Векторный анализатор цепей на основе компьютерного SDR-приёмника (часть 3)

В устройстве управления применены элементы типоразмера 1206, а в ВЧ-цепях - типоразмера 0805, но для работы на частотах выше 2 ГГц следует применять элементы типоразмера 0402. Все соединения ВЧ-цепей должны иметь минимальную длину. Печатные проводники к ВЧ-разъёмам следует делать с волновым сопротивлением 50 Ом, в этом случае их длина не критична. Это позволяет отодвинуть разъёмы на достаточное расстояние, чтобы провода к генератору ВЧ и приёмнику не мешали подключению нагрузок к ВЧ-разъёму.

Полигоны общего провода с разных сторон платы соединены множеством переходных металлизированных отверстий. Из-за их обилия и малых размеров элементов целесообразно промышленное изготовление платы (например, через сайт jlcpcb.com). Необходимые gerber-файлы выложены на сайте редакции. Впрочем, кустарно изготовленный вариант моста на элементах типоразмера 1206 с межслойными соединениями проволочными перемычками отлично работал на КВ, хорошо - на частоте 144 МГц и удовлетворительно - до частоты 600 МГц. Автор не является специалистом по СВЧ-технике, и предлагаемые конструкции моста не обязательно оптимальные.

После проверки работоспособности следует закрыть мост со стороны деталей металлическим экраном-крышкой, соединённым с общим проводом. При желании можно разделить ВЧ-генератор и измерительный мост на отдельные функциональные блоки, которые соединены коаксиальными кабелями требуемой длины. Сигналы управления мостом при этом можно передавать с помощью низкочастотного кабеля.

МК PIC18F26K40 можно заменить МК PIC18F2520 или PIC18F26K42, "прошивки" для них выложены на сайте редакции. Исходные коды на языке Си можно легко адаптировать для других МК серии PlC18хххххх. Поскольку МК отвечает только за преобразование интерфейсов и формирование задержек, будет нетрудно адаптировать программные коды для других МК, включая модули серии Ардуино, на этот случай алгоритм работы детально описан в прилагаемом протоколе.

Таблица 3

Имеется также вариант прошивки для МК STM32F401CCU6 для недорогой платы (рис. 8) с Алиэкспресс. В табл. 3 приведено соответствие между выводами этой платы и выводами МК схемы управления на рис. 3. Этот МК напрямую подключается к USB-разъёму компьютера и эмулирует COM-порт. Прилагаемые исходные коды на Си легко переносимы на другие МК серии STM32ххх.

Рис. 8.

Цепи формирования сигналов управления мостом с уровнями +5 В и -5 В нужны в случае, если это требуется для применённого ВЧ-коммутатора. Например, если применить коммутатор XA2214-S14, микросхемы DD3, DD4 и их обвязку на плату можно не устанавливать. Микросхему SN74LVC2G17 можно заменить микросхемой NC7WZ17P6X или другой аналогичной с максимальной частотой не менее 250 МГц. Если работа на гармониках не критична, можно вообще обойтись без микросхемы DD2. Микросхемы 74HC14D можно заменить микросхемами 74HC04D. Использу емый переходник USB-COM должен иметь выходные уровни ТТЛ, совместимые с уровнями +3,3 В от МК. Обмен идёт на стандартной скорости 115200 бод.

ВЧ-коммутатор XA2214-S14 можно заменить коммутатором HMC544A с незначительным изменением посадочного места на плате. Можно использовать более качественный коммутатор HMC284AMS8G, но потребуется доработка платы (и он требует уровней управляющих сигналов +5 В). Фактически можно использовать любой ВЧ-коммутатор, подходящий по частотному диапазону.

Для использования анализатора необходимо на компьютере запустить прилагаемую программу NikySDRAA.exe. Подробно работа с программой и её настройка описаны в прилагаемом "Руководстве пользователя". Программа напрямую поддерживает приёмники RTL-sDr, SDRplay (Rsp1a, Rsp2, RspDuo, RspDx и китайский клон RSP1) и HackRF. Другие приёмники поддерживаются через плагины ExtIO*.dll для популярной программы HDSDR.

Первым делом необходимо убедиться, что с SDR-приёмника поступают данные, отображается спектр и традиционный "водопад", и он перестраивается по частоте, и можно изменять его чувствительность. Эту проверку желательно сделать до сборки антенного анализатора.

Далее к компьютеру подкл ючают устройство управления и в программе выбирают соответствующий CoM-порт. В выпадающем списке необходимо выбрать активный ВЧ-генератор. При этом программа настроит и включит генератор. Из программы можно вручную переключать точки "О" и "А" измерительного моста, при этом на выходах управления мостом "MostO", "MostA" должны появляться соответствующие сигналы.

Затем измерительный мост подключают к генератору и SDR-приёмнику, в окне программы на спектре должен отобразиться пик, соответствующий частоте сигнала ВЧ-генератора. Его перестраивают ручны м вводом частоты или двойным щелчком на спектре. Чувствительность SDR-приёмника необходимо отрегулировать так, чтобы не было его перегрузки.

Далее вводят данные о диапазоне частот, шаге перестройки и нажимают на кнопку "Сканировать!". По завершении сканирования будет отображено окно "Результаты", где можно выбирать графики для отображения, например, R, X, КСВ, уровня сигналов (см. подробнее в прилагаемом "Руководстве пользователя").

Метрологические характеристики анализатора определяются сочетанием параметров используемого SDR-приёмника (табл. 1), ВЧ-генератора (табл. 2), микросхемы ВЧ-коммутато-ра, а также конструкцией измерительного моста.

Фактически при использовании распространённых SDR-приёмников и ВЧ-коммутаторов легко дости гается верхняя частота 1,7...2 ГГц. При этом описанная выше конструкция моста на SMD-элементах типоразмера 0805 работает отлично. Узким местом оказывается ВЧ-генератор Si5351A, он работает всего до частоты 250 МГц. Впрочем, у всех приёмников есть необходимый запас чувствительности для работы на гармониках.

В качестве бюджетных генераторов до частоты 1 ГГц можно применять ISM-радиомодули (см. табл. 2). Так, RFM22B работает в диапазоне 240...960 МГц, при этом доступна программная регулировка выходного уровня. Сл едует выбирать модули на диапазон 915 МГц, чтобы избежать снижения уровня из-за встроенного ФНЧ. К сожалению, из-за ФНЧ работа на гармониках выше 1 ГГц бесперспективна.

Для СВЧ наилучшим решением является подключение к устройству управления специализированного модуля ВЧ-генератора ADF4351. Он перекрывает диапазон 35...4400 МГц. В сочетании с SDR-приёмником HackRF и коммутатором на микросхеме HMC270 реально "дотянуть" до частоты 5800 МГц (выше 4400 МГц - на гармониках). Однако для серьёзной работы на таких частотах следует более тщательно подойти к проектированию платы моста, применяя SMD-элементы типоразмера 0402 и меньше.

Из-за неидеальности топологии платы и сборки возможен разбаланс моста.

Например, при экспериментах автора измеренный КСВ эталонной 50-омной нагрузки доходил до 1,1 уже на частоте 600 МГц. Поэтому желательна (а на СВЧ необходима) калибровка по эталонным нагрузкам, например, 50 Ом, КЗ и ХХ.Нагрузки с другими КСВ (например, на 25 Ом и 100 Ом) также будут полезны для проверки работоспособности анализатора.

Изготовить эталонную нагрузку можно из коаксиального разъёма (вилки) серии SMA. Для этого центральный вывод максимально укорачивают и м ежду ним и корпусом припаивают параллельно несколько резисторов типоразмера 0805 или 0603 требуемого номинала
(рис. 9).

Рис.9.

Такие нагрузки - маломощные и, увы, не экранированные, но их КСВ приемлем до частоты 2 ГГц и даже выше. Хороши также оригинальные калибровочные нагрузки от прибора NanoVNA. Но вообще покупные 50-омные SMA-нагрузки зачастую могут оказаться значительно хуже самодельных (зато они, вероятно, более мощные). Поэтому стоит изготовить самодельную нагрузку на 50 Ом хотя бы для сравнения.

Для создания КЗ-нагрузки к центральному выводу и корпусу разъёма припаивают металлическую пластину-заглушку, для ХХ-нагрузки центральный вывод оставляют не подключённым.

На УКВ и СВЧ хорошо заметно, что даже входной SMA-разъём, являясь фрагментом линии с импедансом 50 Ом, трансформируют сопротивление любой нагрузки, отличной от 50 Ом. Поэтому калибровочные КЗ-нагрузки и ХХ-нагрузки должны изготавливаться из одинаковых разъёмов. Также без калибровки определяемое анализатором сопротивление зависит от частоты. По мере роста частоты КЗ-нагрузка плавно превратится в ХХ-нагрузку, а 25 Ом - в 100 Ом. Эти эффекты можно наглядно наблюдать на круговой диаграмме. В программе имеется функция компенсации влияния линии заданной длины.

Более подробно процедура калибровки описана в прилагаемом "Руководстве пользователя". Нет необхо-ди мости повторять калибровку при смене диапазона сканирования. На КВ-диапазонах калибровка менее актуальна.

Рис. 10.

Рис.11.

Рис.12.

Скриншоты окна программы с результатами в виде графиков показаны на рис. 10 и рис. 11. На первом из них - графики измерений нагрузок 110 и 165 Ом до частоты 5 ГГц, а на втором - те же результаты вместе с результатами измерения двухдиапазонной антенны 144/433 МГц. Также программа умеет отображать круговую диаграмму полных сопротивлений, на рис. 12 показаны результаты измерений нагрузок 110 и 165 Ом.

Поскольку для использования векторного анализатора необходим компьютер, что может затруднить настройку удалённых от "радиорубки" антенн, в программу встроен http-сервер, который позволяет удалённо наблюдать результаты выполненных измерений в браузере на мобильном устройстве (смартфоне, планшете) через локальную (Wi-Fi) или глобальную сеть. При этом можно откалибровать анализатор с учётом кабеля, ведущего к антенне, либо вынести сам анализатор ближе к антенне. При этом сигналы управления интерфейса можно передать по низкочастотному кабелю. Также предусмотрена возможность подключения узла управления к смартфону по USB-OTG (USB HOST). Посредством специально разработанного приложения на смартфоне обеспечивается передача по сети команд управления от компьютера к анализатору.

Скорость сканирования и уровень шумов измерений определяются заданным в программе временем накопления сигнала. Следует отметить, что перестройка частоты SDR-приёмника является относительно продолжительной операцией. К тому же разрядности АЦП SDR-приёмников весьма малы. Поэтому данному анализатору лучше удаются не скоростные, а детальные исследования.

Программное обеспечение и текстовые документы, упомянутые в статье, чертёж печатной платы в формате gerber находятся здесь.

Литература

1.Бекетов В. И., Харченко К. П. Измерения и испытания при конструировании и регулировке радиолюбительских антенн. Библиотека "Телевизионный и радиоприём, звукотехника", выпуск 56. - М.: Связь, 1971.

2.SDRplay. - URL: https://www. SDRplay.com/ (26.01.23).

3.About RTL-SDR. - URL: https://www. rtl-SDR.com/about-rtl-SDR/ (26.01.23).

4.Нечаев И. Мостовой измеритель КСВ. - Радио, 2003, № 12, с. 56-58.

5.Турчанинов В. Синтезатор частоты на PIC18F252 и модуле Si5351A. - Радио, 2021, № 5, с. 22-28.

Автор: Н. Егошин, г. Рязань