Как выбрать антенный анализатор, чтобы он мог измерять антенну

Помехи антенным анализаторам

Задача помехоустойчивости антенных анализаторов

Антенных анализаторов существует уже немало. Поэтому встает вопрос выбора.

Диапазон частот, пределы, точность, вид представления результатов (то есть что, где и как измерять) выбрать относительно несложно. Это есть в описании всех приборов.

Но нередко при выборе антенного анализатора вообще не рассматривается вопрос: а может ли он измерять реальную антенну? То есть, способен ли он выполнять свою основную задачу? Ведь есть немалый шанс, что аппарат, который красив по цифрам технических параметров, при измерении реальной антенны может показать все что угодно, кроме правильных значений, если не уделить внимания его помехоустойчивости.

Рассмотрим причины этого безобразия. Любой антенный анализатор, в конечном итоге измеряет какое-то (например, с измерительного моста) напряжение.

В идеале это напряжение со своего внутреннего генератора, как-то прошедшее через измеряемую цепь. Когда эта цепь состоит из элементов, лежащих на столе, то всё прекрасно. Что подали с генератора, то (с учетом логики измерения) и получили. Никаких других сигналов и частот, кроме как с нашего генератора в LCR цепи нет и быть не может (имеется в виду, что в цепи нет нелинейных элементов или наш сигнал с внутреннего генератора много меньше того порога, при котором эта нелинейность проявится)

А вот когда мы измеряем антенну ситуация иная. На антенне, кроме нашего "родного" сигнала вполне могут быть и другие сигналы. Эфир ныне загружен основательно, а антенна принимает. В результате, если в округе имеются работающие передатчики (а они имеются почти всегда, как минимум радиовещание и телевидение), то на антенне (а, следовательно, и на входе анализатора) могут оказаться сигналы других частот. Например, НЧ диполь подключенный к 50-ти омному входу осциллографа, вечером дает дорожку до нескольких сотен милливольт размаха принятых из эфира сигналов. Другой пример: радиовещательный FM передатчик в Бонне даже на нерезонансные для него антенны КВ диапазонов дает наводку в несколько десятков милливольт в радиусе нескольких км.

Поэтому антенный анализатор должен уметь отличать свой измерительный сигнал от чужих помех, принятых антенной. Иначе, измеряя суммарную амплитуду своего сигнала и помех, можно получить всё, что угодно. Проще говоря, антенный анализатор должен обладать помехоустойчивостью. Вот ней и пойдет речь ниже.

Требуемые параметры приемника

Дело проясняется, если к цепи измерения ВЧ напряжения анализаторе подойти как к обычному приемнику. Ведь задачи те же: выделить из помех нужный сигнал и опознать его. Основные параметры приемника: избирательность, динамический диапазон, полоса. Определимся что требуется в этом смысле от антенного анализатора.

Полоса определяется скоростью измерения. При ручном измерении на одной частоте (когда некуда торопиться) полоса может быть единицы герц. При сканировании в полосе частот надо шевелиться побыстрее. Например, у нас 250 точек по частоте, и мы хотим чтобы график получался бы за 1 секунду. Тогда на одной частоте мы можем быть 1 с / 250 = 4 мС. Взяв двойной запас получаем 2 мС и максимальную полосу приема 500 Гц. Больше не надо и вредно.

Избирательность зависит от диапазона импедансов и максимально допустимой из-за помех погрешности.

Допустим, мы желаем измерять от 2,5 до 1000 Ом, т.е. сопротивления в 20 раз, отличающиеся от образцовых 50-ти Ом. Значит, сигнал с моста может быть в 20 раз ниже (т.е на 26 дБ), чем при согласовании. И мы желаем иметь на краях диапазона измерений погрешность из-за помех не более 5%. То есть тоже 1/20 или 26 дБ. При таких (довольно скромных)требованиях, частотная избирательность приемника анализатора должна быть не менее 26 + 26 = 52 дБ. При более жестких требованиях не помешает и 60 дБ.

Динамический диапазон. Не тот, который любят писать производители (по одному сигналу от и до), а многосигнальный. При одновременном измерении минимального полезного сигнала и действии максимальных помех. Имея в виду, что минимальный измеряемый сигнал должен быть хотя в 10 раз (на 20 дБ) выше чувствительности приемника (иначе, мы будем измерять шумы, а не сигнал), получаем динамический диапазон на 20 дБ больше частотной избирательности. То есть 70 ... 80 дБ.

Цифры полосы единицы-сотни герц, избирательности 50..60 дБ и динамического диапазона 70...80 дБ для приемников совсем не рекордны и легко достижимы. Посмотрим с этой точки зрения на схемы измерений ВЧ напряжения (т.е на приемники )разных анализаторов.

Реальные параметры приемника

Анализаторы с диодными детекторами прямо на входе (или на измерительном мосту). Тут всё печально. Это даже не детекторные приемники (те хоть имеют LC-контур на входе), это хуже. Частотная избирательность вообще отсутствует как класс. Детектируется всё, что пришло с антенны. Полоса тоже ничем не ограничена. Поэтому при небольших (очень примерно говоря, ниже 0 dBm или ~220 mB эфф. на 50 Ом) уровнях внутреннего генератора на реальной антенне пользоваться таким прибором фактически нельзя: измерения искажаются от любой помехи.

Чтобы хоть как-то ослабить проблему, приходится идти по пути грубой силы. Ставить мощные генераторы (+20 dBm, около 2 В эфф), которые дают сигнал много больший, чем возможные помехи. Но такой генератор, кроме повышенного расхода питания, формально использовать нельзя за пределами любительских диапазонов. Излучать антенной 100 мВт где попало по частоте – это не лучшая идея.

 

Анализаторы с логарифмическими детекторами в смысле помехозащищенности ничем не отличаются от приборов в диодами. Даже хуже. Из-за нелинейности характеристики малый сигнал не только маскируется, но и подавляется помехами (эффект в любой нелинейной цепи).

 

Шумовой ВЧ-мост хорош по помехозащищенности. Причина проста: в качестве измерителя мы применяем нормальный внешний приемник. Его параметры избирательности и определяют помехозащищенность измерений.

 

Анализаторы с супергетеродинным приемником это приборы, которые могут измерять антенну, принимающую помехи. Если, конечно, позволяют параметры приемника.

Промежуточная частота таких приемников почти всегда выбирается низкой: единицы килогерц (поэтому их часто называют приемниками с прямым преобразованием). Из-за низкой ПЧ даже простейший ФНЧ на выходе смесителя обеспечивает очень хорошую частотную избирательность. Везде, кроме зеркального канала, который при низкой ПЧ совсем рядом. На зеркальный канал либо не обращают внимания (при узкой полосе это допустимо, шанс нарваться на помеху снижается вместе с полосой), либо подавляют фазовым методом (двухканальный квадратурный прием, но это удорожает прибор).

Полоса определяется фильтром на выходе смесителя и может быть легко сужена до сотни герц.

Динамический диапазон определяет входной смеситель. Свыше 80 дБ легко достигается на недорогих микросхемах двойных балансных смесителей.

Цифровая обработка для повышения помехоустойчивости

Аналоговые приемы сужения полосы приемника имеют свои пределы. Дело в том, что узкополосные аналоговые фильтры имеют плохую импульсную характеристику. То есть долго "звенят" и устанавливается при скачкообразном изменении уровня сигнала. А именно это и происходит при сканировании (т.е. скачкообразной перестройке) частоты.

Поэтому параметры аналоговой фильтрации выбирают не только из требуемой полосы, но и допустимой (по уровню и времени) реакции на импульс.

Существуют фильтры с гладкой импульсной характеристикой. Но они имеют неважную избирательность, и чтобы ее все же достичь такие фильтры приходится делать сложными, высокого порядка. В аналоговом исполнении это проблемно. Но не в цифровом. Чаще всего ведь сигнал ведь идет на АЦП. А после него в процессоре мы можем реализовать любой алгоритм, в том числе и цифрового фильтра с любой АЧХ.

Кроме цифровой фильтрации, обеспечивающей узкую полосу при хорошей импульсной характеристике, в цифровом виде можно применить и корреляционную обработку. Если супергетеродин фазосинхронный (а в векторном измерителе это именно так), то мы точно знаем, что полезные сигналы (на одной частоте) после смесителя должны иметь стабильную фазу (постоянный сдвиг, зависящий от импеданса, на этой частоте). А если что-то хотя и точно попадает в полосу, но его фаза меняется, то это точно помеха (в отличие от нас, ничего не знающая о фазе нашего внутреннего генератора), которую надо игнорировать.

На этом основана корреляционная цифровая обработка (фильтрация по форме сигнала). Она эквивалентна сужению эффективную полосу приема до единиц герц. Всё не попавшее в эту полосу на измерения не влияет.

Выводы

Конечно, абсолютно защищенных от помех приемников не бывает. Соответственно, не бывает и совсем не реагирующих на помехи антенных анализаторов. Но вполне реально подключать к антенне не детекторный приемник (анализаторы с диодами или логарифмическими детекторами), а более-менее нормальный приемник (анализатор, в котором измерительные цепи сделаны по схеме супергетеродина), или даже хороший приемник с DSP (анализаторы с супергетеродином и последующей цифровой обработкой). Анализаторы с хорошим приемником корректно измеряют антенну практически всегда (разве что, кроме случаев, когда на соседней антенне в нескольких метрах работает киловаттный передатчик).

Если в описании интересующего прибора отсутствуют такие параметры как частотная избирательность и динамический диапазон, то надо изучать схему. И если там не супергетеродин (то есть в цепи измерения нет хорошего смесителя и фильтров после него), то такой прибор для измерения антенн мало пригоден из-за сильной реакции на помехи, принятые антенной.

 

Сознательно избегал схем конкретных приборов и их сравнения. Это статья об общих принципах помехозащищенности антенных анализаторов.



Bonn, 03.10.2013

На главную - Main page