Zoals in mijn vorige bericht al vermeld: hier komt weer een hoop informatie om de hoek kijken. Vandaar maar even een apart verhaal over het zenden en (vooral) ontvangen van radiofrequente (RF) signalen, waar we het met satellieten die data sturen over hebben. Eerst wat theorie: een verhaal uit een Youtube video van Andreas Spiess. Een link naar de video staat onderaan dit artikel.
Bij het zenden en ontvangen van signalen zijn grofweg onderstaande onderdelen van toepassing. Een zender/ontvanger, een kabel en een antenne. De juiste afstemming tussen deze onderdelen zorgt voor een goede efficiëntie van de keten. Hiertoe dient de uitgangsimpedantie van de zender/ontvanger overeen te komen met die van de kabel en van de de ingangsimpedantie van de antenne.
Wanneer deze afstemming niet in orde is, dan wordt:
- het signaal gereflecteerd (teruggekaatst),
- het signaal niet/minder uitgezonden,
- de zender verhit (en kan daardoor beschadigd raken).
Impedantie
Impedantie is de totale elektrische “weerstand” die een circuit biedt aan wisselstroom (AC), en het omvat zowel de gewone weerstand (resistie) als de frequentie-afhankelijke weerstand van spoelen (inductantie) en condensatoren (capaciteit), ook wel reactantie genoemd. De weerstand is constant, terwijl de impedantie varieert afhankelijk van de frequentie van de wisselstroom en wordt gemeten in Ohm (Ω). Een goede match tussen de impedantie van een versterker en luidsprekers is cruciaal voor een optimale geluidskwaliteit, omdat het zorgt voor een efficiënte overdracht van het audiosignaal en voorkomt schade door warmteontwikkeling.
Reflectie
Reflectie bij een zendantenne is het fenomeen waarbij een deel van het uitgezonden signaal wordt teruggekaatst door obstakels, objecten, of de antenne zelf, wat de «Standing Wave Ratio» (SWR) of Return Loss beïnvloedt. Een lage SWR, bijvoorbeeld van 1.0, is ideaal omdat het aangeeft dat al het zendvermogen effectief wordt overgedragen. Een te hoge SWR kan leiden tot vermogensverlies, inefficiëntie en zelfs schade aan de zender, daarom is het belangrijk om het antennesysteem te controleren en af te stellen.
De efficiëntie van deze keten werd voorheen gemeten met een VSWR-meter (Voltage Standing Wave Ratio) of SWR-meter.
De verhouding tussen de “Forward power ” en de “Reflected power” zegt dus iets over de afstemmings-match. Hoe lager de “Reflected power” hoe beter. Ideaal is die 1:1, dat is een minimale reflectie bij maximale signaaldoorvoer.
Tegenwoordig zijn hiervoor VNA’s, Vector Network Analysers te koop. Zie hier de website van NanoVNA.
Een VNA heeft 2 poorten (of channels): “Port1” (channel 0) en “Port2” (channel 1).
Port1 stuurt een signaal uit naar DUT en meet direct de amplitude en de faseverschuiving van het terugkerende (reflected) signaal voor een bepaalde frequentie. Als je de amplitude en de fase van het verzonden signaal weet kan je de impedantie van DUT berekenen en op het scherm tonen. Dit is de enige meting die een VNA op poort 1 uitvoert. De VNA toont deze waarden: amplitude en fase, over een bepaalde frequentierange.
Vooral de amplitude zegt iets over de kwaliteit van de afstemmings-match.
LOGMAG en SWR zijn dus hetzelfde.
De tweede poort op de VNA is een “Receiving only port”. Bijvoorbeeld voor een filter als DUT zijn we geïnteresseerd in de ingangs- en de uitgangscurve.
Op port2 meten we ook de amplitude en de fase maar dan van het signaal dat uit de DUT komt.
Het gereflecteerde signaal heet S11: signaal wordt uitgestuurd vanaf en ontvangen op port1. Het signaal gemeten op port 2 heet S21: het signaal is verzonden door port1 en ontvangen door port2. Door de poorten om te wisselen kan je ook S12 en S22 metingen doen.
Tonen van impedantie op het scherm van de VNA in het Smith-chart. Elk punt in deze figuur is een impedantie.
Deze drie punten zijn erg belangrijk. Precies in het midden vind je 50 Ohm: dit is de plek waar je wilt dat je meting op uitkomt: “the sweet spot”. Helemaal rechts is niets verbonden met Port1 = “Open”. Helemaal links is kortgesloten = “Short”. Alle punten op de lijn van Open tot Short zijn pure weerstanden.
Hierboven zie je de meting van een 500 Ohm potmeter verbonden met Port1. Hiervoor is het blauwe testbordje gebruikt (zie hieronder): de potmeter zit tussen tussen D1 en G1.
Bij het verlagen van de weerstand van 500 naar 0, loopt de rode punt van rechts naar links en volgt min of meer de horizontale middenlijn, maar loopt naarmate de weerstand daalt meer en meer omhoog. Dit komt dat de weerstand zich ook meer en meer als een spoel (coil) en zich dus als een inductie gedraagt en dat wordt opgeteld bij de weerstand. De VNA ziet dat als een fase verschuiving tussen voltage en stroom.
Alle metingen in het gele gebied zijn inductiegevallen, in het groene gebied capaciteitgevallen.
Wanneer je een variabele condensator aansluit (i.p.v. de potmeter) dan zie je dat de rode punt ver onder de horizontale lijn de een cirkelbeweging maakt van rechts-midden naar midden-onder. Wanneer je een variabele spoel zou inzetten zie je de rode stip zo’n zelfde beweging maken, alleen dan in de bovenste helft van de cirkel.
Gemeten wordt de amplitude en fase.
Met een variabele condensator parallel aan de weerstand kan je het punt weer op de centrale lijn krijgen. Je kunt dus met de condensator de inductie van de weerstand (de potmeter) “neutraliseren”. De waardes die je dan hebt verkregen zijn echter alleen bij de ingestelde frequentie geldig. Bijvoorbeeld voor 10MHz.
De frequentie verandert, bij gelijkblijvende waardes voor de weerstand en de condensator, de inductie en de capaciteit! De curve kruist de 0-lijn bij 1, 10 en 20 MHz. Bij die frequenties gedraagt de combinatie van weerstand en variabele condensator als dus een stuk koperdraad: dat is wat de curve ons zegt.
De vraag is dan: is dit een goede match als het een antenne zou zijn?
Het 10MHz-punt ligt het dichtste bij de “sweet spot” van 50 Ohm. De kwaliteit van de match kan je ook bekijken in de SWR-curve. Tot ca. 15MHz is de curve vrij vlak om daarna snel omhoog te schieten. De beste waarde van SWR is ca. 3. Een ideale match (bij de “sweet spot” dus) is SWR = 1. Dit is dus een slechte match!
Voor het beoordelen van een antenne (goed of niet) is de SWR-curve voldoende. De Smith-chart wordt gebruikt om een slechte match te compenseren en voor het kalibreren van de VNA.
De VSWR is hetzelfde als de “Return Loss” in dB. Je kunt deze “Return Loss” ook tonen: het is de “LOGMAG” (blauwe lijn).
Bij de beste waarde van SWR = 3 is de RL ca. -6dB.
Bovenstaande vormt de basis om met de VNA aan de slag te kunnen gaan!
Kalibreren
Kalibreren van de bovenstaande drie punten moet voor elke frequentie-instelling verricht worden: Open, 50 Ohm en Short. Hiervoor is de bij de VNA geleverde kalibratieset nodig.
Werkwijze is als volgt.
- Kies de gewenste frequentierange,
- Sluit “Short” op de VNA aan, klik Short aan op de VNA,
- Sluit “Open” op de VNA aan, klik Open aan op de VNA,
- Sluit “Load” op de VNA aan, klik Load aan op de VNA.
Dit heet een SOL-kalibratie. Je kunt vervolgens Port1 en Port2 met elkaar verbinden om een “Through” kalibratie te doen. Samen heet het dan een SOLT-kalibratie.
Vervolgens moet je deze metingen opslaan in een van de geheugenplekjes van de VNA. Er verschijnt een C in het scherm ten teken dat er geCalibreerd is! 🙂
Bij elke frequentiewijziging zal je dus opnieuw door de kalibratie heen moeten.
Maar als je een antenne wilt doormeten die bijvoorbeeld een female aansluiting heeft, zal je een verloopstukje moeten gebruiken tussen de VNA en de antenne. Kalibreren zal je dan moeten doen mét het verloopstukje aangesloten! Het zogenaamde “calibration plane” is daarmee verschoven!
Welke antenne is oké?
Als voorbeeld vergelijkt Adreas in de video twee antennes: een echte en een namaak met beide dezelfde specificaties.
Ze zouden moeten werken op 144 tot 148MHz en 430 tot 440MHZ. Beide antennes hebben een female aansluiting, dus op de VNA moet het verloopstukje geplaatst worden voor de kalibratie. Als frequentierage is gekozen voor 100 – 500MHz. Met 201 metingen (de standaard, of maximale aantal) krijg je metingen om de 2MHz. Wat voldoende is om te kijken of een antenne slecht is, maar onvoldoende om te bepalen of en antenne goed is!
Beide antennes hebben twee dips: hierboven van de namaak antenne. De dips zijn niet diep genog: hoe dieper, hoe meer richting de “1”, hoe beter. Hier dus ca. 2,6 en ca. 5,1! De antenne voldoet dus niet!
De Smith chart laat zien dat de curve vnl. in het capacitaire deel liggen. Misschien is er wat te verbeteren door toevoeging van wat meer inductiviteit.
De echte antenne is ook verre van ideaal, maar de dips zijn in ieder geval wat dieper. Je kunt nu nieuwe metingen doen rond de 144MHZ of rond 430MHz voor betere metingen: elk 201 metingen over een kleinere frequentierange.
Met de NVA kan je ook filters meten. Dat laat ik nu even liggen. Dat is voor later.
Testbordjes
Het ontwerp van bovenstaand bordje is blijkbaar gemaakt voor een workshop “Practical Use of Vector Network Analyzer” gehouden door Prof . Dr. Thomas Baier, DG8SAQ at Ham Radio Friedrichshafen op 29 en 30 juni in 2013. Een handleiding voor de opbouw kan je hieronder vinden.
Om bovenstaand RF-testbordje te gebruiken heb je een ‘pigtail’ kabeltje nodig met een (zeer kleine) U.fl connector. Deze pigtail verplaatst dus de calibration plane! Volgens de video levert die pigtail een delay op van 1,95 ns. Ik weet niet hoe hij aan dat getal komt. Het lijkt me afhankelijk van fabricaat en lengte van de pigtail.
Voor de SOL(T)-kalibratie kan je het bordje gebruiken, of de kalibratieset.
DigiKey heeft op deze pagina informatie over de behandeling van de U-fl-connectoren bijeengebracht.