A ktualizováno v říjnu 2019
Základní měření charakteristik pásmových filtrů
Úvod V úloze je ukázka, jak pomocí VNA změřit základní parametry pásmového filtru, tj. útlum v propustném pásmu a mimo propustné pásmo a koeficient odrazu na vstupu. Pro úlohu je použit obyčejný půlvlnný rezonanční obvod realizovaný ze dvou pahýlů koaxiálního kabelu. Použité přístroje: 1. Vektorový analyzátor (v příkladech použit nano VNA). Použitý konektor: CH0 (TX) a CH1(RX) Použité adaptéry: SMA krátké propojovací jednostranně okonektorované kabely, měřený filtr (dva pahýly z koaxiálu) Zobrazované typy grafů: charakteristiky S11 a S21 Měřené veličiny: průběh útlumu filtru v závislosti na kmitočtu, průběh koeficientu odrazu RL (nebo VSWR) v závislosti na kmitočtu Software: https://github.com/mihtjel/nanovna-saver/releases
Základní zásady při práci a základní nastavení 1. Měřený obvod je připojen podle schématu vpravo. 2. Filtr tvoří dva na konci otevřené pahýly, které mají elektrickou délku (součet délek obou pahýlů) lambda/2 = 1/2 3. Teoretická podstata je vysvětlena na konci článku pomocí Smithova diagramu. 4. Jsou měřeny dva rozdílné filtry. Liší se délkou pahýlů, tedy místem napájení. Tím je dána rozdílná velikost tlumení rezonančního obvodu. Každé provedení má rozdílnou charakteristiku. Jedna je úzká, druhá extrémně široká. |
Naměřené výsledky Výsledky jsou v pořadí pod sebou pro úzký a široký filtr. Kmitočtové pásmo je voleno tak, aby v grafech bylo zřetelně vidět propustné pásmo, strmost (zde spíš pozvolnost) křivek na bocích, u úzkého filtru ještě významná rejekce ve směru od nízkých kmitočtů a poměrně nízký útlum v tzv. stopbandu (oblasti, kde má být útlum). Ve Smithově diagramu je vidět průběh impedance v závislosti na kmitočtu a v diagramu S11 Return Loss je vidět koeficient odrazu v propustné části i ve stopbandu. Všimněte si čísel pod hodnotami markerů. Jde o parametry označené jako S11, jsou tam uvedené hodnoty minimálního VSWR a RL a parametry S21, tedy minimální a maximální zisk (v případě filtrů útlum). Nepatrný kladný zisk v případě širokého filtru je samozřejmě nesmysl (jde o hodnotu jen 0.016 dB). To je dáno tím, že jsem si v této úloze s kalibrací hlavu nelámal. Správná interpretace by byla, že útlum není na daném kmitočtu měřitelný.
Princip filtrů Jak jsem zmínil, byly použity jednoduché půlvlnné obvody zhotovené z koaxiálního kabelu. Vstup a výstup filtru je tvořen krátkými jednostranně okonektorovanými kabely s char. impedancí 50 Ohmů. Na charakteristiku má vliv místo napájení (odbočka od středu půlvlnného obvodu). Odbočku jsem v praxi vytvořil tak, že jsem kratší pahýl uvažoval o délce 80 mm (fyzická délka) u více tlumeného obvodu a 100 mm u málo zatlumeného. Pro měření jsem nakonec ustřihnul délku kratšího pahýlu jen 60 mm, aby byla vidět hodně široká propustná oblast. Pro úzký filtr jsem ustřihnul tento pahýl delší, než 100 mm, aby byl vidět útlum v propustném pásmu. Konání je vidět ze dvou Smith. diagramů. První je pro úzký filtr.
Ve Smith. diagramech je zapojena funkce Sweep od 330 MHz do 500 MHz. Všimněte si, jak jsou rozdílné impedance na konkrétních kmitočtech. Např. reálná složka R, viz graf níže:
Poznámky Filtr jsem "ladil" štípačkami. Štípal jsem delší pahýl. V obou případech jsem uštípnul více a ujel jsem k vyšším kmitočtům. 1. Útlum v propustném pásmu byl u úzkého filtru asi 3 dB; u širokého filtru 0 dB. 2. Rejekce (nejvyšší potlačení) je u úzkého filtru více, než 30 dB, u širokého filtru jsem ji nezobrazoval. 3. U obou filtrů si všimněte křivek s koeficientem odrazu (RL).
Fotografie filtrů
Závěr 1. Měření filtrů bylo v této úloze ukázáno na jednoduchých prototypech filtrů, vyrobených jen z koaxiálů. Proto jsou výsledky poplatné provedení filtrů. Nicméně, půlvlnný filtr, který je tvořen půlvlnným rezonátorem vyšší jakosti s vazbou na koaxiální vedení pro vstup a výstup filtru se v praxi v pásmu 70 cm používá. 2. Měření bylo provedeno jen se zobrazením hlavních charakteristik v diagramech. Jde o základní dovednost při měření. Některé SW, včetně použitého pro nano VNA mají další analytické nástroje pro měření filtrů. Jsou užitečné. V jiných úlohách ukážu jejich možnosti.
TU 73, Mira, ok1ufc