hamradioshop.ro
Articole > Echipamente si constructii radio Litere mici Litere medii Litere mari     Comentati acest articol    Tipariti

Construcţia unei treceri ghid-coaxial pentru banda de 10 GHz

Liviu Soflete YO2BCT

In realizarea echipamentelor pentru benzile de microunde apare uneori necesitatea de a trece de la linia de transmisie coaxială la ghid de unde. Transverterele construite de Michael Kuhne - DB6NT au toate intrările şi ieşirile de semnal pe mufe SMA. Ele permit construirea relativ uşoară a unui echipament de emisie-recepţie pentru puteri moderate (zeci de W) numai cu linii coaxiale, mai ales că releele coaxiale cu mufe SMA, care se pot procura mai uşor, suportă asemenea puteri. Pentru puteri mai mari (sute de W) sau dacă se urmăreşte reducerea la minim a pierderilor – de exemplu la un LNA pentru recepţia EME - utilizarea ghidurilor de undă (inclusiv în construcţia comutatorului Rx/Tx) este mai indicată. Un amplificator de mare putere cu tub cu undă progresivă are de regulă ieşirea pe ghid de undă; deasemenea comutatorul pe ghid are performanţe superioare faţă de un releu coaxial, atât în ceea ce priveşte atenuarea de transmisie cât şi izolarea. In special atenuarea de transmisie (inserţie) redusă permite realizarea unor cifre de zgomot minime pentru partea de recepţie (foarte important pentru comunicaţii EME). Se pare deci că pentru legături tropo cu puteri de ordinul 20W (SSPA sau TWT) soluţia cea mai comodă este varianta coaxială, iar varianta în ghid este recomandabilă doar pentru puteri mari şi EME. Unde apare totuşi necesitatea utilizării unei treceri de la coaxial la ghid?

Dacă avem o antenă cu reflector parabolic, iluminarea acestuia la o frecvenţă de 10 GHz este practic imposibil de realizat în condiţii de amator cu un sistem de dipoli sau bucle, aşa cum se procedează deobicei la frecvenţe mai joase. Iluminatorul (feedhorn) cel mai uşor de realizat utilizează un ghid cu o porţiune finală evazată (horn-trunchi de piramidă sau de con) sau cu un şoc cu unul sau mai multe inele ( Kumar, Chaparral). Deci un asemenea iluminator se va utiliza chiar şi pentru echipamentele construite integral pe linii coaxiale. Chiar dacă întregul sistem este construit pe ghid, pentru măsurări şi reglaje poate apare necesitatea de trecere la coaxial, deoarece majoritatea aparatelor (generatoare, cuploare direcţionale, atenuatoare, analizoare de spectru, powermetre) sunt prevăzute cu intrări coaxiale.


Fig.1 Ghidul cu flanşă, tăiat şi găurit
Trecerea de la coaxial la ghid se realizează introducînd în ghid o mică ’antenă’ (probe, launcher) care de regulă este o extensie a pinului central de la o mufă coaxială SMA sau N. Porţiunea de ghid din spatele ‘antenei’ se scurtcircuitează cu un perete transversal. Dimensiunile ‘antenei’ (diametru, lungime) şi poziţia faţă de planul de închidere al ghidului sunt destul de critice, deoarece antena trebuie să fie rezonantă (să nu aibe reactanţe necompensate) şi să prezinte faţă de coaxialul de alimentare o rezistenţă de 50. Determinarea prin calcul a dimensiunilor nu este posibilă decât prin programe de simulare, problema fiind complicată şi de faptul că atât impedanţa ghidului cât şi lungimea de undă în ghid diferă faţă de valorile din spaţiul liber. O complicaţie în plus apare din valorile necunoscute ale reactanţelor schemei echivalente ale mufei coaxiale utilizate. Iniţial am încercat să construiesc o trecere ghid/coaxial utilizând dimensiunile determinate experimental de Paul Wade (W1GHZ) . Am încercat să respect toleranţa de 0.1 mm indicată, dar rezultatul a fost foarte departe de cel urmărit - RL de numai 3 dB ! In această situaţie am aplicat soluţia utilizării unor şuruburi de acord M3 amplasate la distanţe de circa 1/8 din lungimea de undă (distanţă necritică), prin reglara cărora am realizat o adaptare pe deplin satisfăcătoare într-o bandă de trecere mai mult decât suficientă. In cursul reglării am constatat că de fapt este nevoie de doar două şuruburi, astfel că al treilea nu a mai fost utilizat. Trecerea a fost realizată dintr-o bucată de ghid WR75 (dimensiunea standard la vechile LNC-uri de satelit cu o singură polarizare liniară şi impusă de comutatorul pe ghid pe care l-am procurat); la capătul opus flanşei am lipit cu cositor un perete de închidere. Lipiturile pe ghid sunt destul de dificil de executat; ghidul fiind din Cu cu o mare conductivitate termică, este nevoie de o încălzire suplimentară cu o flacără de gaz, cu un pistol cu aer cald sau pe o placă termostatată. Se recomandă să se fixeze mecanic piesele ce urmează a fi lipite pentru a nu se deplasa. Dacă se fac mai multe lipituri, se poate evita dezlipirea celor lipite anterior prin înfăşurarea unei cârpe ude care reduce temperatura în locul dorit (sau, mai profesional, se utilizează aliaje cu temperaturi de topire diferite, începînd construcţia cu cele mai greu fuzibile -ex. Sn/Cu, Sn/Ag, Sn/Pb). Trebuie evitat un exces de cositor care poate pătrunde în ghid şi provoacă pierderi mari. Dacă a pătruns cositor, acesta se va îndepărta cu grijă cu scule abrazive, pînă la stratul de bază din Cu sau alamă (deobicei ghidul e din Cu iar flanşa din Am).

Teoria spune că sistemul de acord cu trei şuruburi poate transforma orice impedanţă în cea dorită de 50Ω (pe diagrama Smith nu rămîn zone neacoperite). Sistemul este de bandă îngustă, dar pentru condiţiile de amator aceasta nu este un dezavantaj.

Suprafaţa interioară trebuie să fie netedă, fără zgârieturi. Când toate prelucrările mecanice s-au terminat, se face o ultimă şlefuire cu şmirghel fin , după care se argintează.


Fig.2 Aspectul după vopsire şi argintare.
Argintul nu este decât cu circa 3% mai bun conducător decât cuprul, dar îşi păstrează mai bine proprietăţile în timp (oxidul de argint este un bun conducător, pe când cel de cupru nu). In fig.1 este prezentată construcţia într-o fază iniţială. Găurile pentru şuruburile de acord sunt pe aceeaşi parte cu mufa, soluţie mai incomodă la reglare din cauza spaţiului de acces redus. Trecerea ghid/coaxial din fig.2 are găurile de şurub pe cealaltă parte; s-a realizat o îngroşare a peretelui ghidului pentru a lungi porţiunea filetată, prin lipirea unei plăci de Cu de circa 2mm grosime. Inainte de argintare s-a executat o vopsire pentru reducerea suprafeţei de argintat. Trecerea finalizată se vede în fig.2. Pentru măsurare s-a utilizat cuplarea la flanşa ghidului a unei sarcini adaptate industriale (o bucată de ghid cu un material special cu pierderi, fără reflexii) – fig.3. Semnalul generat de un generator RF (fig.4) a fost aplicat la un cuplor direcţional (fig.5) cu capătul – mufa SMA galbenă în gol – situaţie în care avem puterea reflectată maximă. Nivelul la generator s-a reglat pentru a avea o cifră întreagă (-20 dBm) la analizorul de spectru (fig.6) utilizat ca indicator de putere. Acest nivel reprezintă RL zero, respectiv VSWR infinit.


Fig.3 Trecerea cuplată cu o sarcină adaptată

Cu sarcina montată, se reglează şuruburile M3 pentru a avea nivelul de semnal la analizor cât mai mic (reflexie cât mai mică a semnalului). Putem acum măsura la diferite frecvenţe nivelul semnalului reflectat, din care se calculează VSWR. Variaţia RL şi VSWR cu deviaţia de frecvenţă faţă de valoarea centrală de 10.368 MHz este redată în graficul şi tabelul din fig.7.

Se observă că la o diferenţă de 50 MHz faţă de frecvenţa centrală de acord avem un VSWR mai mic decât 1,15 deci pe deplin acceptabil. Sistemul cu şuruburi este deci de bandă îngustă (circa 1%), dar permite o adaptare foarte bună pe frecvenţa de acord. Pentru o bandă de trecere mai largă ar fi indicată o construcţie cu o ’antenă’ de diametru mai mare, eventual cu capacitate terminală (un disc sau un cilindru mai gros) sau îmbrăcată în teflon pe toată lungimea – ceva similar cu soluţiile utilizate în LNC-urile de satelit. Pentru scopul radioamatorilor este pe deplin convenabilă construcţia de bandă îngustă, acordată acolo unde este nevoie.


Fig. 4 Generatorul de semnal utilizat pentru acord şi măsurarea RL. Nivelul este mult mai mare decât cel care ajunge la analizorul de spectru din cauza pierderilor pe cablurile coaxiale (circa 5dB) şi în cuplorul direcţional (13 dB)


Fig.5 Cuplorul direcţional cu ieşirea în gol, pentru calibrarea pe RL = zero. Pe cablul din dreapta se aplică semnalul de la generator, în faţă este ieşirea către analizorul de spectru. Se vede şi tipul mufei SMA utilizate, înainte de scurtarea pinului central. In stânga, trecerea coaxial/ghid, cu sarcina cuplată


Fig.6 Nivelul de referinţă reglat la -20 dBm la intrarea în analizor


Fig.7 Raportul de unde staţionare în tensiune şi Return Loss [dB] funcţie de abaterea faţă de 10,368 GHz


Fig.8 Utilizarea unui circulator pentru indicarea puterii reflectate. Şuruburile
de acord se reglează pentru indicaţia minimă la instrument

Construcţia cu şuruburi de reglare este mai tolerantă la execuţie şi poate fi utilă pentru reglarea finală a adaptării cu hornul montat pe ghid (pe maximul unui semnal recepţionat, dacă nu există acces la aparatură de măsură). Cu imaginaţie şi anumite componente speciale care se pot procura uneori dela târguri de radioamatori - un cuplor direcţional sau un circulator pentru 10 GHz , plus un indicator de nivel, care poate fi chiar un simplu detector urmat de un instrument magnetoelectric sensibil ( microampermetru) - se poate obţine un minim de semnal reflectat, deci o adaptare cât mai bună. Se poate utiliza ca generator de semnal chiar transverterul de 10 GHz care se va folosi în trafic. Între el şi trecerea ghid/coaxial construită se va intercala circulatorul/cuplorul direcţional (pentru indicarea semnalului reflectat) , la ieşirea căruia se conectează detectorul de semnal (fig. 8). Piesa vizibilă în dreapta sus în fig.5 este o rezistenţă de 50 inclusă într-o mufă SMA, utilizabilă la 10 GHz până la o putere de 1W.

Dacă avem un circulator, acesta se poate utiliza pe post de cuplor direcţional, conectând detectorul în locul rezistenţei de închidere. Există cuploare direcţionale atât pe ghid, cât şi pe coaxial – dacă trecerea e corect reglată, atât pe ghid cât şi pe intrarea coaxială vom avea VSWR minim. In fig.9 se poate vedea un circulator pe ghid şi unul cu mufe SMA pentru banda de 10 GHz. Detectorul pentru semnalul reflectat se conectează la portul 1, în locul rezistenţei de sarcină la circulatorul cu mufe SMA, respectiv la portul 3 la circulatorul pe ghid. Semnalul se aplică la portul din stînga (2 – SMA, 1- ghid) iar sarcina ( în cazul nostru trecerea coaxial/ghid) la portul din dreapta.


Fig.9 Circulator (izolator) cu mufe SMA coaxiale (stânga) şi pe ghid WR75 (dreapta) pentru banda de 10 GHz

Urmând aceleaşi reguli constructive şi de acord, am realizat două treceri ghid/coaxial cu conectoare tip N (ceva mai speciale, cu flanşa de bază mai mică şi pinul central cu diametrul de 1 mm, învelit în teflon), pe care le-am utilizat pentru conectarea emiţătorului echipat cu TWTA; aici puterea de ieşire fiind de 300W, conectorul SMA nu este indicat. Pe cele două treceri plus o bucată de cablu coaxial pot avea o pierdere de 2 ... 4 dB (depinde de tipul şi lungimea cablului), deci rămâne o putere la horn de sub 200W (conformă cu Regulamentul pentru Serviciul de Amator), o valoare impresionantă pentru această frecvenţă şi care trebuie tratată cu tot respectul pentru evitarea afectării operatorului. La asemenea puteri, chiar energia lobilor laterali sau difracţia pe lângă parabolă pot fi periculoase pentru sănătate. Cea mai afectată parte a corpului este corneea, care se poate supraîncălzi rapid (nu este vascularizată şi nu poate evacua căldura degajată şi nici nu e prevăzută cu nervi care să ne avertizeze că ceva nu e în regulă!) şi se poate opaciza definitiv. Ca regulă generală, nu vom privi spre o antenă, horn sau deschidere de ghid în funcţie, chiar la puteri mici, de ordinul 1W.

Rămâne totuşi întrebarea: dece nu a reuşit construcţia numai reproducând dimensiunile determinate cu multă trudă de Paul ? [“Rectangular Waveguide to Coaxial Transition Design” , Paul Wade, QST Nov/Dec 2006, accesibil pe Internet în format pdf]. O explicaţie posibilă ar fi sursa de provenienţă diferită a mufelor SMA utilizate de mine. Din articolul lui Jim Davey, WA8NLC “Engineering Considerations For Microwave Equipment Design” din DUBUS 4/1994 şi comentariile editorului, se pare că valorile din schema echivalentă a diverselor mufe SMA pot diferi semnificativ între ele, ceea ce poate afecta adaptarea. O altă cauză ar putea fi grosimea diferită a peretelui ghidului, în care pinul central al mufei şi izolaţia lui de teflon formează o linie coaxială cu o impedanţă neclar definită din cauza efectelor de capăt. Această linie poate efectua o transformare de impedanţă între mufa propriuzisă şi baza ’antenei’. Şuruburile de fixare a mufei SMA, care nu se află în planul median al ghidului, unde influenţa este minimă (densitatea de curent zero) nu se termină exact la peretele intern al ghidului (poate exista o adîncitură – dacă şurubul e prea scurt, sau o ridicătură, dacă e prea lung) şi aceste ”accidente” pot introduce dezacorduri. In sfârşit, poate că prelucrarea mecanică realizată ‘din mână’ nu asigură precizia dimensională necesară (perpendicularitatea planului de scurtcircuitare, centrarea exactă a mufei SMA, lungimea antenei), sau gaura pentru mufă din peretele ghidului nu are diametrul din realizarea lui W1GHZ (eu am utilizat un burghiu de 4 mm, Paul a folosit unul cu un cod din standardele americane, cu dimensiunea în inch – teflonul care îmbracă pinul central are diametrul de 4.06 mm).

Concluzia este că la 10 GHz şi mai sus, nu ne putem baza numai pe reproducerea unei realizări, indiferent cât de meticuloasă ar fi aceasta şi cât de corectă realizarea iniţială, dacă nu respectăm toate datele, inclusiv fabricantul şi modelul pieselor (mufei, ghidului) utilizate. Accesul la aparatura de măsurare este o condiţie necesară, care ne poate scuti de insuccese, ne poate ajuta să înţelegem ce se întâmplă în realitate în echipamentul construit şi ne poate asigura reglajul final al întregii instalaţii pentru maximum de performanţă. Dimensiunile constructive sunt cele din fig. 10; simpla lor respectare nu garantează reuşita, este necesar un acord cu ajutorul şuruburilor M3. Poziţia finală de acord se poate aprecia din fig.11.


Fig.10 Dimensiunile trecerii echipate cu mufă SMA


Fig.11 Poziţia finală a şuruburilor de acord


Fig.12 Trecere cu conector tip N, pentru putere mare. In dreapta, mufa N utilizată, înainte de scurtarea
izolatorului de teflon. Sunt suficiente 2 şuruburi de acord; la cealaltă trecere construită,
şurubul lipsă e în altă poziţie, ceea ce confirmă apariția unor abateri de reproductibilitate,
chiar cu același tip de mufă și ghid

In fig.12 se vede o trecere cu conector N, pentru putere mai mare (partea de emisie, până 300W la ieşirea TWTA). Am construit două asemenea treceri (una din ele, cea nereprezentată în fotografie, are o flanşă cu „şoc” – un şanţ circular de circa λ/4 adâncime – poate şi din această cauză poziţia optimă a şuruburilor de acord este diferită la cele două construcţii), conectate între ele cu un cablu LDF4-50 de 6 m lungime. Atenuarea cablului şi a celor două treceri (cu conectori N) a fost măsurată la 10368 MHz la valoarea de 4,2 dB, deci din cei 300 W furnizaţi de TWTA mai ajung la feedhorn numai 114 W, o putere respectabilă pentru această bandă, cu care se poate începe activitatea EME cu bune şanse de succes. Desigur voi construi până la urmă un sistem cu ghid de undă pentru a reduce pierderile la o valoare rezonabilă : mă pot aştepta la atingerea unei atenuări de sub 0,2 dB/ 1m. La o lungime totală a ghidului de maxim 3m (cu TWTA montat în spatele parabolei) voi avea o atenuare de maxim 1 dB (sper chiar de 0,5 dB deoarece dispar şi trecerile ghid/coaxial) şi pot ajunge astfel la peste 200W la horn.

Variaţia RL , respectiv VSWR cu frecvenţa este asemănătoare cu cea din fig. 7, banda de frecvenţe utilizabilă fiind de câţiva zeci de MHz. Dacă se utilizează ghid WR90 (R100), mai frecvent folosit de radioamatori pentru banda de 10 GHz, trebuie ţinut cont că lungimea de undă în acest ghid e mai mică decât la WR75, şi toate dimensiunile trebuie modificate corespunzător, deci nu vom putea evita ”cercetarea experimentală” (sau puţină teorie...). Pentru partea de recepţie, dacă intenţionăm să utilizăm instalaţia EME şi pentru staţiile japoneze, trebuie ţinut cont că frecvenţa lor de emisie este 10450, adică cu 82 MHz mai sus. In acest caz putem realiza acordul pe o frecvenţă medie (10.409 MHz – cu preţul unei mici scăderi a adaptării pentru ambele frecvenţe - VSWR circa 1,11) sau putem construi două treceri dedicate, fiecare acordată la VSWR minim pe frecvenţa dorită 10.368, respectiv 10.450 MHz , pe care le montăm în funcţie de situaţie.

Ianuarie 2014, YO2BCT, Liviu

Liviu Soflete YO2BCT

Articol aparut la 22-1-2016

4240

Inapoi la inceputul articolului

Comentarii (3)  

  • Postat de ghita - YO8CLN (yo8cln) la 2016-01-22 10:12:52 (ora Romaniei)
  • Inca un "document" care trebuie studiat cu atentie de catre doritorii de EME in 10 Ghz. Felicitari Liviu si mult succes ! 73 ! de yo8cln.

  • Postat de Adi - YO8RHI la 2016-01-23 11:48:18 (ora Romaniei)
  • Este extraordinar ca impartasesti cu noi fiecare proiect la care lucrezi!Multumim!

  • Postat de Liviu - YO4FNG la 2016-01-29 00:52:37 (ora Romaniei)
  • Un articol studiat, care vine in ajutorul iubitorilor de microunde. Problema trecerii de la ghid de unda la coaxial este una spinoasa. Pentru cei cu resurse financiare rezolvarea e simpla, se pot achizitiona din comert treceri gata facute. M-am lovit si eu de aceiasi problema, mai intai am achizitionat o trecere facuta industrial si apoi am confectionat o alta trecere in regim home made, dupa indicatiile lui Pasul Wade W1GHZ - asa cum si autorul articolului facet o referire la el in acest articol. Compararea rexultatelor le-am facut practic in cadrul laboratorului de microunde al Universitatii Cambridge din Anglia, unde am constat cu surprindere ca desi am respectat in cele mai mici detalii instructiunile tehnice, ca sunt foarte departe de ceea ce doream eu. Gratie dotarilor de exceptie din laborator am reglat trecerea facuta de mine la aceleasi performante cu cea industriala. Se remarca fundamentarea tehnica a articolului pentru care il felicit pe autor si totodata sper ca va reusi sa trezeasca interesul in randul radioamatorilor pentru banda de 10 GHz. Ironia sortii face ca posesorii de echipamente de 10GHz din YO pe care ii cunosc sunt pozitionati geografic in colturile opuse ale Romaniei, fata de mine, sunt prezente forme inalte de relief intre noi ceea ce face aproape imposibil dezvoltarea unui trafic in conditii normale de propagare in banda de 10 GHz. Sper ca in viitor, gratie unor astfel de articole sa apara statii noi sa imi trec in log noi QSO-uri. 73 si la mai multe articole !

    Scrieti un mic comentariu la acest articol!  

    Opinia dumneavoastra va aparea dupa postare sub articolul "Construcţia unei treceri ghid-coaxial pentru banda de 10 GHz"
    Comentariul trebuie sa se refere la continutul articolului. Mesajele anonime, cele scrise sub falsa identitate, precum si cele care contin (fara a se limita la) atac la persoana, injurii, jigniri, expresii obscene vor fi sterse.
    Comentariu *
     
    Trebuie sa va autentificati pentru a putea adauga un comentariu.


    Opiniile exprimate în articole pe acest site aparţin autorilor şi nu reflectă neapărat punctul de vedere al redacţiei.

    Copyright © Radioamator.ro. Toate drepturile rezervate. All rights reserved
    Articole | Concursuri | Mica Publicitate | Forum YO | Pagini YO | Call Book | Diverse | Despre Radioamator.ro | Contact