Miernik natężenia pola elektromagnetycznego

Przedstawiony w artykule miernik może być dobrym przyrządem pomiarowym dla wszystkich którzy zajmują się radiokomunikacją zarówno profesjonalnie jak i amatorsko. Układ jest bardziej rozbudowany od publikowanego już na łamach ReAV 8/2002 prostego wskaźnika poziomu sygnału radiowego. Jednak dzięki temu zakres jego zastosowań jest znacznie szerszy - może być np. z powodzeniem użyty do kontroli pracy urządzeń telefonii komórkowej, oraz samych telefonów komórkowych, oczywiście po zainstalowaniu na wejściu odpowiedniego obwodu rezonansowego, dostrojonego do właściwej częstotliwości. Dodatkową zaletą jest również możliwość podłączenia nie tylko anteny teleskopowej, lecz również różnych typów anten radiokomunikacyjnych do wejścia o znormalizowanej impedancji 50 Ω.

Wykonanie przedstawionego układu można polecić jedynie tym konstruktorom którzy mają już pewien zasób doświadczeń z dziedziny techniki radiowej i radiokomunikacyjnej w zakresie w.cz. (KF, UKF). Cały układ składa się z następujących bloków funkcjonalnych:

• strojonego obwodu rezonansowego L1, L2, C3,

• wzmacniacza w.cz z tranzystorem T1,

• detektora w układzie podwajacza napięcia D1, D2, C4, C6,

• filtru dolnoprzepustowego L3, C7,

• wzmacniacza o czterech zakresach wzmocnienia z układem US1.

Całość jest zasilana z pojedyńczego napięcia zasilającego + 9 V DC, np. z baterii alkalicznej 6LR61.

Opis układu

Schemat układu przedstawiono na rys.1. Zasadniczą częścią urządzenia jest równoległy obwód rezonansowy L2, C3. Obwód ten może być sprzężony z anteną teleskopową za pośrednictwem kondensatora C1, lub z anteną radiokomunikacyjną używaną przez służby profesjonalne lub amatorskie, o znormalizowanej impedancji 50 Ω, za pośrednictwem cewki L1. Indukcyjności L1 i L2 są ze sobą sprzężone magnetycznie dzięki nawinięciu L1 bezpośrednio na L2, na jednym rdzeniu. Obciążeniem obwodu rezonansowego L2, C3, jest bramka G1 tranzystora polowego T1. Dzięki bardzo wysokiej rezystancji wejściowej bramki G1 uzyskujemy łatwe dopasowanie impedancji obwodu L2, C3, przy rezonansie równoległym do impedancji wejściowej stopnia wzmacniającego. Elementy R2, C4, tworzą filtr górnoprzepustowy o dolnej częstotliwości granicznej 100 kHz przy ograniczeniu pasma do -3dB. Wzmocniony sygnał zostaje poddany detekcji przez diody detekcyjne ostrzowe D1, i D2, połączone w układzie podwajacza napięcia. Resztki sygnału w.cz. zostają usunięte z wyprostowanego napięcia za pomocą filtru dolnoprzepustowego L3, C7. Wyprostowane i odfiltrowane napięcie zostaje wzmocnione przez wzmacniacz US1, którego wzmocnienie można regulować skokowo w czterech zakresach: x0,1 ; x1 ; x10 ; x100. Dzięki takiemu rozwiązaniu uzyskujemy możliwość pomiaru zarówno słabych jak i silnych sygnałów. Wartość napięcia niezrównoważenia wzmacniacza operacyjnego US1 możemy skorygować za pomocą potencjometru wieloobrotowego R10. Wartość mierzonego sygnału jest odczytywana z ustroju pomiarowego wychyłowego magnetoelektrycznego M1. Zerowanie wskaźnika w warunkach bez sygnału na wejściu odbywa się za pomocą potencjometru R13, maksymalne wychylenie wskaźnika ustawiamy potencjometrem R11, natomiast wyboru właściwego zakresu pomiarowego dokonujemy za pomocą przełącznika SW1.

Montaż układu

Montaż układu rozpoczynamy od wykonania płytki drukowanej przedstawionej na rys.2. Płytka została przystosowana konstrukcyjnie do montażu agregatu strojeniowego 2 x 253p + 2 x 14,7p , lub do montażu opcjonalnego obwodu strojonego napięciem zbudowanego na warikapach. Schemat opcjonalnego obwodu rezonansowego przestrajanego napięciem jest przedstawiony na schemacie z rys.4. Wyboru odpowiedniej opcji dokonujemy po zapoznaniu się z możliwościami materiałowymi jakimi dysponujemy. Zasadniczo opcjonalny obwód rezonansowy z rys.4 można polecić tym Czytelnikom, którzy nie zdobędą odpowiedniego agregatu strojeniowego dającego nieco większe możliwości techniczne po zmontowaniu i uruchomieniu urządzenia. Chodzi tu o większą liczbę przestrajanych sekcji, co daje większe możliwości kombinacji, i wbudowaną przekładnię 1:3 ułatwiającą strojenie bardziej precyzyjne, niż w przypadku potencjometru R101. Oczywiście możemy jako R101 wykorzystać potencjometr wieloobrotowy ale to znacznie podniesie koszty wykonania urządzenia. W wykonanej przez nas płytce drukowanej wiercimy wszystkie otwory w zależności od wybranej opcji montażowej. Następnie lutujemy w pierwszej kolejności w miejscach oznaczonych na schemacie montażowym jako ZW styki od łącza terminala. W późniejszej eksploatacji będziemy je mogli zwierać zwieraczami stosowanymi na płytach głównych komputerów IBM (tzw. jumper) w celu przyłączenia odpowiednich sekcji agregatu strojeniowego aby wejść na odpowiedni zakres mierzonych częstotliwości. W dalszej kolejności lutujemy pozostałe elementy układu pomijając jedynie montaż wskaźnika wychyłowego i tranzystora polowego T1, który lutujemy do płytki od strony druku na samym końcu, po zamontowaniu wszystkich elementów. Teraz przychodzi kolej na wykonanie cewek L1, i L2. W egzemplarzu prototypowym zostały one wykonane następująco : z pręta ferrytowego o średnicy φ=8mm odcięto kawałek o długości 15 mm. Uzyskany w ten sposób rdzeń został owinięty dwoma warstwami papieru przyklejonego do rdzenia. Na przygotowane w ten sposób podłoże nawinięto w jednej warstwie, starannie, zwój przy zwoju 15 zwojów drutu DNE 0,8 uzyskując cewkę L2 o indukcyjności 7,5μH. Następnie L2 owinięto ponownie dwoma warstwami papieru przyklejonego do L2, i na środku L2 nawinięto 2 zwoje drutu DNE 0,8 tworzące L1. Wykonana w ten sposób indukcyjność wraz z agregatem strojeniowym pokrywa cały zakres KF. Jeżeli zechcemy wykonać zespół cewek na wyższe częstotliwości np. w zakresie UKF to należy zrezygnować ze stosowania rdzenia nawijając cewki jako powietrzne na wykonanym wcześniej karkasie ze zwiniętego i sklejonego papieru. Możemy również zaadaptować jakąś cewkę fabryczną np. jeden z filtrów serii 7x7. Mozaika ścieżek na płytce drukowanej umożliwia montaż różnego rodzaju indukcyjności. Wartość indukcyjności należy tak dobrać aby wraz z odpowiednimi pojemnościami zmiennymi agregatu strojeniowego uzyskać rezonanse równoległe w interesujących nas zakresach częstotliwości, np. w paśmie krótkofalarskim 80m, w paśmie obywatelskim CB 11m, w radiowym zakresie UKF 88-108 MHz, lub w paśmie amatorskim UKF 2m lub 70cm. To na jaki zakres się zdecydujemy zależy wyłącznie od naszych własnych potrzeb możliwości i upodobań. Wartości elementów L2, i C3, obwodu rezonansowego możemy obliczyć ze wzorów:

f [MHz], C [pF], L [μH]

Należy pamiętać, że indukcyjność L jest wypadkową indukcyjności montażu i cewki L2, natomiast pojemność C jest wypadkową pojemności montażu i kondensatora C3. Wynika z tego, że rzeczywiste parametry obwodu rezonansowego będą się nieco różnić od tych obliczonych. Należy liczyć się z faktem, że wymienione rozbieżności będą się zwiększały wraz ze wzrostem częstotliwości rezonansowej f obwodu (L2, i C3, maleją), ponieważ wtedy pojemności i indukcyjności montażu będą się stawały coraz bardziej znaczącymi wartościami w obwodzie. Dla małych częstotliwości błąd ten będzie pomijalnie mały. Teraz na samym końcu przystępujemy do wlutowania tranzystora polowego T1 od strony druku z zachowaniem odpowiednich środków ostrożności. Stosujemy montaż powierzchniowy zwracając baczną uwagę na prawidłowe podłączenie wszystkich czterech wyprowadzeń tranzystora.

Uruchomienie układu

W celu przeprowadzenia prawidłowego procesu uruchomienia powinniśmy zapewnić sobie dostęp do podstawowych przyrządów pomiarowych takich jak: oscyloskop, miliwoltomierz, generator w.cz. W pierwszej kolejności podłączamy do układu napięcie zasilające +9V. Teraz włączamy generator w.cz. i ustawiamy go na zakresie częstotliwości do których przystosowaliśmy nasz miernik, po czym dostrajamy obwód wejściowy miernika, do częstotliwości z generatora. Sprzężenie między układami powinno być bardzo słabe np. w postaci dwóch leżących obok siebie przewodów pomiarowych, z których jeden jest podłączony do generatora, a drugi spełnia funkcje prowizorycznej anteny teleskopowej. Teraz podłączamy oscyloskop do drenu T1 i ustawiamy potencjometrem R1 punkt pracy tranzystora tak aby uzyskać maksymalne wzmocnienie. Następnie sprawdzamy obecność wyprostowanego napięcia na wyjściu detektora (końcówka 3 US1), za pomocą miliwoltomierza. Jeżeli próby techniczne wypadną pomyślnie to możemy wyłączyć generator w.cz. , a pomiędzy masę układu i wyjście US1 (końcówka 6) podłączamy miliwoltomierz. Następnie ustawiamy przełącznikiem SW1 zakres x10 i ustawiamy potencjometrem wieloobrotowym R10 minimalne napięcie niezrównoważenia na wyjściu wzmacniacza. Wartość tego napięcia nie powinna przekraczać 5mV na zakresach x0,1 ; x1 ; x10 ; i 10 mV na zakresie x100. Teraz możemy podłączyć wskaźnik wychyłowy M1. Potencjometr R13 zwieramy tymczasowo do masy, a potencjometr R11 ustawiamy tak aby pełne wychylenie wskazówki wskaźnika M1 nastąpiło przy doprowadzeniu do niego napięcia 5V. W razie konieczności korygujemy wartość R11, lub dołączamy szeregowo odpowiednio dobrany rezystor stały. Następnie ustawiamy potencjometrem R13 „0” na wskaźniku M1, i po raz ostatni testujemy nasz miernik natężenia pola, używając do tego ponownie generator w.cz. Sprawdzamy wychylenie wskazówki na poszczególnych zakresach, oraz obserwujemy zachowanie się układu przy zbliżaniu się i oddalaniu od źródła sygnału w.cz.

Końcowe uwagi montażowe

Wykonany i uruchomiony układ należy umieścić w metalowej ekranującej obudowie. Pokrywy obudowy należy połączyć elektrycznie z masą urządzenia. Sygnał mierzony powinien wchodzić do miernika tylko za pośrednictwem odpowiedniej anteny. Przy pracy w terenie należy przewidzieć możliwość uziemienia całego urządzenia. Na zewnątrz obudowy należy umieścić wskaźnik wychyłowy M1, gałkę strojenia obwodu wejściowego (C3), przełącznik zakresów SW1, oraz potencjometr R13 do ustawienia „0” na wskaźniku M1. Należy również pamiętać o dwóch gniazdach antenowych: do anteny teleskopowej i radiokomunikacyjnej 50Ω. Należy również przewidzieć możliwość odłączenia anteny teleskopowej przy korzystaniu z drugiego wejścia antenowego. Osobną sprawą pozostaje problem wyskalowania miernika w warunkach amatorskich. W praktyce można tego dokonać jedynie przez porównanie wskazań z przyrządem fabrycznym, jednak w większości przypadków w warunkach amatorskich wystarcza orientacyjny pomiar i strojenie układów na maksimum lub minimum wskazań miernika. W takich przypadkach dokładne skalowanie jest oczywiście zbędne i nie ma większego sensu aby dążyć do przesadnej dokładności. Egzemplarz prototypowy miernika natężenia pola elektromagnetycznego wykonany przez autora tego artykułu został praktycznie sprawdzony i przetestowany w paśmie KF 80m i w paśmie obywatelskim CB 11m.

Mariusz Janikowski

[e-mail]

---