SQ7JHM      
 
Mikroprocesorowy  miernik  SWR  i  miernik  mocy                                                               Świat Radio  kwiecień 2014
Miernik  mostkowy  SWR - KF                                                                                        maj 2006
Szerokopasmowy miernik do pomiaru SWR, nie posiada indukcyjności przez co jego możliwości pomiarowe rozciągają się od częstotliwości 2MHz do 160MHz. Ja zastosowałem ustrój pomiarowy o czułości 100mikroA z przełącznikiem pomiaru fali padającej i odbitej. Można zastosować podwójny ustrój pomiarowy i wtedy przełącznik nie jest potrzebny. Zastosowałem oporniki o mocy 2W. Miernik został opracowany przez krótkofalowca XQ2FOD w roku 1990. Swoim podłączeniem do wyjścia wzmacniacza o oporności poniżej 100ohm powoduje obciążenie końcówki mocy bez zagrożenia jej uszkodzeniem.

Miernik  SWR  UKF  144MHz                                                                                          Świat Radio luty 2002
Opracowany miernik do pomiaru współczynnika fali odbitej charakteryzuje  się  prostotą  wykonania  i dużą powtarzalnością parametrów przy wykonaniu kilku modeli. Do jego wykonania zastosowano łatwo dostępną miedzianą rurę zakupioną w sklepie hydraulicznym o średnicy zewnętrznej 15mm oraz rurkę miedzianą lub mosiężną o średnicy zewnętrznej 4mm. Z rury odcięto część o długości 110mm. Długość tego odcinka  rury  nie jest  krytyczna  i nie  ma  znaczącego wpływu na wyniki pomiaru. Następnie dopasowano wewnętrzną średnicę rury do gniazda UC1. Wykonano otwory na przepusty oraz jeden otwór technologiczny o średnicy 7mm w jednym z końców rury. Przepusty w postaci tulejek tekstolitowych o średnicy 4mm wklejono klejem epoksydowym na wcisk, wysuwając je do wewnątrz tak, aby linie sprzęgające znalazły się w połowie wolnej przestrzeni pomiędzy ściankami rurek. Konstrukcję reflektometru pokazano  na  rysunku. W praktyce krótkofalarskiej niezbędne jest dopasowanie wyjścia nadajnika do linii zasilającej i do anteny.
Przy wartości WFS=1 zostałaby przekazana cała moc wytworzona w końcowym stopniu wzmacniacza mocy  do  anteny.  W  rzeczywistości  tak  nie  jest. Efektywność tego dopasowania mierzy się reflektometrem - miernikiem włączonym w linię przesyłającą sygnał nadawczy do anteny. W tym celu wyodrębniono w linii przesyłowej odcinek falowodu, w którym wstawiono dwie równoległe pomiarowe linie sprzęgające  Lo  oraz  Lp  położone symetrycznie po obu stronach przewodu środkowego. Schemat elektryczny przedstawiono na rysunku. Przy odpowiednim połączeniu i spolaryzowaniu diod uzyskuje się dwa sygnały: jeden pochodzący od fali padającej w linii Lp, a drugi od fali odbitej w linii Lo. Składowe stałe tych sygnałów odczytujemy na mierniku wychyłowym. Dopasowanie anteny zmierza do uzyskania minimum fali odbitej, czyli do WFS=1. Przy dobrym wykonaniu anteny i dopasowaniu do kabla WFS nie powinien  przekraczać  1,5.
                Konstrukcja  reflektometru

Linie sprzęgające wykonano z drutu srebrzonego o średnicy 1mm zaginając na długości 50mm. Rurkę miedzianą lub mosiężną o średnicy 4mm, przylutowano z jednej strony do środkowej żyły gniazda UC1, a z drugiej strony po złożeniu całości, wkładając grot  lutownicy  przez  otwór  technologiczny. Wygląd rury miedzianej z wykonanymi otworami i wklejonymi tulejkami pokazano na  zdjęciu.
Skalę miernika i nalepkę czołową wykonano w programie graficznym, drukując je na kolorowym papierze jednostronnie przylepnym, laminowanym po stronie  nadruków.  Procedura  skalowania  miernika  przebiega  następująco:
-  podłączamy krótkim przewodem gniazdo wejściowe miernika do nadajnika,
-  podłączamy  do  wyjścia  miernika  opornik  obciążeniowy  50ohm ,
-  ustawiamy  przełącznik  funkcyjny  na  pozycję  "2",
-  ustawiamy  moc  wyjściową  nadajnika  na  około 5W,
-  włączamy  falę  nośną  korygując  potencjometrem  wychylenie wskazówki  miernika  na  koniec  skali,
-  ustawiamy  przełącznik  funkcyjny  na  pozycję  "3",
-  zaznaczamy na skali miernika odpowiadającą wartość WFS według tabeli 1,
-  powtarzamy opisane czynności podłączając kolejno coraz większe wartości R,
       pamiętając o jak najkrótszym włączaniu fali nośnej w czasie skalowania.
Podczas skalowania miernika mocy należy dobrać wartość opornika R3 wstawiając opornik o zmiennej wartości.

R=50ohm          SWR=1,0          -0%
R=75ohm          SWR=1,5          -3%
R=100ohm        SWR=2,0        -11%
R=150ohm        SWR=3,0        -25%
R=200ohm        SWR=4,0        -36%
R=250ohm        SWR=5,0        -48%

Pokazano  zależności wartości WFS od oporności obciążenia stopnia końcowego  nadajnika  oraz  straty  mocy  wynikające  z niedopasowania. Obciążenie nadajnika można wykonać samemu wykorzystując kilka oporników bezindukcyjnych - metalizowanych, nie nacinanych w spiralę - o mocy 2W i oporności 50ohm   i  100ohm    łącząc  je  odpowiednio i lutując do gniazda UC1. Przy włączonej nośnej, w pozycji "1", odczytamy wartość mocy nadajnika, w pozycji "2" ustawiamy wskazania miernika na końcu skali  a w pozycji "3" odczytamy wartość WFS. Skalowanie  można  przeprowadzić  włączając  szeregowo  miernik  fabryczny. Układ zmontowano w obudowie z płyt tekstolitowych o grubości 4mm klejonych klejem epoksydowym. Po wstępnej obróbce pilnikiem obudowę szlifowano i malowano natryskowo czarną, matową farbą. Rozmiary obudowy są zależne od wielkości miernika wychyłowego,  rozmieszczenia  potencjometru  i  przełącznika.

Na zdjęciu pokazano wnętrze miernika. Widoczna jest rura zakończona przylutowanymi gniazdami UC1 oraz miernik wychyłowy i przełącznik funkcyjny. Zastosowano typowy miernik wychyłowy o czułości 100mikroA. Zamiast miernika wychyłowego można zastosować wskaźnik poziomu sygnału zbudowany przy użyciu układu scalonego UL1980 sterującego linijką 12 diod LED. Liczba zaświeconych  diod  jest proporcjonalna do sygnału pochodzącego z linii Lp i Lo. W wielu przypadkach wystarcza dwunastopunktowe wskazanie poziomu  dopasowania nadajnika i anteny. Zaletą takiego rozwiązania jest mała obudowa, wadą  konieczność  zasilania  układu  elektronicznego. Pomiary reflektometru wykonano z użyciem generatora funkcyjnego z dobudowanym wzmacniaczem szerokopasmowym o mocy wyjściowej 5W. Wyniki wskazują na szeroki zakres częstotliwości pracy przebiegający od 50MHz do 500Mhz. Przy częstotliwościach niższych od 50MHz niezbędne jest wydłużenie linii sprzęgających do 80mm a przy częstotliwościach wyższych od 500MHz ich skrócenie. Miernik sprawdza się w codziennej pracy krótkofalarskiej na pasmach 144MHz i 430MHz, a ze względu na minimalną tłumienność pozostaje na stałe włączony do linii.


                                                                                                             

SWR - standing wave ratio - to parametr charakteryzujący stopień dopasowania impedancyjnego pomiędzy wyjściem wzmacniacza mocy w.cz. a zestawem antenowym w postaci linii zasilającej i promiennika anteny. Jeżeli występuje niedopasowanie impedancyjne pomiędzy wyjściem wzmacniacza a zestawem antenowym wówczas przesyłana moc nie jest całkowicie przenoszona do promiennika anteny a pewna jej część zostaje odbita w kierunku wzmacniacza. Energie obu fal - transmitowanej w kierunku anteny Wpad i odbitej Wodb - wytwarzają falę stojącą w linii a współczynnik SWR można opisać wzorem (1). Ponieważ transmitowana energia jest wprost proporcjonalna do wartości amplitud fali padającej i odbitej to obliczenie SWR może zostać opisane wzorem (2).

(1)                                                                     (2)






Aby dokonać pomiaru współczynnika SWR wystarczy uzyskać napięcia pochodzące od fali padającej i odbitej z odpowiednio wykonanej głowicy pomiarowej włączonej w linię zasilającą. Z przedstawionych wzorów wynika, że przy idealnym dopasowaniu, kiedy nie występuje fala odbita, wartość współczynnika SWR=1. Kiedy wystąpi w linii fala odbita wartość tego współczynnika SWR>1.

Głowica pomiarowa to układ złożony z odpowiednio nawiniętego transformatora i innych elementów elektronicznych. Transformator nawinięto na rdzeniu dwuotworowym BN-43-202 z materiału ferromagnetycznego o przenikalności magnetycznej ľ=2200. W jednym z otworów rdzenia znajduje się drut Cu o średnicy 1mm, który jest częścią linii przesyłowej zasilającej antenę. Uzwojenie wtórne nawinięte na tym samym oczku rdzenia ma 13zw drutu Cu o średnicy 0,33mm. W drugim otworze tego rdzenia nawinięto uzwojenia tak jak w pierwszym. Sposób połączenia elementów obrazuje schemat i widok głowicy pomiarowej. Całość zamknięto w puszcze zlutowanej z blachy ocynowanej. Napięcia pomiarowe wyprowadzono za pomocą kondensatorów przepustowych 6,8nF. Tak wykonana głowica pomiarowa umożliwia uzyskanie na wyjściach napięć stałych proporcjonalnych do energii fal padającej i odbitej. W obudowie głowicy pomiarowej znajduje się również włączany przekaźnikiem opornik bezindukcyjny o mocy 100W  z radiatorem, niezbędny do pomiaru  mocy wyjściowej wzmacniacza. Ponieważ wartość tego opornika jest równa 50ohm skorzystałem z odpowiedniego wzoru. Matematyczną obróbkę wartości sygnałów wykonuje mikroprocesor ATMEGA8 zgodnie z programem napisanym w języku BASCOM. Napisałem program, który realizuje funkcje odczytu i wizualizacji współczynnika SWR oraz mocy wyjściowej wzmacniacza.









Analizator antenowy                                                                                      Świat Radio grudzień 2011
Przyrząd umożliwia wyszukanie częstotliwości rezonansowej anteny (zestawu antenowego) przez pomiar impedancji w całym paśmie KF. Umożliwia generowanie napięć oraz pomiar częstotliwości w zakresie KF za pomocą cyfrowego miernika częstotliwości. Na przedniej ściance znajduje się miliwoltomierz cyfrowy, który wskazuje impedancję zestawu antenowego. Oprócz tego występują: pokrętła poziomu sygnału na wyjściu, zmiany częstotliwości zgrubnej i dokładnej oraz przełącznik kalibracji wskazań SWR, przełącznik funkcji generatora lub miernika pomiaru częstotliwości. Kalibrację wykonuje się przełączając przełącznik na wewnętrzną oporność obciążenia, która jest równa 50ohm. Przyrząd zawiera zasilacz buforowy 230V oraz akumulator umożliwiający ośmiogodzinną pracę bez zasilania zewnętrznego. Zbudowany przeze mnie przyrząd zawiera generator przestrajany za pomocą potencjometra umożliwiającego zgrubne dostrojenie częstotliowości od 1,6MHz do 30MHz i drugiego, dziesięcioobrotowego umożliwiającego ustawienie dokładne. Na wyjściu generatora występuje sygnał o ampitudzie od 0V do 500mV. Generator zawiera układ scalony LTC1799 wysokiej skali integracji. Układ pomiarowy impedancji zestawu antenowego wykorzystuje metodę porównawczą. Przed pomiarem należy przeprowadzić kalibrację do oporności wzorcowej 50ohm. Możliwy jest pomiar impedancji w zakresie od 10ohm do 450ohm.
Schemat wielofunkcyjnego przyrządu pomiarowego: analizatora antenowego, generatora sygnałowego z układem scalonym LTC1799 i miernika do pomiaru częstotliwości  w zakresie od 1,6MHz do 30MHz.
Widok układu scalonego LTC1799 wlutowanego do płytki drukowanej
Przyrząd uzyskał nagrodę publiczności w konkursie PUK organizowanym przez Redakcję Świata Radio w roku 2011.
Widok analizatora antenowego w wersji ze wskaźnikiem wychyłowym.
Działanie oparte jest o pomiar impedancji metodą porównawczą. Podstawy teoretyczne zjawiska pomiaru opisane są w poprzednim mierniku. Układ szeregowo połączonej impedancji anteny Z=Ra±jXa z wzorcowym opornikiem bezindukcyjnym R=50ohm zasilany jest z generatora sygnałowego o częstotliwości przestrajanej w zakresie od 1,6MHz do 30MHz. Zmianę częstotliwości generatora dokonuje się zgrubnie potencjometrem 50k/A a dokładnie potencjometrem wieloobrotowym 10k/A.  Na ekranie LCD wyświetlane są częstotliwość generatora, impedancja zestawu antenowego, współczynnik SWR oraz wskazanie poziomu naładowania akumulatora.

Z położenia modułów napięć w trójkątach można wyprowadzić wzory do obliczenia Vra i Vxa.
Powyższe wykresy wskazowe obrazują dwa krańcowe stany: obciążenie rezystancyjne, kiedy antena jest w rezonansie oraz obciążenie zespolone kiedy antena wykazuje reaktancję pojemnościową lub indukcyjną. 
Generator, opornik wzorcowy i zestaw antenowy są połączone szeregowo w obwodzie zamkniętym stąd łatwo, na podstawie proporcji napięć VRA, VXA oraz VR, obliczyć składową czysto czynną RA i składową bierną pojemnościową bądź indukcyjną XA anteny. Obliczając współczynnik odbicia p można już łatwo wyliczyć wartość SWR.
Obliczone wartości można zobrazować na ekranie TFT. Miernikiem steruje oprogramowany mikrokontroler modułu Arduino Mega. Układ miernika cechuje się prostotą i łatwą budową. Natomiast dużą trudnością jest oprogramowanie zajmujące 44kB kodu, które napisałem w języku C/C++.  Miernikiem wykonałem już pomiary układów sztucznych anten oraz kilku anten rzeczywistych. Poniżej pokazałem wizualizację pomiarów sztucznych anten o układach przedstawionych na schematach. Wkrótce zamieszczę schemat i wizualizację pomiaru działających anten rzeczywistych.

Wykaz i orientacyjny koszt
elementów składowych
miernika:

obudowa             - 10zł
wyświetlacz       - 12zł
akumulator        -   8zł
gniazdo BNC       -   2zł
Atmega8            -   6zł
74HC74              -   1zł
74HC132            -   1zł
gen. LTC1799     - 12zł
pot. 10k/obr      - 16zł
pot. 50k/A         -   2zł
podstawki          -   3zł
kondensatory    -   3zł
oporniki             -   1zł
gałki                   -  7zł
-------------------------
Razem              - 150zł

 

Schemat głowicy pomiarowej pokazujący rozkłady napięć. Napięcia ADC podawane są na piny wejściowe wzmacniaczy operacyjnych kompensujących nieliniowość diod detekcyjnych podczas detekcji  sygnałów niskopoziomowych.
Kolejna poprawiona wersja miernika impedancji

Miernik  SWR                                                                                       Świat Radio kwiecień 2015
 
 
 
 
 
 
Jurek  SQ7JHM

 
Analizator Antenowy  SWR, X, Z   z wykorzystaniem platformy Arduino Mega                                    marzec 2017
Działanie oparte jest o pomiar parametrów anteny metodą porównawczą. Układ szeregowo połączonej impedancji anteny Z=Ra±jXa z wzorcowym opornikiem bezindukcyjnym R=50ohm zasilany jest z generatora sygnałowego DDS o częstotliwości przestrajanej w zakresie od 1MHz do 30MHz. Za pomocą joysticka ustawiam częstotliwość dolną i górną zakresu pomiarowego, włączam skanowanie i otrzymuję wykresy SWR, Z i X dla mierzonej anteny. W mierniku wykorzystałem moduł Arduino Mega z kolorowym ekranem o rozdzielczości 480p*320p. Nie posiadam umiejętności lutowania miniaturowych elementów SMD a zastosowanie platformy Arduino pozwoliło mi na zbudowanie miniaturowego miernika. W mierniku występuje kilka modułów: moduł generatora DDS, Arduino Mega z ekranem, głowica pomiarowa, moduł joysticka, przetwornica StepUp 3,7V/5V i ładowarka do akumulatora LiJon.  Połączenie tych modułów kilkoma przewodami nie nastręcza już najmniejszych kłopotów. Miernik zasilany jest akumulatorem typu 18650 o pojemności 2200mAh co pozwala na kilkugodzinną pracę bez zasilania zewnętrznego. Sterowanie i wprowadzanie danych odbywa się za pomocą joysticka co dla miernika trzymanego w ręku okazało się ergonomiczne. Wymiary miernika: 10,5cm*11,5cm*2,5cm.

Menu kompleksowe. Na ekranie widoczne są wszystkie dostępne ustawienia jednocześnie. Wybieram krok zmiany częstotliwości a następnie dokonuję ustawienia częstotliwości dolnej i górnej zakresu pomiarowego. Zmniejszam krok i ustawiam dolną i górną częstotliwość zakresu pomiarowego z większą dokładnością lub zawężam zakres pomiarowy. Po wykonaniu tych ustawień wybieram skanowanie. Otrzymuję na ekranie wykresy SWR-biały, X-czerwony, Z-żółty dla mierzonej  anteny. Przebiegi wykresów wskazują na minima SWR czyli dostrojenie anteny. Umiejętna analiza tych wykresów pozwala na wnioskowanie o ewentualnej zmianie wymiarów anteny czy zmianie dostrojenia. Można również wykorzystać miernik jako stabilny, wzorcowy generator DDS o częstotliwości w zakresie od 100kHz do 30MHz. Na ekranie widoczne jest wskazanie napięcia na akumulatorze LiJon, które pozwala ocenić stopień jego naładowania. Akumulator posiada zabezpieczenie przed nadmiernym wyładowaniem więc nie ma obawy o jego uszkodzenie. Można wyczerpywać jego energię aż do wygaszenia ekranu. Miernik posiada wewnętrzną ładowarkę więc wystarczy podłączyć źródło zasilania 5V i akumulator zostanie naładowany. Czas pracy na akumulatorze wynosi około 4 godzin a czas ładowania około 6 godzin. 
 

Zdjęcie po lewo pokazuje wnętrze miernika. Widoczny jest moduł Arduino Mega, pod spodem ekran a między nimi płytka z modułem generatora DDS. W dolnej części obudowy widoczny układ głowicy pomiarowej i moduły zasilania z akumulatorem LiJon. Powyżej zdjęcie głowicy pomiarowej.
Wynik pomiaru układu sztucznej anteny. Schemat układu po lewej stronie. Zakres pomiarowy od 2MHz do 10MHz.
Wynik pomiaru układu sztucznej anteny. Schemat układu po lewej stronie. Zakres pomiarowy od 2MHz do 10MHz.
Wynik pomiaru rezonatora kwarcowego o częstotliwości 8MHz. Widoczny rezonans szeregowy i równoległy kwarcu. Zakres pomiarowy od 7996kHz do 8002kHz.
SQ7JHM                        
Obudowę wykonano klejąc żywicą epoksydową kształtki aluminiowe z bakelitem. Po oszlifowaniu obudowę malowano matowym lakierem. W obudowie głowicy pomiarowej znajduje się również włączany przekaźnikiem opornik bezindukcyjny o mocy 100W  z radiatorem, niezbędny do pomiaru mocy wyjściowej wzmacniacza. Ponieważ wartość tego opornika jest równa 50ohm skorzystałem z odpowiedniego wzoru. Matematyczną obróbkę wartości sygnałów wykonuje mikroprocesor ATMEGA8 zgodnie z programem napisanym w języku BASCOM. Napisałem program, który realizuje funkcje odczytu i wizualizacji współczynnika SWR oraz mocy wyjściowej wzmacniacza. Obudowę wykonano klejąc żywicą epoksydową kształtki aluminiowe z bakelitem. Po oszlifowaniu obudowę malowano matowym lakierem.


Wykres po lewej stronie obrazuje przebieg SWR, Z oraz X dla anteny rzeczywistej, w paśmie od 3,3MHz do 7,4MHz. Na tej antenie robię łączności. Jest to skrócony dipol z ramionami o długości 12,5m. W odległości 10,2m od szczytu anteny występują cewki o indukcyjności 122mikroH. Za cewkami są jeszcze odcinki drutu o długości około 2,3m. Antena znajduje się na wysokości 7,5m nad ziemią.
Wykresy poniżej pokazują zawężony obszar pomiaru odrębny dla pasma 80m i dla pasma 40m. Linia biała to wartości SWR, linia czerwona to wartości reaktancji a linia żółta obrazuje wartość impedancji.
Schemat miernika antenowego. Widoczny moduł generatora DDS, wzmacniacz sygnału DDS, głowica pomiarowa z opornikiem wzorcowym 50ohm, moduł Arduino Mega, układ joysticka, wzmacniacze operacyjne korygujące charakterystyki diod detekcyjnych. Napięcie zasilające pochodzi z przetwornicy StepUp, która przetwarza napięcie akumulatora LiJon na 7,5V. Układ Arduino Mega posiada wewnętrzny stabilizator napięcia 3,3V i 5V.