Aktualizováno v únoru 2020

      
 

  Ověření vlastností VSWR můstku
  
Všeobecně

Tento článek vypracoval Vojta, OK1VAW. Děkuji jménem svým a jménem všech čtenářů, kteří se zabývají problematikou RF můstků. S radostí publikuji v původním znění:

Ověření můstku

Jak jsem psal, tak na tomtéž principu se vyráběly můstky od jiných renomovaných firem jak R&S, tak HP a Wiltron, ať již samostatně nebo s vestavěnými diodami a zesilovači, které se používaly pro skalární měřící systémy (analyzátory obvodů). S vestavěnými diodami jsou známé můstky od HP, např. s jednou diodou řada 85025A nebo 027A, se dvěma diodami např. typ 11666A. Doporučuji se podívat na manuály, dají se stáhnout na webu.

Nelze nezmínit ale jedno velké ALE (problém) u trojbranových můstků a to se týká i toho čínského můstku z ebaye . Problémem je především chování balunu nebo transformátoru v diagonále. To hlavně, nicméně i celkové provedení (parazity, symetrie), určuje kmitočtovou použitelnost můstku.
K získání představy o vlastnostech můstku použijeme věrohodné (co nejkvalitnější) kalibry -stačí tři (open, short, match). Pokud je hodnota detekovaného výkonu při připojení otevřeného konce (open) na výstup odlišná od hodnoty při měření zkratu (short) a pro kvalitní přizpůsobenou koncovku (match) neměříme na výstupu nulovou hodnotu, tak je něco špatně, resp. můstek neměří přesně. Toto lze pouze konstatovat, ale nelze to při skalárním měření (měření kdy se měří pouze amplituda a není možno zjistit fázi) nijak odkalibrovat. Proto byly profesionálně udělané směrové můstky tak drahé, protože byly přesné a za knowhow, jak to udělat, se platí.

Jak chybu kvantifikovat? V manuálech od HP jsou vytištěny nomogramy, aby člověk věděl jak přesně mu to měří. Dobrý je k tomu třeba tento nomogram z manuálu k HP85027: 		 
nomogram
Ten přepočítává rozdíl mezi hodnotou rozdílu mezi shortem a openem na přizpůsobení výstupu na testovací bráně a tedy i přesnost měření s můstkem (směrovost). Pokud můstek má např. rozdíl mezi open a short 1,5dB, potom je jeho výstup přizpůsoben pouze na 21dB, neboli se s ním těžko věrohodně bude dát měřit odrazy pod -20dB. Na toto je třeba myslet při měření.
Ale to se týká veškerých mikrovlnných měření obecně - není problém získat nějakou hodnotu, ale je důležité, zda jsme to změřili vhodnou metodou a zvolili správný postup, jinak můžeme získat absolutní hámotinu.

Jenom na závěr. Při použití vektorového měření ovšem lze chyby můstku vhodnou metodou měření odkalibrovat (podobně jako to asi dělá i NanoVNA při měření činitele odrazu S11) a chybu eliminovat.

Tak zatím se měj, pro dnešek to stačí.

Zkouška metody

V tomto okamžiku pokračuji v popsané zkoušce a prakticky si ověřím RF bridge. Úrovně na výstupu RF bridge.Out budu měřit pomocí nanoVNA, kanál CH1.

Přístroje: RF bridge 1 - 3000 MHz, nanoVNA. SMA zátěže open, short (z výbavy nanoVNA), 2ks SMA 50 Ohmů, další SMA impedance;

Zapojení (fotografie s propojením přístrojů je v tomto článku):

1. Bridge.Input na nanoVNA, CH0, propojeno krátkým jumperem SMA-SMA
2. Bridge.Out na nanoVNA, CH1, propojeno krátkým jumperem SMA-SMA
3. Bridge.Ref zakončen rezistorem SMA 50 Ohmů
4. Bridge.D.U.T. zakončen postupně open, short, match (50 Ohm), případně dalšími impedancemi;

Nastavení VNA: kmitočet 430 až 440 MHz, marker na 432.1 MHz, averiging z 10 měření, měříme úroveň pomocí portu CH1

Naměřené diagramy

Pro ilustraci uvádím celé obrazovky, aby byly vidět i hodnoty úrovní u markerů. Postupně jsou diagramy open, short, match.
Pro open a short jsem odečetl hodnoty -15.197 dB a -13.709 dB:
 		  
open  
short  
match  
    
Závěry z výsledků

1. Popsanou metodou jsme zjistili - viz první a druhé měření (open/short), že rozdíl v úrovních je 1.5 dB. Podle diagramu od Vojty (manuál HP) má tedy můstek tzv. Equivalent Test Port Match cca 21 dB. To platí pro kmitočet 432.1 MHz, na kterém jsme provedli zkoušku a odpovídá to hodnotě příkladu, který Vojta, OK1VAW uvedl.

Tedy metoda je vhodná pro měření odrazu do hodnoty cca 20 dB a pro kalibraci použiji průměrnou hodnotu z open/short, tj. 14.45 dB. Hodnota je použita v následující tabulce.

2. To budeme respektovat a připravíme si tabulku s hodnotami impedancí D.U.T. od 50.1 Ohmu do cca 200 Ohmů. Ve sloupcích (zleva) uvedeme Z, Z0, Z-Z0, Z+Z0, Gamma, atd. Hodí se nám pro jednoduché výpočty a pro vizuální kontrolu dat. Vpravo potom uvedeme vypočtené hodnoty RL (černá), VSWR (červená) a odečtená hodnota na výstupu Out (oranžová). Vymažeme dvě první hodnoty RL po kalibraci, protože RL je podstatně vyšší, než je přesnost můstku, uvedená v bodě 1. (Uvedl jsem 20 dB). Nejsme schopni ověřit přesnost můstku při měření s impedancí 50.1 Ohmů (match), kde RL je přes 60  dB. Vztahy, které platí mezi Z, Z0, Gamma, RL a VSWR jsem uvedl na této stránce. Nicméně, i když je hodnota mimo přesnost metody, tak orientačním součtem hodnoty z grafu (45.79 dB) a hodnoty kalibrace (14.45 dB) zjistíme, že RL bychom stanovili na RL= 60.2 dB a v tabulce je hodnota RL = 60.008 dB. Takže bychom si až tak velkou chybu nevyrobili.

3. Vyzkoušíme tedy změřit RL se zátěží D.U.T. na odlišnější hodnotě impedance. Na pozici D.U.T. připojíme atenuátor 6 dB. Víme, že tato zátěž odpovídá hodnotě RL = 11.7 až 12.7 dB (VSWR mezi 1.7 až 1.6). Podle tabulky bychom měli mít hodnotu "odečteno" něco mezi 26 až 27 dB. Podívejme se na obrázek pod tabulkou.

  
tabulka  
    
VSWR = 1.66  
   
Na kmitočtu 432.2 MHz, kde je marker, jsme naměřili hodnotu RL = 27.11 dB. Takže jsem dokázal, že Vojta, OK1VAW, nám uvedl pravdu i v této větě, viz jeho recenze v článku zde.

"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. "

Prakticky s tím můžeme dělat tak, že odečteme hodnotu na výstupu Out (kanál CH1). Od odečtené hodnoty odečteme ještě hodnotu ze sloupce kalibrace a získáme tak RL. Nebo odečtenou hodnotu porovnáme v tabulce s nejbližší hodnotou sloupce "odečteno" a ve sloupcích VSWR(červená) a RL(černá) zjistíme hodnoty VSWR a RL.

4. Za domácí úkol si promyslete, jak je to se znaménkem RL. Firma HP uvádí kladné znaménko, v programu k nanoVNA si lze zvolit, Vojta uvádí exaktně správně RL se záporným znaménkem, já používám kladné znaménko. Možná zjistíte, že je to jedno, ale důležitý je význam hodnoty, kterou reprezentuje a nelze vzájemně kombinovat obě interpretace. 		 
    
Metoda ok1ufc z předchozího článku a vidlácká kalibrace - jak jsem na tom s přesností?
 		  
Zopakuji, co jsem vyčetl z obrazovek nanoVNA, když jsem nepoužil metodu kalibrace open/short, ale kalibroval jsem si na konkrétních hodnotách VSWR, které jsem si vypočítal pro koaxiální SMA atenuátory (do 6GHz) s různým útlumem. Při měření na 432,2 MHz jsem měl tyto pevné body ve vesmíru - viz malá tabulka č. 2 vpravo. Moc toho není, pouze vidíme, že pro VSWR menší, než 1.1 ukazuje nanoVNA na výstupu RFbridge.Out hodnoty menší než -65 dB, pro VSWR = 1.66 (zaokrouhlil jsem si ji na 1.7) ukazuje úroveň -26 dB, a pro VSWR = 5 jen -18 dB. tabulka 2  
Mám tedy tři body, získané snadným měřením. Mohl bych takto určit i více bodů. Nicméně dnešní úkol je odhadnout přesnost vidlácké metody pouze z těchto tří bodů. Tedy žádná kalibrace open/short. Považuji tyto body za pevné body ve vesmíru, hodnoty VSWR odpovídají odrazům na koaxiálních atenuátorech SMA. Proto se pouštím do jednoduché aproximace, kterou dělám pomocí dvou lomených čar, které jdou skrz uvedené tři body. Aproximace je vidět v tabulce podobné, kterou jsem ověřoval předchozí metodu. Sloupce tabulky s pomocnými veličinami vidíme na této třířádkové tabulce.
 		  
tabulka 3  
 
Tabulku doplníme o další řádky tak, aby impedance Z šla s krokem 5 Ohmů od 50 (použijme 50.1 kvůli výpočtu logaritmu, který není pro nulu definován), další hodnoty budou 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85 Ohmů (tomutp bodu odpovídá VSWR = 1.7) a dále 90, 95, ..., 250 Ohmů. Žlutou barvou jsou zdůrazněné ty tři pevné body vesmíru. Hodnotu pro VSWR = 1.002 vynechávám, zobrazená hodnota úrovně značně poskakovala. První lomená čára je strmá. Strmost je asi 6 dB na jednu desetinu VSWR. Druhá lomená čára tak strmá není, dokonce jen 0,00616 dB na desetinu VSWR. Údaj ve sloupci VSWR (červený) odpovídá zobrazené hodnotě na displeji (černý tučný sloupec hned vedle vpravo).
Tabulka, podobně jako v předchozím případě byla stanovena výpočtem ze stejných vzorců. Můžeme se pokusit nacejchovat hodnoru RL (černý sloupec vlevo od VSWR) k zobrazené hodnotě (vpravo od VSWR). Použijeme k tomu extrapolované zobrazené hodnoty získané aproximací mezi pevnými body. Můžeme stanovit i kalibrační rozdíl (sloupec kalibrace). Extrapolované zobrazené hodnoty jsou mezi třemi žlutými řádky. Změřený a extrapolací dopočítaný RL je uveden v pravém sloupci (oranžový, tučný).
 		  
tabulka 4  
    
Z tabulky vidíme, že hodnoty RL změřené a extrapolované se od těch teoreticky stanovených neliší. Moje vidlácká metoda nám stanovila nejen VSWR s přesností na jednu desetinu, ale i RL, který se liší maximálně o desetinu proti vypočteným hodnotám.

Závěr

Kalibraci RF bridge se nevyhneme. Vojta, OK1VAW nám popsal z manuálů, z praxe a ze školy notoricky známou metodu, podle které si snadno na konkrétním kmitočtu můstek nakalibrujeme a vystačíme s jednou korekční tabulkou, jednou kalibrační konstantou a se 2 (open a short) kalibry, které pro daný kmitočet vyhovují.

Moje metoda potřebovala 3 kalibry (pro VSWR = 1.1, VSWR=1.7 a VSWR = 5). Korekce nevyužila žádné tabulky, ale musela být provedena aproximace pomocí lomené čáry (složené ze dvou přímek - použito nebo více přímek) mezi 3 body. Tabulkový kalkulátor je vhodný a hodnoty mezi kontrolními body jsou interpolované. Ve zkoumaném rozsahu metoda dala stejně přesné (možná nepodstatně přesnější) výsledky naměřeného VSWR či RL. Já jsem tuto metodu v prvním kroku upřednostnil, protože konkrétní kalibry pro VSWR = 1.1, 1.7, 5.0 se mi jevily v mém vesmíru mnohem bližší, než vzdálené open a short hodnoty.

Tabulka pro získání hodnot VSWR a RL z odečtených hodnot je zde (je i v předchozím článku). Pro VSWR mezi 1,1 až 2 můžeme použít interpolaci. Pro hodnoty VSWR mezi 2 až 5 (RL mezi 10 dB až 3.5 dB) je již krok dostatečně jemný.
 		  
tabulka kalibrační  
   
   
TU 73, Mira, ok1ufc