VSWR metar T.O.S. METRE Type TO 202

Danas je nabavljen uređaj za mjerenje SWR-a antena u opsegu 65-500 MHz oznake T.O.S. METRE Type TO 202, proizvod francuske tvrtke Ferisol iz 1966. godine. Uređaj ima ugrađen vlastiti VF oscilator podesiv po amplitudi i frekvenciji u opsegu 65-500 MHz, te isti može poslužiti kao izvor VF signala koji se može dodatno modulirati ugrađenim generatorom pravokutnog napona frekvencije 1 kHz.

Tvrtka Ferisol osnovana je 1934. godine i poslovala je do kraja 1970-tih godina. Kroz čitavo razdoblje je proizvodila profesionalne NF, VF i RF (do 40 GHz) mjerne uređaje za vojne i civilne potrebe:  signal generatori, oscilatori snage, analizatori spektra, pulsni generatori, osciloskopi, mjerači frekvencije, Q-metri, SWR metri, RF vatmetri, reflektometri i voltmetri, RF pojačala, atenuatori, umjetna opterećenja i slično.

Na našem instrumentu vidimo naziv T.O.S. METRE, odnosno francusku kraticu TOS (Taux d’onde stationnaire), a to je mjerna jedinica koja označava postotnu vrijednost napona reflektiranog vala u odnosu na direktni val.

TOS = 100 (Ur / Ud)

TOS je donekle zastarjela jedinica i nije se svugdje koristila. Uobičajeno se koristi jedinica VSWR koja se definira kao omjer stojnih valova, odnosno omjer zbroja i razlike susjednih maksimuma napona (Ud+Ur) i minimuma napona (Ud-Ur) direktnog i reflektiranog vala za jednu određenu frekvenciju. Za SWR (VSWR) francuzi imaju kraticu ROS (Rapport d’ondes stationnaires).

ROS = VSWR = (Ud+Ur) / (Ud-Ur)

Vidimo da su TOS i ROS (VSWR) matematički povezane veličine i obje prikazuju odnos direktnog i reflektiranog vala samo su izražene na drugačiji način, pa vrijedi relacija:

 TOS = 100 (VSWR-1) / (VSWR+1)

Također, instrument ima kalibriranu skalu i za mjerenje faktora (koeficijenta) refleksije, a to je omjer reflektiranog napona (Ur)  i direktnog napona (Ud).

Fr = Ur / Ud

Vraćeni reflektirani val ne može biti veći od poslanog direktnog vala pa je faktor refleksije je uvijek negativan. Stoga je četvrta skala na našem instrumentu baždarena od 0 – 1. Što je faktor refleksije manji to je i reflektirani napon manji, a time su onda također manji TOS i ROS (VSWR) odnosno antena je bolje podešena. Kako su sve ove tri veličine povezane može se izvesti i slijedeća relacija:

TOS = 100 Fr

Na našem instrumentu skala za mjerenje faktora refleksije usklađena je s prvom skalom za mjerenje VSWR-a (1-beskonačno). To znači ako na primjer izmjereni ROS (VSWR) na prvoj skali ima vrijednost 3,5 onda paralelno na četvrtoj skali možemo očitati i pripadajući faktor refleksije od 0,56 odnosno taj faktor refleksije možemo lako preračunati u TOS tako da ga pomnožimo sa 100 i dobivamo TOS od 56%.

Više o mjernim jedinicama i mjerenju SWR-a možete pročitati u objavi MJERENJA NA ANTENAMA – SWR, PWR, FS, MODULATION.

Ljubaznošću gospodina Aleksandera Žerjala iz Sektorja letalskih telekomunikacij Kontrole zračnega prometa Slovenije pribavili smo originalnu dokumentaciju za T.O.S. METRE Type TO 202 i Type TO 401. Ova dva mjerača razlikuju se samo u radnom frekvencijskom opsegu pa tako TO 202 radi u opsegu 65-500 MHz, a TO 401 u opsegu 250-920 MHz.

T.O.S. METRE Type TO 202 se u osnovi sastoji od slijedećih funkcijskih sklopova:

• VF oscilator frekvencijskog opsega 65-500 MHz (VFO)
• NF modulator pravokutnim naponom frekvencije 1 kHz
• niskopropusni filtar 530 MHz
• usmjerni sprežnik (directional coupler)
• mjerno pojačalo (selektivni voltmetar 1 kHz)
• mrežno napajanje

Blok shema SWR metra T.O.S. METRE Type TO 202 jednostavna je kao i shema svakog drugog sličnog SWR metra. Pomoću VFO-a namjesti se frekvencija (u opsegu 65-500 MHz) na kojoj želimo ispitati antenu (FREQUENCE). Oscilator se može amplitudno modulirati pravokutnim signalom frekvencije 1 kHz (MODULATION). VF energija iz oscilatora uzima se preko induktivne sprege i vodi na nisko-propusni filtar (530 MHz) kojim se filtriraju viši harmonici koje proizvodi oscilator. Induktivna sprega između oscilatora i filtra može se mehanički podešavati (TARAGE-GROS) tako da se uzima više ili manje VF energije. Ovime se ugrubo vrši kalibracija instrumenta s obzirom na visinu VF napona (amplitude). VF signal se zatim preko usmjernog sprežnika vodi na antenu koja se ispituje (CHARGE) te se u direktnom smjeru (TARAGE) vrši kalibracija instrumenta na puni otklon (TARAGE-GROS-FIN). Usmjerni sprežnik se zatim prebacuje u položaj za mjerenje reflektiranog napona (MESURE) te se na odgovarajućem mjernom opsegu očita vrijednost reflektiranog napona, odnosno SWR.

TARAGE – GROS je kontrola za podešavanje jačine signala uzetog sa VFO-a promjenom jačine induktivne sprege sa zavojnicom titrajnog kruga oscilatora. TARAGE – FIN je kontrola za kalibraciju nule pomoću potenciometra na izlaznom mjernom pojačalu. Gumb za odabir frekvencije VFO-a (FREQUENCE) spregnut je sa mehaničkim skalama.

Kao što vidimo, uređaj je opremljen sa tri skale iscrtane na dva mehanički spregnuta koluta. Gornja skala na većem prozorčiću kalibrirana je na stvarnoj frekvenciji oscilatora 65-500 MHz i ova skala je prilično nelinearna. Preostale dvije skale su linearne gdje veća (gruba) ima oznake u rasponu 100 – 1900 (rezolucija 100), a manja (fina) ima oznake 0 – 100 (rezolucija 0,5). Ovdje je vjerojatno riječ o svojevrsnoj linearnoj alhidadi pomoću koje je omogućeno preciznije namještanje i očitanje frekvencije.

Preklopnik TARAGE – MESURE fizički okreće senzor usmjernog sprežnika za mjerenje direktnog ili reflektiranog vala.

Preko priključnice CHARGE uređaj koji ispitujemo (antena) spajamo na usmjerni sprežnik.

Dolje desno od instrumenta je mrežna sklopka i mrežna kontrolna lampica (SECTEUR), a dolje lijevo od instrumenta je priključnica za uzemljenje.

Mjerni instrument ima četiri skale: prve tri su za mjerenje VSWR-a u tri mjerna opsega koji se odabiru sklopkama ispod instrumenta, a četvrta skala je skala za mjerenje faktora refleksije koja je usklađena s prvom skalom za mjerenje VSWR-a (1-beskonačno).

Sklopka MODULATION uključuje ili isključuje modulaciju VFO-a pravokutnim signalom frekvencije 1 kHz. Slijede mrežni osigurači, mrežna utičnica i sklopka primarnih namota mrežnog transformatora za prilagodbu na mrežu 115 V ili 230 V.

Mjerenje se vrši slično kao i sa svakim drugim VSWR metrom sa jednim instrumentom koji ima sklopku kojom se prebacuju dva potrebna mjerenja: prvo mjerenje direktnog napona (FWD) radi kalibracije kazaljke instrumenta na puni otklon, a zatim mjerenje reflektiranog napona (REF). U našem slučaju ta sklopka ima oznake TARAGE (direktni napon) – MESURE (reflektirani napon).

Mjerenje se vrši amplitudno moduliranim VF naponom, a za mjerni instrument se selektivno izdvaja samo NF komponenta frekvencije 1 kHz. Time se uvelike pojednostavlju zahtjevi za mjerne krugove koji na taj način ne moraju biti konstruirani za VF nego za NF mjerenja.

Kalibracija uređaja Ferisol TO202 za mjerenje VSWR-a:

1. Sklopku MODULATIN na stražnjoj strani uređaja postaviti prema gore (M – uključena modulacija).
2. Potenciometre TARAGE za grubo (GROS) i fino (FIN) podešavanje postaviti na minimun (krajnji desni položaj).
3. Sklopku na prednjoj ploči postaviti u položaj TARAGE.
4. Potenciometrima TARAGE za grubo (GROS) i fino (FIN) podešavanje dovesti kazaljku instrumenta na puni otklon (simbol beskonačno).
5. Kalibraciju je potrebno izvršiti za svaku promjenu radne frekvencije.

Mjerenje VSWR-a:

1. Pritisnuti crvenu sklopku TARAGE “1 – ∞”.
2. Sklopku na prednjoj ploči postaviti u položaj MESURE.
3. Ako je VSWR manji od 2,1 promijeniti mjerni opseg pritiskom na sklopku  “1 – 2,1”.
4. Ako je VSWR manji od 1,3 promijeniti mjerni opseg pritiskom na sklopku “1 – 1,3”.

Zahvaljujući ugrađenom kvalitetnom VFO-u i niskopropusnom filtru uređaj T.O.S. METRE Type TO 202 može se koristiti i kao generator RF signala u rasponu 65-500 MHz. Ukoliko želimo čist nemodulirani VF signal modulacija se može po potrebi isključiti prekidačem na zadnjoj strani uređaja. Najveća izlazna snaga oscilatora je 100 mW.

Za početak pogledajmo opći izgled unutrašnjosti T.O.S. METRE Type TO 202.

Elektroničke sheme iz originalne dokumentacije za T.O.S. METRE Type TO 202.

VF OSCILATOR

VF oscilator 65-500 MHz posebno je dizajniran sa elementima vrlo visoke dobrote (Q-faktor). Da bismo postigli visoki Q-faktor za zavojnice i kondenzatore koji čine titrajni krug oscilatora, onda isti ne mogu biti klasično povezani kao zasebne komponente na pločici jer će to povećati ukupne omske otpore (znamo da je Q-faktor omjer između prividnog i realnog ili omskog otpora elementa). Stoga su oscilatora visokog Q-faktora aktivni element (trioda ili tranzistor) te elementi titrajnog kruga (zavojnica i kondenzator) geometrijski konstruirani i električni povezani u jedinstvenu spregnutu cjelinu gdje se posebna pažnja posvećuje svim prijelaznim otporima između elemenata. Ovakve oscilatore je vrlo zahtjevno i skupo graditi te ih nalazimo samo kod profesionalnih uređaja.

Titrajni krug se sastoji od posebne integralne cjeline koja uključuje promjenjivi pločasti kondenzator unutar obruča koji čini zavojnicu. Time se praktično postiže izravan međusobni spoj komponenti titrajnog kruga čime su izbjegnuti spojni vodovi i time gubici koji u njima nastaju. Kod dizajna takvih sklopova sa visokim Q-faktorom prvenstveno se teži minimiziranju omskih otpora (spojeva i poveznih vodova) te induktivnosti jer zavojnice unose najveći omski otpor. Stoga ovdje zavojnicu predstavlja tek jedan navoj (petlja) unutar koje su izravno spojene ploče promjenjivog kondenzatora.

Kod elemenata koji rade na visokim frekvencijama do izražaja dolazi i pojava “skin-efekta”, odnosno koncentracije glavnine struje na površini vodiča, dok u unutrašnjosti ona gotovo i teče. Ovo posebno dolazi do izražaja kod promjenjivih pločastih kondenzatora gdje onda struja ima specifičan način rasprostiranja samo po površini ploča, a ne i po unutrašnjosti, čime je znatno smanjen ukupni iskoristivi volumen ploča i sukladno tome povećan ukupni omski otpor. Također, mali promjer same osovine kojom su povezane ploče uvelike smanjuje iskoristivu površinu za protok struje.

Naravno, na ukupnu stabilnost oscilatora utječe i sama mehanička i temperaturna stabilnost elemenata tako da su način montaže elemenata titrajnog kruga i sistem okretanja ploča promjenjivog kondenzatora izrazito precizni, čvrsti i robusni.

Naš oscilator mora linearno pokrivati vrlo širok raspon frekvencija (65-500 MHz), a to je postignuto posebnim oblikom ploča promjenjivog kondenzatora (leptirasti oblik) i posebnom spregom ploča kondenzatora sa prstenom zavojnice tako da se kod podešavanja frekvencije istovremeno mijenja i kapacitet i induktivitet titrajnog kruga. Kada su ploče potpuno preklopljene kapacitet je najveći, a ujedno je najveći i induktivitet jer se klizač nalazi na rubu prstena zavojnice. U tom položaju rezonantna frekvencija titrajnog kruga je najniža. Kako se ploča rotora promjenjivog kondenzatora okreće prema minimalnom preklapanju kapacitet se smanjuje, no također se preko klizača koji spaja rotor sa prstenom zavojnice istovremeno smanjuje i aktivni dio samog prstena zavojnice čime se onda smanjuje i induktivitet. Ovim paralelnim podešavanjem oba elementa titrajnog kruga postiže se vrlo širok raspon ugađanja rezonantnih frekvencija i ovakva izvedba titrajnog kruga je poznata pod nazivom “Butterfly RF tank”. U našem uređaju Butterfly RF tank dio je Collpitts-ovog oscilatora promjenjive frekvencije sa triodom.

Kao aktivni element VF oscilatora upotrijebljena je trioda 2C43. Ova trioda prvi put je predstavljena 1945. godine (RCA) i dizajnirana je za VF oscilatore i pojačala (kasa C, klasa A) u UHF području. Za grijanje elektronke je potrebno standardnih 6,3V/0,9A dok anodni napon može ići najviše do 250V/20mA (pojačalo u A-klasi) odnosno do 500V/40mA (oscilator ili pojačalo snage u C-klasi). Granične frekvencije upotrebe ove triode su do 1,5 GHz (u impulsnom načinu do 3,37 GHz), a najveća snaga koja se može izvući je oko 9-12W (dvije elektronke u push-pull spoju).

Elektrode triode 2C43 izvedene su na 6-pinsko podnožje (grijanje i katoda izravno) te na metalne dijelove kućišta: na prvi najveći prsten pri podnožju je vezana katoda preko internog kondenzatora, na prsten na sredini je vezana mrežica, a na prsten na vrhu je spojena anoda. Ovakva izvedba elektroda rezultira niskim gubicima i praktičnim spojevima elektroda sa vanjskim elementima, a ugrađeni disk-kondenzator osigurava nisku impedanciju RF spoja sa katodom. Zbog svojeg oblika ovakve elektronske cijevi su se ponegdje nazivale Lighthouse (svjetionik).

LC filtarski elementi za uvođenje napajanja i modulacijskog signala na triodu 2C43 i potenciometar za podešavanje nivoa modulacije VF oscilatora.  

MODULATOR

U zaseban oklopljeni odjeljak VF oscilatora smještena je pločica modulatora kojim je naš VF oscilator moguće amplitudno modulirati pravokutnim signalom frekvencije 1 kHz.

Modulator je klasični tranzistorski astabilni multivibrator koji na svojem izlazu generira pravokutni napon frekvencije 1 kHz. Ovaj NF signal se preko dodatnog tranzistora i filtra prosljeđuje na mrežicu triode VF oscilatora te se na taj ostvaruje njegova amplitudna modulacija.

IZLAZNA SPREGA OSCILATORA

VF energija sa titrajnog kruga VF oscilatora odvodi se preko zavojnice sonde (2 namotaja) koja se preko mehanizma za grubo podešavanje amplitude kod kalibracije SWR metra (TARAGE – GROS) više ili manje primiče zavojnici titrajnog kruga oscilatora. Čitav oscilator oklopljen je u metalno kućište, a čini se da su pojedine komponente i posrebrene radi bolje vodljivosti.

Induktivna sprega u kombinaciji sa “mehaničkim” atenuatorom minimalno utječe na stabilnost VF oscilatora. Mehanički prijenos pomoću kojeg se zavojnica više ili manje približava titrajnom krugu oscilatora, čime se na istu transformira veći ili manji VF napon, spregnut je sa kontrolom TARAGE – GROS.

NISKO-PROPUSNI FILTAR

Nisko-propusni filter sa graničnom frekvencijom cca 530 MHz izveden je u tzv. “microstrip” ili “distributed-element” tehnici što je karakteristično za RF filtre za više granične frekvencije. Ovdje se ne koriste klasične pojedinačne komponente (kondenzatori, zavojnice) već iste predstavlja geometrija oblika na tiskanoj pločici koji međusobno i preko izolatora (supstrakta) sa metalnom pločicom (masom) filtra čine spojeve pojedinih reaktivnih komponenti (kondenzatori i zavojnice).

Naš filtar kao što se vidi na slikama ima kaskadni linijski dizajn (dizajn stepenaste impedancije), no osim od ovakvih oštrokutnih “klinastih” elemenata filtri mogu biti dizajnirani i sa različitim radijalnim elementima (leptirastog oblika, u obliku lista djeteline i slično). Općenito gledano uske trake našeg filtra predstavljaju induktivitete, a široke kapacitete, no iza dizajna i proračuna takvih filtara stoji kompleksna matematika pa se često dizajniraju uz pomoć gotovih računalnih programa.

Na snimljenoj karakteristici našeg filtra vidi se minimalno gušenje u propusnom području (do 530 MHz) koje manje od 1 dB, nakon čega slijedi strmo gušenje viših frekvencija. Markeri su postavljeni na granične frekvencije 65 MHz (marker 1) i 500 MHz (marker 2). Karakteristika filtra odgovara eliptičnom tipu filtra.

USMJERNI SPREŽNIK

Usmjerni sprežnik (directional coupler) ili senzor VF energije izveden je na pomalo neuobičajen način. Ako pogledamo objavu MJERENJA NA ANTENAMA – SWR, PWR, FS, MODULATION vidimo da većina usmjernih sprežnika ima dva senzora, jedan za mjerenje direktnog napona u svrhu kalibracije i jedan za mjerenje reflektiranog napona. Svaki od ta dva spregnuta senzora dakle mjeri napon u suprotnom smjeru pa su stoga zaključani otpornicima u suprotnim smjerovima i naravno VF napon se ispravlja preko dioda na suprotnim krajevima. Ovdje je samo potrebno paziti da su oba senzora jednakih karakteristika, no eventualna razlika napona se u konačnici lako korigira potenciometrima.

U našem pak slučaju imamo samo jedan spregnuti senzor sa glavnim antenskim vodom, koji se ovisno o vrsti mjerenja (direktni ili reflektirani napon) fizički zakreće za 180° u odnosu na glavni vod. Ovo je tehnički svakako puno zahtjevnije rješenje, no s obzirom da za oba mjerenja koristimo isti senzor sa pripadajućim otpornikom i diodom, onda nema ni pogreške mjerenja zbog nejednakosti električnih karakteristika kako što može biti slučaj sa dva zasebna senzora.

Da ne bi došlo do stvaranja stojnih valova na paralelnoj žici koja čini spregnuti senzor jedan kraj je zaključan otpornikom (otpornik mora biti neinduktivni, dakle najbolje ugljeni) koji za karakteristični otpor antenskog voda od 50 Ω ima vrijednost 150 Ω.1N21B je germanijska mikrovalna dioda (do 3 GHz) kojom se ispravlja VF napon za prikaz na instrumentu.

MJERNO POJAČALO I MJERNI INSTRUMENT

U posebnom metalnom kućištu nalaze se dvije pločice mjernog pojačala (pretpojačalo i selekcijsko pojačalo) sa mjernim instrumentom.

Veća pločica sa elementima selektivnog pojačala (prednje strana) i manja pločica sa elementima ulaznog pretpojačala (unutar kućišta bočno lijevo).

Selektivno mjerno pojačalo 1 kHz sa ispravljačem mjernog napona za instrument.

Ulazno mjerno pretpojačalo.

Pravokutni napon ispravljen preko diode u usmjernom sprežniku dovodi se na mjerno pojačalo. Ovo pojačalo možemo razlučiti na četiri stupnja:

• ulazni 3-stupanjski atenuator (otpornički djelitelj napona) spregnut sa sklopkama za odabir mjernih opsega VSWR metra
• tranzistorsko pretpojačalo
• selektivno tranzistorsko pojačalo 1 kHz
• diodni ispravljač mjernog napona i mjerni instrument

NAPAJANJE

Mrežno napajanje osigurava napon za grijanje (6,3 V) i anodni napon (270 V) za rad oscilatorske elektronske cijevi, te istosmjerni napon 35 V za rad NF oscilatora i mjernog pojačala. Stabilizacija istosmjernih napona postiže se tranzistorima upravljanima referentnim naponima iz zener-dioda. Anodni napon za triodu 2C43 moguće je regulirati potenciometrom (+270 V za TO 202 i triodu 2C43, odnosno +260 V za TO 401 i triodu 5675). Uzemljen je pozitivni pol napajanja.

Bolji pogled na mehanizme mehaničkog prijenosa: okretanje promjenjivog kondenzatora oscilatora sa spregnutim skalama, zakretenje senzora usmjernog sprežnika za 180°, uvlačenje i izvlačenje induktivne sprege izlaza oscilatora. 

Naš uređaj T.O.S. METRE Type TO 202 se na testu pokazao neispravnim. Problem je vrlo vjerojatno u krugovima napajanja gdje je već vizualno jasno da je potrebno zamijeniti neke kondenzatore. Sasvim sigurno da ćemo uložiti nešto vremena i novaca za popravak ovog uređaja, ako zbog ničeg drugog, onda barem da vidimo kakav signal daje ovaj fino izrađeni oscilator sa titrajnim krugovima vrlo visokog faktora dobrote 🙂