RF Bridge

Aktualizováno v lednu 2020


Princip a schéma RF můstku

Úvod Můstkové zapojení využívá principu, který je zobrazen na obrázku vpravo. Rezistory vlevo (označené R a D.U.T) tvoří napěťový dělič. Napětí ve středu děliče je dáno poměrem obou odporů. Rezistory vpravo (R a REF) také tvoří napěťový dělič. Pokud jsou hodnoty R stejné a jsou stejné rovněž hodnoty D.U.T. a REF, nenaměříme měřičem úrovně mezi středy děličů žádný rozdíl napětí (samozřejmě, pokud je můstek napájen). Protože uvažujeme o můstku pro střídavý proud, budeme mít při konstrukci ještě jednu snahu - aby přizpůsobení generátoru umožňovalo účinný přenos energie. Pokud bude mít generátor zatěžovací impedanci 50 Ohmů a hodnoty R, REF a D.U.T. budou mít rovněž jmenovitou hodnotu 50 Ohmů, potom bude můstek zatěžovat generátor rovněž reálným odporem 50 Ohmů. Princip měření s VF můstekm Ne vždy lze připojit měřič úrovně mezi konce rezistorů D.U.T. a REF, navíc tak, aby vlastní měřič příliš neovlivňoval impedanci měřeného D.U.T. Jedna z možností, jak si poradit s problémem je, ža mezi neuzemněné konce D.U.T. a REF zapojíme transformátor, který plní také funkci balunu. Takové transformátorky vyrábí několik výrobců a lze je na trhu sehnat. Mám jeden, který je použitelný do desítek MHz. Symetrická část můstku je připojena na neuzemněné konce D.U.T. a REF, druhé vinutí má jeden konec spojený se společnou zemí a druhý konec je přiveden na měřič úrovně kalibrovaný v hodnotách VSWR. Poznámka: Transformátor představuje konkrétní hodnotu impedance, kterou je propojena úhlopříčka můstku. Musíme si uvědomit, že tato hodnota impedance není nekonečná, jako v případě předchozí úvahy o napěťových děličích. Pokud budeme napětí (nebo proud) při rozvážení můstku (obecně hodnotu nějaké veličiny, která reprezentuje rozvážení) řešit matematicky, musíme uvažovat s impedancemi všech použitých součástí. Jak si poradil čínský konstruktér s měřením rozvážení a několika principy? 1. Použil hodnoty R = 50 Ohmů a skládal je z paralelní kombinace dvou odporů o hodnotě 100 Ohmů. 2. Napájení můstku řešil konektorem K1 a je zjevné, že uvažoval o impedanci 50 Ohmů. 3. Impedance REF a D.U.T. uvažoval připojovat na konektory K3 a K2. 4. Měřič úrovně se připojuje na K4 a předpokládá se, že měřič úrovně, který měří úroveň rozvážení, má vstupní impedanci rovněž 50 Ohmů. 5. Úroveň neuzemněnými konci D.U.T. a REF je měřena pravým HF transformátorem, který tvoří koaxiální vedení. Koaxiální vedení je kratičké a pro účinnou transformaci na nízkých frekvencích se využívá sada několika kusů feritových jader. Jedno vinutí pravého transformátoru je uzemněné a druhé je zakončené impedancí 50 Ohmů (vstup měřiče úrovně). Samo použití takového transformátoru nám zatěžuje neuzemněné konce REF a D.U.T. značnými parazitními indukčnostmi a kapacitami. Aby bylo zatížení stejné nebo alespoň podobné jak na REF, tak na D.U.T. je použito ještě druhé transformační vedení (na obrázku vpraco jde o levé vedení), které má připojeno plášť na D.U.T. a na druhém konci rovněž uzemněný. Obě vedení jsou prostrčena stejným feritovým jádrem, každé jinou dírou (dvoudírové jádro). Pravý transformátor si můžeme představit též jako proudový balun vyrobený z koaxiálu a feritových jader. Jak to měří? Zapojení je poměrně širokopásmové. Ověřoval jsem, jak se úrovně na K4 mění jednak s kmitočtem a jednak s nepřizpůsobením, tj. s rozdílnou, ale reálnou hodnotou impedance D.U.T. a REF. Lze říci, že to měří - viz tento článek. Jak vypadají naměřené hodnoty (příklad)? 1. VSWR < 1.1 (tj. atenuátor 20 dB) vyrobí maličkou, roztřepanou úroveň signálu OUT pod úrovní - 60 dB. To odpovídá naší logice myšlení, rozvážení můstku je maličké. 2. VSWR < 1.7 (tj. atenuátor 6 dB) vyrobí na pásmu 430 až 450 MHz krásnou rovnou úroveň asi - 26 dB. 3. VSWR = cca 5 (atenuátor 2 dB) vyrobí na stejném pásmu rovnou čáru na úrovni asi -18 dB. Níže jsou převzaté naměřené hodnoty úrovní z předchozího článku.

Poznámky 1. Deska čínského konstruktéra má poblíž konektoru K4 motiv, na kterém lze vytvořit atenuátor (PI článek). Rezistory nebyly osazeny. Pravděpodobně bylo původním cílem zatížit transformátor impedancí blízkou 50 Ohmům a asi i snížit citlivost tak, aby pro VSWR = nekonečno nebo pro VSWR konkrétní hodnoty (např. VSWR = 2, VSWR = 3) odpovídala konkrétní úroveň signálu na tomto konektoru, např. -20 dB. 2. Můstek se hodí na měření menších nepřizpůsobení VSWR. Např. pro rozsah VSWR mezi VSWR = 1.1 až VSWR = 2 nám nabídne rozdílnost v úrovních více než 30 dB. Recenze k článku Vážení čtenáři, jak jsem na úvodních stránkách několikrát zdůraznil, považujte články na mém webu za články, které jsem psal spontánně. Zpravidla nejsou podrobené žádným recenzím, žádnému oponentnímu řízení. Proto mohou obsahovat nejrůznější nepřesnosti, technická zjednodušení, která jsem provedl a často i neúmyslně zapomněl popsat. Také omyly, kterých jsem se mohl v "zápalu bádání" dopustit. Nicméně, velice si cením skutečnosti, pokud články vzbudí zájem a recenzent mi recenzi provede. Tak, jako v případě problematiky VSWR můstku. Děkuji Vojtovi, OK1VAW, který je velice erudovaným a profesionálním pracovníkem v oboru, za cenné připomínky. Jeho mail uvádím v následujícím textu (zelená barva, vymazal jsem pouze soukromé věci, podstata je uvedena v plném znění): "Ahoj Míro, koukal jsem se na tvojí stránku: http://ok1ufc.nagano.cz/radiotechnika/m_Bridge/m_bridge.htm kde popisuješ měření PSV můstkem na vysokých kmitočtech. Musím říci, že tak, jak to máš napsané, tak to není zcela správně, resp. na vysokých kmitočtech, kde se měří na definované impedanci se můstková metoda takto nepoužívá. Zdroj signálu není zdrojem napětí s nulovou impedancí, ale má normovanou impedanci (např. 50ohm), stejně tak indikátor na diagonále není "galvanometr" s nekonečnou impedancí, ale naopak opět indikátor s normovanou impedancí. Nejčastěji wattmetr nebo spektrální analyzátor, který měří ve výkonu (dBm) a ne v napětí. Odkazuji tě na část z návodu k ZRB2 od Rohde Schwarz, kde je i teorie okolo toho. Dá se dokázat, že takový můstek měří hodnotu přímo úměrnou koeficientu odrazu. Po kalibraci (na open nebo short), aby se získala hodnota 100% odrazu už to měří rovnou s11, resp. činitel odrazu. Kdysi jsem si to celé odvozoval v rámci disertačky na fakultě. Je to v principu velmi podobné, jako když se měří odrazy na směrové odbočnici, až na to, že rezistivní můstky bývají širokopásmovější, problém bývá jenom ten balun v diagonále, proto se často již dovnitř vestavuje rovnou detektor jak na dopředný výkon, tak na výkon v diagonále, ale princip zůstává zachovaný. Také pořád něco bastlím, abych nezakrněl. Jinak jsem si obstaral také Nanovna, škoda, že to chodí tak nízko. Zdraví z Prahy, Vojta, OK1VAW" a moje odpověď (zelený text, opět bez osobních záležitostí): "Ahoj Vojto, děkuji za upozornění. A za odkaz na manuál ZRB2 Rohde Schwarz. Já jsem si těch impedančních věcí vědom. K problematice čínského můstku, který jsem obdržel s vadami v zapojení jsem psal ještě jeden článek http://ok1ufc.nagano.cz/radiotechnika/RF_Bridge_schema/RF_bridge_schema.htm kde jsem toto shrnul až do příliš jednoduché poznámky: Poznámka: Transformátor představuje konkrétní hodnotu impedance, kterou je propojena úhlopříčka můstku. Musíme si uvědomit, že tato hodnota impedance není nekonečná, jako v případě předchozí úvahy o napěťových děličích. Pokud budeme napětí (nebo proud) při rozvážení můstku (obecně hodnotu nějaké veličiny, která reprezentuje rozvážení) řešit matematicky, musíme uvažovat s impedancemi všech použitých součástí. A tady mám problém pedagogický. Právě proto, že jak zdroj, tak wattmetr pracují s konkrétními impedancemi, můžeme jim říkat normované. Ano, lze dokázat, že můstek měří úroveň úměrnou koeficientu odrazu, ale ten matematický důkaz (řešení můstku) už není až tak středoškolsky jednoduchý. Proto jsem šel na té stránce hlavně kvůli pochopení od jednoduchého principielního schématu můstku až ke konkrétnímu zapojení toho číňana, aniž bych to matematicky dokazoval. Vlastně sám vidíš, že to je téma na disertačku jako vyšité ... . No, jak budu mít chviličku, přidám tam k té poznámce odkaz na text z Tvého mailu, aby Ty informace nebyly zavádějící pro odborníky, kteří se v problematice vyznají. A znovu zdůrazním, že moje články obvykle nejsou nikým recenzované, takže mohou být zatížené i různými omyly, nepřesnostmi, apod. To opravdu nemohu vyloučit. Rovněž, já se fakt necítím být ani odborníkem, ani pánem Bohem, tvrdím, že jsem průměrným radioamatérem a spíš mi šlo, aby čtenář viděl moje třeba zjednodušující, ale konkrétní použité myšlenkové postupy. V tom článku jsem tam na jednoduchém, velice praktickém zapojení (je zřejmé z fotky) ukázal, jaké hodnoty úrovní naměříme s generátorem nanoVNA a měřičem úrovně nanoVNA, pokud jako zátěž použijeme ty atenuátory, které reprezentují konkrétní impedance, i když nejsou na výstupu zatížené (ale jsou v hamovně vždy při ruce). Tedy šlo mi o to orientačně ukázat na tak jednoduché metodě, jaké úrovni (její hodnotě) odpovídá jaká hodnota koef. odrazu (VSWR). Můstek s detektorem (mám tam AD8317) jsem si nedávno vyrobil, ze stejného důvodu, jako píšeš, nechci tam mít balun se svými kmitočtovými závislostmi. Navázal jsem na diagonálu symetrický vstup jen přes stejné a maličké kapacity. Zase, až bude čas, tak to na stránkách popíšu. Vojto, a co tvoříš? Zdravím z Českých Budějovic, tedy přesněji teď z vlaku do Olomouce ... 73, Míra" Na závěr s radostí uvádím odkaz na citaci z původního dokumentu společnosti Rohde & Schwarz, kde je princip můstku vysvětlen a na další straně jsou popsány konstrukční detaily i provedení důležitých prvků. Bohužel, teprve dnes jsem požádal společnost o svolení publikovat uvedenou citaci. Pokud neobdržím písemný souhlas, budu muset tento odkaz odstranit. Děkuji za pozornost ...

TU 73, Mira, ok1ufc