Aktualizováno v listopadu 2019

      
 

  Změření impedance a odrazu na vstupu balunu, změření útlumu balunu při přenosu
 
Úvod

Použité přístroje:
1. Vektorový analyzátor (v příkladech použit nano VNA).

Použitý konektor: CH0 (TX) a CH1(RX)
Použité adaptéry: propojovací jumper VNA - balun vstup, propojovací jumper balun výstup (rezistor) - VNA, bezindukční rezistory (dle transf. poměru), měřený balun
Zobrazované typy grafů: impedance S11 Smithův diagram, charakteristiky S11 Return Loss, S11 VSWR, S21Gain
Měřené veličiny: měření impedance na vstupu, měření odrazu na vstupu, měření útlumu při přenosu
Software: https://github.com/mihtjel/nanovna-saver/releases

Cíl měření

1. Změřit průběh impedance na vstupu přizpůsobeného balunu (výstup zatížen jmenovitou impedancí).
2. Změřit činitel odrazu na vstupu přizpůsobeného balunu.
3. Změřit útlum balunu při přenosu.

Poznámka: Bude měřen napěťový balun Ruthroffova typu, dvě vinutí, transformační poměr 1:4, určený pro napájení aperiodické antény (provedení podobné typu EWE, případně Beverage). Někdy se takovému typů balunu říká UNUN.
 
Princip měření na balunech s různým transformačním poměrem

VNA má vstup CH0 i CH1 zkonstruován pro jmenovitou impedanci Z = 50 Ohmů. Při měření musíme provést přizpůsobení tak, aby vyhovovalo měřenému balunu, tj. je nezbytné balun zatěžovat odpovídající impedancí s ohledem na jeho transformační poměr. Přizpůsobení na výstupu balunu provedeme bezindukčním rezistorem R, zapojeným v sérii s výstupem balunu. Musíme si uvědomit, že takové přizpůsobení je bezodrazové, jednoduché, ale vnáší nám do měřicího okruhu ztrátu, která se projeví jako útlum při měření. Tento útlum se samozřejmě nemůže projevit v reálném provozu, kde žádný rezistor není. Musíme proto velikost útlumu stanovit výpočtem a jeho hodnotu odečíst od naměřených výsledků.

Poznámka: Logickou úvahou dospějeme k názoru, že pokud je v sérii se vstupní impedancí kanálu CH1 (Z=50 Ohmů) v sérii rezistor o velikosti 150 Ohmů, tak rezistorem protéká stejný proud, jako zatěžující impedancí. Hodnota rezistoru (150 Ohmů) je 3 x vyšší, než hodnota zátěže (50 Ohmů). Výkon se tedy rozdělí na 4 stejné díly, 1/4 se zmaří na zátěži vstupu VNA a 3/4 se zmaří na rezistoru R. Útlum tedy je A = 10 x log (1/4) = 10 x log (0.25) = 10 x (-0.6) = - 6 dB nebo jinak A = 10 x log (200/50) = 10 x log (4) = 10 x 0.6 = 6 dB. Zda je poměr větší nebo menší než 1 tedy není v úvaze podstatné, musíme si však vždy uvědomit, že jde o útlum.

Schéma zapojení při měření na balunu
 
Schéma
Princip přizpůsobení vysvětlený pomocí Smithova diagramu (pro dva různé transformační poměry balunu)
 
200 Ohm balun
  
450 Ohm balun
  
Naměřené výsledky na napěťovém balunu s poměrem 50/200 Ohmů
  
Výsledky měření
  
Slovní vyhodnocení výsledků

Jednalo se o první prototyp balunu, který byl vyroben pro použití v přijímací cestě u antén typu EWE, případně Beverage. Cílem návrhu bylo, aby balun měl na pracovních kmitočtech maličký odraz a neměřitelné ztráty.

Naměřené výsledky - viz markery č. 1 a č. 2, kmitočet 1.8 MHz, VSWR = 1.006, RL je menší než -50 dB, kmitočet 3.5 MHz, VSWR = 1,08, RL je menší, než - 28 dB.
Ztráty - po odečtení hodnoty dodatečného útlumu na rezistoru R ve výši 6 dB z přenosové charakteristiky balunu vidíme, že ztráty jsou neměřitelné.

Poznámky:

1. Pod navrženým kmitočtem rychle roste odraz (také VSWR). To je typické pro napěťové baluny. Jev nám určuje spodní použitelný kmitočet balunu.
2. Přibližně od kmitočtu 1.8 MHz se začíná pozvolně zvyšovat odraz. Roste VSWR. To je dané vlastnostmi poměrně dlouhého vedení (vinutí) balunu. Tento jev je také typický pro napěťové baluny. Určuje nám horní použitelné pásmo. To je v našem případě 3.5 MHz, s ohledem na měření je balun ještě použitelný v pásmech 40m a 30m.
  
Závěr


Důležité poznámky

Zopakuji opět základní role balunu. S poznámkou, že jsme měřili jen jeho první roli ve dvou parametrech.

1 a. První základní role balunu je přenést výkon z nesymetrického vstupu na symetrické svorky. Měřením a odpočtem ztráty na rezistoru R jsme zjistili, že balun má neměřitelný útlum. Výkon přenáší velmi dobře, tj. s maličkými ztrátami.

1 b. Balun nesmí mít impedanční skok na vstupu, tj. nesmí odrážet energii zpět do generátoru. Na kmitočtu, který byl předmětem zájmu jsem naměřil RL = -50 dB.

2. Druhá základní role balunu - balun musí dobře izolovat symetrickou neuzemněnou část vedení (antény) vůči nesymetrické, zpravidla uzemněné části vedení (koaxiální napáječ). Nesymetrie způsobují existenci tzv. společných zemních proudů (common mode currents). Společné zemní proudy nás otravují při vysílání, pokud nám tečou po plášti až do hamovny, do uzemnění nebo do rozvodné sítě NN přes napájecí zdroje. Nejhorší však je, že symetrické antény, které nejsou dobře "izolované" od země, přijímají hluk a znemožňují nám příjem slabých signálů. Tato druhá role balunu není v úloze měřena. Jedná se o rozsáhlejší problematiku, která byla dříve řešena v první publikaci a v této je uvedena jako samostatné téma.

Upozornění

Měření na balunech s transformačním poměrem 1:1 uvádím v tomto článku. Postup obsahuje popis jednoduché metody, jak zjistit experimentálně transformační poměr balunu.
  
 
   
TU 73, Mira, ok1ufc