Показаны сообщения с ярлыком Технология. Показать все сообщения
Показаны сообщения с ярлыком Технология. Показать все сообщения

Согласование антенны. Практический пример.

Теория по согласованию антенны и кабеля доступным языком изложена в статье "Согласование импеданса антенны и кабеля", я же сосредоточусь на практической реализации. Практика, изложенная ниже, справедлива при настройке любых видов антенн на любую резонансную частоту, я же буду согласовывать диполь на частоту FM 98 МГц, рассчитанный в статье "Полуволновой диполь. Расчет параметров антенны."

Конструкция диполя на 98МГц.

Для оптимальной работы приемника (передатчика) антенну с кабелем необходимо согласовать. Предполагается что кабель с приёмником (передатчиком) согласован - кабель для подключения антенны с внутренним сопротивлением 50 Ом и приемник (передатчик), работающий с 50-и Ом-ной нагрузкой - иначе придётся согласовывать кабель с девайсом.

Согласование без материально технического обеспечения весьма проблематично, поэтому нам не обойтись без антенного анализатора, например nanoVNA.

Векторный анализатор nanoVNA.

Согласование необходимо начать со снятия импеданса антенны - её нагрузки и реактивной составляющей. nanoVNA должен быть откалиброван с учетом кабеля, которым антенна будет подключена к приемнику (передатчику).

Выставляем предел измерения по частоте для nanoVNA. Антенна рассчитана на 98МГц, предел измерения установим с запасом - от 88МГц до 108МГц. На экране должны отображаться графики SMITH (диаграмма Смита), IMAG (мнимое число измеряемой величины), SWR (коэффициент стоячей волны, КСВ).

Колёсиком сверху устанавливаем частоту 98 МГц и снимаем характеристики антенны. Ниже представлены три замера характеристик одной и той же антенны в разное время суток.

Характеристики антенны снятые в 9:00.

Характеристики антенны снятые в 19:00.

Характеристики антенны снятые в 22:00.

Антенна с такими характеристиками SWR (КСВ) считается плохо настроенной. Допустимый КСВ, а по сути потери, на расчетной резонансной частоте принято считать в пределах от 1 (идеально) до 1,5 (приемлемо).

Такое расхождение с теоретическим расчётом объясняется тем, что данный вид антенн является симметричным устройством, а кабель нет. Подключение кабеля без согласующего устройства напрямую к антенне будет вносить искажение в характеристики, т. к. оплётка подключённая к вибратору напрямую будет является его продолжением. Для компенсации этого эффекта при подключения кабеля к антенне используется трансформатор (балун) или адаптер (в самом простом случае LC цепочка).

Кроме того, следует обратить внимание на то, что значения характеристик антенны будет завесить от многих факторов, например, времени суток, погоды, окружающих предметов, высоты установки, геометрии антенны, аккуратности изготовления и т.д.

Для себя я решил, что согласование буду выполнять с помощью LC адаптера, под следующие характеристики антенны:

Импеданс: 81,5 Ом
Реактивная составляющая: 0,285j (если в характеристике присутствует знак "минус" это важно)
КСВ: 2,74

Расчет адаптера выполним с помощью калькулятора "LC Impedance matching network designer". Там же выберем схему для согласования.

Расчет адаптера.

Расчётные значения для изготовления адаптера. Индуктивность: 167,5 nH, ёмкость: 40,92 p. Используем элементы, максимально соответствующие расчётным - у меня это 150 nH и 39 p.

Ёмкость и индуктивность для изготовления адаптера. 

Величина погрешности номиналов деталей обязательно скажется на конечном результате согласования, поэтому на практике целесообразно применять проволочную индуктивность, а конденсатор можно использовать построечный. Однако с учётом того, что характеристики антенны сильно зависят от внешних факторов, данную погрешность будем считать допустимой.

Изготавливаем адаптер. Адаптер, в готовой конструкции, следует поместить в экранируемый и защищённый от атмосферного воздействия корпус:

Конструкция адаптера для согласования.

Конструкция адаптера для согласования в сборе.

Подключаем адаптер к антенне:

Снимаем характеристики антенны повторно (обратите внимание на график IMAG - он стал довольно-таки симметричным, как и должно быть для симметричной антенны):

Характеристики антенны после подключения адаптера.

КСВ на частоте 98МГц составляет 1,25 что является приемлемым при конструировании антенн. 
Реальная резонансная частота, на которую настроена антенна (при минимальном КСВ=1,17) - 96,2 MГц. Погрешность изготовления антенны: 1,8%.

Реальная резонансная частота антенны.

За счёт укорочения длины вибраторов (помните я говорил что они делаются с запасом) можно добиться смещения графика SWR (КСВ) для получения более низкого его значения на расчётной резонансной частоте. 

Технология. Изготовление печатных плат методом ЛУт

Суть изготовления печатных плат лазерно-утюжным методом (ЛУт) заключается в термическом переносе отпечатанной на лазерном принтере печатной платы на фольгированный текстолит с последующим травлением в хлорном железе.

В Интернете есть достаточно советов по этой технологии, и любым из них вы можете воспользоваться. Я расскажу о своем опыте изготовления печатных плат.

Разработку печатных плат я выполняю в программе Sprint-Layout версии 5.0. Программа коммерческая, поэтому для соблюдения лицензионных приличий даю ссылку только на ограниченную версию этой замечательной программы. Версию, для пользователей постсоветского пространства вы можете найти погуглив, например, «Sprint-Layout 5.0 скачать»

Разработка печатной платы в программе Sprint-Layout v. 5.0


В случае изготовления двухсторонней платы, перед печатью на бумаге слои необходимо разделить. Делается это путем дублирования платы, отражения ее по вертикали/горизонтали и удаления ненужных дорожек на каждом слое. При копировании расстояние между платами должно составлять сантиметра полтора. В итоге получаем:

Подготовка двухсторонней печатной платы к печати в программе Sprint-Layout v. 5.0


Выбираю «Файл-Печать». В появившемся окне выполняю следующие настройки:

- Настраиваю цвета дорожек (для слоя M1 и M2 устанавливаю «черный»).

- Скрываю ненужные слои (K1, K2).

- Настраиваю количество копий на листе (кнопка «Копии…»).

- Настраиваю вид печати «Нормальный» (не «Зеркальный»).

Печать платы в программе Sprint-Layout v. 5.0


Бумагу – в принтер. Печатаю.

Несколько слов о бумаге. Я, например, беру фирменные бланки. Некоторые используют фотобумагу для печати на струйных принтерах, другие – страницы из «глянцевых» журналов. Тут тебе придется поэкспериментировать и выбрать для себя подходящий вариант.

Если возникают проблемы при печати, например, некоторые принтеры категорически не переваривают «лащенку», или при печати на «тонких» листах их разрывает, то можно поэкспериментировать с типом бумаги в настройках принтера. У меня, например, нормальная печать получилась на типе бумаги «Пленка».

Вырезаю один экземпляр платы.

Вырезанный экземпляр печатной платы


Совмещаю «отверстия» «на просвет». Загибаю бумагу. Еще раз проверяю, что бы все отверстия были расположены как надо (в момент «изгиба» могло произойти смещение слоев).

Совмещение слоев платы


Склеиваю свободный край.

Изготовление конверта


Получаю нечто похожее на «конверт».

Готовый конверт


Такую технологию (изготовление «конверта») я рекомендую и при изготовлении односторонних плат - это позволит зафиксировать текстолит внутри, а для двухсторонней платы – еще и правильно удерживать слои относительно друг друга.

Покуда «конверт» сохнет межу страницами какой то книги - готовлю текстолит.

Размер текстолита +5...7 мм с каждой стороны к размеру готовой платы. Это позволит не заморачиваться с зачисткой краев текстолита (как правило, при переводе дорожек именно там возникают проблемы), а так же с точной установкой платы внутри конверта.

Зачищаю медь текстолита до отсутствия окисления и получения характерного блеска: в зависимости от состояния текстолита – сначала наждачкой покрупнее, потом – нулевкой. При изготовлении двухсторонней платы - стараюсь меньше лапать пальцами за уже зачищенный противоположный слой.

Следующий этап – обезжиривание печатной платы. Для чего я беру два кусочка фланелевой тряпки (от ваты отказался т.к. после нее остаются ворсинки) – один смочен в растворителе, второй - сухой. Обезжиривание веду тряпкой, смоченной в растворителе постепенно протирая и перемещаясь от одного края к другому (а не круговыми движениями) - это позволяет лучше смыть и меньше размазывать частички меди по поверхности платы. Что бы не оставалось пятен после растворителя, сразу же после протирки «влажной тряпкой» вытираю поверхность платы сухой.

Теперь все готово для перевода дорожек с бумаги на текстолит. Готовлю рабочее место (у меня это стул, на стуле сантиметровая кипа газет), набираю в емкость холодной воды, включаю утюг и жду прогрева (3-4 мин, температура - на максимум, температуру подбирал опытным путем).

В конверт вставляю плату. Взгляд на просвет, что бы дорожки не «свешивались» с края платы. Кладу плату на газетную стопку, и плашмя, с достаточным усилием прижимаю утюг к плате на секунд 10. Это позволяет тонеру первоначально прилипнуть к текстолиту. Затем утюг устанавливаю на «ребро» и ребром, не торопясь, с усилием, выглаживаю плату. Вся процедура занимает секунд 30-40. Если плата двухсторонняя, переворачиваю плату и опять же «ребром» выглаживаю противоположную сторону. Не давая плате остыть, бросаю ее в емкость с водой (у меня, если плата остывала «естественным» путем бывало что дорожки частично прилипали к бумаге обратно).

Плата откисает примерно минуту. За это время бумага размокает и смывается без труда. Проверяю что получилось. Если есть необходимость - видимые короткие замыкания устраняю тонким шилом. Если оттиск получился совсем уж плохенький, смываю тонер растворителем и перехожу к этапу «зачистка мелкой наждачкой».

Травлю плату в хлорном железе. Это примерно минут 20-60 в зависимости от свежести раствора и его температуры. Более агрессивная среда (соляная кислота + гидроперит) разъедает тонер. Более слабая - раствор медного купороса и соли - долго травит.

После травления платы – промывка под краном в холодной воде с хозяйственным мылом.

Тонер пока не снимаю. Проверяю плату «на свет» на предмет видимых коротких замыканий. Их наличие устраняю с помощью шила.

Подрезаю плату в размер. Сверлю отверстия. Использую сверла диаметром 0.6, 0.8, 1.0, 1.2, 2.5, 3.0 мм в зависимости от технологического назначения отверстия. Отверстия сверлю небольшой ручной 12-и вольтовой самодельной дрелькой.

Сверление отверстий


Из-за того что некоторые сверла уже давно б/у, при сверлении, по краю отверстия появляется «наплыв» меди. Его устраняю после сверления всех отверстий, используя «нулевочку», ей же снимаю некоторый слой тонера. Остатки тонера смываю растворителем. Последний штрих – легкая зачистка дорожек мелкой наждачкой до блеска и покрытие платы жидкой канифолью. Сушка.

Готовая печатная плата


Лужение дорожек либо не выполняю вовсе (плата покрыта канифолью и на этапе сборки и отладки девайса не успевает окислится), либо выполняю в момент пайки элементов.

После того как устройство собрано и отлажено смываю остатки канифоли растворителем и покрываю плату прозрачным лаком.