Pomiary

Pomiar i naprawa modułu wielotorowego rezystancyjnego tłumika RF

Pracując nad antenowym obwodem wejściowym (w paśmie KF) napotkałem potrzebę użycia regulowanego tłumika, by muc przebadać dynamikę pracy układu automatycznej regulacji wzmocnienia (ARW). Jako, że dość często podczas zakupów zdarza się iż wybór sprzętu do zadania podyktowany jest (błędnym) założeniem: “cash is king” dokonałem impulsywnie zamówienia taniego prostego wielotorowego tłumika rezystancyjnego wykonanego w formie modułu na nieobudowanym laminacie PCB. Przed instalacją w docelowym systemie postanowiłem przebadać produkt by sprawdzić na ile mogę ufać deklarowanym informacjom dotyczącym wartości tłumienia poszczególnych torów.

Problem ceny

Dobre i markowe tłumiki RF są drogie. Nie wynika to wyłącznie z niszowego ich zastosowania, ale w dużej mierze z faktu, iż sprzęt taki musi być wykonany z dobrej jakości materiałów o odpowiednich parametrach, a produkt końcowy poddany kontroli i ewentualnej kalibracji. Nie bez znaczenia jest także wykonanie obudowy, która nie tylko ma zapewniać ochronę przed uszkodzeniami, ale i izolować obwód tłumiący od wpływu warunków zewnętrznych (pole elektromagnetyczne, skoki temperatury). Do tego dochodzi wiedza i cały proces R&D, które w przypadku rozwiązań radiowych, nie należą do najtańszych.

Do prostych zastosowań (jak w przypadku pomiarów zgrubnych czy zastosowań mocno amatorskich), gdzie nie jest wymagana duża precyzja, a moce sygnałów są niskie (tory odbiorcze, nadajniki o mocach rzędu [mW]) można pozwolić sobie na zastosowanie komponentów nie posiadających wszystkich zalet tłumików profesjonalnych. Kiedy nie przejmujemy się zbytnio szumami, oraz nie pracujemy w zakresie mikrofal wystarczającymi mogą okazać się gotowe, produkowane masowo, moduły tłumików rezystancyjnych. Są one tanie i łatwe w projektowaniu. Ceną za to jest jednak: gorsza precyzja, szerokopasmowość i jakość wykonania…

Na rynku dostępny jest popularny czterotorowy tłumik oferujący przekazywanie sygnałów radiowych z różnym tłumieniem. Dostępne wartości to: 0[dB], 10[dB], 20[dB] i 30[dB]. Zakładając pracę mostkową można w ten sposób skonfigurować tłumienie w zakresie do 60[dB] ze skokiem 10[dB].

Popularny wielotorowy pasywny tłumik RF 0-30[dB] produkowany masowo jako moduł do bezpośredniego zastosowania w projektach radiowych.

Obwody tłumiące to rezystancyjne układy PI dobrze opisane w literaturze i sprawdzone w działaniu. Są z powodzeniem stosowane i w sprzęcie profesjonalnym z tą jednak różnicą, że w przypadku wyposażenia wyższej klasy obwody te są “dopieszczane”, pod kątem wymaganych parametrów, pod konkretne zastosowanie. W przypadku opisywanego modułu (produkowanego na masową skalę z użyciem powszechnie dostępnych i tanich komponentów) należy raczej oczekiwać, że jest “dość dobry” do prostych zastosowań.

W związku z powyższym, aby mieć pojęcie o tym czy wartości tłumienia przypisane do torów są jakkolwiek powiązane z ich opisami warto przeprowadzić pomiary. Wykonałem je przy pomocy NanoVNA, które to uprzednio skalibrowałem w szerokim zakresie.

O sensie kalibracji i procedurze jej wykonywania pisałem tutaj.

Pomiary

Pomiary każdego z torów wykonałem w zakresie do 0.5[GHz]. W prawdzie projektowany obwód wejściowy miał pracować z sygnałami KF (czyli do 30[MHz]) byłem ciekaw jak zachowuje się taki tłumik gdy przepuścimy przez niego sygnały o częstotliwościach wyższych pasm (2[m]/70[cm]).

Sam pomiar wykonywany był w standardowy sposób poprzez zmierzenie parametrów S11 i S21. Aby je wykonać należało podłączyć badany tor pomiędzy oba złącza pomiarowe NanoVNA. Sygnał wymuszający ze złącza CH0 przechodząc przez tłumik odbierany był złączem CH1 pozwalając na wyznaczenie tłumienia. Sygnał odbity powracający do złącza CH0 pozwolił na automatyczne wyznaczenie współczynnika fali stojącej VSWR.

Układ pomiarowy wielotorowego tłumika rezystancyjnego z wykorzystaniem NanoVNA.

Jako, że badanie miało charakter orientacyjny kalibrację i pomiary wykonałem dla zakresu DC-0.5[GHz]. Taki zakres spowodował, że rozdzielczość w dziedzinie częstotliwości nie była imponująca, jednak dla zastosowań czysto orientacyjnych była na tyle dobra, że byłem w stanie ustawić markery pomiarowe we wszystkich interesujących mnie punktach (10[MHz] – sygnały czasu na KF, 145[MHz] – środek pasma 2[m] i 435[MHz] – środek pasma 70[cm]).

Poniżej wyniki pomiarów dla poszczególnych torów:

  • 0[dB]
Wykresy VSWR i tłumienia dla czteroportowego tłumika rezystancyjnego w torze o tłumieniu 0[dB] w zakresie DC-0.5[GHz].
  • 10[dB]
Wykresy VSWR i tłumienia dla czteroportowego tłumika rezystancyjnego w torze o tłumieniu 10[dB] w zakresie DC-0.5[GHz]. Widoczne niepoprawne wartości w całym zakresie pomiarowym sugerujące uszkodzenie.
  • 20[dB]
Wykresy VSWR i tłumienia dla czteroportowego tłumika rezystancyjnego w torze o tłumieniu 20[dB] w zakresie DC-0.5[GHz].
  • 30[dB]
Wykresy VSWR i tłumienia dla czteroportowego tłumika rezystancyjnego w torze o tłumieniu 30[dB] w zakresie DC-0.5[GHz].

Analiza wyników

  • 0[dB]

Z punktu widzenia tłumienia jest ono na poziomie zbliżonym do 0[dB] co jest wartością oczekiwaną biorąc pod uwagę, że elementami wtrąconymi są wyłącznie złącza SMA i linia paskowa. Jeśli przyjrzeć się sygnałowi odbitemu, wyrażonemu parametrem S11 VSWR to widać, że wraz ze wzrostem częstotliwości pojawia się stopniowe odstrojenie toru od impedancji 50[Ohm]. Jest to ciekawa obserwacja wskazująca na to iż w przypadku linii transmisyjnych łączących poszczególne bloki radiowe wykonywanych na laminacie PCB dużą uwagę należy poświęcić poprawnemu ich zaprojektowaniu, poprowadzeniu i separacji od pobliskich źródeł zakłócających i mogących sprzęgać się pojemnościowo.

Taka pusta linia transmisyjna, gdy jest zbyt długa lub zaprojektowana niepoprawnie, jest wrażliwa na parametry otoczenia.

W przypadku tego toru zbliżenie palca do laminatu powodowało obniżenie się VSWR dla wyższych częstotliwości co ujawniło czułość tak prostego i nieekranowanego rozwiązania na sprzężenia pojemnościowe.

  • 10[dB]

W przypadku tego toru z zaskoczeniem ujrzałem, że coś jest nie tak. Wartość tłumienia była podwojona, w stosunku do deklarowanej zaś VSWR był nienaturalnie wysoki w całym przedziale pomiarowym. Z niedowierzaniem zacząłem przyglądać się obwodowi, by dojść do wniosku, że nastąpił błąd produkcyjny – na szczęście łatwy do usunięcia. Szczegóły w dalszej części.

  • 20[dB]

Tłumienie zbliżone do deklarowanego, VSWR akceptowalny w całym zakresie.

  • 30[dB]

Tłumienie zbliżone do deklarowanego, VSWR akceptowalny w całym zakresie.

Tropienie usterki

Pierwszą czynnością, po weryfikacji poprawności kalibracji NanoVNA (pomiar kilku znanych wartości rezystancji), było przeliczenie tłumienia dla elementów wadliwego toru.

Korzystając z kalkulatora online wpisałem odpowiednio wartości: R1=369 (złożenie szeregowo połączonych oporników 330[Ohm] i 39[Ohm]), R2=100, Zo=50. Po przeliczeniu okazało się, że dla takich wartości tłumienie rzeczywiście powinno być na poziomie około 20[dB]. Oznaczało to zatem, że błąd jest w wartościach wlutowanych komponentów.

Wartości elementów czterotorowego tłumika rezystancyjnego zamontowanych w wadliwym torze o tłumieniu 10[dB]. Obwód PI tłumi w okolicach 20[dB] zaś VSWR w zakresie do 0.5[GHz] utrzymuje się na poziomie >1.5.

Po kilku próbach odgadnięcia błędnych wartości i przeglądnięciu kilku zdjęć tego tłumika dostępnych w Internecie doszedłem do wniosku, że błędna jest wartość jednego z szeregowych rezystorów. Nieprawidłowość parametrów toru oznaczonego tłumieniem 10[dB] wynikała z błędnego montażu. Prawdopodobną przyczyną było omyłkowe założenie, na maszynę SMT, rolki z rezystorami o złej wartości. Zamiast wartości jednego z rezystorów 33[Ohm] założono 330[Ohm]. Kodowy opis tych elementów to odpowiednio: 330 i 331 – co przy produkcji masowej jest łatwe do przeoczenia dla człowieka, jednak nie powinno się zdarzać w profesjonalnej firmie wykonującej wysokonakładowy montaż kontraktowy…

Po przeliczeniu nowych wartości elementów obwodu PI (R1=72) kalkulator online wskazał, iż tłumienie powinno być na poziomie oczekiwanych 10[dB].

Wszystko wskazywało na to, iż wymiana wadliwego rezystora to droga do rozwiązania problemu.

Ponowny pomiar

Po dokonaniu naprawy (wymiana rezystora z oznaczeniem 331 na 330) ponowiony pomiar pokazał zasadność przeprowadzonej zmiany. Wynik tłumienia został ustalony w pobliżu 10[dB] co było wartością oczekiwaną. VSWR spadł także do poziomów prezentowanych przez inne segmenty tłumiące.

Wykresy VSWR i tłumienia dla czteroportowego tłumika rezystancyjnego w torze o tłumieniu 10[dB] w zakresie DC-0.5[GHz]. Wyniki otrzymane po naprawie polegającej na wymianie jednego z rezystorów (o niewłaściwej wartości) tworzących układ tłumiący PI.

Naprawa okazała się skuteczną, a moduł tłumika uzyskał swoje założone parametry.

Podsumowanie

W przypadku zakupu tanich i nie skomplikowanych elementów toru radiowego należy, w miarę możliwości, sprawdzać zgodność parametrów specyfikacji z osobiście przeprowadzonymi pomiarami. Nic tak bowiem nie irytuje jak niemożność znalezienia przyczyny błędu w zachowaniu projektowanego urządzenia przy jednoczesnym cichym założeniu, że narzędzia jakimi się posługujemy trzymają swoje parametry.

Niska jakość komponentów, lub procesu wytwórczego, może prowadzić do pomyłek i odbiegania właściwości produktu od założeń.

Przykład opisywanego tłumika pokazuje dobitnie, że wraz z obniżaniem ceny narzędzia musimy zakładać obniżony poziom jakości, który należy kontrolować i dokonywać ewentualnych korekt bądź napraw. Nic bowiem nie jest za darmo i w ostatecznym rozrachunku gdzieś muszą pojawić się koszty utrzymania jakości na odpowiednim poziomie. Pytanie tylko kto je ponosi? Kupując drożej oszczędzamy czas i dajemy sobie więcej spokoju i komfort pracy, podczas gdy kupując taniej różnicę w cenie musimy skompensować sami w postaci: własnej pracy, czasu, negatywnych emocji i zużytego materiału.

Wytropienie opisywanego, bądź co bądź, prostego problemu było niezłą lekcją pokazową dotyczącą jakości produktów. Jednocześnie okazało się, że do diagnozy i rozwiązania problemu wystarczyło podstawowe narzędzie pomiarowe radioamatora i kalkulator online. Patrząc jednak na problem od strony serwisowej praktyczne przepracowanie tego typu zagadnień (abstrahując od wygenerowanych kosztów) z pewnością nie idzie na marne. Wpływa bowiem pozytywnie na szybkość, łatwość i trafność diagnozowania problemów w systemach o większej złożoności.

Wybór sprzętu, który kupujemy, nie zawsze powinien być realizowany jedynie przez pryzmat ceny. Wstrzymanie się z zakupem do czasu odłożenia “odpowiednio” wyższej kwoty jest sposobem na zyskanie więcej w innych obszarach niż strata w wymiarze czysto finansowym.

Mimo to nie do każdego zagadnienia wymagane jest stosowanie najdroższych rozwiązań. Doświadczenie i zdrowy rozsądek, w znakomitej większości przypadków, powinny pozwolić na znalezienie balansu pomiędzy możliwościami finansowymi, a oczekiwaniami – głównie w obszarze jakości. Z kolei budowanie świadomości na temat wartości przedmiotów jakimi się otaczamy to trudna sztuka wymagająca chęci i zaangażowania pozwalająca na dokonywanie trafnych wyborów w oparciu o zdobywanie doświadczenie.

Ostatecznie zakupiony tłumik po wykonanej naprawie stał się w 100[%] użytecznym elementem pozwalającym zająć się testowaniem oryginalnego problemu: dynamiki układu ARW. Spełnia swoje zadanie w zakresie interesujących mnie częstotliwości i z pewnością będzie wykorzystywany przy kolejnych projektach.

Udanych pomiarów!

Radioamator i miłośnik komunikacji. Zainteresowany tematyką synchronizacji i transferu czasu. Entuzjasta New Space. Maker. Człowiek dzielący się wiedzą. Otwarty na wyzwania HAM Radio.