JavaScript is not enabled!

Анализатор антенн для КВ на дешевой элементной базе

Анализаторы антенн по большому счету бывают всего двух типов: плохие и дорогие. В первых часто используются диодные детекторы уровня сигнала, а также LC-генератор с ручной установкой частоты. Второй тип обычно содержит довольно дорогие электронные компоненты, такие как высокочастотный DDS и специализированные микросхемы ВЧ-детекторов.

В статье Обзор анализаторов антенн и цепей описываются достижения анализаторостроительной промышленности, а рассмотренные анализаторы сгруппированы по принципу работы.

Прибор, которые описывается в этой статье, имеет следующие особенности:

  • Гораздо более высокая точность измерений, чем при использовании диодных детекторов;
  • Цифровое управление частотой с очень малым шагом;
  • Рабочий диапазон от нескольких килогерц до 50 МГц;
  • Калибровка не требуется;
  • Возможность отображать результаты измерений на встроенном дисплее или на экране ПК;
  • Очень дешевая элементная база.

Структурная схема анализатора приведена ниже:

1. Высокочастотные синтезаторы частоты с ФАПЧ

Генераторы, используемые в этом приборе, работают на высоких частотах (около 300 МГц), а рабочая частота на антенном разъеме равна разности частот генераторов:

f = F(PLL VFO 1)  – F(PLL VFO 2)

Если частота сравнения обоих генераторов равна, к примеру, 25 кГц (типичное значение для принятой частоты генерации), то разностная частота может быть задана только с дискретностью в 25 кГц. Такой шаг перестройки анализатора слишком большой – особенно в случае вывода на экран результатов измерений с большим количеством точек измерения, но в узком диапазоне частот.

Для получения гораздо меньшего шага используется принцип верньера. Частоты сравнения генераторов немного отличаются (например, за счет добавления единицы к значению счетчика R микросхемы синтезатора). Если первую частоту сравнения выбрать равной 25 кГц (R=400), а вторую частоту – 24.9376 кГц (R=401), то шаг перестройки уменьшится до 62 Гц. Такой шаг вполне достаточен даже для диапазона 137 кГц.
К сожалению, в этом случае необходимо увеличить на 10 МГц диапазоны перестройки частоты обоих генераторов.

2. Схема сдвига фазы

В диапазоне от 300 до 310 МГц достаточно простой фазовращатель может обеспечить сдвиг фаз в 90 градусов. Кроме того, схему можно сделать управляемой, чтобы очень точно выдерживать этот сдвиг:

Значения емкостей и сопротивлений несложно рассчитать, а варикап является как раз тем элементом, при помощи которого можно выдержать постоянный фазовый сдвиг между сигналами на двух выводах схемы.

Идея фазовращателя, управляемого напряжение, описана в патенте WIPO WO 92/11704, “APPARATUS AND METHOD FOR GENERATING QUADRATURE SIGNALS”.

3. Смесители и фильтры низких частот

В качестве смесителей 1 и 2 с успехом может использоваться микросхема SA612. Сигналы +45° and -45° подаются на гетеродинные входы смесителей, что делает результат преобразования практически нечувствительным к изменению амплитуды этих сигналов. В схеме могут использоваться очень простые ФНЧ, поскольку ненужные продукты преобразования находятся очень далеко по частоте от полезных.

4. Формирователи импульсов

Для того, чтобы вся схема результаты измерений были верны, на выходе формирователей необходимо получить прямоугольный сигнал со скважностью 50% (меандр) из синусоидального (и, возможно, искаженного) входного сигнала. Идея хорошего формирователя описана в статье 4.5ns Dual-Comparator-Based Crystal Oscillator has 50% Duty Cycle and Complementary Outputs, а рабочая схема приведена в статье Схема формирователя меандра.

5. Детектор фазового сдвига

Задачи этого элемента анализатора весьма проста:

1) Принять на вход два прямоугольных сигнала с одинаковой частотой и разностью фаз в 90 градусов;
2) Сформировать постоянное напряжение, пропорциональное этой разности фаз;
3) Замкнуть цепь обратной связи, приложив это напряжение к варикапу фазовращателя. При этом разность фаз в 90 градусов будет поддерживаться вне зависимости от частоты сигналов.

Для этого лучше всего использовать фазовый детектор на основе триггера. Подобная схема, например, применяется в одном из узлов синтезатора частоты трансивера Ten-Tec Orion (схему можно скачать с сайта tentec.com). Кроме того, большинство микросхем высокочастотных синтезаторов с ФАПЧ имеют точно такую же схему фазового детектора.

6. Выходной усилитель и резистивный мост

Для работы анализатора нужно, чтобы на антенном разъеме был синусоидальный сигнал. Для увеличения помехоустойчивости прибора используется усилитель, подключенный к выходу одного из ФНЧ. Резистивный мост подробно описан в других статьях.

7. Смеситель 3 и ФНЧ 3

Еще одну микросхему SA612 можно использовать как смеситель синусоидального сигнала с выхода моста и меандра с той же частотой (который подается на гетеродинный вход смесителя). Поскольку оба этих сигнала имеют одинаковую частоту, на выходе смесителя присутствует постоянное напряжение. Простой ФНЧ подавляет все побочные продукты преобразования.

8. Роль микроконтроллера

Алгоритм измерения следующий:

1) Зная рабочую частоту, вычислить коэффициенты деления и запрограммировать микросхемы синтезаторов;
2) Четыре раза измерить постоянное напряжение на выходе ФНЧ 3 (в различных положениях аналогового и цифрового переключателей);
3) Вычислить R, X и другие параметры антенны из этих четырех чисел;
4) Вывести результат на собственный дисплей или на экран ПК.

Если читателю по-прежнему трудно понять, для чего в этом приборе нужен 90-градусный фазовый сдвиг, рекомендую перечитать статью, ссылка на которую дана в начале этого текста. Подсказка: ищите фразу “прямое преобразование”.

Денис Нечитайлов, UU9JDR
20.02.2010

Календарь

May 2019
M T W T F S S
« Apr    
 12345
6789101112
13141516171819
20212223242526
2728293031