Kunsten å forstå Retningskoblere.

Transkript

1 Kunsten å forstå Retningskoblere. V2.1 Retningskoblere (Directional Coupler) er innrettninger som måler en del a signalet som går i en retning. Disse kalles også for standbølge meter (SWR meter) i HF/VHF og UHF regionen. Bruksområde er måling av sender effekt ut fra sender, reflekterte effekt tilbake fra antenner, brukes til å samle signalgenerator ut signal med en diode for å jevne ut signalnivået. Den kan også brukes til å legge til noe på signalet, som eks tilføre støy for støymålinger, legge til et svakt kalibrerings signal mm. Kalibrering: Rettningskoblerens retningssans må kontrolleres før bruk. Ja, når du skal måle motstand med multimeteret ditt, så korslutter du testledningene først og bekrefter at meter viser tilnærmet 0Ω, ikke sant. Mål på sample utgangen at du har 50Ω der, for å kontrollere at lasten ikke er brent. Sjekk av utstyret er bra praksis som vil trygge dine målinger fremtiden. Samme om den er stemplet med kvalitets stempel, kalibrerings dato osv. Den kan ha falt i gulvet kommet ut av kalibrering. Sjekk med en kjent nøyaktig watt meter at retnings dempningen er innfor grensen du ønsker. Kobleren skal ha to forskjellige dempninger alt ettersom men måler fremover eller bakover. Nøyaktigheten av antall db dempning er aldri bedre en kvalitet av kunstlasten (dummyload) som er tilkoblet! Når du kjøper inn dempeledd, så ikke spar på kronene her. Kjøp de som går til minst 18GHz, så er du sikret bra kvalitet. Dette blir ditt kalibereings standard, og alt her etter som du måler vil ha sin nøyaktighet utfra denne. dbm (pluss eller minus) er antall db i forhold til 1 mw. Hvis du har -10dBm ut fra din signalgenerator betyr det at signal nivået er 0,1mW (-10dB er en tiende del av èn mw), da 0dBm =1mW, +10dBm = 10mW, +20dBm = 100mW og +30dBm=1000mW eller 1 Watt. Hvis din retningskobler gir ut -30dB, og du tilfører den 10Watt, vil du måle 10mW på -30dB utgangen.

2 Du kalibrer på følgende måter i følge K2RIW, Dick Knadle (1) : Første måte: 1) Tilfør retningskobler RF på inn porten, og en presisjons 50 Ω last på ut porten. 2) Kobler så til en måleprobe på samplingsporten som viser fremover rettet signalgang. Denne proben kan være til en powermeter, krystalldetektor, spektrumsanalysator eller netverksanalysator. Den andre samplingsporten er tilkoblet 50 Ω last eksterne eller innebygget.. 3) Noter styrken fremover i dbm. (Hvis du har en RT med -10dB vil du lese en styrke på en tiende del av sender effekten.) For. Esk. Hvis senderen er på 1Watt, (+30dBm) vil du måle +20dBm på porten. 4) Bytt så om inngang og utgangs porter. 5) Noter deg styrken igjen i dbm. Forskjellen mellom de to målinger retningskoblerens retningsans (eller directivity på engelsk). En god retningskobler vil kunne gir 20dB i forskjell (tilsvarer en SWR på 1,22:1 ), mens meget gode utgaver kan gi over 30dB (tilsvarer SWR 1,006:1) Andre måte: 1) Tilfør retningskobleren signal i inn porten og la ut porten være åpen eller kortsluttet. Pass på å bruke et dempeledd rett etter sender/signalgeneratoren pga høy SWR! 2) Mål signalet i dbm på samplingsporten. 3) Gjenta punkt 1 men med 50 Ω last denne gang. 4) Forskjellen du har målt er retningssansen til enheten i db. Fig 1: I blokk diagrammer kan en retningskopler se slik ut.

3 Effektmåling: Med fleste effektmåle instrumenter har veldig lave måle områder. HP 432a sitt power probe tåler maks 20milliWatt før den brenner av. For å benytte disse til måling av mer enn 20mW kan man gjøre èn av to ting. 1) Koble til et Dempeledd i serie med wattmeterens prober. Dette tinger nøyaktige dempeledd og den må tåle effekten den skal attenureres, pluss den må holde korrekt impedans over bruks frekvens. Husk 10 db dempeledd må tåle 9/10 av sender effekten! 2) Bruk en Retningskobler. Retningskobleren har god isolasjon som eks -10dB til -50dB. De aller fleste ligger i området -10dB til -30dB i fremover retning. Den ene uttaket kobles til en watt meter men den andre er tilslutter en kalibrert dummyload. SWR måling: Når du skal måle standbølge forhold må du omgjør effekt til spenning, og så spenning til SWR. Fig 2: Dette er en Narda retningskobler optimalisert for frekvensområdet MHz.

4 Felles for disse er at vi tapper en liten del av energien som flyter i en retning. Antall db dempning gjelder da kun innenfor oppgitte frekvensområde. Det betyr ikke at du aldri kan bruke dem på andre frekvenser. Bare det at da vil du få en annen dempning enn den som er oppgitt. Har du tilgang til en frekvensveiper og en kalibrert Wattmeter kan du lage din egen korreksjonstabel (kurve) i db. Noen mikrobølge retningskoblere har en slik kurve på trykt selv kobleren, slik at en kan korrigere straks man har målt. Dersom retningskopleren har utvendig last, kan du bruke to power prober hvis du har to powermetere. Du vil da kunne måle både forover og reflekter effekt samtidig. Men husk å kalibrer! Den reflekterte signal er ikke lik forover effekt i antall db grunnet usymitri. Fig 3, Denne utgaven fra Cellwave er beregnet for UHF området. Når du skal måle SWR skal du konvertere retningskoblerens retningssans i db om til reflektert spenning. Deretter kan du regne om til en SWR verdi. Altså er refleksjonsverdien: σ = Alog(-dB/20) SWR = (1+σ )/(1- σ) Alog = Anti-Log eller 10(-dB/20) Eller enda enklere, slå opp i en egnet tabell, der en leser av forward/revers forhold i db og ser da SWR forholdet direkte fra kurven i tabellen.

5 Fig 4., Her ser dere en Narda 10GHz retningskobler. Flere andre typer retningskoblere. Det finnens en mengde forskjellige typer som: Quadrature Hybrid, 90 grader Hybrid, Branch Hybrid, Branch coupler, Magic T, Ring Hybrid, Zero-180 Grader Hybrid, Wave guide broad wall coupler, wave guide narrow wall coupler, wave guide3 beth hole coupler, med mer. Fig 5. Denne går fra 4GHz til 10 GHz og gir -20dB kobling. Legg merke til korreksjons tabellen. De beste retningskoblere ha flere oktavers båndbredde. En slik ser du nedenfor I fig 6. Den går fra 2 GHz til over 18GHz.

6 Fig 6. Denne dekker 2 til 18 GHz og gir -6dB kobling. Dick, K2RIW forteller videre (1) at han i 1970 hadde bruk for retningskobler for en 4CX250B rør, 300Watt, 144MHz/432MHz tripler trinn som han hadde laget, men hadde ingen koblere som tålte 300Watt på VHF/UHF. Han ville måle med en spektrumsanalysator, men den tålte ikke mer enn 1Watt input. Gode råd var dyre, men så kom han til å tenke på en ting. Han hadde liggende en Narda 1Watts retningskobler for 10GHz. Denne kobleren benytter har en 1/4λ koblingsdel som jo er 90º. Så han dividerte 144MHZ med 10GHZ og fikk 1,296 º lengde på 2 meter båndet. Sin av 1,296 º er 0, Siden dette er spenning respons så tok han 20*log(0,02262) som gav et resultat på -32,8dB. Det betydde at på 2 meteren ville han få en kobling som var 32,8dB svakere enn på 3cm båndet, altså -10dB + -32,8dB = -42,9dB. Siden de 300 Watt VHF blir dempet med 43,1dB ville ikke koblerens interne motstand, Wattmeteret eller spektrumsanalysatoren, få tilført mer enn maksimalt 0,015Watt. Så regnet han om for 432MHZ og gjorde nødvendige målinger av tripplerens utgang på UHF. Fin løsning på problemet!

7 Fig 7. Koplingsstaven er ca 1/4λ i 900MHZ regionen, men blir 1/2λ ved den dobbelte frekvens (1,8GHz). Begrensninger: Det er en del ting vi må huske på nå vi bruker retningskopler. Husk tidligere sa jeg at vi aldri kan måle lavere enn retningssans nedre begrensning. Hvis en kopler er på -20dB (SWR 1,22) vil dette være det laveste du kan måle. En felle er hvis du bruker din Bird 43 Wattmeter med en 1KW probe på ditt nye PA trinn, Så setter du inn en lav effekts probe for å måle SWR. Du ser at selv om antennen er perfekt 1:1, vil du måle 10Watt reflektert! Du kan spare mange turer opp/ned til antennen for å fin justere når det ikke er nødvendig. Bird ens prober er balansert til å gi -20db og har da aldri bedre retningssans enn -20dB. Du vil måle en SWR på 1:1,22 men den gjerne er 1:1 i virkeligheten. Dersom de hadde vært balansert til -30dB eller -40dB ville det ikke være nok signal til å styre Bird s sitt meter! Det en vei å få høyere kobling, det en kan gjøre er å koble en dobbel slug tuner mellom retningskoppleren og 50Ω lasten. Du justere til absolutt minimum utslag. Men Bird en er nå frekvens avhengig og kalibreringen på skalaen gjelder ikke lengre. Det som skjer er egentlig ar du innfører en liten ubalanse i systemet som er 180º fra den innbygget ubalansen. Men det er sjelden eller aldri at amatører har bruk for slik nøyaktighets måling av SWR. Ref: 1) DIRECTIONAL COUPLERS USER FOR VSWR AND POWER MEASUREMENT, K2RIW, Dick Knadle, 25 april-2002.pp1-8