При настройке антенно-фидерных систем важно правильно измерить
коэффициент стоячей волны (КСВ). Этот параметр в любительских условиях
обычно измеряется с помощью КСВ-метра на фиксированной частоте, а
частотная характеристика антенны строится рядом последовательных
замеров. Для однодиапазонной антенны этот классический метод вполне применим.
Но чтобы настроить таким образом 7-и диапазонную КВ антенну, в которой
изменение размеров одного конструктивного элемента влияет в разной
степени на ее параметры на нескольких диапазонах, потребуется масса
усилий и времени.
Тут необходим профессиональный антенный анализатор, который выведет на
дисплей или экран ноутбука график значения КСВ, а также активного и
реактивного сопротивления антенны в зависимости от частоты. Удобно и
наглядно. Именно к такому выводу я пришел, когда смонтировал на дачном
участке на крошечной, с трудом отвоеванной у жены площадке, всеволновую
КВ антенну GAP TITAN DX.
Во всей остроте встал вопрос – покупать фирменный антенный анализатор
или делать его своими руками. Учитывая, что этот прибор нужен не чаще раза в
год, а на приобретение антенны уже была потрачена изрядная сумма денег,
я склонился ко второму варианту.
Антенный анализатор должен быть по возможности простым, его настройка и
калибровка должна быть доступна в домашних условиях без использования
каких-либо образцовых приборов. Он должен обеспечивать панорамное
измерение КСВ, X и R с выводом графиков на экран компьютера и (или)
собственного дисплея в частотном диапазоне 1-30 МГц. Ну, и конечно,
стоимость комплектующих должна быть существенно ниже стоимости самого
дешевого серийно выпускаемого антенного анализатора. Противоречивые
требования...
В качестве контроллера я решил использовать готовую отладочную плату
Arduino Uno R3. И после длительных поисков и анализа существующих решений
нашел хороший вариант антенного анализатора, который доступен для
изготовления своими руками.
Впервые описание схемы, конструкции и принципа действия антенного анализатора,
удовлетворяющего, на мой взгляд, всем перечисленным требованиям, было опубликовано
в журнале «Funkamateur» №12 за 2004г. Авторы – Davide Tosatti (IW3HEV)
и Alessandro Zanotti (IW3IJZ). Журнал «Радиохобби»
в №1 за 2005г. опубликовал сокращенный перевод этой статьи. За прошедшее
с той поры десятилетие идея не только не устарела, но и получила дальнейшие развитие.
Польский радиолюбитель Jarek (SP3SWJ)на своем сайте
разместил массу информации по дальнейшему развитию идеи. Множество вариантов
схем и конструкций от VNA MAX 1 до VNA MAX 6, масса ссылок.
Частотный диапазон от 1-30 МГц до 1-500 МГц. К сожалению, сайт, на мой взгляд,
совершенно «бестолковый». Очень сложно понять, какая прошивка и какая программа
для какой схемы. Где первая версия, а где последняя и т.п. Полную информацию,
необходимую для повторения, выловить очень не просто, а для некоторых схем
ее просто нет.
Davide (IW3HEV) организовал серийное производство своего антенного
анализатора под брендом miniVNA.
Красивая коробочка позволяет проводить измерения в диапазоне от 100 КГц
до 200 МГц, а с дополнительным блоком и до 1,5 ГГц. Все хорошо, но почти
400€ за это чудо техники для российского радиолюбителя дороговато...
Схема и описание miniVNA опубликовано в журнале «A Radio. Praktica Elektronika»
№10 за 2007 г.
После этого краткого экскурса в историю перейдем к делу. Структурная
схема антенного анализатора VNA показана на рисунке.
Сигнал с генератора на основе DDS через направленный ответвитель
подается в исследуемую антенну. Сигналы с датчика прямой и отраженной
волны подаются на уникальную микросхему от Analog Devices – AD8302. На
ее выходе формируются два аналоговых сигнала. Первый пропорционален
отношению амплитуд входных сигналов, второй – разности их фаз.
По этим двум значениям можно рассчитать все характеристики антенны, в
том числе КСВ тракта, активную и реактивную составляющие входного
сопротивления антенны.
Комплектующие для этого антенного анализатора в общем-то достаточно
редкие, но вполне доступные. Проблема в том, что найти все необходимые
компоненты у одного продавца невозможно. А если приобретать в разных
российских интернет магазинах, транспортные расходы становятся слишком
большими. К счастью, есть Aliexpress и eBay. В общем, без помощи
братского китайского народа я бы ничего не смог сделать.
Как я уже писал, основное требование к этой конструкции – простота
изготовления и минимальная стоимость. При сохранении необходимых
метрологических характеристик, разумеется. Поэтому я использовал в
конструкции два готовых модуля. Первый – это модуль синтезатора на
основе DDS AD9851. На небольшой плате смонтирована микросхема
синтезатора, тактовый генератор и вся необходимая обвязка. И стОит этот
модуль в Китае дешевле одной микросхемы DDS в России.
Второй модуль – «Arduino Uno». Это популярная отладочная плата на
основе микроконтроллера ATmega328. Она включает в себя микроконтроллер,
всю необходимую обвязку и конвертер USB-COM для связи с компьютером. И
опять же его стоимость в Китае соизмерима со стоимостью одного
микроконтроллера в России…
А вот измерительный модуль пришлось собирать самостоятельно. Его схема
показана на рисунке. Сигнал с модуля DDS подается на монолитный
усилитель DA1 типа GALI производства
Mini-Circuits.
Важнейшая часть измерительного модуля – направленный ответвитель T1. От
его качества зависит точность и частотный диапазон анализатора. Это так
называемый «Tandem Match» – трансформатор на двухдырочном бинокле.
Подробно методика изготовления «Tandem match» описана в статье в
упоминавшемся выше журнале Funkamateur и в pdf файле, ссылка на который
в конце этой странички.
К разъему X1 подключается антенна. В показанном на схеме отключенном
состоянии реле K1 сигналы прямой и отраженной волны с направленного
ответвителя через аттенюаторы 10 db на резисторах R9, R10, R15 и R11,
R12, R16 подаются на входы DA3 AD8302. Аттенюаторы нужны для исключения
перегрузки AD8302.
Этот антенный анализатор можно использовать и для исследования
амплитудно-частотных характеристик электрических цепей. При включенном
состоянии реле K1 сигнал с разъема X1 может быть подан на исследуемую
цепь, сигнал с выхода этой цепи подается на разъем X2. Таким образом
можно настроить полосовой фильтр, снять характеристику кварца и т.п.
Аналоговые сигналы, пропорциональные отношению амплитуд и разности фаз
прямой и отраженной волны с выхода DA3 подаются на АЦП микроконтроллера
ATmega328 в модуле Arduino Uno. Учитывая, что ноутбук в наше время перестал
быть роскошью, я решил на первом этапе отказаться от собственного
индикатора в этом антенном анализаторе. Вся информация выводится на
экран ноутбука, к которому анализатор подключается через интерфейс USB.
Дополнительного питания не требуется, хотя на плате и предусмотрен
стабилизатор на 5 В. Это в расчете на будущую модернизацию для
возможности работы в автономном режиме. Конечно, на крыше с ноутбуком не
всегда удобно, но зато читать информацию с большого экрана гораздо
комфортнее и нагляднее, чем с небольшого дисплея.
Подключение измерительного модуля к плате Arduino показано на рисунке
Программу для ATmega328 я написал на Си в среде CodeVisionAVR v2.05.0.
Совсем не обязательно программировать Arduino в ее фирменной среде. Это
имеет смысл только для тех, кто впервые сталкивается с программированием.
Тем же, кто имеет представление о других языках программирования, нет
никакой необходимости разбираться в синтаксисе и других тонкостях языка
Arduino. Ведь это упрощенный до предела Си, в котором отсутствует
встроенный отладчик, тщательно скрыты от пользователя все аппаратные
модули внутренней периферии контроллера. А о возможности ассемблерных
вставок даже и речи нет.
Есть, конечно и плюсы у Arduino. Основной, на мой взгляд, это
возможность загрузки программы в контроллер без программатора, используя
смонтированный на плате конвертер USB-COM. Как это сделать читайте в полном
описании, ссылка в конце этой странички. Предварительно потребуется скачать
последнюю версию программного обеспечения Arduino с
официального сайта
и установить из него драйвер конвертера USB-COM.
Для загрузки HEX файла в Arduino Uno потребуется также программа XLoader,
архив с дистрибутивом которой нужно скачать с
сайта ее автора.
Локальная ссылка есть в конце странички. Работа с программой проста и интуитивно понятна,
подробности в полном описании.
Несколько слов об использованных деталях. Все резисторы и неполярные
конденсаторы SMD типоразмеров 1206 или 0805. Индуктивности L1 и L2 могут
быть как SMD, так и обычные для монтажа в отверстия. Резисторы R4 и R6
калибровочные, необходимость их установки и номиналы определяются при наладке.
Стабилизатор DA2 в данной версии не используется, т.к. анализатор
питается от USB. Он установлен в расчете на будущую доработку
конструкции.
Обратите внимание на установку джамперов на модуле DDS. Они должны быть
установлены именно так, как показано на рисунке – замкнуты J1 и J3,
остальные разомкнуты. Схему и описание модуля DDS также можно скачать по ссылке
в конце странички.
Для наладки желательно иметь ВЧ вольтметр, а лучше осциллограф с
полосой пропускания хотя бы несколько мегагерц и частотомер. В крайнем
случае можно обойтись ВЧ пробником на диоде и мультиметром. Здесь я не буду
подробно описывать наладку, желающие могут ознакомиться с ней в полном описании,
Антенный анализатор работает под управлением программы Ig_MiniVNA.
Ее последнюю версию до недавнего времени можно было загрузить с сайта
http://clbsite.free.fr/. К сожалению, в 2015 г. ссылка перестала работать.
Так что загружайте с моего сайта. Ссылка ниже. Это последняя версия программы.
Действительно последняя, т.к. по утверждению автора при крахе компьютера
он потерял все... Но программа работает как на Windows XP, так и на Windows 7 64 бит.
Работа с программой проста и интуитивно понятна, детали смотрите в полном
описании, а также
на сайте SP3SWJ.
Этот сайт, к сожалению, только на польском языке и в большом беспорядке...
Для примера привожу вид окна программы при исследовании моей антенны в
диапазоне 40м. Наглядно видно, что резонанс сдвинут вниз по частоте.
Надо настраивать.
Частотный диапазон анализатора определяется в первую очередь
направленным ответвителем, материалом его сердечника, аккуратностью и
симметричностью намотки. Верхняя граница частотного диапазона зависит от
типа DDS. Теоретическое предельное значение – половина тактовой частоты
DDS, в данном случае это 90 МГц. Реально удовлетворительные параметры
обеспечиваются до частоты не более 1/4 тактовой, т.е до 45 МГц. Но
больше 30 МГц для КВ антенны и не нужно.
Антенный анализатор может работать под управлением еще одной программы - vna/J,
которую написал Dietmar Krause (DL2SBA). Ее можно скачать
с его сайта.
Программа написана на JAVA и может работать не только под Windows, но
также под Linux и Mac.
Разумеется, предварительно нужно установить на компьютер JAVA.
Интерфейс vna/J похож на IG_MiniVNA. Только после запуска программы из
списка поддерживаемых устройств нужно выбрать miniVNA. Работа с этими
программами практически аналогична. Для vna/J на страничке «Manuals» сайта DL2SBA
есть подробные инструкции по установке ПО, калибровке анализатора, а также
руководство пользователя.
Если эта конструкция Вас заинтересовала, можете ознакомиться с полным описанием,
скачать чертеж печатной платы измерительного блока в формате Sprint Layout, его
схему в формате sPplan, а также подробную методику изготовления направленного ответвителя
«Tandem match», прошивку и проект программы для Arduino Uno. Для удобства я
выкладываю все упомянутые выше статьи из журналов, а также программы Ig_MiniVNA и XLoader.
Внимание! При изготовлении печатной платы следует учитывать, что использованное
в схеме реле чувствительно к полярности подключения обмотки. Если на обмотку
подать напряжение обратной полярности, реле не сработает. Это может привести
к погрешности при калибровке прибора. Поэтому перед изготовлением печатной
платы следует уточнить по datasheet, куда нужно подавать плюс, а куда минус.
Можно просто подать на обмотку 5 вольт и убедиться, что контакты перекидываются.
Если полярность использованного вами реле не соответствует печатной плате,
следует подкорректировать рисунок дорожек. Если плата уже изготовлена,
придется резать дорожки - менять местами подключение выводов обмотки. Убедиться,
что реле срабатывает в уже собранном анализаторе можно, если отключить провод
«Rele» от Arduino и подключить его к +5 В.
