Eduard Voiculescu YO3ICT

Introducere

Folosirea unui echipament thru-line de tipul Bird43 da rezultate bune cand se cunoaste istoricul instrumentului din punctul de vedere al validitatii calibrarii sale iar atunci cand avem dubii in aceasta privinta, sa efectuam noi insine procedeul de calibrare. Calibrarea unui spul/element de Bird43 nu este, insa, la indemana oricui.

Pentru a trece peste acest obstacol, am decis sa construiesc un power metru de precizie care poate fi calibrat cu echipamente de laborator obisnuite – generatoare de semnal ± 20dBm.

Schema bloc, descrierea modului de functionare

Semnalul de intrare in instrument este atenuat cu 20dB inainte de detectorul logaritmic, acest lucru permitand, in primul rand, obtinerea unui S11 return loss excelent, micile dezadaptari de dupa atenuator putand fi usor corectate in procesul de calibrare.

Detectorul folosit este binecunoscutul AD8307 de la Analog Devices (Foaie de catalog : https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ad8307.pdf). AD8307 este un detector logaritmic multi stage, avand o gama dinamica de peste 60dB de la DC la 500MHz, cu o liniaritate de ± 1dB. Iesirea detectorului este in tensiune, avand ca si caracteristici tipice panta (slope) de 25mV/dB si originea (intercept) de -84dBm.

Formula generala este: Putere_intrare_detector(dBm) = U_iesire_detector(mV) / panta + origine.

In baza figurii 6 din foaia de catalog cat si prin plasarea atenuatorului de 20dB inaintea detectorului, rezulta o gama dinamica utilizabila cuprinsa intre -40 si +20dBm, cu o panta teoretica de 25mV/dB si o origine teoretica de -64dBm.

Datorita impedantei mari a iesirii detectorului, am ales includerea unui buffer 1:1 folosind amplificatorul operational AD8691 de la Analog Devices. Prin prisma faptului ca acest etaj ataca o sarcina capacitiva, etajul este compensat in frecventa folosind metoda in-loop compensation (https://www.analog.com/en/resources/analog-dialogue/articles/ask-the-applications-engineer-25.html).

Convertorul analog-numeric ales este LTC1864L de la Analog Devices, pe 16 biti, avand ca referinta externa de precizie LT1460, deasemenea de la Analog Devices.

Citirea datelor esantionate de catre convertorul analog-numeric se realizeaza folosind interfata SPI de catre microcontrolerul ATmega328P de la Microchip, informatia fiind transmisa mai departe pe UART catre circuitul integrat de conversie UART-USB MCP2221A, deasemenea de la Microchip.

Instrumentul include si un sensor de temperatura DS18B20, de la Analog Devices, plasat strategic sub etajul de intrare (atenuator + detector).

Alimentarea se realizeaza din USB, prin intermediul a doua stabilizatoare liniare cu zgomot redus LTC3042, special concepute de catre Analog Devices pentru aplicatii de radiofrecventa.

Este foarte important de mentionat ca s-au luat toate masurile pentru deparazitarea semnalelor USB prin folosirea unor perle de ferita cat si a unui soc de mod comun, similar cu implementarea 829999STICK a celor de la Würth Elektronik (https://www.we-online.com/en/components/products/EMC_FILTER_BAGS_STICKS_USB_2_0_TYPA_FILTERSTICK).

Realizarea practica

Imaginea marita

Aplicatia PC

Deoarece datele vin pe USB, a fost necesara dezvoltarea unei aplicatii grafice folosind VB.NET.

Aplicatia preia datele brute sosite pe USB, procesarea acestora facandu-se de catre calculator.

Asadar, exista posibilitatea efectuarii de masuratori absolute, in dBm/W, cat si relative, in dBc/%, iar in cazul folosirii, spre exemplu, al unui RF tap sau al unui cuplor, masuratorile se pot offseta, cu valoare offset constanta sau in baza unui tabel (daca, spre exemplu, RF tap-ul prezinta oarecare diferente ale coeficientului de cuplaj in functie de frecventa).

Exemplul unei masuratori cu offset tabelat este prezentat in figura urmatoare, constand in masurarea puterii de iesire a unui Icom 746pro debitata pe o sarcina artificiala continand un RF tap cu un coeficient de cuplaj de -50.34dB in banda de 10 metri.

Efectuarea unei astfel de masuratori este posibila si la frecventele care nu fac parte din tabel, coeficientul de cuplaj calculandu-se prin interpolarea liniara a coeficientilor frecventelor vecine.

Calibrarea instrumentului

Calibrarea unui astfel de echipament este esentiala pentru o functionare cu precizie ridicata, dezvoltarea algoritmului necesitand timp chiar mai indelungat in comparatie cu dezvoltarea realizarii practice.

Majoritatea proiectelor similare disponibile pe internet sugereaza folosirea unei simple calibrari (o singura pereche panta-origine in toata gama de frecvente). Rezultatul acestei abordari s-a dovedit a fi unul mediocru. Deasemenea, implementarea unui sistem cu cate o pereche panta-origine per frecventa a dat rezultate slabe.

Astfel, am ales 9 niveluri de putere, de la -20dBm la +20dBm cu pas de 5dB, precum si un set standard de frecvente pentru efectuarea masuratorilor ale nivelului de iesire in mV al detectorului, rezultand tabelul de mai jos.

In baza acestui tabel, algoritmul dezvoltat calculeaza in timp real atat panta cat si originea, avand ca parametri de intrare frecventa si nivelul citit la iesirea detectorului in mV.

Exemplu practic simplificat:

Dorim sa efectuam o masuratoare la 12MHz, tensiunea de la iesirea detectorului fiind 1500mV. Algoritmul parcuge tabelul pana cand se indeplineste conditia : f(n) > 12 si 12 < f(n+1), asadar f(n) = 10MHz si f(n+1) = 14MHz.

Folosind interpolarea liniara a valorilor vectorilor de calibrare la 10 si 14MHz, se calculeaza un vector temporar dedicat pentru f=12MHz, acesta continand nivelurile in tensiune corespunzatoare nivelurilor de la -20dBm la +20dBm cu pas de 5dB.

In penultimul pas, vectorul temporar se parcurge de la stanga la dreapta pana cand se gaseste U(n) > 1500mV.

Pasul final il reprezinta calculul pantei si al originii pe baza U(n-1), U(n) si al nivelurilor corespunzatoare in dBm.

Achizitia datelor tabelului de calibrare a fost efectuata automat, folosind un generator Tektronix AFG3021 sub 10MHz si un generator Anritsu MG3692 peste 10MHz, comanda echipamentelor realizandu-se cu ajutorul unui script Python prin magistrala GPIB cu ajutorul unui convertor GPIB-USB de la National Instruments.

Concluzii finale

• instrumentul prezentat acopera gama de frecvente 1 – 450MHz, masurand semnale de tip continuous-wave in intervalul -20dBm / +20dBm, adica 10uW / 100mW cu o precizie de ± 0.1dB
• implementarea unui algoritm de calibrare cu pas de 1dB are potentialul de a imbunatati precizia considerabil
• folosirea instrumentului in tandem cu un RF tap sau cu un cuplor permite efectuarea de masuratori la puteri mult mai mari (spre exemplu, un coeficient de cuplaj de -40dB permite masuratori pana la 1kW)

Eduard Voiculescu YO3ICT

Articol aparut la 14-8-2024

1135