Pomiary charakterystyk częstotliwościowych (8). Obwody w.cz.

Adam Sobczyk

Kursy

4 maja 2026

W ostatniej części cyklu o pomiarach charakterystyk częstotliwościowych skoncentrowano się głównie na testach komercyjnych urządzeń, podzespołów i przyrządów w.cz., w większości dostępnych „z wirtualnej półki sklepowej”, czyli w sprzedaży internetowej. Przebadane zostały różnorodne anteny, filtry, wzmacniacze, tłumiki i sztuczne obciążenia w.cz. W testach wykorzystano przede wszystkim dwa zautomatyzowane i dość zaawansowane przyrządy pomiarowe z rodziny nanoVNA, dzięki możliwościom których autor materiału mógł skupić się przede wszystkim na metodyce i parametrach samych pomiarów. Przedstawiony dalej materiał może okazać się inspiracją i źródłem praktycznej wiedzy dla Czytelników o ambicjach konstruktorskich w dziedzinie radioelektroniki. Stanowi też preludium do cyklu publikacji poświęconego szeroko pojętej technice radiokomunikacyjnej.

Poprzednia część

Spis treści

Następna część Toc right icon

1. Pomiary charakterystyk częstotliwościowych (1). Filtry bierne m.cz. 2. Pomiary charakterystyk częstotliwościowych (2). Filtry aktywne m.cz. typu Sallen–Key 3. Pomiary charakterystyk częstotliwościowych (3). Amplifiltry wąskopasmowe 4. Pomiary charakterystyk częstotliwościowych (4). Filtry cyfrowe DSP typu FIR 5. Pomiary charakterystyk częstotliwościowych (5). Filtry cyfrowe DSP typu IIR 6. Pomiary charakterystyk częstotliwościowych (6). Komercyjne układy m.cz. 7. Pomiary charakterystyk częstotliwościowych (7). Komercyjne układy m.cz. – cd. 8. Pomiary charakterystyk częstotliwościowych (8). Obwody w.cz.

Środowisko, metodyka i ramy pomiarów

Wykorzystane w testach sprzętowe środowisko pomiarowe zostało oparte na dwóch półprofesjonalnych wektorowych analizatorach obwodów (ang. Vector Network Analyser) w.cz. i b.w.cz. z rodziny nanoVNA [1]. Każdorazowo były one dostosowywane do partykularnych urządzeń testowanych, a także przyjętego zakresu testów. W przypadku testów urządzeń aktywnych dodatkowo używano: regulowanego zasilacza stabilizowanego na napięcia 3 V, 5 V, 9 V i 12 V oraz automatycznego multimetru cyfrowego do kontroli napięć zasilania. Przy pomiarach wzmacniaczy należało zmierzyć się z zagadnieniami przesterowań na wejściu i wyjściu badanego urządzenia i dlatego też stosowano obserwację jakości sygnałów za pomocą prostego oscyloskopu cyfrowego oraz półprofesjonalnego analizatora widma z rodziny tinySA (ang. Spectrum Analyser) [2]. Wszystkie wymienione analizatory zostały przed rozpoczęciem właściwych pomiarów skalibrowane zgodnie z instrukcjami dostępnymi na stronach twórców tych urządzeń.

Fotografia 19. Zestaw analizatora wektorowego w wersji NanoVNA-H [1]

Analizator wektorowy nanoVNA był wykorzystywany w dwóch wersjach: podstawowej (fotografia 19), pracującej w zakresie częstotliwości od 50 kHz do 900 MHz (z podziałem na dwa podpasma) oraz w wersji znacznie bardziej zaawansowanej H4 Plus (fotografia 20), pracującej w zakresie częstotliwości od 50 kHz do 2,7 GHz (z wewnętrznym podziałem na trzy podpasma). Liczne i wyczerpujące opisy sposobu eksploatacji obu wymienionych przyrządów pomiarowych można bez problemu znaleźć w Internecie (m.in. pod adresem [1] i dalszymi odnośnikami).

Fotografia 20. Analizator wektorowy w wersji NanoVNA-H4 Plus

W tym miejscu warto wspomnieć, że pierwszy z nich, zarówno z uwagi na ograniczony zakres pomiarowy, jak i funkcjonalny, a także niewielki rozmiar wyświetlacza (2,8”), można traktować bardziej jako podręczne, kieszonkowe urządzenie do pomiarów polowych (w terenie) – przydatne głównie przy strojeniu anten na pasma HF, VHF oraz na niższe podpasma UHF. Natomiast drugi z zastosowanych przyrządów (z wyświetlaczem o przekątnej 4” oraz znacznie poszerzonym zakresem mierzonego pasma częstotliwości i rozbudowanymi funkcjami pomiarowymi) świetnie sprawdził się jako całkiem przyzwoity, półprofesjonalny przyrząd laboratoryjny, dostępny za dość przystępną cenę. Natomiast wspomniany analizator tinySA w wersji podstawowej (fotografia 21) nie nadaje się raczej do zastosowań istotnie ambitniejszych niż zgrubna obserwacja widma badanego sygnału. W szczególności sprawdził się przy wykrywaniu obecności wyraźnych zniekształceń nieliniowych sygnału podstawowego, objawiających się poprzez występowanie znacznych wartości jego wyższych harmonicznych.

Fotografia 21. Zestaw analizatora widma TinySA [2]

Jeśli chodzi o generalną metodykę samych pomiarów, to należy w tym miejscu wyjaśnić, że wykorzystywane w testach analizatory wektorowe umożliwiały pomiar przede wszystkim dwóch kluczowych elementów doskonale znanej w technice mikrofalowej tzw. macierzy rozproszenia S [3]. Są nimi zespolone parametry: S11 oraz S21. Nie wdając się tutaj w zbyt daleko idące dywagacje teoretyczne, oba wymienione parametry są badane w warunkach dopasowania do impedancji wyjściowej (port oznaczony jako „S11”) oraz wejściowej VNA (port oznaczony jako „S21”), wynoszącej dokładnie 50 Ω. Pomiar parametru S11 odbywa się na podstawie analizy zespolonego sygnału odbitego od wrót wejściowych badanego urządzenia, czyli tzw. straty zwrotnej (ang. Return Loss). Natomiast pomiar parametru S21 jest oparty wyłącznie o analizę zespolonego sygnału odebranego na wrotach wyjściowych testowanego ustroju w warunkach odpowiedniego pobudzenia na jego wrotach wejściowych. Analiza parametru S11 może zostać wykorzystana do wyznaczenia m.in. takich szczegółowych parametrów elektrycznych, jak moduł impedancji |Z|, rezystancja R, reaktancja X, czy współczynnik fali stojącej WFS (ang. SWR, Standing Wave Ratio) – kluczowych przede wszystkim przy ocenie dopasowania, sprawności i ogólnej jakości pracy torów nadawczych. Z kolei analiza parametru S21 jest najbardziej przydatna do oceny wzmocnienia napięciowego i mocy dla danego zakresu częstotliwości dwuwrotników, jakimi są m.in. filtry i wzmacniacze pasmowe. Warto w tym miejscu wyraźnie podkreślić dwa zasadnicze aspekty praktyczne:

pomiary szeroko pojętych charakterystyk częstotliwościowych nie muszą dotyczyć wyłącznie transmitancyjnej analizy elementu S21 macierzy rozproszenia, dostępnego wyłącznie w przypadku dwuwrotników (czwórników z wrotami wejściowymi i wyjściowymi – jak np. filtry, tłumiki czy wzmacniacze),
w szczególności, pomiary szeroko pojętych charakterystyk częstotliwościowych w zakresie analizy elementu S11 macierzy rozproszenia są kluczowe dla przypadków jednowrotników, czyli dwójników z wyłącznie pojedynczymi wrotami (jak np. anteny czy sztuczne obciążenia).

Wyznaczone na potrzeby tej publikacji ramy pomiarów zostały podzielone na trzy główne grupy. Pierwsza z nich to swego rodzaju „wprawka” oparta na dedykowanej właśnie do tego celu (fotografia 22) płytce testowej (ang. EvB, Evaluation Board) [4], nazwanej przez producenta RF Demo-Kit i wyposażonej w 18 przykładowych obwodów jedno- i dwuwrotników pasywnych. Ta część prezentowanych eksperymentów pomiarowych miała na celu przede wszystkim oswojenie Czytelnika z podstawowym środowiskiem pomiarowym i jego możliwościami, jednak sam RF Demo-Kit będzie szerzej wykorzystywany w trakcie zapowiadanego wcześniej cyklu edukacyjnego o szeroko pojętych technikach radiowych – także do przybliżenia Czytelnikom sposobu korzystania z tzw. wykresu kołowego Smitha, zwizualizowanego na spodniej stronie płytki testowej. W drugiej grupie ujęto pomiary dwójników (jednowrotników): wybranych odbiorczo-nadawczych radiokomunikacyjnych anten HF/VHF/UHF, sztucznych obciążeń rezystancyjnych oraz rezonatorów kwarcowych, które zostały wykorzystane do konstrukcji przebadanych i opisanych dalej filtrów pasmowoprzepustowych SSB. Trzecia grupa pomiarów obejmowała czwórniki (dwuwrotniki), takie jak: tłumiki rezystancyjne, filtry pasmowoprzepustowe i pasmowozaporowe oraz szerokopasmowe wzmacniacze na pasma HF/VHF/UHF. Specyfiki konkretnych pomiarów w każdej z wymienionych grup (w szczególności: sposób pomiaru, zakres częstotliwości, jak również mierzone parametry) różniły się na tyle pomiędzy poszczególnymi przypadkami, że zostały wyczerpująco opisane dopiero przy partykularnych przypadkach testowych.

Fotografia 22. Płytka testowa do analizatora nanoVNA RF Demo-Kit [4]

Pierwsze kroki, czyli pomiary obwodów na płycie nanoVNA EvB

Jako pierwsze badane urządzenie wybrano płytkę demonstracyjną RF Demo-Kit (fotografia 22), przeznaczoną do testów i nauki obsługi urządzeń z rodziny nanoVNA a – w szczególności – do zdobywania praktycznych umiejętności związanych z pracą z tzw. wykresem kołowym Smitha [3, 4]. Jakkolwiek, ostatnie z wymienionych zadań nie będzie poruszane w tym opracowaniu, a zostanie szczegółowo podjęte we wspomnianym wcześniej cyklu publikacji o technikach RF. Na PCB RF Demo-Kit umieszczono aż 18 obwodów jedno- i dwuwrotników pasywnych, podłączanych do analizatora VNA za pomocą załączonych w zestawie z płytką, przejściowych przewodów połączeniowych SMA-IPEX (fotografia 23).

Fotografia 23. Pomiar filtru ceramicznego na płytce RF Demo-Kit wykonany analizatorem nanoVNA

Na rysunku 99 zaprezentowano opublikowany na stronie producenta płytki [4], graficzny wykaz dedykowanych testów z wyróżnionymi kolorowymi ramkami konfiguracjami testowymi (niebieskie – dwójniki, czerwone – czwórniki), które autor uznał za warte pomierzenia i prezentacji w ramach tego artykułu.