Top Page 周波数応答解析ツール(FRAT)でSWRを測定する
自作・実験工程のメモとして
09.Jul.2019


 周波数応答解析ツール(FRAT)として、「STM32F103でAD9959を動かす」「周波数応答解析ツール(FRAT)の組立」並びに、一つ前のテーマ「周波数応答解析ツール(FRAT)用PCソフトウェアの開発」の関連テーマですが、解析という名前を付けていることもあり、アンテナ(以下、ANT)のSWR特性を測る機能を加えてみることにしました。

 FRATのハードウェア的には、何の変更も有りませんが、「SWR Bridge」を使いソフトウェアでの処理でSWR目盛を読めるようにしています。
なお、今回は「SWR Bridge」だけを使っています。
方向性結合器(方結器)についても、同様の結果が出ると思われますが、使い方については、Web上に色々な解説が有りますので、そちらを参考に読み替えをお願いいたします。

 また、ここではFRAT用PCソフトウェアの使い方を説明する、Help的な記述をしております。
さらに、SWRはVSWRとも表記する場合が有りますが、全てSWRに統一しています。
配布用のソフトは、「周波数応答解析ツール(FRAT)用PCソフトウェアの開発」の■.配布用FRATソフト  部においています。

144M・430MHzホイップアンテナ(NR950M)のSWR特性を測定したForm全体のキャプチャー
(今回、初めて測定し、少しズレていることが分かりました。)
 


Edit by bluegriffon3.0.1


1.SWRのキャリブレーション

 本ソフトの他に必要なものは、文頭の「SWR Bridge」並びに50Ωの終端抵抗と同軸ケーブルになります。
キャリブレーション動作は、減衰特性の測定とほとんど同じ処理を実施しており、減衰特性をリターンロスとして算出するための基準値を求める大切な処理で有り、手順として欠かせないものとなります。


■.SWR Bridgeの接続
1.FRATのOUTPUT端子から、「SWR Bridge」のINPUT端子に接続します。
2.「SWR Bridge」のOUTPUT端子から、FRATのINPUT端子に接続します。
3.「SWR Bridge」のリファレンス(REF)端子に、50Ωの終端抵抗を接続します。
以上が基本的な接続になります。(以下省略)
4.キャリブレーション時は、被試験装置(Device Under Test :以下、DUT )用端子には何も接続しません。(オープン状態)

■.FRATソフトの設定とキャリブレーション測定例

1.「Sweep setting & operation」の「SWR」チェックボックスをチェックすると、描画領域の目盛がSWR用に変わります。
2.「Connect」後に「Start」ボタンを押すと、SWR無限大(∞)時の反射値がプロットされます。

■.通常目盛(dB)で見たキャリブレーションの測定例

1.この値は「SWR Bridge」の挿入損失で、FRATからのOUTPUT値の約-13dBを示すらしく、全域に亘ってほゞ+9.5dBmに調整しているFRAT出力から13dB引いた値を示しています。
2.この状態では、一つ上のSWR目盛の画像と同じ位置に灰色グラフ線が走っています。


59 Arduino STM32duino Program sketch SPI 動作確認
Operation check 
2.50Ω終端抵抗によるSWR1.0付近の確認

 少し遠回りになりますが、実際のANT等の測定の前に、50Ω終端抵抗を使った確認を行います。
ダミー抵抗は、REF端子に付けているものと同じもので、最近では5個・千数百円程度で手に入れることができます。
ちなみに、5個入手して抵抗値を測ってみましたが、SWRに影響するぐらいのバラツキは無いものでした。
(デジタルテスターにて、50.4Ω x 1個, 50.8Ω x 3個, 50.9Ω x 1個 )


■.50Ω終端抵抗の接続

接続は、キャリブレーション時にオープンにしていたDUT端子に、50Ω終端抵抗を接続するだけです。

■.50Ω終端抵抗FRATソフト測定例

1.キャリブレーション後に、「G1&Mrk」のラジオボタンを選択して、「Start」ボタンでSweepさせます。
2.50Ω終端抵抗を一番近い位置に接続しているだけあって、ほぼ全域に亘って良好なSWR値を示しています。

■.通常目盛で見たリターンロスの測定例

1.「SWR」チェックボックスを外して、「Start」ボタンでSweepさせます。
2.「SWR Bridge」と50Ω終端抵抗の総合特性(実力値)になりますが、40dB以上(理論値)のリターンロスまで測定できそうです。
3.ちなみにリターンロス42dBは、SWR値では1.016となり、一つ上のグラフと同程度になります。
4.リターンロスからのSWR算出は、以下の式を使いVB上で関数化して処理しています。(RL:リターンロス)




3.実ANTによるSWR値の確認

 実ANTは、適当なものが少なく、由一144MHz用のホイップANTが有りましたので、測定してみました。
今まで、VHFのアンテナは測定したことが無く、このアンテナも出荷時調整済みとのことで、調整不要と思っていましたが、経年変化(約6年)で同調周波数がズレてきているようでした。


■.実ANTの接続

接続は、キャリブレーション時にオープンにしていたDUT端子に、ANTの同軸を接続するだけです。

■.実ANTFRATソフト測定例

1.新品時に145MHzだったであろう中心周波数が、2.2MHzほど上に移動しています。
2.SWR12.9を超えた値は厳密に計算しても意味が無いので、全てSWR99.99(茶色の縦破線部)に丸めています。

■.実ANT通常目盛で見たリターンロスの測定例

1.1つ上のSWR目盛で、SWR1.20を示していたリターンロス値が-21.0dBで、エクセル互換ソフト(LiberOffice)で作った換算値とも整合が取れました。
2.左端(4.4MHz付近)で、リターンロス値が(波打って)逆転している部分が有りますが、ソフトの処理上でリターンロス値がプラスになる部分は-0.1dB(SWR176.7に相当)に丸めています。
3.また、+6dBを超える場合は以下のようにキャリブレーションを再実施するようメッセージを出すようにしていますが、「OK」を押せば表示は消え、この時点でSweepは完了しています。(アンテナによって、低い周波数からのSweepにて発生する場合が有ります。)






4.「SWR Bridge」について

 SWRブリッジは、Amazonで入手しましたが、どうもコピー品のようでパターンにミスがありました。
eBayでの本家の価格と大差ない品ですが、使うにはパターン開放部分のハンダ付け修正2箇所と、あまり影響は無いと思いますが、コアを通過した同軸の心線部がハンダ付けしてあるのをオープンに修正しています。



9.その他気づいたこと

(1)その他





99.追記用

大幅な改定・追記用