Enero 2013
Un instrumento para medir relación de ondas estacionarias y potencia de salida de RF es de fundamental importancia para toda estación de radioaficionado. El hecho de utilizar un conversor A/D (embebido en un microcontrolador), tiene sus ventajas. Al disponer de ambos voltajes de Directa y Reflejada, se puede calcular matemáticamente cualquier parámetro que de éstos pueda deducirse, como ser, Coeficiente de Reflexión, ROE, Voltaje Máximo sobre la línea, Potencias Directa, Reflejada y Total, Potencia Pico de Envolvente, Potencia RMS en función del índice de modulación, Índice de Modulación, entre otros.
La idea de construir un instrumento digital, fue impulsada por Víctor (LU7DSM), así que investigando en internet encontré bastante información. Hoy por hoy (2013), hay circuitos integrados muy interesantes para usar en este tipo de proyectos, como detectores logarítmicos (AD8307) que se caracterizan por tener un amplio rango dinámico y un gran espectro de frecuencia de trabajo. No se consiguen tan fácilmente en el país, pero tampoco es imposible. Interesantes para un próximo proyecto ya que simplifican bastante el circuito detector. En definitiva, me basé en un artículo de un vatímetro roímetro denominado
Tandem Match, publicado por John Grebenkemper KA3BLO. El instrumento es de lectura analógica, pero utiliza en sus etapas algunas ideas muy útiles para adaptarlo a una lectura y cálculo digital. En la figura de abajo está el diagrama en bloque del instrumento. Utilicé la mitad izquierda, es decir, el acoplador direccional, los detectores y los amplificadores para ajuste de escala. Hasta ahí se obtienen los valores de voltaje directo y reflejado, Vf y Vr. La idea fue leer dichos valores y convertirlos digitalmente para calcular los distintos parámetros de interés.
CARACTERÍSTICAS:
RANGO DE POTENCIA: 50mW a 1500W (PEP) (El instrumento en sí, está preparado para sensar mayor potencia, ver hoja de calibración). La potencia máxima dependerá casi exclusivamente de la calidad constructiva y robustez del acoplador direccional.
RANGO DE FRECUENCIA: 1,8 A 54MHz
PRECISIÓN POTENCIA: Mejor que +-10% (+-0,4dB).
PRECISIÓN ROE: Mejor que +-5% del valor real.
PRECISIÓN INDICE MODULACIÓN (Aprox): +-10% del valor real.
ROE MÍNIMO: 0,01 hasta ROE = 2. 0,1 para valores de ROE mayores de 2.
CALIBRACIÓN: Se efectúa con un menú de calibración y un tester.
CIRCUITO DETECTOR:
El arreglo utilizado para los detectores de Directa y Reflejada, es con doble diodo tipo Schottky, uno rectificando la entrada, y el otro en el lazo de realimentación de un Amplificador Operacional, calibrado para que circule por éste, una corriente en exceso de un 10 a 18% de la corriente pico circulante del primer diodo, provocando a la salida del AO, el mismo voltaje pico que el rectificado. Éste arreglo es lineal desde voltajes tan bajos como 30mV, y utilizando resistencias de calidad SMD, así como también buenos capacitores para las secciones de rectificación de RF, puede llegar a trabajar hasta 500MHz con respuesta plana. Los diodos utilizados son los 1N5711.
ACOPLADOR DIRECCIONAL:
Fue construído con una caja de paso de aluminio Conextube, 100x100x60 mm. Se utiliza una placa virgen de epoxi con dos orificios en donde pasan los tramos de línea de sensado. El esquema es el que se muestra abajo:
El acoplador del Tandem Match, es del tipo Bruene. Se utilizan dos transformadores, uno de voltaje y otro de corriente. En la figura A se detalla el esquema eléctrico y en el B el circuito equivalente. Dependiendo de las fases relativas entre los transformadores, V2 será el Voltaje Directo, y V1 el Voltaje Reflejado o viceversa. Más precisamente, si las fases de los secundarios son positivas, V2 será el Directo, y V1 el Reflejado. Si en cambio, las fases de los secundarios son inversas, es decir, si uno es positivo y el otro negativo o viceversa, V1 será el Reflejado y V2 el Directo. De todas maneras, no es un punto crítico, o en todo caso ahora para mí no lo es, pero me fue útil analizar las variantes y las consecuencias de las polaridades. Si el instrumento indicara 0 potencia directa, y X de potencia reflejada, es evidente que hay que invertir la fase de un transformador cualquiera, o, en su defecto como posibilidad, invertir el puerto de entrada por el de salida.
Los núcleos utilizados son de hierro en polvo de mezcla N° 2, de forma T68 (T68-2). Las resistencias de carga de 50 Ohms 1/4W, van montadas justo en el conector RCA de directa y reflejada. Son cuatro pares de dos resistencias de 100 Ohms en serie, (200 / 4 = 50 Ohms). El primer juego de diodos rectificadores 1N5711 (D11 y D21), y os capacitores C11, C12, C21 y C22, van montados en el mismo conector macho RCA.
ESCALAS:
CALIBRACIÓN:
Observando el esquema eléctrico, pueden advertirse varias etapas desde que se muestrea una pequeña fracción de la señal pasante, hasta que se obtiene un voltaje adaptado de CC a niveles aptos para que el microcontrolador pueda leerlos correctamente. La primera, es el acoplador direccional. El voltaje obtenido de los transformadores es:
Vd y Vr son los voltajes reales en la línea de transmisión. De modo que por la ecuación, el valor obtenido a la salida de los transformadores (V1 y V2), es un voltaje pico igual al voltaje real en la línea dividido por N, el número de vueltas del secundario para el caso del transfomador de corriente, y que es igual también al número de vueltas del primario del transformador de voltaje. El número elegido es 40. Este valor está supeditado a la respuesta tanto en baja como en alta frecuencia. En baja frecuencia el número debe ser tal, que la reactancia no sea demasiado baja como para no generar calor en el núcleo por una corriente excesiva, y en alta frecuencia, el número no debe ser demasiado alto, puesto que un exceso de vueltas genera más capacidad distribuída entre las espiras disminuyendo la respuesta en alta frecuencia.
La segunda etapa, son los detectores de pico, constituídos por los diodos D11, D12, D21, D22, U1A y U1C. El voltaje obtenido a la salida de dichos operacionales es un voltaje contínuo de igual valor al voltaje pico en entrada. R109 y R209 son para el ajuste de cero u offset propio de los amplificadores operacionales.
La tercer etapa, conformada por R106 y R107, R206 y R207, es un par de divisores resistivos para reducir el voltaje de entrada 3 veces.
La cuarta etapa, formada por U1B y U1D, se utiliza para ajustar la tensión de acuerdo a la escala seleccionada. Consta de un par de amplificadores no inversores con distintas ganancias. Mientras menor es la escala seleccionada, se cierra el relé conectando una resistencia que de mayor ganancia, de modo de obtener 5V para fondo de la escala seleccionada. Debajo está el calculo para dichos valores.
La última etapa antes de ingresar a los pines del conversor, es una red pasa-bajos, con una atenuación de 1,1. Todas estas etapas son tenidas en cuenta en el programa del microntrolador a la hora de calular el voltaje real en la línea de transmisión.
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