Zbudowałem eksperymentalny VNA w oparciu o syntezę AD9851 i m.in. kostkę AD8302 (detektor wzmocnienia i fazy). Ma on służyć głównie celom edukacyjnym, aby poznać dokładnie zasadę działania VNA, ale mam nadzieję na jego wykorzystanie praktyczne do pomiarów impedancji czwórników i pomiaru anten.

Wczoraj uzyskałem pierwsze pomiary, które nazywam "analogowymi", bo wyniki uzyskane są na ekranie oscyloskopu, a nie komputera i programu dla VNA.
Oczywiście na upartego oscyloskop jest cyfrowy, a więc wyniki gdzieś tam po drodze i tak były zdigitalizowane, ale proszę nie łapać mnie za słówka - wiadomo o co chodzi i jaka jest różnica ;-)

No i teraz chciałbym zamieścić parę zrzutów ekranu i poprosić bardziej doświadczonych Kolegów (szczególnie w temacie VNA) o pomoc w interpretacji wyników.

Wejścia pomiarowe kości AD8302 zostały podłączone do sprzęgacza kierunkowego, a więc mierzą różnicę między sygnałem padającym a odbitym.
Oscyloskop pokazuje poziom sygnału na wyjściu AD8302 w dziedzinie częstotliwości. Kanał 1 (kolor żółty na ekranach) to poziom dla PHASE, a kanał 2 (kolor niebieski) to poziom dla MAGNITUDE. Cała szerokość ekranu oscyloskopu to przemiatanie od 0 do 30MHz - środek więc to 15MHz. Wysokość ekranu oscyloskopu to mniej więcej poziom od 0V (na samym dole) do 1.8V (na górze), a więc cały możliwy zakres poziomu wyjściowego w odniesieniu do napięcia referencyjnego 1.8V w kostce AD8302.

No i teraz jakie uzyskałem wyniki dla różnych elementów podpiętych do portu pomiarowego sprzęgacza:

Wynik dla portu otwartego (nic nie podpięte):

  SDS00001.BMP (Rozmiar: 329.12 KB / Pobrań: 2225)


Wynik dla portu zwartego (terminator zero omów):

  SDS00002.BMP (Rozmiar: 329.12 KB / Pobrań: 1373)


Wynik dla terminatora 50 omów (pełne dopasowanie):

  SDS00003.BMP (Rozmiar: 329.12 KB / Pobrań: 1360)


Wynik dla podpiętej cewki 1uH:

  SDS00004.BMP (Rozmiar: 329.12 KB / Pobrań: 1707)


Wynik dla podpiętego kondensatora 680pF:

  SDS00005.BMP (Rozmiar: 329.12 KB / Pobrań: 1410)


Wynik dla anteny w postaci kawałka (parę metrów) drutu rozwieszonego w pokoju:

  SDS00006.BMP (Rozmiar: 329.12 KB / Pobrań: 1338)


A teraz kilka moich wątpliwości co do interpretacji tych wyników:

1. Dlaczego mamy taką różnicę w fazie pomiędzy portem otwartym a zwartym?
Wynik pomiaru sugerowałby, że sygnał odbity od portu zwartego ma taką samą fazę (AD8302 podaje 1.8V dla 0st. przesunięcia fazy), a sygnał odbity od portu otwartego ma fazę odwróconą o 180st.
Czy teoria zgadza się tu z wynikami, czy też coś źle to interpretuję?

2. Jak przy pomiarach VNA stwierdzić, czy mamy do czynienia z reaktancją indukcyjną czy pojemnościową? Oczywiście dla czystej cewki albo kondensatora mamy sprawę jasną, bo reaktancja pojemnościowa maleje, a indukcyjna rośnie wraz ze wzrostem częstotliwości. Ale jak stwierdzić czy mamy do czynienia z pojemnościową czy indukcyjną na skomplikowanym wykresie zmiany fazy przy pomiarze anteny? Kostka AD8302 daje nam tylko wartość przesunięcia fazy, ale nie daje nam znaku (plus czy minus)...

3. Jak na podstawie pomiaru MAGNITUDE stwierdzić, czy obciążenie ma za małą czy za dużą impedancję w porównaniu do wzorca 50 omów? Zarówno dla portu otwartego jak i zwartego mamy MAGNITUDE na podobnym poziomie - czy do stwierdzenia "za dużo", albo "za mało" musimy właśnie brać pod uwagę fazę?
Czyli dla fazy <90st. mamy "za małą impedancję", a dla fazy >90st. mamy "za dużą impedancję" obciążenia w stosunku do 50 omów wzorca?

4. Jak zinterpretować ten ostatni pomiar anteny? Mamy przesunięcie fazy wahające się w okolicach od 130st. do 180st. w całym zakresie częstotliwości, czyli mamy impedancję znacznie większą od 50 omów, a tam gdzie pojawiają się piki MAGNITUDE impedancja nieco spada, ale nie dochodzi do 50 omów - zgadza się?

5. No i wreszcie jak interpretować to zagięcie na początku wykresu dla portu otwartego i zwartego? Czy to już problem z działaniem transformatorów w sprzęgaczu kierunkowym dla zbyt niskich częstotliwości? Czy nawinięcie większej liczby zwojów w transformatorach (a więc obniżenie użytecznej minimalnej częstotliwości pracy) nie pogorszy ogólnej charakterystyki lub jej części dla większych częstotliwości?

Będę wdzięczny za wszelkie podpowiedzi i dyskusję.

Pozdrawiam,
Rafał
SP3GO

Cześć Rafał i inni forumiarze. Odpowiem tylko na te pytania które nie wymagają ode mnie myślenia bo córka mi nadaje jak wolna europa i sie nie skupię w tym momencie ... więc wybacz za niedosyt.

(22-07-2015 9:50)SP3GO napisał(a):  3. ... czy do stwierdzenia "za dużo", albo "za mało" musimy właśnie brać pod uwagę fazę?
Czyli dla fazy <90st. mamy "za małą impedancję", a dla fazy >90st. mamy "za dużą impedancję" obciążenia w stosunku do 50 omów wzorca?

TAK

(22-07-2015 9:50)SP3GO napisał(a):  4. ... czyli mamy impedancję znacznie większą od 50 omów, a tam gdzie pojawiają się piki MAGNITUDE impedancja nieco spada, ale nie dochodzi do 50 omów - zgadza się?

TAK

(22-07-2015 9:50)SP3GO napisał(a):  5. ... Czy to już problem z działaniem transformatorów w sprzęgaczu kierunkowym dla zbyt niskich częstotliwości?

TAK. To chyba problem tych uzwojeń które maja "Pół zwoja"

(22-07-2015 9:50)SP3GO napisał(a):  Czy nawinięcie większej liczby zwojów w transformatorach (a więc obniżenie użytecznej minimalnej częstotliwości pracy) nie pogorszy ogólnej charakterystyki lub jej części dla większych częstotliwości?

Pogorszy ... albo poprawi, bo nie wiem ile masz zwoi
Polecam nawinięcie trzech sprzęgaczy:
1 do 5, 1 do 6, i 1 do 7. Chodzi mi o stosunek tych mniejszych i większych uzwojeń oczywiście. Zobaczysz który najlepiej u ciebie pracuje.
Obstawiam że będzie to 1 do 6 lub 1 do 7 przy tych częstotliwościach które używasz. A najlepsze byłoby poszukać innego rdzenia i też poeksperymentować.
Tak z ciekawości ... jaki masz rdzeń ?

(22-07-2015 20:00)SP4EJT napisał(a):  

(22-07-2015 9:50)SP3GO napisał(a):  Czy nawinięcie większej liczby zwojów w transformatorach (a więc obniżenie użytecznej minimalnej częstotliwości pracy) nie pogorszy ogólnej charakterystyki lub jej części dla większych częstotliwości?

Pogorszy ... albo poprawi, bo nie wiem ile masz zwoi
Polecam nawinięcie trzech sprzęgaczy:
1 do 5, 1 do 6, i 1 do 7. Chodzi mi o stosunek tych mniejszych i większych uzwojeń oczywiście. Zobaczysz który najlepiej u ciebie pracuje.
Obstawiam że będzie to 1 do 6 lub 1 do 7 przy tych częstotliwościach które używasz. A najlepsze byłoby poszukać innego rdzenia i też poeksperymentować.
Tak z ciekawości ... jaki masz rdzeń ?

Dzięki za odpowiedź, bo już myślałem, że wszyscy na wakacjach...

Ten projekt jest mocno eksperymentalny, więc pierwszy sprzęgacz zrobiłem z... uwaga... dwóch pierścionków FT50-43 (AL=523)
Przez każdy przechodzi pojedynczy przewód jako uzwojenie pierwotne i 10 zwojów na każdym jako wtórne.
Podobno jeszcze lepsze efekty daje 2x2, czyli dwa komplety tych pierścionków, a każdy złożony ze sklejonych dwóch rdzeni... ale gdzieś mi zaginął czwarty egzemplarz, więc jeszcze nie próbowałem.
Jednak jadą już do mnie rdzenie 2-otworowe o AL=2000 i 12000 (i paśmie 1-50MHz), więc będzie pole do eksperymentów

Czekam też na porady innych Kolegów, a szczególnie tych, dla których VNA to bułka z masłem...

Pozdrawiam,
Rafał
SP3GO

To może zadam jeszcze dodatkowe pytanie w tym temacie, bo męczę się z tym już od jakiegoś czasu:

Jak obliczyć impedancję (a dalej rozłożoną na rezystancję i reaktancję) na podstawie sprzęgacza kierunkowego i informacji z kostki AD8302?
Czyli innymi słowy, jak robią to wszystkie VNA (NWT, MAX-y itp.), które na podstawie poziomu sygnału padającego do odbitego oraz przesunięcia fazowego napięcia między sygnałem padającym a odbitym potrafią podać Z, R i X?

W nocie katalogowej do AD8302 jest nawet schemat ze sprzęgaczem kierunkowym i opis, który mówi, że na wyjściu MAGNITUDE dostajemy po prostu współczynnik odbicia (gamma).
Na tej podstawie obliczam już sobie SWR:

SWR = (1 + gamma)/(1 - gamma)

Ale jak z tych informacji znaleźć Z, R i X?

Pozdrawiam,
Rafał SP3GO

Ad 1 IMHO dobrze interpretujesz, zajrzyj do "Reflections" W2DU.

pz

Dzięki za odpowiedź.

Ten pierwotny zestaw pytań jest już dla mnie prawie jasny (prócz Ad.3 i Ad.4).
Teraz szukam odpowiedzi na pytanie jak ze współczynnika odbicia i różnicy fazy między sygnałem padającym a odbitym obliczyć Z, R i X...

Już wiem, że ma to związek z S-parametrami, ale jakie są dokładne zależności?
Ktoś pomoże, czy wszyscy do swoich procesorów w VNA wgrywali gotowce?

Dla potomności zwięzłe odpowiedzi na 5 pytań z pierwszego posta:

Ad.1. Tak. Port otwarty to pełne odbicie w przeciwfazie, a port zwarty to pełne odbicie w fazie.

Ad.2. Bezpośrednio nie da się. Można zrobić pomiar, a następnie dodać szeregowo jakąś indukcyjność lub pojemność i zobaczyć jak zmieni się pomiar - na podstawie tego można powiedzieć jaki charakter ma reaktancja w pierwszym pomiarze.

Ad.3. Hmmm... Mówią, że TAK, ale z czego to wynika - dotąd nie wiem... :-)

Ad.4. Powiązane z Ad.3. powyżej.

Ad.5. Tak. Sprawa rozwiązana przez nawinięcie nowego sprzęgacza na lepszym (2-otworowym) rdzeniu.

Pozdrawiam,
Rafał SP3GO

---

Koledzy! Powoli! Nie wszyscy na raz!

Wychodzi na to, że jednak znaczna większość korzysta z gotowych wsadów do procesorów i mało kogo interesuje jak ze sprzęgacza kierunkowego uzyskuje się takie informacje jak: Return Loss, współczynnik odbicia, SWR, Z, R i X.

(30-07-2015 9:04)SP2IPT napisał(a):  zajrzyj do "Reflections" W2DU.

Fantastyczna pozycja!!! (nie tylko rozdział 3 - chyba kolejna lektura na wakacje ;-)
Wreszcie zrozumiałem jak tak naprawdę powstają odbicia przy niedopasowaniu!
To mnie nakierowało też na błąd, który do tej pory popełniałem przy obliczeniach pomiarów ze sprzęgacza kierunkowego.
Nie wiem dlaczego (choć pewnie wpływ miała tutaj przykładowa aplikacja z noty katalogowej dla kości AD8302), ale ubzdurałem sobie, że dostaję bezpośrednio współczynnik odbicia, a nie Return Loss Kiedy więc zrozumiałem jakie są zależności między nimi - wszystko stało się jasne
Mam więc już prawidłowe obliczenia dla uzyskania SWR, Z, R i X.
"Doszlifowania" i testów wymaga tylko interpretacja wyników dla czystej reaktancji na wejściu portu...

Pozdrawiam,
Rafał SP3GO

(30-07-2015 1:13)SP3GO napisał(a):  Jak obliczyć impedancję (a dalej rozłożoną na rezystancję i reaktancję) na podstawie sprzęgacza kierunkowego i informacji z kostki AD8302?
Czyli innymi słowy, jak robią to wszystkie VNA (NWT, MAX-y itp.), które na podstawie poziomu sygnału padającego do odbitego oraz przesunięcia fazowego napięcia między sygnałem padającym a odbitym potrafią podać Z, R i X?

Ponieważ to forum dyskusyjne już nie raz mi pomogło, to chciałbym tylko poinformować, że po prawie 3 tygodniach "walki" z tematem udało mi się dotrzeć do rozwiązania! :-) Trochę się namęczyłem, ale ile się w tym czasie nauczyłem! :-)

Gdyby ktoś poznawał zasadę działania każdego VNA od podstaw (a nie wgrywał tylko gotowe wsady do mikrokontrolerów napisane przez innych) i potrzebował wsparcia, to służę pomocą!

Okazało się, że na samym początku swojej drogi źle interpretowałem zarówno pomiar MAG jak i PHASE z kostki AD8302 i wspomniane w poprzednim poście obliczenia R i X ciągle nie były prawidłowe :-)
Teraz jednak wszystko się zgadza, wiem skąd się wzięło, bo ma swoje podłoże w teorii, a przy okazji nauczyłem się "czytania" i używania wykresu Smitha! :-)

Pozdrawiam,
Rafał SP3GO

(09-08-2015 20:19)SP3GO napisał(a):  (...)

Gdyby ktoś poznawał zasadę działania każdego VNA od podstaw (a nie wgrywał tylko gotowe wsady do mikrokontrolerów napisane przez innych) i potrzebował wsparcia, to służę pomocą!

Okazało się, że na samym początku swojej drogi źle interpretowałem zarówno pomiar MAG jak i PHASE z kostki AD8302 i wspomniane w poprzednim poście obliczenia R i X ciągle nie były prawidłowe :-)
Teraz jednak wszystko się zgadza, wiem skąd się wzięło, bo ma swoje podłoże w teorii, a przy okazji nauczyłem się "czytania" i używania wykresu Smitha! :-)

Napisz tutorial dopóki pamiętasz to co się nauczyłeś, a innym też się przyda (na przykład mnie ;-) ).

Pisz.
Nie ma do tej pory tych spraw przystępnie opisanych po polsku - tak, żeby przeciętny amator potrafił zrozumieć.
Nadal np. większość nie wie, do czego może praktycznie się przydać pomiar fazy i dlaczego trudne słowo "magnituda" nie jest straszne...

A urządzenie z podręcznikiem na PUKa ;-)
Jak to mówi SP9NJ "SZYPKO"
Gratulacje

Mac
mrn

Przylaczam sie do sugestii kolegow, z checia zapoznam sie z Twoimi przemysleniami.

pz