impedanční můstek - SWR Bridge

Potřeboval jsem si změřit pár věcí na malé úrovni v transvertoru a znáte to.

Jako naschvál nic nemůžete najít.

Takže jsem začal hledat na netu, podle čeho si rychle spíchnout impedanční můstek. Odkazů je dost,

http://f6bon.albert.free.fr/pontlargebande.html

http://www.webx.dk/oz2cpu/radios/swr-bridge.htm

http://www.wb.commufa.jp/ja2djh/html/e_rlb.html

i obrázků. Mimo jiné i Martin OK1UGA má na svých stránkách jeden.

http://ok1uga.nagano.cz/swr_mustek.htm

Bylo tedy z čeho vybírat.

Díky Jirkovi OK7RA jsem měl k dispozici pořádný kus pocínovaného plechu a tak jsem začal měřit a stříhat. Rozměry nejsou kritické. Jen jsem si změřil N-konektor a udělal tak na výšku krabičku 35mm, na šířku 25mm a protože jsem měl od Jirky plech určitého rozměru, tak jsem si ho stříhnul napříč a vyšla mi délka pro dvě bočnice, včetně ohnutí. Takže krabička je dlouhá 120mm.

Rohodoval jsem se jakými konektory osadit, ale protože nejčastěji měřím na SMA konektorech, tak jsem osadil "referenční" vstup, stejně jako "měřený" konektory SMA. Na vstupu pro generátor jsem osadil Nko, stejně jako na detektor, abych nemusel používat přechodky. Stejně jsem ale hned při druhém měření narazil na to, že na jednom modulu mám osazený N-konektor, takže přechodka musela z krabičky ven a zřejmě dojde i na druhý můstek, osazený komplet N-konektory.

Začal jsem hledat ty správné ferity s vnitřním průměrem minimálně 2,2mm což je tak akorát, aby skrz prošel semirigid, nebo slabý teflonový kablík. Po delším hledání jsem naše a mohl tak začít práci na vnitřku můstku. Trochu jsem si naběhnul s 2mm semirigidem, protože až potom, co jsem si ho oškrábal, abych mohl lépe navlékat feritové perly, jsem zjistil, že je hliníkový. Takže šel do koše a vytáhnul jsem kousek semiflexu.

Kousky plošných spojů jsou z FR4 a ten u měřícího vstupu jsem ještě kouskem měděného plíšku propájel ze strany směrem dovnitř krabičky, pro lepší zemní spoj. Nemohl jsem pro změnu zase najít duté nýtky (budu si to muset někam psát, kde jsem co uklidil), zřejmě už nejsem nejmladší. Ach jo.

Takže plošné spoje jsem zaletoval a osadil jsem dva semiflexi s navléknutými perlami. Mezi nimi jsem nechal malou mezerku a ferity pak fixoval 5ti minutovým dvousložkovým epoxidem. Pak už jsem jen připájel 4ks 100R odporů řady 0805 a mohlo se jít na měřák.

Jen pro úplnost, tady je zblízka vidět zapájení součástek a kablíků.

První problém. Krabička je jako živá. Takže zpět na stůl a udělat spodní víčko a po obvodu připájet. Už se to začalo chovat rozumně. Ale stejně i po zmáčknutí bočnic se měnily hodnoty. Doufal jsem, že se to změní po osazení a zapájení horního víčka, ale pro jistotu jsem zkusil dát dovnitř kousek plíšku do tvaru U. No a nestačil jsem se divit. Když jsem s ním jezdil po vnitřku krabičky, tak se měnila křivka na obrazovce. Tak jsem našel nejlepší místo a tam jsem plíšek připájel.

Zkoušel jsem i napěchovat vnitřek vodivou pěnou, vodivou gumou, ale to vedlo jen k horšímu. Takže vnitřek zůstal prázdný.

Pro představu takhle vypadá signál z generu od 100MHz do 1,5GHz.

No a takhle to vypadá, když je připojen můstek.

Zkusil jsem si podstatně nižší kmitočty v oblasti KV. Víceméně jen ze zvědavosti jsem nastavil rozsah od 10MHz. Funguje to. Naprosto v pohodě.

Koukal jsem na různé konstrukce a na velikost útlumu po připojení ke generátoru. Našel jsem na fotkách různé hodnoty od -10dB do -19dB. Většina se jich pohybovala kolem 13 až 15dB. Já jsem naměřil -15,3dB když mám v konektoru "reference" zakončovací odpor 50R a vývod DUT je nezakončen.

Samotné zapojení není potřeba publikovat, protože pokud někdo chce můstek stavět, jistě si kliknul na výše uvedené odkazy a prohlédnul si stránky již zmíněné. Vcelku lze říci, ze málo peněz hodně muziky, protože tento můstek je použitelný až do 23cm. Neměl jsem ani ambice můstek stavět pro vyšší kmitočty. Stačí mi měřit do 1,3GHz ale prováděl jsem na něm měření v základu do 1,5GHz a pak ještě až do 3,4GHz ale nad 1,5GHz už to je horší, nicméně stále použitelné.

28MHz ........... -40dB
50MHz ........... -40dB
70MHz ........... -39dB
144MHz........... -38dB
432MHz........... -38dB
900MHz........... -38dB
1296MHz.......... -34dB

Měřil jsem tak, že jsem můstek rozvážil odpojením 50R čipu z DUT konektoru, ponechal pouze 50R čip na referenčím vstupu, nastavil jsem si 0dBm a opětně zakončil DUT konektor 50R čipem a odečetl hodnotu.

Naměřené hodnoty jsem přeposlal Michalovi 1VM, který mi poslal na začátku stavby odkazy na můstky a tomu se hodnoty moc líbí. Takže jsem si naběhl, protože budu pro něho stavět další kousek a pro sebe další, osazený komplet N-ky. Ostatně přemýšlím o tom, jestli to Michal neudělal schválně, co Michale? Neuvrtal si mne do toho?

Když už jsem zavíčkoval, zapájel po obvodu, tak můstek dostal popisky. Tiskárna, průhledná samolepící folie, trocha chemoprenu a hotovo.

No a mohl jsem si začít dělat radost na měřáku a začít měřit.

No měřit je jedna věc a být překvapený věc druhá.

Jako první jsem sáhnul po MMIC zesilovači osazeném PGA-103+ a nestačil se divit.

Hodnota vstupní odrazu na hranici -10dB není nic moc. Ale pohled do datasheetu mne uklidnil.

Následoval MMIC SPF-5043Z

a změřená hodnota -15dB na vstupu je sice lepší, ale ....

No a následoval pro ukojení zvědavosti ATF-54143 a to byla pecka.

Ani jsem se nestačil divit. LNA který má změřený zisk 21dB a šumově je na 0,5dB má útlum odrazu necelých -3dB. Dostavil se šok.

Podotýkám, že ty měření jsem prováděl na pásmu 432MHz.

No nic, jdeme měřit dál a nastupuje filtr. Pro jistotu jsem si ho skouknul, jak ladí.
V pohodě. No a šel na měřák. Takže tady budeme taky dolaďovat.

Pak jsem si vzal druhý filtr.

No a taky nic moc, ale zachránil to šroubovák a pár otočení. Ono je hezké se na to koukat, jak se to mění a křivka se pohybuje.

Nakonec jsem se dostal sem a udělal kontrolu jak to ladí a sedí to.

Takže jsem se s můstkem dostal až k požadovanému měření uvnitř transvertoru a můžu zase dál pracovat a vyvíjet.

Těch pár měření, co jsem tu nastínil je pro ukázku toho, co taková krabička z pocínovaného plechu s pár ferity a kousekm kablíku umí, aby si každý udělal představu o tom, že i s levným přípravkem lze nahradit drahé a chytré měřáky. A co víc, je to za pár korun.

Takže doufám, že článek bude inspirací pro další a počtení pobavilo.

Jen malá poznámka na závěr, funguje to i na ruském wobbleru.

--------

Po zveřejnění článku se na mne obrátil mailem jeden HAM, abych mu vysvětlil, jak s tím můstkem změří PSV na vstupu filtru, jestli ho má správně nastavený. Tak zkusím popsat svými slovy postup měření.

Předně je třeba napsat, že se jedná o měření v dB, měříme "return loss" po našem útlum odrazu, takže čím větší číslo naměříme, tím lépe, myšleno v záporných hodnotách (v kladných těžko). Pro představu RL -10dB je PSV 1:2, RL -15dB je PSV 1:1.4, RL -21dB je PSV 1:1.2, takže platí čím menší číslo, tím je obvod lépe přizpůsoben na zatěžovací impedanci, který je na portu "reference" v tomto případě zakončovací 50R čip na SMA konektoru. V podstatě by na tomto vstupu mohl být přímo zaletovaný čip a nemusel by zde bát osazen ani konektor.

K vlastnímu měření. Nastavím na generu rozsahu měření. Nastavím výkon do 10mW (+10dBm). Připojím můstek. Odopojím zakončovací odpor na vývodu DUT. V tu chvíli se mi na portu DET out. objeví hodnota o cca -15dB menší, než je nastaveno na generu. Může se lišit, ale tuto hodnotu budeme brát jako nulovou. Je možné si tuto hodnotu nastavit na generu pomocí tlačítka REF LEVEL, kde nastavíme referenci na hodotu NULA a od této hodnoty se pak bude odvíjet měření a bude nám to ukazovat již skutečnou hodnotu RL, nemusíme nic přepočítávat. Když to nejde, bude se počítat.

Pak je možné si zkontrolovat, po zapojení 50R čipu na vývod DUT přizpůsobení. Na vývodu DET out. nám klesne úroveň (v mém případě na 70cm o hodnotu -38dB, což je prakticky přizpůsobení 1:1.

No a pak můžeme zapojit na vývod DUT filtr, z druhé strany ho zakončíme reálnou impedancí, takže čip 50R se jen přemístí a můžeme odečíst hodnotu útlumu odrazu a z toho určit PSV.

Tohle je jedna z variant měření s můstkem. Lze měřit na anténách, na vstupech LNA, vstupech budičů atd. Můstek má velké využití a je vhodným doplňkem do dílny k základní měřící technice.

Pokud se objeví další dotaz na měření, případně pokud má někdo připomínky, ať se na mne klidně obrátí a já to tu zveřejním, doplním, popíšu atd atd

-----------

Padl další dotaz, jestli je možné, když je k dispozici pouze obyč generátor můstek také využívat.

Tak samozřejmě je možné můstek připojit k jakémukoli generátoru, který má výstupní impedanci 50R a má výstupní výkon do +10dBm (10mW výkonu).

Jen vyhodnocování hodoty RL je třeba zajistit svým zůsobem. Měření pak probíhá úplně stejně.

-----------

Další mail je dotaz na možnost vyhodnocovat úroveň mW metrem. Tak jsem si zkusil připojit ten můj co mám na stole. Přiznám se, že jsem byl zpočátku skeptický, což se potvrdilo.

Z jednoduchého pohledu.

Na vstup můstku dostaneme signál řekněme 0dBm což je 1mW. Pak ho zeslabíme o hodnotu útlumu můstku o dalších -15dB. No a pokud začneme měřit a jsme na útlumu odrazu na hodnotě -20dB, tak už v tomto okamžiku si počáteční úroveň z generu zeslabíme na hodnotu -35dBm a to už skutečně mW není schopen zaznamenat, nebo pohnout rafičkou na budíku.

V tomto ohledu se nabízí použití některých z řady převodníků AD a jejich využití pro vyhodnocení. Případně doplnit na výstup DET OUT vhodný zesilovač, kterým si signál vhodně zesílíme, aby hodnota byla měřitelná.

Takže závěr je jasný, s mW metrem na výstupu toho moc nezměříme, pohybujeme se v hodnotách hodně pod nulou.

----------

Ještě další doplnění. Pokud jsem myslel "čím menší číslo, tím lépe" všechno má svoje hranice. Dostat se na určitou hodnotu je otázka úhlu pohledu. Někomu bude stačit se dostat na pomyslých -21dB pro anténu na krátké vlny. Někomu stačí se dostat na hodnotu -28dB pro anténu na 2m. Někdo se chce dostat na hodnotu -35dB pro nastavení odrazu na feedu pro EME na 23cm.

Nechytejte mne za každé slovo. Je to jenom fyzika.

----------

Takže další nápověda. Pro vyhodnocení je naprosto ideální, v případě že je k dispozici pouze gener, brouček s označením AD8313, má max. vstupní výkon 0dBm a dynamický rozsah dostatečný k tomu, aby s ním bylo možno měřit hodně záporná čísla. Maji ho Farnellu a stojí okolo 800,-

Když si stáhnete datasheet k tomu obvodu, nabízí se přímo jeho využití pro tuto konstrukci.

Dám sem radši odkaz

http://cz.farnell.com/analog-devices/ad8313armz/ic-rf-log-det-100khz-to-...

datasheet je tam také

Výhoda tohoto obvodu je, že pokud měříme s ním v rozsahu pod -10dBm, jsme již v lineární oblasti křivky až do hodnoty -60dB, kdy na výstupu z převodníku máme napětí 1,7V pro -10dBm až po hodnotu napětí 0,8V pro -60dB. I kdyby se na výstup pověsil jenom obyčejný mV metr a stupnice se orientačně nakreslila, tak bohatě stačí pro měření. Pokud si někdo doplní digitální odečítání napětí, bude vidět každou desetinku.

Ofset rozdílu napětí při rozváženém můstku a správně zakončeném lze udělat jednoduchým děličem s potenciometrem již na výstupu na ss měření, pak až měřit a vyhodnocovat.

--------

Další dotaz zněl, jaká úroveň je výstupu DUT, když je na vstupu RF in 10mW. Na výstupu se objeví signál o 6dB menší, což je 4x, takže 2,5mW což některé LNA již nemusí přežít, nebo snášet. Pokud se měří na LNA, je lepší nastavit hodnotu menší, úroveň 0dBm na vstupu RF in postačí.

--------

Požádal mne Michal 1VM, jestli bych mu s tím můstkem pomohl. Jenže když pošlu Michalovi ferity, on si nastříhá plechy, zaletuje to, pak to pošle na změření, já to nastavím, zase pošlu zpátky, no prostě dlouhá doba.

Tak jsem mu ten můstek postavil taky.

Akorát trochu jinak.

Vývod "reference" jsem rovnou zakončil 50R čipem s označením EMC 8475, 10W v provedení SMA, kterému výrobce píše:

VSWR
DC - 4GHz 1.1max
4.0 - 8GHz 1.15max
8.0 - 12GHz 1.25max
12GHz-18GHz 1.4max

Jen ty M2 šroubky mě trochu pozlobili. Ale dostal jsem je tam a zakápnul barvou. Montáž letováním je v tomto ohledu rozhodně jednodušší.

Co se týče osazení konektory, je na tom Michalovo můstek prakticky stejně.

Ale když už jsem to tvořil, chtěl jsem si vyzkoušel můstek, respektive jeho konstrukci jinak.

Zkusil jsem na místě semiflexu použít semirigid 2mm, ale tvrdě jsem narazil, protože to je z hliníku a jen slabá vrstvička na povrchu se dá pájet. Stačí to trochu přehnat s ohřevem a sleze to dolů a kablík se může vyhodit. Takže tudy cesta nevedla.

Tak jsem zkusil 1mm drát a dát na něj feritové perly jiné. Jiný výrobce, jiný průměr, jiná délka, jiný počet. Funguje to taky, ale mizerně. Nedaří se dosáhnout požadovaný průběh, ani útlum. Takže tudy cesta taky nevede.

Takže jsem zkusil stejné perly jako je na druhém vedení, stejný počet, jen jsem použil plný měděný vodič. No a to už funguje stejně, jako kdyby tam byl ten semiflex. Ostatně z toho kablíku se připájí jenom ta trubička, vnitřní vodič se nepájí, tak je logické, že i plný vodič musí fungovat.

Pak jsem zkusil jak Michal psal oba vodiče roztáhnout do strany, že někde četl, že se dosáhne lepších výsledků. No zkusil jsem si to, je to o maličko lepší, ale je problé se symetrií a s ferity na vodičích. Jak je tam určitá vůle, tak posouváním po vodiči se křivka razantně mění a je třeba skutečně nastavit na měřáku požadovaný průběh a útlum. Rozdíly jsou i 20dB pokud se ferity posouvají po semiflexu. Takže jsem si přidělal víc starostí, než užitku.

Stejně tak lepit ferity epoxidem není to správné ořechové. Mírně se zhoršila směrem k vyšším kmitočtům charakteristika. Zřejmě vteřinové lepidlo bude opravdu lepší v tomto ohledu. Takže když se mi podařilo dosáhnout o pár dB lepších hodnot, zazdil jsem je epoxidem. Ale i tak jsou hodnoty výborné a pro naše měření víc než dostačující.

Nicméně změřeno je:

28MHz ........ -41dB
50MHz ........ -40dB
70MHz ........ -39dB
144MHz ........ -38dB
432MHz ........ -38dB
900MHz ........ -35dB
1296MHz ........ -35dB

No a pak jsem tomu dal víčko, popisky a je hotovo a Michal má svůj vlastní můstek.

3RM