Druhý pokus o anténní analyzátor.

14. května 2019 v 5:26 | Petr |  Elektro
Když chcete přijímat rádio, koupíte si tranzistorák od Číňana, roztáhnete teleskopickou anténu a doufáte, že to "nějak" bude fungovat. Kdybyste stejně ležérně přistupovali k vysílání - začaly by se vám doma časem hromadít spálené radiostanice, poněvadž vysílací anténou prochází výkon větší než nula-nula-nic, a proto je nutné aby vnitřní odpor alias "impedance" radiostanice, kabelu i antény byly stejné. V opačném případě totiž na každé "diskontinuitě" - tedy v každém místě kde jsou spojena vedení s různým vnitřním odporem dochází k odrazu signálu, který se vrací do radiostanice až přetíží ( a může spálit ) výstupní tranzitory ve vysílačce.

Většína antén se dnes staví jako "rezonanční" tedy de-facto jako obvod s cívkou a kondenzátorem, který rezonuje právě na vysílací frekvenci. Pokud máte pocit, že vaše anténa nemá nikde žádou cívku ani kondenzátor - buďte si jisti, že má - samotný vodič (prut) antény je cívka roztažená do podoby drátu a kondenzátor je kapacita tohoto drátu vůči matiče ZeměKouli. Pokud L-C obvod rezonuje zdánlivé odpory alias "reaktance" cívky a kondenzátoru se vzájemně ruší a anténa se jeví jako čistý ohmický odpor. Pokud tento odpor dokonce odpovídá vnitřnímu odporu kabelu a vysílačky - sláva máte naladěno a můžete vysílat. Jinými slovy : snem radio-amatérů je aby se přijatelná rezonance a přijatelná impedance antény sešly "v jednom bodě" a to na frekvenci, na které se bude vysílat. JASNÉ ?
Takže se koupí PSV metr, což je přístroj který měří napětí vln jdoucích od vysílačky k anténě a hlavně napětí vln odražených nazpět. Pokud je anténa dokonale sladěná s kabelem a radiostanicí - prakticky veškerá energie se anténou vyzáří ( nebo přemění v teplo ) a zpět se nevrací nic. Když soulad ( stejná impedance ) není - vrací se zpět více a více energie až v extrémním případě ( nepřipojená, nebo zkratovaná anténa ) se odrazí 100%. Dopřednou i odraženou vlnu PSV metr měří pomocí zařízení zvaného "směrová vazba". Viz schémáko na obrázku. Abychom nemuseli pracovat s napětími, které závisí na vysílacím výkonu používáme tzv. "poměr stojatých vln", který vypočteme dle jednoduchého vzorečku :
PSV = ( UFWD + UREF ) / ( UFWD - UREF)
Kterýžto výpočet PSV metr neprovádí, ale má k tomu kalibrovanou stupnici na displeji. Ideální anténa ma PSV 1:1, zcela špatná anténa ( rozpojená, nebo zkratovaná ) má PSV 1:nekonečnu + všechny případy mezi tím.

Pokud koupíte od obchodníka anténu ověřené konstrukce, která po sestavení je "téměř v rezonanci" a zároveň má "téměř ideální" impedanci - měřením PSV nad a pod ideálním rezonančním kmitočtem dojdete k poznatku, jestli anténu je třeba "trochu prodloužit" nebo "trochu zkrátit" a tím ji dostat do rezonance na středním vysílacím kmitočtu. PSV metr k takovému doladění bohatě stačí a tím mezi radioamatéry někdy vzniká dojem že PSV metr a jeho údaje jsou alfou a omegou - zcela dostačující k veškeré činnosti kolem antén. Existuje ale kategorie "nenaladitelných antén" kde PSV metr ukáže "nekonečno" a jste nahraní.

PSV si totiž můžeme hrubě představit jako poměr mezi impedancí antény a zbytku "vysílacího systému". Problém je v tom, že PSV 1:2 znamená buď že impedance antény je 2x větší než vysílačky ( 100 ohmů ) nebo poloviční ( 25 ohmů ) a aby to nebylo tak jednoduché - když už zjistíme že impedance je 100 ohmů stále ještě nevíme kolik z toho je "reálný ohmický odpor" a kolik jsou "reaktance" z přílišné indukčnosti nebo přílišné kapacity antény. Takže u hrubě rozladěné antény máte PSV 1:nekonečnu a pokud prodlužujete nebo zkracujete, hodně, nebo málo je to pořád někonečno a samotné PSV vám nedává informaci kterým směrem je anténa rozladěná.

Analogií s šoférem - představte si, že byste svým autem honili jiné auto, nedostali byste informaci kterým směrem ujíždí ani kterým směrem jedete vy, a jedinou informaci, kterou byste měli by byla : "poměr mezi tvojí a jeho rychlostí je 1:2" aniž byste věděli který z vás jede rychleji - to je PSV. Tomuto fenoménu se radioamatéři ( částečně ) brání skenováním PSV v širokém frekvenčním spektru a vykreslováním křívek pomocí jednoduchých "anténních analyzátorů". I já mám za sebou jeden - v podstatě neúspěšný - pokus jak anténní impedanci rozebrat podrobněji.

Takže : vidlákovi je líto dát 10 000 za "anténní analyzátor", zejména když paní Kubáčová nechce dát ani prachy na signální generátor, který bych využil daleko více. Tudíž jsem chtěl něco "obšlehnout" a postavit a tím jsem se dostal do oblasti "Arduino DDS". Jakože Arduíno řídí nějaký syntezátor kmitočtu a zároveň odečítá napětní ze "směrového vedení" a zároveň vše vykresluje na grafickém displeji 126 x 64 pixelů. To by bylo nádherné, kdyby to šlo postavit běhen 45 minut od usnutí dcery k usnutí paní Kubáčové, ale nejde - tudíž musím svoji technologii přizpůsobit reálným možnostem.
Takže jsem rozšrouboval vlastní stařičký PSV metr na anody obou diod ( viz schémátko nahoře ) jsem napájel drátky na ně připojil osciloskopické sondy a zavedl je do oscilokopu pracujícím v režimu XY. a to tak že signál UFWD šel do osy X a signál UREF šel do osy Y. Co je vidět na obrazovce osciloskopu jsem se pokusil namalovat na obrázku TEDY postupujeme zleva doprava:
  1. Ideálně impedančně přizpůsobená anténa, která zpět do radiostanice neodráží žádný signál. PSV je 1:1
  2. Anténa, jejíž impedance je VĚTŠÍ než impedance radiostanice - odráží signál ve fázi ze signálem radiostanice - extrémním případem je nekonečná impedance = anténa nepřipojená vůbec = tzv. "rozpojené vedení" která odráží zpět 100% signálu a výsledkem je úsečka pod úhlem 45 stupňů k osám X i Y.
  3. Anténa, jejíž impedance je MENŠÍ než impedance radiostanice odráží zpět signál v opačné fázi než je signál radiostanice a výsledkem je úsečka opačného sklonu než v bodě 2. Extrémním případem je anténa s nulovým odporem = "zkratované vedení" kdy má úsečka úhel 135 stupňů k osám X a Y.
  4. Nenaladěná anténa s vysokou reaktancí. Tedy přebytek kapacity nebo indukčnosti antény způsobuje fázový posun mezi dopředným a odraženým signálem a oscilokop nám kresli elipsy. Čím více je delší osa elipsy blízká ose X tím je anténa lépe naladěla i v rámci vysoké reaktance a čím více se delší osa elipsy blíží úsečkám 45 a 135 stupňů tím je anténa naladěna hůře, stejně tak - čím více se elipsa blíží kružnici - tim větší jsou reaktance antény a takovou anténu patrně nepůjde dobře naladit. Ba dokonce pokud si oscilloskop přepnete do ( běžného ) režimu zobrazení závislosti obou signálů na čase - poznáte jestli dopředný signál předbíhá odražený ( přebytek indukčnosti = anténa je dlouhá = její rezonance je na nižší frekvenci než potřebujeme ) nebo jestli odražený signál předbíhá dopředný ( přebytek kapacity = anténa je krátká = rezonuje na vyšší frekvencí než potřebujeme )
Sláva starý vykuchaný PSV metr dá odpověď na "tajemství antén". V praxi to tak snadné není. Prvním předpokladem spolehlivého měření je že musíte mít dvě absolutně stejné osciloskopické sondy což není ( se shoppováním paní Kubáčové ) můj případ ( mám 3 - každou jinak špatnou. ) Tedy nějaké přesnější bádání ve fázových posunech je pro mně iluze. Druhý problém je v tom, že "směrové vedení" je opravdový měřicí přístroj založený na černé magii poněkud citlivé fyzice, tedy vše musíte mít správně zapojené, ( dokonale ) stíněné, uzemněné, správně "terminované", aby měřící signály šly kam mají a né jinam.

Třetí problém je v tom, že směrové vedení zobrazuje "poměr impedancí" ať už "impedance" znamená cokoliv. Tedy nepříjemným zjištěním z tohoto pokusničení ( s bezindukčními odpory místo antény ) je, že moje radiostanice má skutečnou "impedanci" ne 50 ohmů bez reaktance jak píšou na štítku, ale spíše okolo 40 ohmů s nezanedbatelnou indukční složkou. Výsledek experimentování se směrovým vedením je tedy následující :
  • Odrazy signálů z nepřizpůsobených ( nepřesně definovaných ) impedancí značně znehodnocují měření.
  • Fázová měření jsou u mně problematická, kvůli rozdílné délce ( a kapacitě ) mých osciloskopických sond.
  • Impedance radiostanic je jen o něco méně komplexní a s frekvencí se měnící než impedance antén. Lépe by bylo použít signální generátor, který má na výstupu atenuátor ( útlumový článek ) složený z reálných ohmických odporů, kde odchylky od jmenovité impedance ( téměř ) nejsou.
Prostě chaos, který nesměřuje k tomu, že bych si mohl dovolit postavit anténu, popsat ji zde na blogu a pak o ní AUTORITATIVNĚ prohlásit, že její parametry jsou takové a makové.

Bude tedy nějaký třetí pokus ? Řekl bych, že mohu "obšlehnout" ještě následující varianty :
  1. Směrové vedení s ferritovými toroidy - bude rozdíl oproti "směrovému vedení" na plošném spoji ? ( Pochybuji )
  2. Impedanční můstek s odpory - to je moje oblíbená varianta, protože porovnává impedanci antény s "bezindukčním odporem" 50 ohmů takové kvality, jaké seženete a radiostanici používá jen jako zdroj signálu. Problém je, že tento můstek nemůžete trvale nechat v signálové cestě ( jako PSV metr ) protože jeho útlum je v porovnání s PSV metrem obrovský. 3/4 energie vysílačky se "pálí" na "bezindukčních" odporech. Zato můžete měřit jakkoliv rozladěné antény bez rizika, protože radiostanice "vidí" jen impedanci odporového můstku a ta nikdy nevybočuje z rozsahu 25 - 75 ohmů ( tedy PSV 1:1,5 -1 :2 )
  3. Vektorový voltmetr ( hodí se spíše pro Arduíno s DDS a dispejem )
  4. Přece jenom se pustit do Arduína + DDS ?
  5. Prijít po výplatě a paní Kubáčové suše oznámit : "Domácnost už nemůže existovat bez anténního analyzátoru - tady jsem jeden koupil !"
Paní Kubáčová by se v každém případě měla zamyslet nad tím, jestli ubohé přístrojové vybavení jejího manžela nedělá rodině větší ostudu než její ( úúúúúdajně ) uboze vybavený ( avšak k prasknutí plný ) šatník !!!
 

3 lidé ohodnotili tento článek.

Aktuální články

Reklama