I. Úvodní část – vysokofrekvenční laboratorní technika.

I.1  Charakteristika a vymezení

Kurz je orientován na metody a přístroje pro měření parametrů elektrických prvků a obvodů  při vysokých frekvencích. Důraz je kladen zejména na osvojení si práce s vysokofrekvenční laboratorní technikou a na metody měření. Laborování s vf obvody a měření s vf měřicí technikou vyžaduje poněkud odlišný přístup než je tomu u stejnosměrných a nízkofrekvenčních (dejme tomu akustických) měření. V důsledku toho je nezbytné hned v úvodu upozornit na některé zvláštnosti vf techniky.

  1.    Frekvence délka vlny měřícího signálu určuje, jakého propojení v obvodech použijeme. Je-li délka propojení (i součástek) menší (aspoň 10x) než je délka vlny, pohybujeme se v oblasti soustředěných obvodových parametrů. Není-li splněna tato podmínka, musíme každý vodič považovat za vf vedení To je hlavní důvod proč se používají koaxiální propojovací vodiče, u kterých máme zpravidla údaje o technických parametrech a činíteli zkrácení V číslicových (logických) obvodech je důležitým parametrem určujícím způsob propojení   zpoždění.  Neuděláte chybu, když v prvním přiblížení budete každý vodič delší 20 až 25 cm uvažovat jako vedení.

  2.   Každé vf vedení je možno definovat pomocí několika parametrů. Jedním z těchto parametrů je  charakteristická impedance (vlnový odpor) vedení Z0. V průběhu let se ve světě ustálily dvě hodnoty Z0 a to 50 a 75. U koaxiálního vedení je charakteristická impedance Z0 svázána mimo jiné s jeho rozměry, vnitřním průměrem vnějšího vodiče a  vnějším průměrem vnitřního vodiče. V důsledku toho budou mít koaxiální vodiče i konektory   rozdílné fyzické rozměry pro Z0 = 50 a pro Z0 = 75.

  3.   Nelze bez následků propojovat koaxiální vodiče, které mají odlišné charakteristické impedance. Vzniknou nevratné mechanické deformace konektorů  a elektrické nespojitosti na vedení

  4.   V důsledku nespojitostí na vedení dochází k mnohonásobným odrazům. Na vedení vznikne stojaté vlnění  charakterizované poměrem stojatých vln PSV nebo činitelem odrazu ,které je příčinou vzniku systematických chyb při měření elektrických veličin. Například připropojení konektorů o impedanci 50 a 75 bude činitel odrazu 0,2 a odpovídající poměr stojatých vln PSV bude 1,5. V případě že měříme například vysokofrekvenční výkon signálního generátoru, bude v důsledku nevhodného propojení naměřený výkon o 4% menší než je výkon generátoru.

  5.   Další zvláštností vf měřicí techniky je přítomnost rušivých signálů a jejich nepříznivý, někdy i omezující vliv na měření. Příčin vzniku rušení je mnoho. Nejčastější jsou rozptylová pole transformátorů a cívek a následná elektromagnetická indukce do měřeného obvodu a obvodů spojů. Dále to jsou nežádoucí vazby elektrickým polem    mezi zdrojem rušení (například energetickou sítí) a měřenými obvody, spoji a přístroji. Rovněž nevhodné stínění, nedokonalé nebo opomenuté zemnění a velké přechodové odpory spojů a konektorů mohou být  častým zdrojem chyb a rušení.  

  6.    Poslední poznámka budiž věnována konektorům .  Jsou nejslabším článkem měřícího řetězce. Příčin je několik. Na prvním místě jsou to nestejné výrobní tolerance pro konektory rozdílných výrobců a cenových skupin. Mají různý tvar spojovacích a kontaktních mechanismů. Nelze zaručit ideální přechod z kabelu na konektor. Jsou nejvíce namáhány při manipulaci s propojováním. Konektorům a propojovacím kabelům je potřeba věnovat v laboratoři patřičnou pozornost!







   I.2  Měřicí metody


Při laborování s vysokofrekvenčními obvody, při testování  a proměřování zdrojů signálu a komunikačních systémů se můžeme setkat se dvěma základními typy zapojení. První, jehož obecné schéma je na obrázku  (1-1) představuje propojení zdroje testovacího signálu s měřeným objektem a měřicím přístrojem. Na obrázku je několik detailů, které zaslouží více pozornosti.

  1. Zdroj signálu, měřený objekt a měřicí přístroj (přístroje) jsou vzájemně nějak propojeny. Stýkají se v referenčních rovinách R1 a R2. Od propojení očekáváme, že bude co nejkratší a že bude splňovat podmínky optimálního propojení. Co to znamená ? Výstup jednoho objektu a vstup následujícího objektu musí být impedančně přizpůsobeny. Spojení musí být jednoznačné a opakovatelné. Nesmí vzniknout přechodové odpory. Musí zamezit (omezit) vyzařování vysokofrekvenčního pole do okolního prostředí. Nesmí docházet k deformacím nebo jinému mechanickému poškození spojovacích mechanizmů.

  2. Musíme si uvědomit, že v cestě měřicího signálu může být přítomen i signál nežádoucí - rušivý.

  3. Ať provedeme propojení jakkoliv pečlivě, vždy dochází k vzájemnému, zpravidla nežádoucímu, ovlivnění objektů propojených v měřicím  systému.

  4. V reálných podmínkách působí na proces měření a na používanou měřicí techniku řada vnějších nežádoucích vlivů jako teplota, vlhkost, záření, tlak a podobně. Kvůli opakovatelnosti měření je potřeba tyto vlivy analyzovat kvantitativně v potřebném časovém intervalu.

Druhý typ zapojení je nakreslen na obrázku (1-2) a představuje případ, kdy testujeme vlastnosti (elektrické parametry) zdrojů signálů. Vše co bylo řečeno v předchozím případě lze aplikovat v plném rozsahu i na druhé schéma. Někdy nelze provést propojení jinak než zařazením propojovacího vodiče (kabelu nebo vedení) mezi příslušné objekty. V takovém případě (je naznačen na obrázku (1-2)) musí kabel splňovat stejné požadavky na propojení jako v předchozím případě.

I.3  Konfigurace zdrojů signálu

Zdroje signálů zobrazené na obrázcích (1-1) a (1-2) mají v reálném provedení různou konfiguraci výstupních svorek. Tím je v měřicí technice přesně definován i způsob propojení a volba další měřicí techniky. Podíváme se podrobněji na pět zapojení podle obrázku (1-3).

První tři a), b), c) jsou dvousvorkové zdroje nesouměrné (nesymetrické). Ve vysokofrekvenční měřicí technice se nejčastěji setkáte s nesouměrnými uzemněnými zdroji podle obrázku 1-3 a). Jsou to například měřicí generátory s koaxiálním výstupem a dvousvorkové napájecí zdroje. Se zdrojem typu b), který představuje zdroj nesouměrný uzemněný přes zdroj rušení, se setkáme při měření v různých elektronických obvodech. Rušivým signálem bývá nejčastěji síťové napětí nebo rušivé napětí naindukované do částí obvodu. V takovém případě se velice nesnadno toto rušení odstraňuje. Na obr.1-3 c) je nesouměrný zdroj- plovoucí. Může jim být například baterie, snímač neelektrických veličin nebo sekundární obvod transformátoru. Zdroj lze výhodně použít zejména v prostředí s rušením.

Další dva zdroje d) a e) jsou souměrné (symetrické) znamená to, že amplitudy signálů na svorkách H a  L budou oproti svorce Z stejné.Jsou to například napájecí zdroje pro operační zesilovače, můstky, diferenciální zesilovače, souměrné vedení a podobně.

I.4 Konfigurace přístrojů

Vstupní svorky přístrojů rovněž nebývají stejné. Obecné znázornění konfigurace vstupu přístrojů je nakreslena na obrázku 1-4. U přístrojů ve  vysokofrekvenční měřicí technice se nejčastěji setkáme s typem a). Jsou to všechny přístroje s koaxiálním vstupem. Vstupní obvod přístroje na obr. 1-4 b) má obě svorky H i L odizolované od zemnící svorky. Přístroj má plovoucí vstup a umožňuje propojení v prostředí se zvýšenou úrovní rušení. Další dva typy c) a d) mají symetrické vstupy. Setkáme se s nimi u přístrojů pro měření nebo zpracování malých signálů v prostředí s rušením.


I.5 Propojení

Správné propojení zdroje signálu s měřicím přístrojem nemusí být vždy jednoduché.Pokud je výstupní konfigurace zdroje stejná jako vstupní konfigurace přístroje a jsou shodné i jejich impedance, potom je propojení přímé a snadné. Jsou-li konfigurace shodné, ale rozdílné impedance, potom je mezi výstup zdroje a vstup přístroje nutno zařadit přizpůsobovací obvod. Nejsou-li výstup a vstup shodné, je potřeba zařadit symetrizační člen ,popřípadě i impedančně přizpůsobovací obvod. Jednoduché schéma propojení je na obr.1-5.

I.6 Přizpůsobení

    Podmínkou impedančního přizpůsobení je shodnost impedance (odporu) zdroje s impedancí (odporem) přístroje. Pokud je v propojení propojovací vedení nejčastěji koaxiální vodič, potom shodnost impedancí platí pro celý měřicí řetězec ( zdroj-vodič-přístroj). V praxi mohou nastat tři případy.Impedance jsou shodné, impedance zdroje je větší než impedance přístroje nebo impedance zdroje je menší než impedance přístroje. Na obrázku 1-6 je naznačen případ, kdy je impedance zdroje větší než impedance přístroje. Pokud je to možné, volíme koaxiální vodič ( vedení) shodné buď s impedancí zdroje nebo přístroje. Rozhodující je poloha referenční roviny měření.

Tvar přizpůsobovacího obvodu je nakreslen na obrázku 1-7. Způsob návrhu předpokládá, že obvod je vytvořen ze součástek se soustředěnými parametry a vstup přístroje i výstup zdroje mají odporový charakter. Musíme si však uvědomit, že každá součástka na vysokých frekvencích má složitý náhradní obvod který je závislý na použitém kmitočtu. Dále mějme na zřeteli, že přizpůsobovací obvod má vždy přenos menší než jedna a tudíž amplituda signálu na výstupu bude menší než vstupní amplituda.

Velmi často této skutečnosti využíváme, když chceme aby výstupní signál byl oproti vstupu v předem definované relaci, například 1/10, 1/100, 3 dB, 20 dB apod.. V tomto případě hovoříme o úrovňovém přizpůsobení realizovaném pomocí přizpůsobených děličů (atenuátorů), nebo kmitočtově kompenzovaných děličů děličů.  Impedanční přizpůsobení v širokém frekvenčním pásmu není jednoduchá obvodová úloha, v praxi se k tomu používá immitanční Smithův diagram, nebo vhodný počítačový program. V koaxiálních obvodech se k přizpůsobení používá speciálních koaxiálních dílů s  posuvnými zkraty.

I.7 Symetrizace

Symetrizace je obvodové uspořádání, umožňující propojení nesouměrného zdroje signálu se souměrným přístrojem, nebo souměrného zdroje s nesouměrným  přístrojem. V obou případech je řešení možné jak s obvody se soustředěnými parametry, tak i s obvody s rozprostřenými parametry. Zdánlivě nejjednodušší symetrizační člen představuje balun  transformátor , nebo linkový transformátor   Jejich širokopásmová realizace je však obtížná a rovněž ochrana (stínění) transformátorů před nežádoucími poli a vyzařováním je technologicky náročná. Propojení nesouměrného zdroje se souměrným vstupem přístroje je na obrázku 1-7. Praktickou aplikaci propojení souměrného zdroje s nesouměrnou zátěží představuje připojení antény k TV přijímači.

I.8 Rušivé vlivy propojení

Nejčastější příčiny vzniku rušení byly uvedeny na začátku tohoto textu (odst. I.1). Při propojení přístrojů je častým případem chybné zemnění. Vzniká tenkými a dlouhými zemnícími vodiči, nedokonalým kontaktem spoje, rozdílem potenciálů v místech uzemnění a v průmyslových měřeních, kdy zdroj signálu a měřicí přístroj nemohou být uzemněny na stejný zemnící potenciál. Ve všech uvedených případech musíme použít zařízení s plovoucími vstupy, (výstupy). Na obrázku 1-9 je naznačeno propojení s plovoucím vstupem měřicího přístroje. K potlačení rušení je potřeba minimalizovat kapacitu mezi vnějším a vnitřním stíněním přístroje.

I.9 Větvení signálu

Při propojování přístrojů je někdy potřeba měřený signál přivést na dva nebo více přístrojů tak, aby jejich vzájemné ovlivňování bylo co nejmenší a parametry měřeného signálu se nezměnily.V jiném případě je potřeba připojit k měřenému objektu měřicí signály ze dvou nezávislých zdrojů.

Připomeňme si nejprve některé zvláštnosti, ve kterých se odlišuje měření na vysokých frekvencích (stovky až tisíce MHz) od měření na nízkých frekvencích. Pokud si představíme například nějaký komunikační systém, je zřejmé, že v systému musíme aplikovat měřicí metodiku selektivně. V těchto systémech se totiž setkáme jak s obvody se soustředěnými, tak i s obvody s rozprostřenými parametry, a kvůli měření a nastavení systému musí být tyto obvody k měření přizpůsobeny. Je velice mylná představa, že pomocí „banánku“, „krokosvorky“ či „drátku“ připojíme na frekvenci řádu stovek MHz měřicí přístroj k vysokofrekvenčním obvodům a provedeme regulérní měření. Všechny komponenty systému, včetně přístrojů, musí být impedančně přizpůsobeny, jinak dochází k odrazům a k hrubému zkreslení naměřených výsledků.

Uvažujme například jednoduchý úkol. Máme zjistit vliv šumu na měřený objekt a změřit spektrum a výkon výstupního signálu. Na obrázku 1-10a je nakresleno blokové schéma měření, na obr. 1-10b je jeho praktická realizace. Porovnáme-li obrázky, vidíme, že ke sčítání a rozdělení dvou (nebo i více) signálů musíme použít speciální měřicí obvody. Prvým z nich je slučovač signálů („combiner“ ) a druhým dělič výkonu („splitter“ ). Praktické provedení na obr.1-11.

    Obr.1-11 Dělič výkonu