Антенний аналізатор

Неділя, 12 лютого 2017
Опубліковано в Технічна частина
Прочитано 2592 разів
розмір шрифту зменшити розмір шрифту збільшити розмір шрифту

При налаштуванні антенно-фідерних систем важливо правильно виміряти коефіцієнт стоячої хвилі (КСВ). Цей параметр в аматорських умовах зазвичай вимірюється за допомогою КСВ-метра на фіксованій частоті, а частотна характеристика антени будується після послідовних вимірів. Для однодіапазонної антени цей класичний метод цілком можна застосувати.

Але щоб налаштувати таким чином 7-ми діапазонну КВ антену, в якій зміна розмірів одного конструктивного елемента впливає по-різному на її параметри на декількох діапазонах, буде потрібно маса зусиль і часу.

Тут є потреба у професійному антенному аналізатору, який виведе на дисплей або екран ноутбука графік значення КСВ, а також активного і реактивного опору антени в залежності від частоти. Саме до такого висновку я прийшов, коли змонтував на дачній ділянці, насилу відвойованої у дружини майданчику, всехвильову КВ антену GAP TITAN DX.

Постало питання - купувати фірмовий антенний аналізатор або робити його своїми руками. З огляду на те, що цей прилад потрібен не частіше разу на рік, а на придбання антени вже була витрачена значна сума грошей, я схилився до другого варіанту.

Антенний аналізатор повинен бути по можливості простим, його налаштування і калібрування повинно бути доступне в домашніх умовах без використання будь-яких зразкових приладів. Він повинен забезпечувати панорамний вимір КСВ, X і R з висновком графіків на екрані комп'ютера і (або) власного дисплея в частотному діапазоні 1-30 МГц. Ну, і звичайно, вартість комплектуючих повинна бути істотно нижче вартості найдешевшого фірмового антенного аналізатора.

В якості контролера я вирішив використовувати готову відлагоджувальну плату Arduino Uno R3. І після тривалих пошуків і аналізу існуючих рішень знайшов хороший варіант антенного аналізатора, який доступний для виготовлення своїми руками.

Вперше опис схеми, конструкції і принципу дії антенного аналізатора, що задовольняє, на мій погляд, всі перераховані вимоги, було опубліковано в журналі «Funkamateur» №12 за 2004 р. Автори - Davide Tosatti (IW3HEV) і Alessandro Zanotti (IW3IJZ). Журнал «Радіохоббі» в №1 за 2005 р. опублікував скорочений переклад цієї статті. За минулий з того часу десятиліття ідея не тільки не застаріла, а й отримала подальший розвиток.

Польський радіоаматор Jarek (SP3SWJ) на своєму сайті розмістив масу інформації щодо подальшого розвитку ідеї. Безліч варіантів схем і конструкцій від VNA MAX 1 до VNA MAX 6, маса посилань. Частотний діапазон від 1-30 МГц до 1-500 МГц. На жаль, сайт, на мій погляд, абсолютно «безглуздий». Дуже складно зрозуміти, яка прошивка і яка програма для якої схеми. Де перша версія, а де остання і т.п. Повну інформацію, необхідну для повторення, виловити дуже не просто, а для деяких схем її просто немає.

Davide (IW3HEV) організував серійне виробництво свого антенного аналізатора під брендом miniVNA. Красива коробочка дозволяє проводити вимірювання в діапазоні від 100 КГц до 200 МГц, а з додатковим блоком і до 1,5 ГГц. Все добре, але майже 400 € за це чудо техніки для українського радіоаматора дороговато ... Схема і опис miniVNA опубліковано в журналі «A Radio. Praktica Elektronika »№10 за 2007 р

Після цього короткого екскурсу в історію перейдемо до справи. Структурна схема антенного аналізатора VNA показана на малюнку.

Сигнал з генератора на основі DDS через спрямований відгалужувач подається в досліджувану антену. Сигнали з датчика прямої і відбитої хвилі подаються на унікальну мікросхему від Analog Devices - AD8302. На її виході формуються два аналогових сигналу. Перший пропорційний відношенню амплітуд вхідних сигналів, другий - різниці їх фаз.

За цими двома значеннями можна розрахувати всі характеристики антени, в тому числі КСВ, активну і реактивну складові вхідного опору антени.

Комплектуючі для цього антенного аналізатора досить рідкісні, але цілком доступні. Проблема в тому, що знайти всі необхідні компоненти у одного продавця неможливо. А якщо купувати в різних інтернет магазинах, транспортні витрати стають занадто великими. На щастя, є Aliexpress і eBay. Загалом, без допомоги братнього китайського народу я б нічого не зміг зробити.

Як я вже писав, основна вимога до цієї конструкції - простота виготовлення і мінімальна вартість. При збереженні необхідних метрологічних характеристик, зрозуміло. Тому я використовував в конструкції два готових модуля. Перший - це модуль синтезатора на основі DDS AD9851. На невеликій платі змонтована мікросхема синтезатора, тактовий генератор і вся необхідна обв'язування.

Другий модуль - «Arduino Uno». Це популярна відлагоджувальна плата на основі мікроконтролера ATmega328. Вона включає в себе мікроконтролер, всю необхідну обв'язку і конвертер USB-COM для зв'язку з комп'ютером.

А ось вимірювальний модуль довелося збирати самостійно. Його схема показана на малюнку.

Сигнал з модуля DDS подається на монолітний підсилювач DA1 типу GALI виробництва Mini-Circuits.

Найважливіша частина вимірювального модуля - спрямований відгалуджувач T1. Від його якості залежить точність і частотний діапазон аналізатора. Це так званий «Tandem Match» - трансформатор на двохотворному біноклі. Детальна методика виготовлення «Tandem match» описана в статті в згадуваному вище журналі Funkamateur і в pdf файлі, посилання на який в кінці цієї сторінки.

До роз'єму X1 підключається антена. У показаному на схемі відключеному стані реле K1 сигнали прямої і відбитої хвилі з спрямованого відгалужувача через атенюатори 10 db на резисторах R9, R10, R15 і R11, R12, R16 подаються на входи DA3 AD8302. Атенюатори потрібні для виключення перевантаження AD8302.

Цей антенний аналізатор можна використовувати і для дослідження амплітудно-частотних характеристик електричних ланцюгів. При включеному стані реле K1 сигнал з роз'єму X1 може бути поданий на досліджуваний ланцюг, сигнал з виходу цього ланцюга подається на роз'єм X2. Таким чином можна налаштувати смуговий фільтр, зняти характеристику кварцу і т.п.

Аналогові сигнали, пропорційні відношенню амплітуд і різниці фаз прямій і зворотній хвилі з виходу DA3 подаються на АЦП мікроконтролера ATmega328 в модулі Arduino Uno. З огляду на те, що ноутбук в наш час перестав бути розкішшю, я вирішив на першому етапі відмовитися від власного індикатора в цьому антенному аналізаторі. Вся інформація виводиться на екран ноутбука, до якого аналізатор підключається через інтерфейс USB.

Додаткового живлення не потрібно, хоча на платі і передбачений стабілізатор на 5 В. Це в розрахунку на майбутню модернізацію для можливості роботи в автономному режимі. Звичайно, на даху з ноутбуком не завжди зручно, але читати інформацію з великого екрану набагато комфортніше і наочніше, ніж з невеликого дисплея.

Підключення вимірювального модуля до плати Arduino показано на малюнку. Програму для ATmega328 я написав на Сі в середовищі CodeVisionAVR v2.05.0. Зовсім не обов'язково програмувати Arduino в її фірмовому середовищі. Це має сенс тільки для тих, хто вперше стикається з програмуванням.

Тим же, хто має уявлення про інші мови програмування, немає ніякої необхідності розбиратися в синтаксисі та інших тонкощах мови Arduino. Адже це спрощений до межі Сі, в якому відсутній вбудований відладчик, ретельно приховані від користувача всі апаратні модулі внутрішньої периферії контролера. А про можливість асемблерних вставок навіть і мови немає.

Є, звичайно і плюси у Arduino. Основний, на мій погляд, це можливість завантаження програми в контролер без програматора, використовуючи змонтований на платі конвертер USB-COM. Як це зробити читайте в повному описі, посилання в кінці цієї сторінки. Попередньо потрібно завантажити останню версію програмного забезпечення Arduino з офіційного сайту і встановити з нього драйвер конвертера USB-COM.

Для завантаження HEX файлу в Arduino Uno буде потрібно також програма XLoader, архів з дистрибутивом якої потрібно завантажити з сайту її автора. Локальна посилання є в кінці сторінки. Робота з програмою проста і інтуїтивно зрозуміла, подробиці в повному описі.

Кілька слів про використані деталі. Всі резистори і неполярні конденсатори SMD типорозмірів 1206 або 0805. Індуктивності L1 і L2 можуть бути як SMD, так і звичайні для монтажу в отвори. Резистори R4 і R6 калібрувальні, необхідність їх установки і номінали визначаються при налагодженні. Стабілізатор DA2 в даній версії не використовується, тому що аналізатор харчується від USB. Він встановлений в розрахунку на майбутню доопрацювання конструкції.

Зверніть увагу на установку джамперів на модулі DDS. Вони повинні бути встановлені саме так, як показано на малюнку - замкнуті J1 і J3, інші розімкнуті. Схему і опис модуля DDS також можна завантажити за посиланням в кінці сторінки.

Для налагодження бажано мати ВЧ вольтметр, а краще осцилограф із смугою пропускання хоча б кілька мегагерц і частотомір. В крайньому випадку можна обійтися ВЧ пробником на діоді і мультиметром. Тут я не буду детально описувати налагодження, бажаючі можуть ознайомитися з нею в повному описі.

Антенний аналізатор працює під управлінням програми Ig_MiniVNA. Її останню версію до недавнього часу можна було завантажити з сайту http://clbsite.free.fr/. На жаль, в 2015 р посилання перестала працювати. Так що завантажуйте з мого сайту. Посилання нижче. Це остання версія програми. Дійсно остання, тому що за твердженням автора при виходу з ладу комп'ютера він втратив все ... Але програма працює як на Windows XP, так і на Windows 7 64 біт.

Робота з програмою проста і інтуїтивно зрозуміла, деталі дивіться в повному описі, а також на сайті SP3SWJ. Цей сайт, на жаль, тільки на польській мові і в великому безладді ...

Для прикладу наводжу вигляд вікна програми при дослідженні моєї антени в діапазоні 40м. Наочно видно, що резонанс находиться внизу по частоті.

Частотний діапазон аналізатора визначається в першу чергу направленим відгалужувачем, матеріалом його сердечника, акуратністю і симетричністю намотування. Верхня межа частотного діапазону залежить від типу DDS. Теоретичне граничне значення - половина тактової частоти DDS, в даному випадку це 90 МГц. Реально задовільні параметри забезпечуються до частоти не більше 1/4 тактовою, тобто до 45 МГц. Але більше 30 МГц для КВ антени і не потрібно.

Антенний аналізатор може працювати під управлінням ще однієї програми - vna / J, яку написав Dietmar Krause (DL2SBA). Її можна завантажити з його сайту. Програма написана на JAVA і може працювати не тільки під Windows, але також під Linux і Mac.

Зрозуміло, попередньо потрібно встановити на комп'ютер JAVA. Інтерфейс vna / J схожий на IG_MiniVNA. Тільки після запуску програми зі списку підтримуваних пристроїв потрібно вибрати miniVNA. Робота з цими програмами практично аналогічна. Для vna / J на сторінці «Manuals» сайту DL2SBA є докладні інструкції по установці ПО, калібрування аналізатора, а також керівництво користувача.