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Ponti e accoppiatori direzionali negli analizzatori vettoriali di reti

Ponti e accoppiatori direzionali negli analizzatori vettoriali di reti

Sempre più spesso si trovano pubblicazioni, anche sulle pagine di RKE2, di progetti o recensioni di analizzatori vettoriali di reti. Questa abbondanza di progetti è dovuta alla disponibilità oggi, di circuiti integrati estremamente versatili attorno cui costruire degli strumenti con costi assai ragionevoli ma con prestazioni che hanno poco da invidiare alla strumentazione professionale, e che comunque forniscono precisioni ben oltre le pretese del dilettante. La quasi totalità dei progetti pubblicati usano dispositivi della Analog Devices sia per la generazione del segnale RF con DDS con uscita singola od in fase e quadratura, sia per estrarre le informazioni sul rapporto tra la potenza diretta e riflessa inviata al circuito o antenna sotto analisi, in termini di modulo e di fase. Le strategie dei diversi progetti divergono poi sulla tipologia di elaborazione dei dati raccolti: in taluni esempi commerciali l’analizzatore opera senza l’ausilio di alcun che, elaborando egli stesso i dati acquisiti.
Negli altri casi ci si affida alla potenza di calcolo dei personal computer interfacciandosi a volte via porta parallela, porta seriale oppure via USB. In tutti i casi è necessario estrarre l’informazione della potenza diretta e riflessa attraverso accoppiatori o ponti direzionali. Nel presente lavoro si sono analizzate le diverse tipologie proposte, effettuando misure nelle frequenze decametriche al fine di valutare i pro ed i contro delle diverse soluzioni.

AD8302

Il circuito integrato AD8302 è il dispositivo adottato in tutti i progetti presi in esame. Esso dispone di due ingressi e può operare sino ad una frequenza di 2.7GHz. Consiste di una doppia serie di amplificatori logaritmici che gli consentono una dinamica di 60 dB. I segnali sono messi internamente in rapporto tra loro: come fase con una precisione di +_ 1°, e come modulo con una precisione di +_ 0,2 dB.

Tandem_Match_Coupler
Fig. 1 - Tandem Match Coupler

Return_Loss_Bridge_N2PK
Fig. 2 - Return Loss Bridge N2PK

Return_Loss_Bridge_OZ3SW
Fig. 3 - Return Loss Bridge OZ3SW

Queste informazioni sono presenti all’uscita del circuito integrato come livelli di tensione continua con un range di 10mV/grado per la fase (0°-180°), e 30 mV/dB per il modulo, nel range ± 30 dB. Dunque stabilito che i livelli dei segnali a RF all’ingresso dell’integrato possono essere compresi nell’intervallo 0-60 dB e che la massima dinamica offerta è di 60 dB vediamo come fornire tali segnali al AD8302.

Tandem_Match_Coupler_tabella
Tabella 1 - Tandem Match Coupler: valori teorici attenuazione vs rapporto trasformazione.

Sono state prese in esame le tipologie più comuni: il Return Loss Bridge, usato da N2PK nel suo progetto di VNA6, ed il Tandem Match Coupler usato da IW3HEV e IW3JIZ nel loro Antenna Analyzer7. Per approfondimenti sull’argomento si consiglia la consultazione della bibliografia, con particolare attenzione alla 8 e 9.

Tandem Match Coupler
Questa tipologia di accoppiatore direzionale, il cui schema è visibile in figura 1, ha una risposta in frequenza sufficientemente piatta su di un range di frequenza ampio. Esso viene realizzato o con due toroidi oppure con un nucleo binoculare10. Dimensionando opportunamente i toroidi questo circuito si presta molto bene nella realizzazione di wattmetri RF11-12-13-14. Il trasformatore è di solito realizzato con una sola spira al primario ed un numero di spire n al secondario. La tabella 1 (derivata da15) riporta il valore delle perdite teoriche dell’accoppiatore in funzione del numero di spire al secondario (taluni valori peraltro in disaccordo con quanto riportato in 9). In ogni caso risulta evidente che aumentando il numero di spire al secondario si ottiene una riduzione delle perdite di inserzione, ma per contro viene ridotto l’accoppiamento tra primario e secondario.

Valori assoluti della dinamica misurata su diversi accoppiatori
Grafico 1 - Valori assoluti della dinamica misurata su diversi accoppiatori.

Simulazione variazione VSWR & Return Loss al variare dell’impedenza del carico ZL
Grafico 2 - Simulazione variazione VSWR & Return Loss al variare dell’impedenza del carico ZL.

Return Loss in funzione della
Grafico 3 - Return Loss in funzione della "bontà" del carico a 50ohm

- Particolare del grafico 3 su intervallo di frequenza ristretto
Grafico 4 - Particolare del grafico 3 su intervallo di frequenza ristretto (2/10kHz)

Return Loss Bridge
I pregi del Return Loss Bridge sono semplicità costruttiva, risposta relativamente piatta su un ampio intervallo di frequenza, e da non trascurare la possibilità di essere utilizzato anche come combinatore ibrido ad esempio per misure di intermodulazione. Per contro paga una perdita di inserzione (In vs Load) di 6 dB. Lo schema elettrico è riportato in figura 2. Nella versione originale di N2PK il trasformatore T1 è della Minicircuit modello T1-6T, che comunque può essere sostituito, anche se con prestazione leggermente inferiori, con un trasformatore realizzato con avvolgimento bifilare di 10 spire, filo 0,25 mm su un toroide FT-23-7716. Una variante allo schema proposto è visibile in figura 3. Sviluppata da OZ3SW (e già abbondantemente descritta 17-18), secondo le misure di VE3IVM permette di ottenere risultati decisamente migliori rispetto all’originale. La modifica è modesta: anziché utilizzare T1 come trasformatore, esso viene usato come balun.


Misure

Sono stati realizzati tre accoppiatori, due nella tipologia Tandem Match Coupler di cui uno con 2 supporti toroidali e l’altro con supporto binoculare. Il terzo accoppiatore è un Return Loss Bridge con balun autocostruito. Ove possibile si è proceduto alla ottimizzazione in termini di massima dinamica intesa come rapporto tra carico adattato e circuito aperto sulla porta Ref. (figura 1). Il grafico 1 mostra i risultati delle misure effettuate sia sui tre accoppiatori autocostruiti, sia su un modello commerciale della Minicircuit (ZEDC-15-2B), nello spettro di frequenza 20 Hz-40MHz. Le misure sono state effettuate tramite analizzatore di spettro HP3585A e tracking generator.


Considerazioni
Tutti gli accoppiatori, una volta ottimizzati, presentano una buona dinamica, comunque almeno oltre i 40 dB, e nella realizzazione su supporto binoculare superiore a 55 dB. Risultano carenti nella risposta alle frequenze basse, cosa invece non vera per il modello commerciale. È plausibile che una più oculata scelta nella gradazione della ferrite (non disponibili durante la stesura del presente articolo) possa permettere di ottenere una miglior risposta alle basse frequenze. Una considerazione particolare è opportuno farla nell’interpretare il Return Loss espresso in dB. I risultati di una simulazione, visibili nel grafico 2 , mostrano quale Return Loss e VSWR siano presenti tra un generatore, con impedenza di uscita di 50ohm, ed un carico la cui impedenza vari nell’intervallo 50ohm - 90ohm. È osservabile come un modesto scostamento dal valore di 50ohm faccia variare notevolmente il Return Loss . Questo ci porta a due considerazioni: la prima è che maggiore è la dinamica che riusciamo ad ottenere tanto più arduo sarà riuscire a migliorarla anche solo di poco. La seconda considerazione è che per effettuare le misure occorre un carico fittizio buono. La giustificazione di questa affermazione è visibile nel grafico 3 dove sullo stesso dispositivo commerciale (Minicircuit) è stato misurato il Return Loss usando sia un carico fittizio buono, sia terminatori da 50ohm di origine LAN, sia carico autocostruito. Se tutti i carichi avessero presentato lo stesso valore di impedenza al variare della frequenza, tutte le 5 curve sarebbero state sovrapposte. Invece le differenze, che nel caso peggiore arrivano a circa 18 dB, sono ben evidenti!. Non si faccia poi l’errore di pensare che tali comportamenti siano riscontrabili solo a frequenze elevate, già a soli 5000Hz gli effetti di disadattamento di un carico inadeguato sono più che manifesti, come visibile nel grafico 4. Ovviamente per la continua le curve convergono presentando i carichi lo stesso valore resistivo entro +_ 1%.

Conclusioni
Per ottenere i migliori risultati nella costruzione di accoppiatori direzionali occorre rispettare poche,
ma importanti regole: connessioni cortissime, schermature efficienti. Ottenere un’attenuazione di -40 dB significa maneggiare un segnale che è 10.000 volte più piccolo dell’originale! Lavorando con potenze bassissime (0/10 dBm), utilizzare componenti (ferriti, binoculari, fili smaltati, connettori) piccoli: più è piccolo il componente più piccoli sono gli elementi parassiti. Ed infine se i risultati che otteniamo non sono dei migliori, sinceriamoci di usare un carico appropriato nell’effettuare le misure.

radiokit elettronica

 

 

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ritratto di Pippo I0FTG

Accoppiatori direzionali

Articolo tecnico ben fatto, non è presa in considerazione un parametro importante: la direzionalità; un buon accoppiatore deve mostrarne almeno 30dB.
Altro.
Una verifica importante è quella condotta con un carico da 25 ohm e da 100 ohm, nella carta di Smith viene descritto un cerchio centrato a 50 ohm con la circonferenza che incontra nell'asse reale, sia i 25 ohm, sia i 100 ohm (circa); soltanto una misura vettoriale dimostra tale misura, la misura scalare riporta lo stesso risultato (stessa perdita di ritorno).

 

 

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