точности измерений, особенно при КСВ, близком к «единице». Все дело в том, что при подключении «идеальной» антенны (с активным сопротивлением 50 Ом) уровни высокочастотных напряжений в точках а и б отличаются ровно в два раза. При таком соотношении уровней измеряемых сигналов уже сильно сказывается ошибка преобразования микросхемы AD8307. В результате, к примеру, измеритель показывает КСВ=1.1 вместо «единицы».
Для того чтобы эта ошибка не сказывалась на результате измерений, целесообразно заменить 50-омный резистор (включенный между генератором и антенной) на несколько более громоздкую схему измерительного моста (рис. 4).
рис. 4
В этом случае, при КСВ=1 отношение уровней напряжений в цепях а и б также равно единице, а их разность близка к нулю. Как раз это и позволяет скомпенсировать ошибку преобразования AD8307. И, конечно же, вычисление параметров антенны проводится по другим, несколько более сложным формулам.
Резисторные делители, выходы которых подключены к входам электронных ключей, уменьшают влияние емкости последних на мост. В анализаторе на диапазоны УКВ требуется симметричное расположение элементов моста и электронных ключей на печатной плате, а конденсатор C* и индуктивность L* (которая может быть выполнена в виде печатной «дорожки») в достаточной степени компенсируют емкость и индуктивность проводников, соединяющих антенный разъем и печатную плату измерителя.
Интересно заметить, что описанные в этой статье схемы измерения параметров антенн достаточно хорошо работают не только для 50-омной, но и для 75-омной нагрузки. При этом достаточно скорректировать формулы расчета КСВ. (В случае подключения 100- или 300-омной антенны заметно возрастает погрешность измерений.)
Кроме того, измеритель позволяет определять емкость и индуктивность элементов, подключенных к антенному разъему. В этом случае задачи расчета этих параметров, а также выбора оптимальной частоты высокочастотного генератора (для увеличения точности измерений) ложатся на встроенный в анализатор микроконтроллер.
Денис Нечитайлов, UU9JDR
Риг Эксперт Украина
1. Панорамное измерение КСВ: РадиоХобби N4, 2006 г.
2. VK5JST Aerial Analyser: http://users.on.net/~endsodds/analsr.htm
3. Analog Devices: www.analog.com