Направленный ответвитель для HF Опции

[mag]

Задача: сделать модуль измерения импеданса антенны (в точке запитки фидера). Модуль предполагается применять в согласующем устройстве (СУ).

Основные параметры:
Частоты 0.2 - 30МГц. Мощность сигнала на входе СУ - до 100Вт (CW).
Требования к модулю - измерение активного, реактивного импеданса (с учетом знака) нагрузки (в точке подключения фидера к СУ).
Диапазон измерения модуля импеданса 0 - 300 Ом (ориентировочно).

Описание:
Структура выбрана классическая - гетеродинное преобразование в ПЧ с анализом амплитудно-фазовых параметров на низкой частоте (эта часть работает, претензий пока нет).
В качестве измерительной "головки" хочу применить направленный ответвитель. Ссылка на схему-прототип: прототип.

Моя проблема:
В случае, когда нагрузка является чисто активной - вопросов нет. На выходе "FORWARD" - напряжение пропорциональное напряжению падающей волны, а на выходе "REFLECTED" - напряжение пропорциональное напряжению отраженной волны. Зная, по сути, падающую и отраженную активные мощности легко нахожу сопротивление нагрузки.
Не могу сообразить КАК определить параметры вектора отраженной мощности в случае когда нагрузка имеет реактивную составляющую? Прошу поделиться соображениями, ссылками теоретический материал - заранее благодарен.

[Proffessor]

Моя проблема:
В случае, когда нагрузка является чисто активной - вопросов нет. На выходе "FORWARD" - напряжение пропорциональное напряжению падающей волны, а на выходе "REFLECTED" - напряжение пропорциональное напряжению отраженной волны. Зная, по сути, падающую и отраженную активные мощности легко нахожу сопротивление нагрузки.
Не могу сообразить КАК определить параметры вектора отраженной мощности в случае когда нагрузка имеет реактивную составляющую?

В Вашем случае непосредственно можно измерить только напряжения падающей и отраженной волны а также сдвиг фаз между ними. А далее без вычислений не обойтись. Сперва определяем комплексный коэффициент отражения от нагрузки. Отношение напряжения отраженной волны к напряжению падающей даст модуль коэффициента отражения, а сдвиг фаз между ними - это есть фаза коэффициента отражения. Далее, зная волновое сопротивление тракта (например W=50 Ohm) и коэффициент отражения, можно вычислить комплексное сопротивление нагрузки.
Z=W*(1-Г)/(1+Г)

Сообщение отредактировал Proffessor - Nov 22 2013, 19:19

[mag]

Таким образом для случая комплексной нагрузки выходы "FORWARD" и "REFLECTED" так же дают "честные" векторы соответствующих волн? И импеданс нагрузки может быть определен из формулы KU = ( Zнагр - ρ ) / ( Zнагр + ρ )? Я правильно понял вас?

[Proffessor]

Таким образом для случая комплексной нагрузки выходы "FORWARD" и "REFLECTED" так же дают "честные" векторы соответствующих волн? И импеданс нагрузки может быть определен из формулы KU = ( Zнагр - ρ ) / ( Zнагр + ρ )?

Именно так.

[mag]

Proffessor, thank you! Кажется все складывается

Сообщение отредактировал mag - Nov 23 2013, 06:19

[mag]

Продолжая разработку столкнулся с очередным вопросом, касающимся направленного ответвителя.

Напоминаю основные параметры:
Частоты 0.2 - 30МГц. Мощность сигнала на входе СУ - до 100Вт (CW).
Требования к модулю - измерение активного, реактивного импеданса (с учетом знака) нагрузки (в точке подключения фидера к СУ).
Диапазон измерения модуля импеданса 0 - 300 Ом (ориентировочно) Хотелось бы иметь разумную ошибку измерения, скажем: +/-(0,05*Z +/- 2) Ом.
Прототип НО: Прототип

Суть вопроса:
Как выяснилось, направленный ответвитель не является идеальным(!) ( ). У изготовленного мной образца, переходное ослабление 20дБ (расчетное); реальное не измерял. Направленность порядка 25-30дБ (измеренная). Эти числа получены для частоты - 1 МГц.
По причине малой направленности возникают значимые ошибки при определении параметров вектора коэффициента отражения, и как следствие - ошибки при вычислении импеданса нагрузки. Погрешность измерения импеданса нагрузки сильно возрастает при "уходе" от 50 Ом.
Кроме того возникающие ошибки, естественно, частотно зависимые.

Интуитивно понимаю необходимость программной коррекции, поскольку улучшать направленность НО можно, но более 35-40 дБ вряд ли получу и вопрос какой ценой. В идеале для моего диапазона импедансов и погрешности хотелось бы иметь направленность не ниже 40-45дБ.
Поиск по теме приводит к векторным анализаторам. Но к сожалению кроме общих фраз о эталонах мер и методиках калибровки (одно портовая, двух и т.д.) толкового не нахожу. Хотелось бы найти алгоритм калибровки векторного анализатора (желательно практический). Кроме того было бы неплохо посмотреть на модель прибора, отражающую места возникновения ошибок.

Вообщем прошу дать "вектор" куда смотреть. А может, кто-то сталкивался с такой проблемой и решение как всегда проще чем кажется? А может я в чем-то ошибаюсь?

[serega_sh____]

Диапазон измерения модуля импеданса 0 - 300 Ом (ориентировочно) Хотелось бы иметь разумную ошибку измерения, скажем: +/-(0,05*Z +/- 2) Ом.

А откуда такие требования? Может можно попроще и погрубее.
Сколько смотрел направленности в 20дБ обычно хватает.
Но на КВ диапазоне без проблемм сделать и 40дБ (хотя я не делал 100Вт, меньше немного было).

Вы уже намотали направленник? Какие параметры получились?

Даже если Вы это сделаете, то чем Вы будете измерять и калибровать с такой точностю?

[mag]

А откуда такие требования? Может можно попроще и погрубее.
Сколько смотрел направленности в 20дБ обычно хватает.
Но на КВ диапазоне без проблемм сделать и 40дБ (хотя я не делал 100Вт, меньше немного было).

Вы уже намотали направленник? Какие параметры получились?

Даже если Вы это сделаете, то чем Вы будете измерять и калибровать с такой точностю?

Для целей проверки качества согласования с фидером (по сути КСВ) и 20дБ достаточно. Но мне хотелось иметь более ли менее достоверные параметры нагрузки. Направленности в 20дБ недостаточно для перекрытия указанного диапазона импедансов с желаемой погрешностью.
Ответвитель сделал - направленность порядка 25-30 дБ.
Ну насчет калибровочных эталонов на КВ как раз проблем думаю не будет - КЗ, ХХ и 50 Ом сделать можно (либо я не вижу пока подводных камней).
А измерение - микроконтроллер, АЦП и тому подобное.

Сообщение отредактировал mag - Nov 27 2013, 15:01

[Proffessor]

Для целей проверки качества согласования с фидером (по сути КСВ) и 20дБ достаточно. Но мне хотелось иметь более ли менее достоверные параметры нагрузки. Направленности в 20дБ недостаточно для перекрытия указанного диапазона импедансов с желаемой погрешностью.
Ответвитель сделал - направленность порядка 25-30 дБ.

На практике обычно никто не задается вопросом измерения R и X антенны (тем более с такой точностью), достаточно знать КСВ. Но если очень хочется...
Прежде всего Вы уже определились с конкретным требуемым значением коэффициента направленности НО КН=45dB, исходя из требуемой точности измерения. Теперь надо думать о достижении такого КН. Простейший путь - ограничить полосу частот. Как известно, всякий НО представляет собой сбалансированный мост, и его КН зависит от качества балансировки моста. Невысокий КН широкополосных НО есть результат компромисса между КН и шириной полосы рабочих частот. Чем уже полоса, тем лучше можно сбалансировать НО. Может Вас спасут несколько узкополосных переключаемых НО?

Сообщение отредактировал Proffessor - Nov 27 2013, 15:48

[mag]

На практике обычно никто не задается вопросом измерения R и X антенны (тем более с такой точностью), достаточно знать КСВ. Но если очень хочется...
Прежде всего Вы уже определились с конкретным требуемым значением коэффициента направленности НО КН=45dB, исходя из требуемой точности измерения. Теперь надо думать о достижении такого КН. Простейший путь - ограничить полосу частот. Как известно, всякий НО представляет собой сбалансированный мост, и его КН зависит от качества балансировки моста. Невысокий КН широкополосных НО есть результат компромисса между КН и шириной полосы рабочих частот. Чем уже полоса, тем лучше можно сбалансировать НО. Может Вас спасут несколько узкополосных переключаемых НО?

Благодарю за активное участие в моем вопросе!
Улучшать направленность в железе накладно. Хочется математическую коррекцию.
Попалось несколько статей от именитых R&S и Agilent. Картиночки красивые - структурные схемы приборов с указанием возникающих ошибок. Далее с применением калибровочных мер (ХХ, КЗ и 50 Ом) проводится математическая коррекция. Вроде бы как до 20 дБ удается улучшить направленность. Вот ищу эту самую математику. У меня по сути то однопортовый векторный анализатор (громко конечно сказал ). По идее его коррекция не должна быть сильно сложной - OSM (full one-port calibration). Вообщем пытаюсь двигаться в этом направлении.
Если интересна тема - то вот некоторые примеры: improved rf hardware and calibration methods for network analyzers и Vector Network Analyzer (VNA)
Calibration: The Basics и Классификация и анализ методов калибровки
векторных анализаторов цепей .

[serega_sh____]

Ну насчет калибровочных эталонов на КВ как раз проблем думаю не будет - КЗ, ХХ и 50 Ом сделать можно (либо я не вижу пока подводных камней).

Немного вопросов:
КЗ, ХХ и 50 Ом - это активные импедансы. Вы собираетесь их измерять на постоянке, мультиметром? А как же набег фазы и паразитные составляющие?

А реактивные будете делать? Например: В электронных калибровочных наборах(ECAL) уже вводят реактивные составляющие для калибровке по фазе.

А вы собираетесь калиброваться на малой мощности или на большой? Как думаете ферриты будут в линейном режиме работать (без насыщения)? Если будете на большой, то усилок не сгорит от отражённой мощности при ХХ, КЗ?

[mag]

Всем участникам спасибо! Вопрос решился. Сделал мат. коррекцию и удовлетворился результатом. Вот кратенький отчет:
Для частоты 1 МГц
Измеряемые импедансы:
1) 50 + j0 Ом
2) 100 + j0 Ом
3) 50 - j44 Ом

Показания анализатора:
до калибровки
1) 49 - j2 Ом
2) 92 - j9 Ом
3) 45 - j40 Ом

после калибровки
1) 50 - j0 Ом
2) 99 - j0 Ом
3) 50 - j42 Ом


Для частоты 21 МГц
Измеряемые импедансы:
1) 50 + j0 Ом
2) 100 + j0 Ом
3) 200 + j0 Ом
4) 50 - j19 Ом

Показания анализатора:
до калибровки
1) 55 + j11 Ом
2) 87 - j12 Ом
3) 117 - j61 Ом
4) 48 - j3 Ом

после калибровки
1) 50 + j0 Ом
2) 100 - j3 Ом
3) 197 - j8 Ом
4) 50 - j20 Ом

Теперь провести оптимизацию в низкочастотном измерительном тракте и думается все.

Немного вопросов:
КЗ, ХХ и 50 Ом - это активные импедансы. Вы собираетесь их измерять на постоянке, мультиметром? А как же набег фазы и паразитные составляющие?

А реактивные будете делать? Например: В электронных калибровочных наборах(ECAL) уже вводят реактивные составляющие для калибровке по фазе.

А вы собираетесь калиброваться на малой мощности или на большой? Как думаете ферриты будут в линейном режиме работать (без насыщения)? Если будете на большой, то усилок не сгорит от отражённой мощности при ХХ, КЗ?

Ну КЗ и ХХ думается на КВ не будут обладать значимыми паразитными параметрами - не те размеры по сравнению с длинной волны. 50 Ом - скорее всего обычный безиндуктивный резистор или кучка в параллель (насчет мощности еще вопрос). Думается что в КВ диапазоне должно получиться. Если нет - то как вариант покупная широкополосная согласованная нагрузка (скорее всего перебор).

Реактивные и комплексные нагрузки делать не предполагал, поскольку общепринятая OSM калибровка предполагает использование только трех указанных эталонов.

Насчет мощности на которой буду калиброваться - вы правы - наверное это 1 - 2 Вт (больше незачем). На этой мощности и измерения делать. А на рабочей 100 Вт можно разве что КСВ контролировать (с заведомо большим допуском чем несколько процентов).

Спасибо за вопросы - лишний раз критически смотрю на проект.