Tekniske Artikler

Hvidovre Støjmålebro
Artiklen har været bragt i OZ/95 Nr. 11 Side 621

Redaktion: OZ1AXG, Flemming oz1axg

Hvidovre Støjmålebro

af OZ1AXG

Denne artikel er en bearbejdet udgave af byggevejledningen for EDR Hvidovre afdelingens støjmålebrobyggeprojekt. Den komplette konstruktionsbeskrivelse forefindes i EDR Hvidovre og kan endvidere findes i det Danske amatørradio blad "OZ" 95/11 der udgives af Landsforening af Eksperimenterende Danske radioamatører (EDR).

Byggeprojektet kom i stand som et afdelingsprojekt i vinteren 1993 pga. den store interesse for emnet og er nu bygget i ca 15 eksempklarer.

Støjmålebroen kan anvendes til at måle kompleks impedans af antenner eller andre elektriske komponenter i frekvensområdet 1-30 MHz, og er for den eksperimenterende radioamatør et uundværligt måleinstrument.

Konstruktionen er forholdsvis enkel, og netop pga. den enkle opbygning skal man være omhyggelig i kalibreringen af støjmålebroen. Denne artikel videregiver de erfaringer i konstruktionen og kalibrering af støjemålebroen som vi har opnået i EDR's Hvidovre afdeling. Specielt skal nævnes de forskellige spredningskapaciteter i konstruktionen som kan forårsage at målebroen viser sig at være svær at kalibrere, og som kan drille selv den mest erfarne konstruktør. Konstruktionen har oprindeligt været bragt i forskellige håndbøger med konstruktionsbeskrivelse m.m. Der henvises til Ref. 1 for yderligere information, hvor bla. printudlæg er medtaget.

Måleprincip

Målebroen er bygget efter samme princip som en Wheatstone bro, som består af en spændingsgiver samt en modstandsbro.

Med et voltmeter måles spændingen over broen og den variable modstand justeres indtil voltmetret viser 0. Når dette sker, siges broen at være i balance, og den ukendte modstand vil antage samme værdi som den variable.

Det samme princip benyttes i støjmålebroen. Her er spændingsgiveren blot udskiftet med en bredbåndet signalgenerator (3-30MHz) og voltmetret med en HF modtager.

Ved at justere målebroen til minimum støj i HF modtageren, siges broen at være i balance, og den ukendte impedans (ZU) vil antage den samme værdi som den kendte (Zk).

Den komplekse impedans ZU, som støjmålebroen er istand til at måle, består af en resistiv del R samt en reaktiv del X, og kan beskrives ved formlen:

ZU = R + jX

Kapacitiv reaktans kan beregnes efter formlen:

Xc = 1/(2*fC) (C i Farad)

Induktiv reaktans kan beregnes efter formlen:

XL = 2*fL (L i henry)

For antenner kaldes den resistive komponent (R) også for antennes karakteristiske impedans.

En antenne kan opfattes som et serieresonans kredsløb bestående af en modstand (R) i serie med en spole (XL) og en kondensator (XC).

Når antennen er i resonans vil reaktansen af XC antage samme værdi som XL dvs XC = XL.

Er antennen for kort til den valgte frekvens siges antennen at være kapacitiv, dvs. værdien af XC vil være større end værdien af XL dvs XC > XL. Omvendt siges antennen at være induktiv, når XL > XC. Sammenfattet fås:

Udtryk	Impedans Z	Antennen er	Resulterende Reaktiv impedans vil være
XC = XL	R	I resonans	0
XC > XL	R-j(XC-XL)	For kort	Kapacitiv
XC < XL	R+j(XL-XC)	For lang	Induktiv

Støjmålebroen er i stand til at måle om en antenne er kapacitiv eller om den er induktiv for en given frekvens og den reaktive komponent kan direkte aflæses af X skalaen af støjmålebroen. Ligeledes kan den resistente komponent aflæses af R skalaen for målebroen.

Hvorvidt man faktisk ønsker at benytte de målte værdier til komplicerede beregninger eller ej, kan søjmålebroen i den simpleste anvendelse benyttes til at bringe en antenne i resonans samt til at måle den karakteristiske impedans på arbejdsfrekvensen.

For de mere advancerede anvendelser kan man benytte måleværdier fundet af støjmålebroen til at beregne størrelse af forlænger spoler, "Top-Hat" kapaciter m.m.

Endvidere er det ved forskellige kombinerede målinger muligt at bestemme parametre for kabler, samt at udkompensere antenne målinger for kablets indflydelse.

Konstruktionsvejledning

Det anbefales at trinvis opbygge og afprøve støjmålebroen. Opbyg først oscillatoren (U1) med de tilhørende komponenter. Forstærkertrinnet afprøves ved at måle med oscilloscop på Q2 (collecotor) hvor der skal vises et bredbånddet (stærkt forvrænget) signal. Herefter vikles bredbåndsforstærkeren og monteres på printet med så korte tilledninger som muligt. Bredsbåndstransformatoren afprøves ligeledes. Mål med oscilloscop på sekundærsiden af transformerens RX bøsning, her skal vises et kraftigt forvrænget signal.

Mekaniske opbygning

Støjmålebroen kan bygges i en aluminiumskasse med målene 12,7 x 6,1 x 9,6 cm. Printpladen monteres på bagsiden af kassen, således at tilledningerne fra coaxialstikkene er så korte som muligt.

Der skal udvises stor omhyggelighed, når potentiometeret skal monteres. For at kunne foretage korrekte målinger, skal potentiometeret være godt isoleret fra stel. I det viste eksempklar blev dette opnået ved at montere potentiometeret på et stykke plexiglas, som blev fastgjort til kassen med et vinkelstykke i aluminium. Endvidere blev en plastikstang brugt til gennemføring på forpla-den. Et potentiometer af høj kvalitet er nødvendig, hvis gode resultater skal opnås.

Det at montere kondensatoren er ikke det store problem, da rotoren er stellet. Som med potentiometeret, er det også her vigtigt med en kondensator af høj kvalitet. Hvis der absolut skal spares penge, skal det ikke være på disse komponenter. Der benyttes to hun SO-239 på bagsiden af kassen til at forbinde fra Støjmålebro til detektoren (modtageren) og til det ukendte kredsløb. Der er ingen grund til, at der ikke skulle kunne bruges andre former for stik; dog bør man undgå plastikisolerede phono-stik, da disse kan påvirke måleresultater på de høje frekvenser. Et stykke mini-coaxial kabel (RG-174/U) kan bruges mellem RCVR stikket og printet. C2 forbindes med det ene ben på stikket til ukendt og det andet på printet.

Før den egentlige kalibrering af de to skalaer for målebroen kan begynde skal der foretages en nulpunktsjustering for h.h.v den resistive skala og den reaktive skala.

Reaktiv Nulpunktsjustering

Pga. af forskellige spredningskapaciteter, primært fra pontentiometret P1, er det nødvendig at foretage en nulpunktsjustering af den reaktive skala. Spedningskapaciten vil forårsage at den reaktive skala vil være frekvens afhængig. For at udkompencere denne ekstra kapacitet anbringes der en spole imellem C1 og J2. Spolen består af 3 vindinger/ 6 mm Ø med en trådtykkelse på 1 mm. Følgende målesekvens udføres:

1) Anbring en kortslutning i "Ukendt" bøsningen J2. 2) Indstil modtager på 28.500 MHz og nulstil støjmålebroen.Noter dette punkt på skalaen. (feks med en tus, så det kan fjernes igen). 3) Indstil modtager på 3.0 MHz og nulstil støjmålebroen.Noter dette punkt på skalaen. (feks med en tus, så det kan fjernes igen). 4) Hvis L1 udkompenserer spedningskapaciteten tilstrækkeligt, vil der ikke være forskel på målepunktet noteret i punkt 2 og punkt 3.Hvis der er stor afstand mellem disse punkter kan der forsøges med en større eller mindre spole indtil de to målepunkter er sammenfaldende.

Resistiv Nulpunktsjustering

Pga. af forskellige spedningskapaciteter/Induktans, primært fra den pontentiometret P1, er det nødvendig at foretage en nulpunktsjustering af den resistive skala. Spedningskapaciteten/Induktansen vil forårsage at resistive skala vil være frekvens afhængig.

1)	Anbring en 180 Ohm's modstand i "Ukendt" bøsningen J2.
2)	Indstil modtager på 3.0 MHz og nulstil støjmålebroen.Med en Ohm-meter måles modstandsværdien af R1. Noter denne værdi som RV  (Skal bruges i formeln senere)
3)	Hvis RV er større en de 180 Ohm, så er spedningskapaciteten større på potentiometersiden af broen end på "Ukendt" siden af broen.For at udkompencere denne skal der anbringes en kapacitet fra C2 til jord.Størrelsen beregnes udfra følgende formel (hvor RL = 180 Ohm):

Når nulpunktsjusteringen er udført kan målebroens skala herefter kalibreres. Dette foretages af tre omgange for at fastlægge den resistive skala, den induktive samt den kapacive del af reaktansen.

Figur 7 Frontpanel for støjmålebro

Resistiv skala kalibrering

Der anvendes et sæt af precisionsmodstande til at kalibrere den resistive skala. Kalibreringen foretages ved at anbringe de forskellige modstandsværdier i "UKENDT bøsningen. Herefter nulstilles målebroen, og den fundne position markes på forpladen. Denne procedure fortsættes indtil hele den resistive skala er kalibreret. Forslag til modstandsværdier: 10,20,25,50,75,100,150 og 200 Ohm.

Reaktiv -C skala kalibrering

-C skalaen udgører den induktive reaktans-skala for støj målebroen. Der anvendes et sæt kapaciteter der anbringes i parallel med C2. Kalibreringen fortages med en 50 OHMS modstand i "UKENDT" bøsningen, og ved at anbringe de forskellige kapacitetsværdier parallelt med C2 (loddes forsigtigt over). Herefter nulstilles målebroen, og den fundne position markes på forpladen. Denne procedure fortsættes indtil hele den induktive skala er kalibreret. Forslag til værdier: 20pF, 40pF, 80pF, 100pF og 120pF.

Reaktiv +C skala kalibrering

+C skalaen udgører den kapacitive reaktans-skala for støjmålebroen. Der anvendes et sæt kapaciteter der anbringes i serie med C2. Kalibreringen foretages med en 50 OHMS modstand i "UKENDT" bøsningen, og ved at anbringe de forskellige kapacitetsværdier i serie med C2 (C2 loddes forsigtigt fra ved L1). Herefter nulstilles målebroen, og den fundne position markes på forpladen. Denne procedure fortsættes indtil hele den resistive skala er kalibreret. Forslag til værdier: 40pF, 80pF, 120pF, 330pF, 520pF, 680pF og 820pF.

Måling af den karakterisktiske impedans af en antenne.

Følgende fremgangsmåde benyttes til at finde den karakteristiske impedans:

1)	Tilslut støjmålebroen så tæt på antennes fødepunkt som muligt.
2)	Tilslut en HF Station til målebroen, og indstil modtagerfrekvensen på den frekvens som der ønskes at måle på, der burde være et ca. 9 S-Graders signal på modtager.
3)	Indstil nu støjmålebroen således at der er minimun af støj i modtager. En korrekt  indstilling vil som reglen resultere i et S-Meter udslag på nul.
4)	Støjmålebroen vil nu vise om antennen er for kort eller for lang på X-Skalen samt den karakteristiske impedans på R-Skalaen.

Måling ad den elektriske længde af et coaxialkabel

Denne målemetode finder den elektriske længde af kablet i "grader" for en given frekvens.

1)	Indstil modtageren på den ønskede frekvens
2)	Anbring en kortslutning i "Ukendt" bøsningen og nulstil broen.Herefter må indstillingen af den reaktive skala ikke ændres.
3)	Fjern kortslutningen fra "Ukendt" Bøsningen.
4)	Anbring den ene ende af coaxialkablet til "Ukendt" terminalen og placer kortslutningen til den anden ende af kablet der skal måles.
5)	Indstil Modtageren i kombination med den Resistive drejeknap indtil broen er nulstillet (den resistive skala bør vise et forholdsvist lille tal, ca. 20 Ohm, måske mindre).  Noter den nye frekvens: fn
6)	Drej Modtagen OP i frekvens indtil det næste nullpunkt er fundet. Indstil den resistive skala hvis det er nødvendigt. Noter frekvensen for dette nulpunkt: fn+2
7)	Den elektriske længde beregnes udfra følgende formel:

 


Stykliste

 Symbol	 Komponent 	 Bemærkning
 C1	250 pF, dreko 	med 6 mm akse
 C2	120 pF 1%	evt. 2% eller 5%
 C4-C8	10 nF	5 stks
 C3	100 nF	 
 D1-D2	1N914 Diode	
 D3	6V8 Zenerdiode	 6V8,1/2W
 R1	220 Ohm Lineær	med plastakse
 R2	1.8K	
 R3 	6.8K	
 R4	6.8K	
 R5	22K	
 R6	1.2K	
 R7 	10K	
 R8	680	
 Q1,Q2	2N2222	
 T1	FT-37-43 Amidon 8 trifilar vikl.
 RG174	5 cm  RG174 "Tyndt kabel"
 TRÅD 	3 stks 10 cm 0.4 mm tråd Til Transformer viklinger
 U1	NE555 Timer

Mekaniske komponenter

 Symbol	 Komponent
 S1	 Ringtryk
 J1-J2	 SO-239 Coaxial connector
 1 stk  	 Kasse
 1 stk	 Pleksisglas plade 4X4 cm
 1 Stk	 6 mm akseisolator
 1 stk	 6 mm akseforlænger
 2 stk 	 Print "Søjler"  3mm (til Printmontage)
 2 stk	 skruer/møtrikker 3mm  (til Printmontage)
 2 Stk	 6 mm plastakse. Længde ca 5cm

Referencer

[1] ARRL Antenna handbook, chapter 6 (page 16-34)

[2] J.Grebenkemper, Improving and using R-X Noise Bridges, QST august 1989, side 27-32,52.

OZ7HVI * OZ0P * EDR's HVIDOVRE AFDELING * BYVEJ 56 * 2650 HVIDOVRE * DENMARK

Updated: 97.01.25