HF Analys av ett Metallfilmsmotstånd

[4kTRB]

HF-elektronik har alltid intresserat mig och eftersom HF ofta kräver att man
tar hänsyn till att de grundläggande komponenterna (R, L och C) inte beter sig
som det var tänkt då frekvensen ökar så tänkte jag det kunde vara intressant att
se vad som tex händer med resistansen hos ett motstånd vid HF.

En resistor har även den ett ekvivalent schema där anslutningarna (trådarna för trådmotstånd)
motsvaras av induktanser och strökapacitans som kommer sig av hur resistorn är uppbyggd.

Ett metallfilmsmotstånd har väldigt låg strökapacitans men fullt tillräcklig för att
få motståndet att inte bete sig som det borde.

Så jag körde en simulering i LT-spice för att se resultatet. Induktansen hos trådarna kan fås
med hjälp av enkel formel och strökapacitansen kan fås ur datablad.

Tunnfilmsresistorer ska vara bland det bästa när det gäller HF, fast det kanske finns ännu bättre?

[grym]

för hålmonterat så kan kolmassamotstånd vare helt ok

annars finns det ju ytmonterade metallfilm,

dock så, yträkningar och hf brukar liksom inte riktigt gå ihop, man måste prova

[4kTRB]

Fast jag funderar på om man nu ska simulera en HF-pryl som man tänkt sig att bygga så
borde man använda de ekvivalenta kretsarna för alla ingående R, L och C och använda
de värden som anges i databladen plus givetvis trådlängder om man nu tänker gå riktigt
högt upp i frekvens. Jag vet inte hur mycket fakta som finns att hämta i databladen men
jag tror i vilket fall att för kondensatorer så finns det ofta bra data på det mesta som kan
behövas.

[xxargs]

När man simulerar RF-kretsar så använder man i praktiken uppmätta S-parametrar på aktuella komponenter och slipper slåss med en mer eller mindre onoggranna Spice-modell av det - då i stort sett alla spicemodeller för passiva komponenter som finns publicerat har använt just S-parametrar som utgångsvärde när man låter ett program försöka justera interna värden på dess spice-ekv. så att dess 'utsignal' liknar S-parametrar så mycket som möjligt.

en spice-modell är alltid en förenkling med så låg ordning som möjligt (så få komponeter som möjligt) - skulle man tex göra en modell av en kristall från en S-parameter så skulle den bli väldigt komplicerad topologi på modellen med nästan orimliga värden på komponenterna om den skulle simulera med alla spurrar och resonansmoder som en fysisk kristall faktiskt uppvisar vid ett större frekvenssvep.

i det fallet så är en S-parameter på en komponent mer noggrann än motsvarande spice-modell om den är tät nog i frekvensupplösning och tillräckligt stor frekvensområde.

har man tur så finns S-parametrarna på använda motstånd, drossel och kondingar hos tillverkarna (dom som säljer för RF-bruk brukar ha dessa tillgängliga - ibland efter NDA) - och dom som inte har det - tja - är inte avsedda för RF och man får mäta upp själv med vektornätverksanalysator om det är något specifik egenskap man är ute efter.

en del spice-simulatorer kan använda S-paramenter som 'komponent' i sina simuleringar - dock brukar S-parametermodellerna sällan gå ned till '0' Hz (DC) och för det mesta bara vid frekvenssvep och inte i transient-mode.

---

Skall man jobba med RF seriöst så kan man betrakta spectrumanalysatorn som RF-teknikerns oscilloskop och vektornätverksanalysatorn som RF-teknikerns multimeter.

om jag var tvungen att välja mellan spectrumamalysatorn och en vektornätverksanalysatorn så skulle jag ta vektornätverksanalysatorn - så viktig är den i RF-design...

en sak till är att man kan inte designa bara genom att simulera, utan man måste hela tiden ta det bit för bit och koppla ihop resultaten med byggda och uppmätta prototyper och med uppmätta värden återföra det till sin simulering så att dess resultat stämmer överens något så när.

kör man bara simulering utan återknytning till verkligheten med prototyper då och då så kan det springa rejält åt fel håll och man ägnat massa tid åt en design och lösningar som inte är realiserbara i verkligheten...

[4kTRB]

Ja nätverksanalysator är nog det vettigaste instrumentet och mäta
upp de komponenter som ska ingå. Men i vilket fall så ger modellen
av resistorn ovan en fingervisning om vad som händer med resistansen
när frekvensen ökar.

Alla hf-kretsar behöver inte innehålla aktiva komponenter
och kristaller utan det kan tex vara ett passivt filter man tänkt sig att bygga
och har man då byggt utan att tänka på hur komponeneterna beter sig vid
högre frekvens och blir fundersam över varför resultatet inte blev bra så kan
förklaring finnas just här.

Som nystartad hf-byggare så kanske man kan börja med enklare byggen, typ filter,
och sedan har man bra grund att vila på när man börjar bygga med aktiva komponenter.

Tyvärr så är ofta nätverksanalysatorer dyra men det finns ju en hel del begagnat.
Sedan finns nog en del enklare hf-simuleringsprogram att tanka hem om man vill.
Tror typ RF-Café http://www.rfcafe.com/ kan ha sånt.

Man lär ju få en viss känsla för det hela även utan ett avancerat instrument på labbänken.

[xxargs]

jag klassar nog inte filterbyggen som 'enklare nivå' direkt - vart fall inte när man börja prata om kavitetsfilter med noll-ställen och filterkombinersystem - för dit kommer man för eller senare när man inser att lumpade komponenters Q-värde är för låga eller inte tillräckligt ström och spänningståliga (skapar PIM - passiv intermodulation) hur man än gör och måste gå till distribuerade system om man skall ha väldig skarpa eller högpresterande filter med låga förluster och/eller med låg PIM ...

när det gäller simulering så har jag använd 'vipec' väldigt mycket när man inte har kört på dyra licensprogramen med HW-lås (jag hatar helhärtat detta) - dock måste man se till att nätverkaren exporterar S-parametrarna i rätt format (MAG, ANG) då importfiltret där inte är gjord för att hantera alla de olika notations-formaten som används i S-parameterfilerna.

[4kTRB]

Ja, om det är enklare att bygga förstärkare med transistorer så
kanske man får börja där som "beginner" i så fall och bygga upp
känslan utifrån det och sedan kasta sig över filter. S-parametrar
kan väl i och för sig vara riktigt pålitliga data som kanske gör det enklare
att få hf-grunkor att fungera som man tänk sig.

Finns det något enkelt alternativ till en näverksanalysator? jag tänker det
borde väl gå på manuellt sätt att få fram kurvorna som automatiskt visas på skärmen.
En hf-generator + lite mättekniska kunskaper kanske räcker långt.

[xxargs]

visst går det att mäta manuellt - kika lite på http://cp.literature.agilent.com/litweb ... 2-0918.pdf som är en gammal appnot från hp 1968

moderna nätverksanalysatorer använder ofta resistiv weathstonebrygga då den kan göras väldig bredbandig, men kan också använda sig av riktkopplare av olika modeller - jobbet är kalibreringen och matematiken bakom den...

det börja gå att hitta billigare nätverksanalysatorbyggen på amatörradiositerna med hyffsad prestanda och är ofta baserade på RSSI-kretsar liknande AD83xx - speciellt då den varianten med två RSSI och två faskomparatoringångar (eg. extremt snabb exor-grind) men har lägre dynamik, sedan handlar det om svepgeneratorer (kanske DDS-kretsar) och ha koll på (mäta) faslägen och amplituden vid de olika mätningarna. Wheatstonebrygga är egentligen en riktkopplare med hög förlust och direktiviteten beroende av precisionen mellan motstånden (läs dyrt om det skall vara bredbandigt) men det går att använda andra riktkopplarkonstruktioner när man har mer begränsad bandbredd som skall mätas.

Med dagens ytmonterade motstånd så kan man göra väldigt bra wheatstonebryggor med stor bandbredd även på amatörnivå - speciellt om man har chansen att trimma in den med en riktig nätverkare som hjälp.

har man 200kkr över så kan det vara lönt att titta på vad R&S och agilent har att erbjuda, det viktiga är att instrumenten kan spotta ur sig S-parametrar för den senare simuleringen

[4kTRB]

Det verkar inte finnas väldigt många hembyggen när det gäller nätverksanalysatorer men jag hittade ett
projekt av en radioamatör som är intressant att studera http://n2pk.com/

Omicron har en "Bode 100" som i och för sig inte klarar mer än 40MHz men den verkar vara
smidig och inte alls i samma höga prisläge som andra även om priset är väl högt för de flesta
hobbyelektroniker. http://www.omicron-lab.com/bode-100/mea ... ities.html

[rehnmaak]

Då får jag göra lite reklam också:

http://www.megger.com/us/products/Produ ... hp?ID=1018

Bättre dynamiskt område (140dB) än omicron. Den har 25MHz bandbredd vid 10V topp och 40MHz vid 1V topp.

Edit: Stavning

[4kTRB]

Nu har jag även försökt mig på att analysera en kondensator och se vad som händer då
man antar att komponentbenen utgör en induktans och att kondensatorer har olika ESR.

Jag utgår från en keramisk skivkondensator från Murata som säljs av Elfa 65-724-97.
Den har ett D.F på 2.5% vid normal temperatur men kan öka ända upp mot 7.5% i viss
miljö.

Om man beräknar 1/DF så fås kondensatorns Q-värde. ESR fås som DFxXc/100 där Xc är 1/wC och ESR
är alltså frekvensberoende och minskar linjärt med ökad frekvens.

Man får anta att DF är konstant i den applikation där kondensatorn ska användas. Detta gör att man
kan se ESR som en kondensator (CESR) med ett givet värde på kondensatorn och givet DF.

Så jag simulerar 4 olika fall i LT-spice.

1. En ideal kondensator
2. En Murata med 2x0.5cm ben och DF på 2.5%
3. En Murata med 2x0.25cm ben och DF = 2.5%
4. En Murata med 2x0.5cm ben och DF på 7.5%

Man ser tydligt resonansen vid 43MHz och därefter fungerar kondensatorn som en induktans.
Kortare ben ger högre resonansfrekvens och högre DF ger inte så stor skillnad vid högre
frekvenser utan inverkar mest vid låga frekvenser och inte ens där fås så stora avikelser.

Jag tror jag tänkt rätt i den här simuleringen.

Intressant är att se hur tex C2:s effektiva kapacitans ökar till runt 3800pF vid 30MHz.
Det innbär att det lätt inte blir vad man hade tänkt sig i ett hf-bygge.