Val av Ingångsimpedans till HF-förstärkare?

[4kTRB]

Jag bygger en HF-förstärkare
(1MHz - 5MHz som exempel)
och det är meningen att den ska
vara ganska universellt användbar
i det tänkta frekvensområdet, till exempel att
fler än jag själv skulle tycka den vore användbar.

Jag specar den att driva en viss effekt i 50 ohm,
säg 1W. 50ohm är ju vanligt i HF-sammanhang.

Men vilken ingångsimpedans ska jag välja?
Jag tänker mig 250mV in och 1W ut i 50 ohm.

[gkar]

Det beror på, vanligtvis 50 ohm resistivt där också.

Om du inte har 50 ohm, hur driver du den då utan att få reflektioner i kablarna?
Kör du 50 ohm kan du enkelt koppla den till en signalgenerator eller VNA för att mäta upp den.

Tycker 75 ohm är sexigt och har sådan mätutrustning så går ju det också bra.

[4kTRB]

Det verkar sunt att välja 50ohm.
Jag ansluter ett ca: 50ohms motstånd i parallell med ingången
och får se till att eventuell förförstärkare kan driva den lasten.
När du nämner reflektion så har jag ett klass A steg som orkar driva
+/-10V i 50 ohm men frågan är vad som händer om jag byter
ut 50ohms lasten mot en koaxkabel (50ohm) som jag terminerar
i 50ohm en bit bort. Kommer jag få reflektion i så fall?

[E Kafeman]

Är förstärkarbyggets inimpedans så hög att du måste terminera den med 50 Ohm resistor för att nå rätt impedans, är det en mindre lyckad design ur förstärkningssynpunkt och man slösar bort effekt producerat av föregående steg.
Vad föregående steg klarar vid en viss last-impedans är ointressant, den ska ha interna impedansen 50 Ohm om man vill undvika reflektion och RF-jordströmmar som flyter runt i hela designen.
Förbindelsekablaget mellan stegen ska också ha samma karaktäristiska impedans.
Man kan gör lite avkall på kabelns impedans och använda t.ex. 75 Ohms koaxkabel på kabellängder som är avsevärt kortare än den kortaste våglängden som kan matas ut på kabeln, utan nämnvärda förluster eller reflekterande strömmar, men drivande steg, kabel och drivet steg, ska normalt alla tre ha samma impedans i en god design.
Resulterande missanpassning är lika illa oavsett i vilken ände av kabeln som den sker.
För en specifik frekvens är det vanligt med matchningsnät för att designa rätt impedans. Det kan ske billigast och enklast mha reaktiva komponenter (ej resistorer), bredbandigt så kan man alternativt klara sej med någon form av trafo vid dessa frekvenser, ofta ser man bägge delar, trafo plus nät. Impedansmatchning (korrigering av felaktig impedans) ska göras i både matande och mottagande steg om essa är missanpassade. Görs det rätt så bränner man inte bort effekt, minskar systembrus, distorsion och minskar problem med att reflekterande jordströmmar skapar allehanda typer av interferens med LF eller spökar med digitala kretsar. Och man slipper att det kliar i fingrarna när man håller i mikrofonen.

Vill det sej illa, i synnerhet om det rör sej om lite större effekter, så kan reflekterande strömmar skapa störningar även för annan elektronik i hela grannskapet.
Komplettering med nätfilter, baluner eller extra jordning är utmärkt för att få den lilla extra prestandan och stabiliteten i systemet och minskar problem att man stör omvärlden, men åtgärderna är dåligt verksamt plåster med osäker funktion vid en felaktig design.
I synnerhet om man bygger något mer varaktigt och som kanske ska säljas i flera exemplar, så bör designen göras någorlunda sund.

[4kTRB]

Tolkar jag dig rätt så vore det mest riktigt att
ha någon typ av bredbandstrafo på utgången
av klass A- steget då det steget lika lätt klarar att driva
1W i 30ohm vilket ju betyder att utimpedansen i steget
är mindre än 50ohm och därmed inte anpassad vilket
kommer leda till stående våg i tex en 30m lång kabel
terminerad i 50 ohm.

[E Kafeman]

Om det är amatörpryl med endast någon Watt uteffekt och att lite spill kan accepteras, då är 30 Ohm ok som 50 Ohm med 50% tolerans.

Förstärkaren driver 30 Ohms last, är det 3 och 300 Ohm också? Det är någon form av mätning eller datablad som behövs. Ofta kan schema och data-blad på sluttrissor ge en bra hint i vilket område impedansen kan väntas.

Man ska inte stoppa dit random trafo utan man bör börja med att mäta upp impedansen vilken är ett komplext tal.
Vid dessa frekvenser kan man både simulera och mäta impedanser rätt enkelt.

Många förstärkare kan ha en kraftig reaktiv komponent som måste hanteras för att inte få instabilitet.
Det är inte säkert att lasten för optimal uteffekt även är den mest ideala lasten för att undertrycka övertoner.
Är det bärbart så är det intressantare att mäta mest använda uteffekt-nivån som kanske inte är topp-effekten, och mäta upp vilken last som ger högst verkningsgrad ned begränsade batteri-resurser vid denna uteffekten.
Ska förstärkaren användas för mätändamål typ signalgenerator i mätlab, ja då är impedanskraven betydligt tuffare.

Min åsikt är att man behöver inte överdriva VSWR-kraven om det är för enklare ändamål, det viktiga är att ha koll på läget och veta vad lite missanpassning kan ha för konsekvenser.
I många fall är det helt ok med att halva uteffekten reflekteras bort men i mätlabbet vill man ha mätnoggranhet så att missanpassning håller sej under en procent.

[4kTRB]

Frågan är hur jag ska mäta upp utimpedansen i så fall.
A-steget är uppbyggt med ordinära BD139. En som
drar konstant ström och den andra driver. Jag kommer
få lite varierande impedans antar jag om jag sveper
frekvensen mellan 500kHz och 2MHz som är det
primärt tänkta området även om jag inte har något
emot om det fungerar bra upp till 15MHz eller något i
den stilen.

[E Kafeman]

Förutom att du kan komma långt med att simulera steget så finns det många sätt att mäta på.
Ditt radio-steg är lite i gränslandet mellan LF och RF vad gäller mätteknik och val av mätinstrument.

Enklast är nog att mäta med oscilloskop och en variabel resistiv last. Mät olastade spänningen, lasta till 50% av spänningen återstår, mät då fasvinkel för RF spänning/ström.
Plotta in värdet i Smith-diagrammet, konjugat-matcha till önskat värde, mät igen.
Om allt gick bra kommer variabla resistorn stanna på 50 Ohm för halva utspänningen och 0 graders fasvinkel samt kommer totala uppmätta (resistiva) uteffekten ha ökat.
Som alltid vid radio-byggen så straffar sej dålig jord-design vilket brukar bli särskilt märkbart när man ska impedans.matcha och komponenterna inte ger förväntat impedans-resultat.
Om man använder match-komponenter som inte passar för frekvensen eller har höga interna resistiva förluster så kan också förväntad förbättring utebli.

Alternativ mätning, typ riktkopplare (VSWR-meter) finns beskrivna på sidor som handlar om amatörradio. De är relativt billiga och enkla att bygga själv. Lite kabel och en diod ungefär..

Vill man mäta reaktiva delen på lite enklare sätt kan kanske en mini VNA duga. Det ger möjlighet att mäta på lite högre frekvenser än vad du behöver, men det kan ju vara bra för framtiden.
Har iofs hört en del dålig kritik om flera av dessa mini-instrument och man kan få problem med dynamik om instrumentet måste dämpas för att inte få in för stor sändareffekt.
Det gäller alla instrument av denna typen, att de bara tål en viss uteffekt från slutsteget men med dålig dynamik blir det inget kvar när man ökar effekttåligheten med yttre resistiv dämpare.

Ett mer seriöst instrument, gammalt men fortfarande hög klass: HP VNA.
Då instrumentet är gammalt kan det bli problem med reservdelar och service men hållbarheten brukar vara god.
Komplettera instrumentet med ett billigt GPIB-USB -interface och instrumentet blir fullt modernt med funktioner för impedansmatchning via extern dator, funktioner som inte ens finns i senaste analysatorerna från Agilent.
Mer om sådant på min hemsida: http://www.antune.net/impedance.html

[4kTRB]

Jag funderar på om det går använda en Matchbox (Antenna Tuner)
i kombination med en ståendevåg meter,
men den måste i så fall visa XL och XC -värden. Jag ansluter den
vid förstärkaren och matar en koax och en resistiv last och skruvar
till lägsta swr.

[E Kafeman]

Vet inget om Matchbox men det låter ok.
Mätaren för stående våg bör vara designad för aktuell frekvens.

[hcb]

Jag kan rekommendera DG8SAQ VNWA. Kompetent hårdvara och framför allt programvara, allt till ett synnerligen rimligt pris.

[4kTRB]

Klarar en VNA att anslutas på en effektförstärkare
eller måste en dämpare användas?

[E Kafeman]

VNA effekttålighet vid S11-mätning på effektsteg är en komplicerad fråga då det beror på så många olika faktorer.
En VNA klarar att anlutas till en effektförstärkare om uteffekten inte överstiger max i VNA tillåten inmatad effekt.
Generellt kan en bättre VNA klara 20-30 dBm inmatat, vilket inte verkar så mycket, det är under 1 Watt.
Det går att konfigurera den för högre effekter men kostar dyra tillsatser.
Det enklare alternativet för att öka effekten som en VNA kan mäta på är att använda resistiva dämpsatser mellan VNA och förstärkare. Vill man mäta på ett slutsteg som producerar 1 kW så behövs då ca 40 dB dämpning, där resistiva lasten måste klara denna effekten.
Det är inga konstigheter och inte heller så dyrt men det kommer inte fungera på någon av de billiga USB-VNA's som jag känner till.
Viktigaste anledningen handlar om vilken dynamik som blir kvar att mäta på efter att man dämpat bort egen signal.

En VNA mäter genom att skicka ut sin egna signal på mätobjektet som den sedan lyssnar efter. Eftersom detta sker på samma mätport vid S11-mätningar så kommer även denna signalen att dämpas av dämpsatsen, två ggr, dels när den skickas ut genom dämpsatsen, dels när VNA'n sedan ska lyssna efter den mottagna signalen. Det innebär att man med 40 dB dämpsats dämpar egna signalen minst 80 dB plus att en del av den utsända signalen absorberas av mätobjektet.
För absorbtions-biten måste det finnas en dynamik så att det fortfarande finns något kvar att mäta när VNA'an får tillbaks sin signal. Dämpning min 80 dB och säj att 30 dB dynamik är min-krav för vettigt mätresultat.
Det innebär att utsänd signal ska kunna uppfattas efter 110 dB dämpning.
Hur stort dynamiskt område har du på en bättre radio-mottagare? Om den matas med en stark signal, hur svag signal kan den då uppfatta innan signalen försvinner under brusgolvet? 110 dB är rätt bra.
Mätbandbredden är väsentlig för var grundbruset hamnar men också för hur snabbt man kan svepa av ett frekvensområde, tar inte upp det mer, men det gäller samma sak som för vilken frekvens-svepande radio /spektrumanalysator som helst och mätresultat från VNA är oftast inget som man vill vänta i sekunder på, trots att man sveper över stort frekvensområde. Det är som ed en vanlig multimeter, man vill kunna avläsa resultatet omgående trots att man kanske mäter över mer än en GHz, som man ofta gör om man mäter GSM eller WiFi, t.ex.
Om en VNA är hyggligt konstruerad, så skiljer inte grundbruset så många dB ens mellan enklaste och dyraste instrumentet.
Vad som däremot kan skilja väsentligt är hur stark signal som kan skickas ut från VNA, med bibehållen isolation till mottagen signal.
Skiljer denna max signal-nivån 10 dB mellan två olika instrument med i övrigt samma data, så har instrumentet med den svagare signalen 10 dB sämre dynamik, dvs den klara inte lika mycket yttre dämpsats, med bibehållen mätdynamik. Samma sak om instrumenten klarar olika ineffekt så är hög effektålighet bra för bästa dynamik och möjlighet att öka detta effektområde med dämpsatser.
Med ovan i minne, några siffror som jämförelse mellan dels en USB-VNA och dels antikviteten HP8752, de som är omnämnda i denna tråden:
HP8752C: Max uteffekt +10 dBm Max ineffekt +20 dBm
USB-VNA: Max uteffekt -17 dBm Max ineffekt +0 dBm
Om vi utgår från att grundbrus är lika har den billigare versionen har mao 47 dB mindre dynamiskt effektområde.

47 dB kan låta som mycket, och är det också, men det är stor skillnad i pris och om jag skulle gissa vänder sej USB-versionen i huvudsak till amatörer som vill mäta på passiva filter och antenner, inget aktivt, inte ens minsta LNA-filter eller en lågeffekt Blåtand.

Hittade en annan USB VNA, miniVNA Tiny, den uppges ha 70 dB dynamik. Inte så illa.
Så här ser dess mätresultat ut efter att ha mätt på en passiv RC-länk:

vna_test.jpg

Mätresultatet till vänster är billig miniVNA och till höger en dyr R&S VNA. Om allt är bra ska man se en slät båge som börjar kl4 och slutar mycket nära centrum.
Här finns ingen dynamik kvar att addera en dämpsats på den vänstra kurvan, den är redan allt för skräpig. Inte ens en helt okalibrerad VNA ser så illa ut som denna kurva visar över 1,5 GHz
Mätningen och bilden är knyckt från denna PDF.
Min gissning är att kurvorna inte ser fullt så krulliga ut om man mäter på ett mindre frekvensområde och bara håller sej på lägre frekvens, för detta resultatet är inte användbart ens av en glad amatör.

Ett problem som många av dessa billigare VNA's har, som gör dessa svåra att använda som proffs-instrument är avsaknaden av standard styr-interface.
När man man mäter med en VNA sker det ofta samtidigt med synkroniserad spektrumanalysator, call-testers eller vrid-bord, om man mäter antenners S21 för att plotta strålningsdiagram.
Ett proffs-instrument har nästan alltid möjlighet till direkt bus-kommunikation mellan instrumenten, via GPIB och standard protokoll och/eller USB/LAN till en mätinsamlande dator.

Till de billiga instrumentens försvar är att de är billiga. För några tusenlappar kan man göra hyggliga mätningar om man vet om instrumentets begränsningar.
En ny bättre R&S VNA kostar lätt en miljon eller mer. Det är lite häftigt för den som bara har det som hobby och inte tänkt sej mäta med hög precision vid 30 GHz eller behöver synka med med andra instrument.
Skulle jag vara amatör, men med seriösa bygg och mät-ambitioner i egen verkstad, så hade jag jagat en VNA-antikvitet för 10-20.000 men för amatören som bara vill något som kan mäta VSWR på många olika antenn-platser är det inte så lämpligt instrument.
En gammal HP VNA drar mycket ström och är ett ofta tung, kan väga 30-60 kg, så det är inte direkt något fält-instrument, så där har en billig USB-VNA en stor fördel.

Slutligen, så finns det små bärbara USB-VNA med nästan proffs-data till inte allt för dyr peng.
Copper Mountain är ett exempel.
Vill man bara mäta S11 har de även den varianten. Har själv testat dessa i egen mätsetup och är nöjd med mätdata, och svep-hastigheten är bättre än några av mina andra instrument.