Vyzařovací charakteristika svépomoci
autor: Marek Dvorský
Vyzařovací diagramy směrových antén jsou určitě zajímavým tématem, zejména pro ty zvídavé, kteří vyvíjejí nebo testují svépomocí postavené směrové antény. Přínosné může být i zjištění reálného tvaru charakteristiky a kontrola shody s udávaným vyzařovacím diagramem u komerčních antén. Závěry těchto zjištění mohou posloužit k úpravám antén, analýze kvality obklopujícího okolí a půdy nebo k optimalizaci výšky, v níž je anténa instalovaná apod.
Profesionální měřící sestava pro měření vyzařovacích charakteristik čítající generátor, spektrální analyzátor a v nejlepším případě bezodrazovou komoru se může cenově vyšplhat až na několik desítek miliónů korun. Základním požadavkem měření z hlediska radioamatérů je ale co možná nejlepší dostupnost a jednoduchost. Známé MMANA [6] a EZNEC [5] umožňují modelovat vyzařovací charakteristiku antény, ale praktické výsledky mohou být dost odlišné.
Uvažoval jsem tedy, jak si jednoduše svépomocí ověřit reálný vyzařovací diagram. První řešení, které mne napadlo, je využít úrovně nf signálu na výstupu přijímače. Analýzu úrovně signálu by zajistil jednoduchý program, který bude zaznamenávat přijímanou hodnotu nf signálu do polárního grafu.
K softwarovému zpracování lze využít výkonný matematický softwaru Matlab (je ovšem licencovaný). Dříve, než jsem začal programovat nějakou aplikaci, poohlédl jsem se na Internetu po nějakém hotovém řešení. Hledání mi zabralo podstatně méně, než případné programování a výsledkem bylo nalezení programu PolarPlot, který jsem dosud neznal. Tento program umožňuje jednoduše a bez jakéhokoliv speciálního měřícího přípravku elegantně odměřit směrovou charakteristiku přijímací antény, ale i vyzařovací charakteristiku antény vysílací. K určení síly signálu program využívá nf výstup přijímače. Měřícím signálem může být signál jiné amatérské stanice, vysílaný po dohodě s jejím operátorem, nebo signál vlastního stabilního vf generátoru.
V současné době je software PolarPlot k dispozici ve verzi 3.2.4 k volnému stažení [1], autorem je G. R. (Bob) Freeth, G4HFQ. Na stránkách najdete spolu s programem i obsáhlý popis s podrobným helpem v angličtině.
Obr.1: Program PolarPlot znázorňující vyzařovací charakteristiku tříprvkové Yagi antény OK2KQM na 29.555 MHz (reálná charakteristika se blíží ideální, měření nebylo ovlivněvo odrazy)
Dynamický rozsah zpracovávaný programem (simulující funkci „S-metru“) je větší než 30 dB, výsledek může sloužit ke znázornění vyzařovací charakteristiky, k určení předozadního poměru antény, při ocejchování vstupu přijímače i k určení absolutního zisku antény. Výsledky měření lze zobrazit v pravoúhlém grafu „úhel“ x „síla signálu“ nebo v grafu polárním, poskytujícím přímo tvar směrové charakteristiky tak, jak jsme zvyklí z různých publikací, modelovacích programů [5, 6] apod. Program umožňuje nastavit potřebné parametry pro účelné a zřetelné znázornění diagramu.
Popis funkce a základní požadavky
Jak to celé funguje? Máte na výběr dvě varianty: První případ je víceméně dostupný pro každého – jedná se o kombinaci anténa, rotátor, přijímač, vyvedený nf signál, vstup zvukové karty počítače a software PolarPlot. Druhou variantou je pořízení externího měřiče výkonu (S–metru), který se připojí k anténě a propojí s PC přes sériový port. PolarPlot pak snímá hodnotu intenzity přijímaného signálu a kreslí vyzařovací charakteristiku. K druhému řešení je nutné mít k dispozici měřící přístroj, např. LM3 [4], což je pro měření svépomocí méně vhodné. V dalším popisu se proto zaměřím pouze na první variantu „přijímač + nf výstup + zvuková karta PC“.
Obr. 2: Blokové schéma měření
Hlavním požadavkem na zvukovou kartu je linearita jejích vstupů. Obvykle jsou k dispozici vstupy: „Line-In“ a „Microphone“, z hlediska linearity a dynamiky je vhodnější vstup linkový. Optimální úroveň nf signálu je 20 mV u mikrofonního vstupu a 200 mV u linkového. Pokud chceme využít automatického spouštění „triggered readings“ (bude popsáno dále), musíme využít stereo vstup. I když se jedná o signály v základním nf pásmu, je stále dobré dbát i na impedanční přizpůsobení – linkový vstup maximálně do 600 Ω, mikrofonní vyhoví do 10 kΩ. Pokud si chcete být jisti a předejít případnému zničení vstupu zvukové karty, k němuž může dojít díky rozdílným potenciálům přijímače a počítače, je dobré použít oddělovací/přizpůsobovací transformátor nebo lineární optočlen.
Instalace programu a nastavení zvukové karty
Instalace softwaru je jednoduchá a měl by ji bez problémů zvládnout každý. Registrace je nepovinná, software je nabízen zdarma. Pro správnou funkci programu je důležité správně nastavit nahrávací vstup počítače.
Autor programu píše, že PolarPlotby měl bez problémů běžet pod MS Win 95, 98, 2000 a XP, MS Vista mají problém s příjmem dat (to bude určitě odladěno v některé z následujících verzí). Vzhledem k jednoduchosti a nenáročnosti programu na hardwarové prostředky si troufnu bez zkoušení jednotlivých OS říct, že není důvodu tomu nevěřit. Nevidím také problém program rozběhnout v Linuxu pod Wine. Sám jsem pro odzkoušení měl k dispozici systém Windows XP.
Zpět k nastavení nahrávacího vstupu: Musíte se proklikat k nabídce Start/nastavení/ovládací panely/zvuky a zvuková zařízení -> záložka „hlasitost“ a „upřesnit“. Objeví se nám panel „ovládání hlasitosti“, tak jak ho známe ze systémové lišty. Standardně bývá mixer nastaven na přehrávání. V hlavním menu zvolte možnosti/vlastnosti a přepněte na „záznam“, překontrolujte zaškrtnutí vámi používaného vstupu (linka/mikrofon). Jakmile se objeví nový mixážní pult s ovládáním nahrávacích vstupů, zaškrtnutím políčka zvolte patřičný vstup a nastavte maximální hodnotu vstupní úrovně. Toto nastavení se může v průběhu prvotní kalibrace měnit, takže si okno s nastavením citlivosti vstupu nezavírejte. Nyní je třeba nastavit vstup samotného programu PolarPlot prostřednictvím žlutého tlačítka „Choose input“. Zde je nutno zvolit použitý vstup Microphone/Line–In atd. (možno vybrat i různé druhy S–-metrů, pokud používáte druhou variantu měření s „power metrem“). Lze také zvolit příslušný sériový port, přes který si bude program manuálně spouštět. Tuto možnost jsem prozatím nevyzkoušel.
Kalibrace
Jakmile máte nastaveny vstupy, můžete vyzkoušet kalibraci programu – „Calibrate Input“. Nezapomeňte, že při kalibraci i samotném měření musí být vypnuto AGC (Automatic Gaine Control).
Nepříjemné může být přebuzení vstupu zvukové karty a tím vzniklé zkreslení vyzařovací charakteristiky. Proto nemusí být vždy vhodné nechat nahrávací vstup zvukové karty nastaven na maximum. Z tohoto důvodu je dobré si vstupní úroveň nf signálu zkalibrovat. Doporučuji provést kalibraci před prvním použitím nebo při změně zvukové karty. Ke kalibraci lze použít záznějového oscilátoru s atenuátorem s rozsahem alespoň 60dB. Proces kalibrace probíhá v následujících bodech:
• Začnete dvojklikem na anténním diagramu a v nabídce nastavte „Peak Input Level from sound card“ na hodnotu 1000.
• Nastavte kmitočet záznějového oscilátoru na hodnotu 800Hz (můžete použít jakýkoliv jiný kmitočet, který je zvuková karta schopna zpracovat) a připojte ho na levý kanál linkového vstupu. Nepřišel jsem na to proč na levý, kalibrace mi fungovala i při stereo připojení.
• Nastavte nf atenuátor na –10dB a výstup záznějového oscilátoru na minimální úroveň.
• Spusťte kalibraci tlačítkem „Calibrate“ a nastavte vstupní úroveň na cca 75 % (posuvník v pravém horním rohu programu „Input Level“).
• Zapněte nf oscilátor a nastavte výstupní úroveň tak, aby se v grafu vykreslovat výstup na křivce -10 dB.
• Otestujte linearitu zvukové karty změnou hodnoty útlumu atenuátoru s krokem po 10 dB.
Tak by měla být provedena kalibrace a ověřena linearita zvukové karty.
Měření vyzařovacího diagramu
Pokud máme vše správně propojeno, dobře nastavenou vstupní úroveň a zkalibrován vstup, můžeme přistoupit k samotnému měření. Dvojklikem na vyzařovací diagram si můžeme ještě upravit nastavení maxima doby otočky antény o 360º „Maximum rotation time“ v rozmezí 2–20 minut. Toto nastavení si můžete plynule měnit v hlavním okně, nahoře vpravo posuvníkem „Rotation time“ od minima 10 s do nastaveného maxima (2–20 min). Doba měření 20 minut je vhodná pro měření např. satelitních antén. Pro správnou funkci programu si nejprve změřte čas otočky vašeho rotátoru o 360º. Tuto hodnotu potom nastavte na časovači programu „Rotation time“. Měření spustíte tlačítkem „Collect Data“ v hlavním okně programu a současně spusťte rotátor. Zastavení proběhne automaticky po uplynutí nastavené doby nebo jej můžete provést manuálně pomocí „Halt Collection“. Máte-li časování správně nastaveno, kopíruje natočení antény body, které se budou objevovat v polárním grafu. Proměřujete-li parabolickou anténu, trychtýř nebo ofsetku, bude pro vás zpětný směr víceméně nezajímavý. I na toto program myslí – můžete si zapnout volbu „180 plot“ a program odměří pouze dopředný směr.
Rozšiřující volby programu
Kromě časovaného měření lze program přepnout do ručního spouštění. Pro tento režim je nutné zaškrtnout volbu „Triggered“. Tato možnost společně s přesným rotátorem umožní precizní vykreslení vyzařovacího diagramu. Spouštění lze provádět externě přes COM port, konkrétně přes pin 8 (CTS), do kterého posíláte puls +5 V dlouhý 1–5 ms. Druhá možnost spouštění je interně prostřednictvím programu, kdy po zaškrtnutí políčka „Triggered“ se v okně polárního grafu objeví spouštěcí tlačítko „Manual Trigger“, kterým se spouští/zastavuje záznam údajů do grafu programu až tehdy, kdy máte anténu otočenou do správné polohy. Měření probíhá následovně: spustíte záznam „Collect Data“, nastavíte úhel antény a provedete záznam pomocí tlačítka „Manual Trgger“, pootočíte anténu do nové pozice a opět spustíte záznam „Manual Trgger“.
Další zlepšení usnadňující práci s PolarPlotem je funkce „Auto Start“ – „Auto Stop“, jenž připomíná funkci „squelch“. Tu efektivně využijete při měření vyzařovací charakteristiky vzdálené stanice. Po zaškrtnutí volby „Auto Start“ a „Auto Stop“ program čeká (je spouštěn) na vstupní úroveň přijímaného signálu. Samotná hodnota úrovně se nastavuje v „PolarPlot Settings“ dvojklikem na ploše polárního diagramu, Auto Start/Stop Charakteristice.
Měření zisku
Měření zisku je pouze informativní. Vychází ze znalosti anténního diagramu, respektive šířky hlavního laloku. Výsledný zisk je vztažen k izotropnímu zářiči, je tedy uveden v jednotkách dBi. Pokud je použita víceprvková směrová anténa, je třeba ručně nastavit počet prvků „elements“. Výsledek se objeví v „Est Gain“. Za zmínku stojí, že autor programu vycházel z výše zmiňovaného softwaru EZNEC [5]. Ostatní funkce, zejména způsoby zobrazení, jsou intuitivní a dále je komentovat nebudu.
Praktické zkušenosti
Hned po prvním použití jsem si program PolarPlot oblíbil. Díky jednoduchosti a dostupnosti umožní konstruktérovi antény jednoduše a rychle zjistit vyzařovací charakteristiku, i když s určitou nepřesností. Praktické zkušenosti ukázaly, že je dobré nepodcenit nastavení vstupní úrovně (při spuštěné kalibraci nastavit na posuvníku v pravém horním rohu „Input Level“vstupní úroveň na cca 75). Může se stát, že v důsledku přebuzení vstupu odměříte místo směrové charakteristiky kruh nebo že charakteristika bude zdeformovaná.
Obr.3: Chybně odměřená charakteristika způsobená špatným nastavením programu.
Dalším problémem při časovaném měření se ukázal pomalý rozjezd rotátoru, který zanese do měření nemalou deformaci diagramu (viz obr. 3). Tomu lze zamezit zpožděným ručním spuštěním záznamu.
Největším problémem při použití tohoto programu je rušení způsobené odrazy signálu od okolní zástavby – porovnejte třeba charakteristiku odměřenou ve volném prostoru (obr. 1) a charakteristiku stejné antény měřenou v městské zástavbě (obr. 4).
Obr.4: Reálná vyzařovací charakteristika v městské zástavbě. Tří prvkové Yagi antény OK2KQM na kmitočtu 21.425 MHz (degradace charakteristiky způsobená odrazy signálu)
Vliv na průběh vyzařovací charakteristiky vzdálené antény má i směrová charakteristika přijímací antény. V zásadě lze ale říct, že pro proměření vzdálené antény bychom měli použít co možno nejužší přijímací antény, abychom se vyhnuli chybám vzniklým příjmem odrazů.
Jako šikovná funkce se po vykreslení charakteristiky ukázala možnost ruční editace špatně odměřených bodů. To docílíte tak, že zaškrtnete políčko „Show editor“ v pravé spodní části okna programu. Po otevření PLP–Editoru si natáhnete souřadnice vykresleného grafu pomocí „Get values from the plot“, zeditujete ty body, které jsou evidentně mimo očekávání a přenesete zpět do vyzařovací charakteristiky pomocí „Update the plot“. Nutno říci, že i na toto autor programu pamatoval a doplnil funkci „De–Spike“, která má filtrovat šumy vzniklé elektrickým rušením. Použít můžete také „vyhlazovač“ „Smooth“, který aproximuje chybné body zprůměrováním sousedních hodnot.
Funkce, kterou postrádám, je možnost vykopírovat/exportovat odměřené body z tabulky do MS Excelu, kde by se dalo s údaji dále pracovat. Snad se toho dočkáme v další verzi programu.
Další možnosti měření
Problematice zjišťování reálného průběhu směrových charakteristik se věnuje článek [2], který se objevil v časopisu Funkamateur. Autor Manfred Saltzwedel, OH/DK4ZC, v něm popisuje software využitelný ke stejnému účelu, SMeterLite [3]. Program spolupracuje se zařízením přes rozhraní CAT, při použití dat s „hloubkou“ 8 bit je úhlové rozlišení 1,4 úhlového stupně, u dat šířky 4 nebo 5 bit je ale rozlišení horší než cca 10 stupňů. Program SMeterLite proto spolupracuje pouze s některými transceivery. Výstupem programů může být malé „okno“ S-metru, ale také přímo směrový diagram v polárním tvaru, získaný příjmem externího zdroje signálu – vysílače. Protože program pracuje s reálným výstupem S–metru přijímače, projevují se ve výsledku různé rušivé vlivy – QSB, poruchy, kolísání síly vlastního signálu apod. Dynamický rozsah – asi 30 dB – není zvlášť široký, což se pro některé účely může jevit jako nedostatečné. Program lze stáhnout a používat zdarma pro osobní a nekomerční využití. Zmíněný článek popisuje rovněž výše zmíněný program PolarPlot.
Závěr
Cílem tohoto článku bylo představit řešení, které umožní s co možno nejnižšími pořizovacími náklady odměřit reálný vyzařovací diagram RX/TX antény. Na trhu existují různá typy S a Power metrů, které dokáží vykreslit vyzařovací charakteristiku s určitou přesností. Uživatelsky nejdostupnější je jednoduchá softwerová aplikace PolarPlot, která umožní podle výše popsaného návodu bez jakýchkoliv zvláštních měřících přístrojů vykreslit reálnou vyzařovací charakteristiku. Vřele doporučuji k odzkoušení.
použité odkazy:
[1] G4HFQ Software. http://www.g4hfq.co.uk
[2] M. Saltzwedel, OH/DK4ZC: Realistische Strahlunsdiagramme. CQ DL 7/2009, s. 488–490
[3] W8WWV: S Meter Lite Software. http://www.seed-solutions.com/gregordy/Software/SMeterLite.htm
[4] Fox Delta. http://www.foxdelta.com/products/pm3.htm
[5] Sam Lewallen, W7EL: EZNEC Antenna Software by W7EL. http://www.eznec.com/
[6] Makoto Mori, JE3HHT, Alex Schewelew, DL1PBD, Igor Gontcharenko, DL2KQ: MMANA GAL –(MMANA): Multilingual MM Antenna Analyzer. http://mmhamsoft.amateur-radio.ca/mmana/
Okaz na celý článek ZDE.
Download programu ZDE.