Danas je nabavljen mjerač impedancije i faznog kuta u VHF području, proizvod američke tvrtke Hewlett Packard iz 1950-tih godina.
Počeci tvrtke Hewlett Packard sežu u 1930-te godine, kada su dvojica elektrotehničara, Bill Hewlett i David Packard, započeli sa honorarnim radom u iznajmljenoj garaži. Njihovo partnerstvo je u 1940-tim i 1950-tim godinama inkorporirano u tvrtku Hewlett-Packard (HP). Prvi financijski uspješan proizvod tvrtke HP bio je audio oscilator čiju amplitudu je stabilizirala mala žaruljica sa žarnom niti, predstavljen 1939. godine. Zahvaljujući inovaciji sa stabilizatorskom žaruljicom njihovi oscilatori su bili bolji i stabilniji od konkurencije što im je omogućilo prodor na tržište. U 1940-tim godinama HP-ova proizvodna linija je osim audio oscilatora, već uključivala i valne analizatore, analizatore izobličenja, generatore audio signala i cijevne voltmetre, a zapošljavala je 200 ljudi. Danas je tvrtka HP jedna od najvećih svjetskih tehnoloških kompanija sa preko 330 000 zaposlenih. Ogromni proizvodni program tvrtke uključuje gotovo sva područja profesionalne i komercijalne elektronike, informatike (hardver i softver), telekomunikacija, električnih laboratorijskih i mjernih uređaja, audio i video elektronike i drugo.
VHF bridge 803A je u osnovi Byrne-ov most kojim je moguće izravno očitanje impedancije i faznog kuta različitih VHF uređaja i komponenti poput antena, konektora, terminatora, transmisijskih linija, ulaznih krugova pojačala i slično. Ovaj mjerni most možemo smatrati pretečom današnjih RF VNA (Vector Network Analyzera) koji uz pomoć Smithovog dijagrama (Z-theta) ili na neki drugi način prikazuju (računaju) kompleksne impedancije antena i drugih RF komponenti na određenim frekvencijama ili frekvencijskim opsezima. Ta kompleksna impedancija može se sastojati od rezistantnog (aktivnog, omskog) dijela i reaktivnog dijela (kapacitivni ili induktivni otpor).
Slika prikazuje kompletnu konstrukciju Byrne-ovog mjernog mosta u HP-ovom VHF bridge 803A. Generator VF signala određene frekvencije preko koaksijalne linije šalje VF energiju na trošilo, odnosno na uređaj kojem se ispituje impedancija. Ono što mi želimo mjeriti to je amplituda i fazni pomak između naponske i strujne komponente vala u koaksijalnoj liniji. Tako ćemo uspoređivanjem odnosa amplituda naponske i strujne komponente moći pronaći karakterističnu impedanciju (omski otpor) trošila na testnoj frekvenciji, a mjerenjem faze (faznog pomaka) moći ćemo odrediti veličinu reaktivnih komponenti otpora na frekvencijama gdje su iste prisutne.
Na shemi vidimo kako se VF elektromagnetski val određene frekvencije iz nekog vanjskog VF izvora (SIGNAL SOURCE) preko mjerne koaksijalne linije dovodi na trošilo kojem želimo izmjeriti impedanciju na toj frekvenciji (UNKNOWN TO BE MEASURED). Kao (nul) indikator mjernog mosta koristi se neki vanjski VF detektor (mjerač VF napona) spojen na priključnicu DETECTOR.
Na određenu točku mjerne koaksijalne linije nasuprotno su postavljena dva senzora: jedan induktivni (MAGNETIC PROBE) i jedan kapacitivni (ELECTRIC PROBE). Ova dva senzora uzimaju uzorke magnetske i električne komponente elektromagnetskog vala u istoj točki linije i preko pripadajućih otpornika ih pretvaraju određenu vrijednost napona. Napon induciran na magnetskom senzoru (zavojnica) proporcionalan je veličini struje (Em), dok je napon induciran na električnom senzoru (kapacitivni sprežnik) jednak veličini napona (Ee). Ova dva dobivena mala uzorka napona međusobno se uspoređuju po amplitudi i fazi kako bi se dobile vrijednosti impedancija.
Usporedbe se vrše pomoću kontrola MAGNITUDE (amplituda) i PHASE (faza) na koje su vezane kalibrirane skale za mjerenje elemenata kompleksne impedancije: omski otpor (OHMS IMPEDANCE), te induktivni otpor (crna skala L BLACK) ili kapacitivni otpor (crvena skala C RED).
Na kontrolu za usporedbu amplituda (MAGNITUDE) fizički su spregnuta oba senzora tako da se mogu pomicati bliže ili dalje od mjerne točke na mjernoj koaksijalnoj liniji. Kad se jedan senzor približava, drugi se udaljava od mjerene točke, pa će time na jednom senzoru napon povećavati, a na drugom smanjivati. Na taj način ćemo na jednoj poziciji uvijek naći mjesto gdje će amplitude Em i Ee biti jednake, bez obzira kolika je njihova razlika vrijednosti u samoj koaksijalnoj liniji. Na tom mjestu će naš nul-detektor pokazivati nulu (nema razlike napona). Ukoliko je skala za mjerenje reaktivne komponente na nuli, onda to mjesto na baždarenoj omskoj skali predstavlja karakterističnu omsku impedanciju uređaja koji se ispituje na testnoj frekvenciji.
Kontrola za usporedbu faza (PHASE) je klizač koji se pomiče po posebno izvedenoj mjernoj žici unutar koaksijalnog proreza, dakle i ovdje je riječ o svojevrsnoj mjernoj koaksijalnoj liniji . Na svaki od krajeva mjerne žice dovodi se jedna komponenta napona, Em i Ee. U koliko su oba napona u fazi (čisto omsko opterećenje), nul-instrument će pokazivati nulu točno na sredini mjerne žice, odnosno na mjestu gdje se na skali nalazi 0. Ukoliko postoji i reaktivna komponenta otpora, naponi Em i Ee će biti više ili manje pomaknuti u fazi, te će se nul-otklon na detektoru dobiti negdje na crnom ili crvenom dijelu skale, ovisno da li struja zaostaje za naponom ili obrnuto, odnosno ovisno da li je reaktivna komponenta induktivna ili kapacitivna. Vrijednosti faznog kuta baždarene su za frekvenciju 100 MHz, no jednostavnim preračunavanjem lako se dobiju vrijednosti za bilo koju drugu frekvenciju:
Stvarni fazni kut = Očitani fazni kut x Frekvencija u MHz / 100
Vidimo kako ovim mjernim mostom relativno lako možemo pronaći omsku impedanciju VF trošila na određenoj testnoj frekvenciji, odnosno izmjeriti veličinu neželjene induktivne ili kapacitivne reaktivne komponente VF trošila na određenoj frekvenciji koje treba biti dizajnirano za neku karakterističnu impedanciju (primjerice 50 Ω). Očitanjem faznog pomaka moći ćemo izračunati koliki je kapacitet ili induktivitet potrebno dodati VF trošilu da se postigne čista omska impedancija (50 Ω) na određenoj frekvenciji.
Mjernim mostom VHF bridge 803A moguće je mjeriti impedancije u opsegu 2 – 2000 Ω sa izravnim očitanjem. Naravno ukoliko se dodaju vanjski transformatori impedancije ovaj opseg se može dodatno proširiti. Skala za fazne kutove baždarena je u rasponu -170° do +170°, no što je testna frekvencija niža to će i raspon mjerenja faznih kutova biti manji. Ovo je očekivano s obzirom na maksimalnu duljinu mjerne žice. Mjerni most je najprecizniji u rasponu frekvencija 52-500 MHz (±2% impedancija, ±1,2% fazni kut) no upotrjebljiv je i u proširenom opsegu 5-1000 MHz. Na najnižoj frekvenciji od 5 MHz fazni kut je moguće mjeriti u opsegu -8,8° do +8,8°, a iznad 50 MHz ovo mjerenje je već moguće u rasponu -90° do +90°.
Sada nam još preostaje pogledati kako je u praksi realiziran jedan ovakav mjerni most.
Sa zadnje strane montirana je koaksijalna linija sa mjernom žicom i klizačem koja služi za mjerenje faznog kuta (PHASE). Ukoliko su naponi dovedeni na krajeve mjerne žice u fazi, napon na sredini mjerne žice će biti nula.
Detalj na koaksijalne kablove kolima se dovode naponi Em i Ee na krajeve mjerene žice (lijevo) i detalj na samu mjernu žicu fiksiranu duboko u kružnu koaksijalnu kanalicu (desno). Sve je dizajnirano za karakterističnu impedanciju od 50 Ω.
Detalj na sustav za mehaničko fiksiranje na šasiju mjerne koaksijalne linije za fazni kut (lijevo) i detalj na koaksijalni vod RG-55/U kojim se razlika napona sa klizača odvodi na mjerni instrument (nul-indikator).
Bolji pogled na glavu klizača mjerne koaksijalne linije za fazni kut.
S prednje strane montirana je koaksijalna linija sa električnim i magnetskim senzorima koja služi za mjerenje impedancije. Ovdje također vidimo složeni mehanizam prijenosa položaja senzora i klizača na kalibrirane kružne skale.
Na sredini se može razaznati koaksijalna linija sa senzorima za mjerenje impedancije u obliku dvije ukrižene cijevi. Na gornjoj strani križa je priključnica za spajanje uređaja kojeg mjerimo impedanciju, a sa donje strane križa je ulaz VF signala sa vanjskog signal generatora. Na lijevoj i desnoj strani križa nalaze se električni (lijevo) i magnetski (desno) senzor koji se spregnuti preko zupčastog mehanizma mogu primicati ili odmicati od zajedničke mjerne točke unutar koaksijalne mjerne linije.
Bolji pogled na dio skala sa mjernom kazaljkom. Gornja skala služi za mjerenje omske komponente impedancije, a donja skala za reaktivnu komponentu impedancije (crno – induktivna komponenta, crveno – kapacitivna komponenta).
Jedan detalj koji dočarava složenost prijenosnog mehanizma. Zupčanik djeluje potrgano na jednom dijelu, no nije tako. Riječ o nekom mehaničkom rješenju (blokade) prijenosa kojem nismo uspjeli otkriti funkciju. Uočite robusnost i kvalitetu materijala za izradu ovih prijenosa.
Pogled iz drugog kuta na dio koaksijalne mjerne linije sa električnim (lijevo) i magnetskim (desno) senzorom. Zbog složenosti cjelovite montaže za sada nećemo rastavljati koaksijalnu liniju da vidimo kako su fizički izvedeni mjerni senzori. Magnetski senzor je vjerojatno u obliku neke zavojnice, dok je električni senzor vjerojatno neki kapacitivni sprežnik. Svakako ćemo prije rastavljanja i vađenja senzora prvo izvršiti neka mjerenja ovim uređajem, čisto da vidimo kako funkcionira dok je još u tvornički originalnom stanju.
Pogled na zupčanike koji prenose poziciju senzora i klizača na mjerne skale.
HP VHF BRIDGE Model 803A je dizajniran za precizna laboratorijska mjerenja i ispitivanja VF uređaja i istim su u 1950-tim godinama mogli biti opremljeni samo bolji tvornički i razvojni laboratoriji. S obzirom na izraženu robusnost izrade i naljepnicu na prednjoj ploči (JNA) moguće je da je ovaj uređaj zadovoljavao i norme za vojnu primjenu. Možemo samo reći da ovaj skoro 70 godina star uređaj i dalje mehanički radi savršeno, sve kontrole se glatko okreću, nema zapinjanja ni praznih hodova, te nismo uočili nikakve bitne naznake istrošenosti ili zamora materijala. Šteta samo što uređaj puno ljepše i spektakularnije izgleda iznutra nego izvana, za razliku od moderne mjerne tehnike gdje je vanjski dizajn često superiorniji unutrašnjem 🙂