insertion loss vna meting van DUT met Zout<>50 ohm

Op 4 januari 2010 01:05:28 schreef fred101:
Ik heb het bange vermoeden dat ik hier geen antwoord op ga vinden maar toch een poging.

Ik wil het insertion loss van een antenne tuner op werkfrequentie en load weten.

Even quick-and-dirty:
Pomp er een paar minuten 100W doorheen op je gewenste frekwentie en met je load. Voel hoe warm het ding wordt, en welke componenten warm worden.

Daar heb je je verlies.... Geen nauwkeurige kwantitatieve meting, dat geef ik toe. Maar voor veel toepassingen goed genoeg, lijkt me.

Joop:Ik werk meestal met 3-400W op mijn S-match en die blijft voor zover ik kan voelen ijskoud maar ik wil het precies weten. Gewoon omdat ik het wil weten. Niet omdat ik denk dat de tuner het niet volhoudt. Er wordt zoveel geschreven over tuners. Ik wil nu gewoon meten hoe het zit. Er zijn al genoeg broodje aap verhalen in de amateur wereld.

Het verlies in de tuner is afhankelijk van de load en de constructie. De tuner heeft een onbelaste Q die zo hoog mogelijk moet zijn. Dat bepaal je door de constructie en componenten. Als hij onbelast blijft gaat al het vermogen in de tuner zitten. Als hij optimaal belast wordt dan gaat de belaste Q omlaag en zal het meeste vermogen door de belasting lopen. Daarom zul je het moeten meten met een belasting zoals je antenne bepaald op de frequentie die daar bij hoort.
1-Qb/Qo bepaald dan het rendement. Alleen is de Q wat lastig te meten.

Nu kun je wel met scoop en probes over puur ohmse loads gaan meten maar dat is redelijk omslachtig. Een T-tuner afgestemd op 50 ohm geeft bijna 4dB verlies, een S-match heeft dan een verlies wat zo klein is dat de meet onnauwkeurigheid waarschijnlijk al groter is. Maar je gebruikt een tuner nooit (als het goed is) om een reele 50 ohm load te tunen dus dat zegt niets.

De hele tuner in plastic, onder water en dan de opwarming meten vindt ik ook zo'n gedoe.

Jojo: ik zet de resultaten meestal op mijn site. Ik heb al een stuk over baluns/ununs en over mantelstroom chokes.
Idd ook vanwege de kreten als magnetic 1 op 9 baluns voor eindgevoede dipolen Ik ben er nog niet helemaal uit hoe ik de balanceer act juist meet maar dat wordt wel een volgend topic.

http://www.hamforum.nl/viewtopic.php?f=95&t=1009
http://www.hamforum.nl/viewtopic.php?f=80&t=1238

Op 4 januari 2010 18:47:52 schreef jojo:
Je kunt dan berekenen hoeveel dB je zou ontvangen bij ideale overdracht. (50/240)^2. Alles daaronder is je verlies.

Ik wil dat proberen maar daar komt dus 0,0434 uit. Wil dat zeggen dat ik dan dus bij geen verlies -0,0434dB demping meet of moet ik dat nog 10Xlog doen (-13,6dB)

Op 4 januari 2010 20:09:04 schreef fred101:
Ik heb net nog wat getest. Ik heb beide tuners op de zelfde load getuned en toen de tuners met de uitgangen op elkaar aangesloten.
Wat schetst mijn verbazing.

Moet de rest nog herkauwen, maar eerst even dit: dat kan ook niet zo, zie ook de mail.

Als je ze alletwee op R + jX hebt getuned, en je hangt ze dan back to back aan elkaar, dan past dat natuurlijk niet aan. De R's zijn wel gelijk, maar de X-en heffen elkaar zo niet op.
R+jX moet je aanpassen met R - jX.

e: oh heck, dat schrijf @jojo allang . Nou ja, kan je nagaan hoe waar het is. Sri.

Even iets geks. Stel je tunet je antenne, en je calibreert de VNA gewoon met een kabeltje tussen TX en RX.
Dan pak je de getunede tuner los en sluit hem aan tussen TX en RX van de VNA, inplaats van dat kabeltje van daarnet, zonder verder een instelling te veranderen - niet op de tuner, en niet in de VNA/software settings.
Wat geeft hij dàn aan voor S11 en S21?
En als je hem omkeert (dus S22 en S12 meet)?

Op 5 januari 2010 13:40:36 schreef fred101:
[...]

Ik wil dat proberen maar daar komt dus 0,0434 uit. Wil dat zeggen dat ik dan dus bij geen verlies -0,0434dB demping meet of moet ik dat nog 10Xlog doen (-13,6dB)

Edit: hieronder stond een foute berekening.
De spanning die er uit komt is 50/240 keer van wat er in gaat.
Power gain is dan 20 * LOG10(50/240) => -13.62 dB

Hopelijk is je VNA nauwkeurig genoeg om dit goed te meten. Die werkte met een soundcard toch? Die is potentieel wel in staat nauwkeurig te werken. Alleen weet ik niet hoe lineair de mixers in je VNA zijn.
Alle dB onnauwkeurigheid gaat direct af van je meetnauwkeurigheid...

FET: Welke parameters wil je weten ? RL en rho of R+jx. S21 en S12 weet ik wel, zijn gelijk en ongeveer -10dB

Ik heb vanmiddag wat verder geëxperimenteerd maar het blijft erg lastig. Dat met die weerstand gaf hele rare waarden.

Ik heb diverse calibraties geprobeerd. Met de kunst antenne op port1, op port 2. Op de uitgang van de tuner, op de ingang enz. Deed allemaal niets.

Het enige wat wel steeds goed ging: Ik kan bij iedere tuner een match krijgen door port 1 en 2 te matchen (softwarematig) en dan krijg ik een , denk ik, realistisch verlies.

Alleen port 2 matchen , zoals Tom zegt, lukt niet. Als dat zo wel zou lukken zou ik ook twee tuners met de uitgang moeten kunnen koppelen lijkt me. Ik hou het er nu maar op dat deze methode dus werkt.
In ieder geval doe ik het bij elke meting gelijk dus ga ik er maar vanuit dat de relatieve verschillen ook redelijk kloppen. Erg moeilijk want de verschillen zijn klein en de verliezen bv in banaan naar bnc zijn soms al groter dan de tuner verliezen.

Het verlies is bij allemaal in de meeste situaties erg laag. De T-tuner welke bij 50 ohm -4dB (op de asymetrische uitgang) doet is bij een pure reactantie of een impedantie weer wel goed. Ook een afwijkende ohmse weerstand gaat goed. De F-match is vooral goed in hoge reactanties en impedanties. Puur ohms lukte niet (in ieder geval niet tussen 1 en 500 ohm met de stroombalun op de ingang). Er was geen verschil in meting met en zonder stroombalun op de ingang.

Ik heb net ook als test op 80 meter er mee gewerkt (westkust schotland). Gewoon met 100W geen QRO.
Hij doet het nog beter dan ik hoopte. Ik kan over de hele 80 meter band draaien en de swr blijft daarbij overal onder de 1.15 zonder bij te tunen. Het bij-tunen gaat heel erg soepel mbv de rolspoel. Er was geen gevonk ondanks de redelijk kleine plaatafstand van de serie C's, geen inspraak of terugwerking. De spoel blijft ijskoud. (na een doorgang van 2 minuten) Wel bizar: zonder antenne eraan werkt hij ook als luisterantenne en hoor ik meer dan op het aperiodisch raam. Qua luisteren hoor ik geen verschil tov de S-match.

Jojo: mijn volgende plan is om over de kunstantenne (R+C in serie) met de scoop de spanning te gaan meten op in en uitgang en over de componenten. Ik wil ook proberen een ringkern stroomprobe te maken en die te ijken voor 3650 (op een 50 ohm load) Daarna weten jullie wiskunde genieen vast hoe dat te verwerken

Edit: op een pure reactantie is hij heel smal, op 270-J720 is hij heel breed. Mag ik dan de conclusie trekken dat bij een pure reactantie de belaste Q heel hoog blijft. De varco als belasting dissipeert geen vermogen dus de belaste Q is nagenoeg gelijk aan de onbelaste. Maar dat mijn antenne een goede belasting vormt waardoor de belaste Q heel laag wordt ? Als dat zo is dan zou ik de 3dB bandbreedte kunnen meten op bv twee belastingen en zo rendement kunnen berekenen ?

Fred, mijn berekening was niet goed. die (50/240)^2 was de hoeveelheid vermogen. Daar had dan 10 LOG10( (50/240)^2 ) gedaan moeten worden. Je had het dus goed. Mijn 20 log moest niet op het kwadraat van de verhouding.

Je wilt ook eens meten met een losse stroom en spanning? Dat moet theoretisch kunnen. Maar de fase is wel belangrijk voor de goede uitkomst van de berekening. Op 3.6MHz moet dat mogelijk nog wel lukken. Op heel hoge frequenties is dat lastig te handhaven vrees ik.

Een tijdje terug heb ik wel met een stroomprobe zitten knutselen. Met twee 1:10 #43 ringkerntjes rug aan rug zag ik dat het frequentiebereik niet echt hoog was. Op 10MHz en hoger liep dat al merkbaar terug. Dat betekent dat de "stray inductance" vrij hoog werd. Met twee kleine varkensneusjes was dat al beter.

Mijn theorie was dat de koppeling primair/secundair niet optimaal was en er dus een kleine serieinductie zichtbaar was op de primaire kant. Dit hoeft niet perse een meetfout op te leveren, maar het verhoogt de zichtbaarheid van de stroomprobe wel bij hogere frequenties.
Uiteindelijk heb ik een mini varkensneusje gebruikt en deze soldeerbaar gemaakt voor de het te meten circuit. Idealiter heb je een mooi rond gat waar je een draadje door kan steken zoals bij een Tek CT1 probe. Maar dat is mij dus niet gelukt.

Als je straks met hoog vermogen zou willen meten ontkom je denk ik niet aan een ringkern. Is je scoop gevoelig genoeg, en kan je met laag vermogen meten, dan raadt ik een vooralsnog een smd varkensneustrafootje aan. Ik heb daar gewoon een extra winding door geperst die net paste. De kabel voor je stroom en spanningsprobe zou ik ook maar zeer gelijk houden, ook weer i.v.m. de fase.

Op 5 januari 2010 19:11:01 schreef fred101:
FET: Welke parameters wil je weten ? RL en rho of R+jx. S21 en S12 weet ik wel, zijn gelijk en ongeveer -10dB

Kijk, dat is nu eens interessant. Reken eens mee:

De mismatch die je zelf maakt door zo de tuner er tussen te hangen, is de mismatch tussen 50 ohm VNA RX enerzijds en 270+j720 ohm (de tuneruitgang met 50 ohm VNA TX aan zijn ingang) anderzijds.
Je kunt eenvoudig (nu wel!) uitrekenen dat |rho| dan 0,9555 is.
Het afgeleverde vermogensaandeel is 1-|rho|² = 0,0870. In dB is dat -10,6.
En dat zou je S21 (en S12) moeten zijn als er geen verliezen zijn.
Ergo; uit jouw meting volgt dat er verwaarloosbare verliezen zijn!

OK, dan heb ik hier de rest van de metingen. De precieze na volledige calibratie inclusief kabels enz. Helaas is het dan minder. Ik heb nu bij de match tool -2,24dB verlies. Dat lijkt dus idd niet te werken bij een tuner.

De gebruikte load heb ik gemeten als 268 ohm en 86 pF met de multimeter. Ze staan in serie. De VNA meet Rho=0,94-j0,13 |Z|=665 en Z=228-j624

Na tunen meet ik met de load eraan S11: 0,01+j0,01 Z=51,26+1,35 |Z| 51,28. Preciezer lukte niet (hand effect enzo )

Dan de load eraf en de port 2 erbij.
S11: Rho 0,93-J0,19 |Z|=489 Z=126-473 Rl=-0,45 vswr 38,46
S21: -18,04dB
S22: Rho 0,94-j0,02 |Z|=1631 Z=1532-559 Rl=-0,50 vswr=34,73
S12: -18,13dB

Verder S11 en S22
Cserie=92pF 78pF
Y= 0,53ms+1,97ms en 0,58ms+0,21ms
Rp=1904,43 1736,55
Cp=86pF 9 pF
QC=QL= 3,76 en 0,37
fase= -11,31 en -1,22
delay -7,35nS en +96,32nS

Daarna de meetzender eraan. Probe op de ingang en getuned tot dip in voltage. Ik meet dan met de 1:10 probe 215mVrms
De load is in dit geval 268 ohm met 38pF (kwam er naderhand achter dat ik het verkeerde Ctje had)
Na de balun meet ik 123mVrms op de ene poot en 65mV op de ander.
Dan over de load tov aarde. Aan de ene poot 1,31Vrms, de ander 1,34Vrms Met twee probes en dan A-B was het 355mV
Over de weerstand zelf stond links 1,31Vrms tov aarde. Aan de andere kant (dus tussen C en R) stond 1,08Vrms
Met twee probes gemeten en dan a-b over de weerstand was het 1,64Vtt

Ik ga er ook aan rekenen maar daar heb ik even tijd voor nodig.

Edit: viel mee S11 is 20log(1-|0,93|²)=-17,387
S21 was 18,04-17,387=0,653dB
Klinkt heel goed op het eerste gezicht: maar bij 400W is dat 55,6W en bij 100W gaat er 14,1W.

Nu geeft een VSWR van 35-38 een meetfoutkans van -5 tot +19dB en een fase fout van -63 tot +63 graden volgens mijn SWR/RL enz programma.(de java uitvoering van de HP rekenlineaal)

Vermogen op ingang: 0,967mW, op uitgang over R deel: 0,9245W
Verlies 0,04266mW. 20log(pin/pout)= -0,391dB

Rekenen we (waarschijnlijke) meet stommiteiten en mis-calibraties mee dan zit het toch redelijk bij elkaar in de buurt

Op 5 januari 2010 23:35:04 schreef fred101:
Klinkt heel goed op het eerste gezicht: maar bij 400W is dat 55,6W en bij 100W gaat er 14,1W.

Als dat echt verloren gaat in warmte moet je dat goed en heel snel merken bij een echte test met dezelfde belastings- en bron impedanties.

Een paar minuten met 100W stoken, uitzetten en wat voelen aan de componenten van je tuner. 14W is best veel, alleen bij grote en lompe componenten zoals een hele dikke ringkern gaat de opwarming wat trager.

http://www.hamforum.nl/download/file.php?id=780&mode=view

Mijn echte tuner. De rolspoel is 7 kilo en de varco 75 cm lang. De F-Match heeft normalere onderdelen maar nog steeds redelijk bovenmodaal. De rolspoel in een 300W MFJ is half de maat van mijn kleinste rolspoel welke ook op een keramisch lichaam zit. Bij de shuntvarco kan je met je vingers tussen de platen door.

Fred,
ik denk dat de verliezen kleiner zijn. 14W is voelbaar.
Stuur maar een DC stroom door je spoel zodanig dat je 1W dissipeert.
Waarschijnlijk spelen meetonnauwkeurigheden teveel mee.

Volgens mij heb ik rekenfouten gemaakt. FET doet 10xlog zag ik nu en dan hoort S21 -10,04 te zijn. Ik bereken nu een soort gain volgens mij. Dan zou het verlies dus bijna 8dB zijn en dat kan niet.

Nooit gedacht dat dit zo moeilijk zou zijn. Ik zal het eens herhalen met een load die minder meetafwijking zal gevben. Wat zou en goede (ook rekentechnische ) waarde zijn. Ik zit te denken aan 75 ohm. Maar de condensator ? Veel capaciteit is een lage Xc. Ik dacht aan een Xc van bv 150 ohm dus ongeveer 300pF.

[Bericht gewijzigd door fred101 op woensdag 6 januari 2010 09:46:56 (35%)]

Rho is spanningsreflectie. Die heb ik gekwadrateerd voor vermogensreflectie.
Het restant (1-rho kwadraat) is wat er nog uit komt; dat is ook vermogen.
Om van vermogen naar Bel te komen moet je de ¹⁰log nemen; voor deciBel dan nog eens maal tien (daarom heet het ook deci).
_{Je had ook eerst weer de wortel kunnen nemen om naar spanningsverhouding terug te gaan, en daarvan de log nemen en die maal 20 doen.}

Eigenlijk zit het dus zo met ieder netwerk:
- een deel van het signaal wordt bij de ingang teruggekaatst; dat is S11
- een ander deel van het signaal (hopelijk de rest) wordt naar de uitgang doorgegeven; dat is S21.
- wat we nu nog missen wordt als verlies beschouwd.

Dus |S11|² + |S21|² + verliezen = 1.

Voorbeeld:

--

Losse gedachten:
Als er uit een netwerk maar weinig signaal komt, dus S21 is klein, dan kan dat komen doordat de interne verliezen hoog zijn, maar het kan ook komen doordat S11 groot is.
Een verzwakker, bedoeld voor in een 50 ohm systeem, heeft een heel lage S11 (hij past goed aan), maar veel verlies. Hoeveel, staat erop.
Een laagdoorlaatfilter dat een hoge harmonische praktisch niet doorlaat, heeft maar weinig verlies, maar gewoon een hoge S11. Hij dissipeert de harmonische niet, maar reflecteert hem.
Een filter heeft dan ook buiten de doorlaatband altijd een slechte aanpassing; zo werkt het filter.
Een uitzondering vormen de diplexerfilters, maar daar zitten dan ook weerstanden ingebouwd. Daar worden ongewenste frequenties wèl opgegeten, zodat de aanpassing aan de ingang goed blijft.

Ik heb de metingen herhaald met 150 ohm en 300pF. De match-tool werkte toen nog net niet zoals het hoort maar dat scheelde maar een heel klein beetje. De methode van FET op basis van S11 en S21 werkte wel. Die kan ik ook eens met de HP gebruiken. Die kan meer signaal maken en heeft een groter dynamisch bereik.

Wat wel mooi was is dat nu de impedantie op de ingang klopt met de uitgang maar dan met het imaginaire deel omgekeerd in teken zoals het hoort.

Daarna een 75 ohm terminator via een banaan/bnc adapter en twee 10 cm draadjes naar de ingang. Dus geen extreme Z. Daarbij is de uitkomst van jouw formule gelijk aan die van de matchtool.

De meet methode is dus juist maar bij hoge complexe belasting vraagt dat dus wat geavanceerder meetapparatuur.

Maar nu kan ik proberen een model met bescheiden Z simuleren. De verlies weerstand zo groot maken dat dat klopt met de meting. Dan de extremere Z simuleren en dat naast de meting leggen. Helemaal kloppen zal het niet maar als ik de spoel waarde gelijk hou moet ik in de buurt zitten.
De verliezen zijn in ieder geval laag. Nu de situaties vinden waarbij dat eventueel niet zo is en de tuners vergelijken. De F-match kan in ieder geval geen "niet-extreme" impedanties aan. Die 75 ohm lukte niet. Ik ga dus eens kijken hoe ik mijn S-match geschikt kan maken voor hoge frequenties. Zover ik nu kan zien moet de Varco daarvoor een stand met vaste C in serie krijgen maar daar gebruik ik dan een kleine lucht-varco voor (ik heb er een aantal uit VHF zenders)

Dit was weer erg leerzaam tot nu toe

Voor mij ook.
Ik had tenminste weer enkele "dat raadt je de koekoek" momenten, zoals in de driedeling van het vermogen (reflectie, tranmissie, verlies).

De verliezen in te de tunerunit worden omgezet in warmte.
Misaanpassing (reflectie) meet je met de reflecto Mtr
Mogelijk warmte verschil tuner buitenlucht meten over een bepaalde tijd, en dit later door een weestand met een D.C.spanning ook opwarmen, dan weet je de energie die je er in stopt.
Wel niet precies,maar geeft idee van waarde
Suxes Krelis

Dat is mij bekend maar dat vind ik te onnauwkeurig en onhandig. Ik wil tuners kunnen meten op de frequentie en met de belasting zoals hij op die frequentie is. Uiteindelijk zal een tuner, getuned naar 50 ohm zonder load al het vermogen in de spoelverliezen moeten dissiperen. Terwijl hij met een ideale antenne nagenoeg niets dissipeert.

Een antenne die 3 ohm resistief is en 500 ohm capacitief is kun je naar 50 ohm tunen. Het vermogen gaat ook naar die load toe maar de 500 ohm dissipeert niets, dat doet alleen het 3 ohm gedeelte. Hoe zit het dan met de vermogens verdeling. Ofwel zorgt dat voor meer verlies in de tuner dan wanneer de load 100 ohm en 10 ohm capacitief is.

Als je altijd voor iedere belasting een eigen, optimale (maar echte) tuner zou bouwen, zou de 100-j10 tot minder verliezen in de tuner aanleiding geven dan de 3-j500 ohm.

In het laatste geval (dus 3-j500) MOET de belaste Q wel hoog zijn, waardoor je dus automatisch meer verliezen krijgt. Maar daar ontkom je niet aan, als je zo'n moeilijke impedantie moet aanpassen.

Maar een tuner die allebei zonder meer kan aanpassen, heeft in het eerste geval waarschijnlijk óók een hoge belaste Q met bijbehorende verliezen. In dat eerste geval dus eigenlijk onnodig.

Mooi, dat is ook precies wat ik dacht. Het viel me ook op dat bij een puur reactieve load de grafische SWR curve heel smal en spits is. Net als de S11 dip in de trace bij een parallelkring per hoge Q. Bij iets als 100-j10 is de "dip" veel breder. Dat is dus ook een indicatie voor het rendement.

De F-match heeft geen groot bereik in impedantie. Hij kan goed overweg met de meeste impedanties van mijn antenne. Logisch want daar heb ik de waarden en ontwerp op afgestemd. Als ik de serie C's flink zou vergroten kan ik wel bijna alles afstemmen (zolang het ohmse deel maar +50 ohm is)

Vanavond was het techniek-netje op 50MHz. Dat doe ik op de vertical maar ik was benieuwd of de F-match de dipool daar ook kon afstemmen. En tot mijn verbazing lukte dat. Ik ga morgen eens alle banden proberen. De enige die in theorie niet moet kunnen is 160 meter.

Ik heb hier alvast een eerste stukje geschreven over tuners en het meten van rendement. Zullen nog wel wat foutjes inzitten die ik dan graag hoor

[Bericht gewijzigd door fred101 op zaterdag 9 januari 2010 09:51:04 (16%)]

Ik zag net in de Yahoo group "GQRP" een discussie over Z-match tuner verliezen. Misschien moet je daar ook eens gaan lezen.

Wat erg leuk is, is deze tuner simulatie:
http://fermi.la.asu.edu/w9cf/tuner/tuner.html

Ik heb je 270-710j op 14MHz met de hand uitgeprobeerd, maar dat ging niet soepel. Met de "autotune" bleek het wel te kunnen om op 1:1 uit te komen.

De simulatie geeft ook verliezen aan. Daarvoor moet je de Q van de componenten eerst ingeven.

Ik heb 50 ohm ingegeven en de verliezen waren heel laag. Bij mijn MFJ was dat 4dB.

Ik heb nu mijn S-match (niet Z-match) van andere trafo's voorzien. Dat is al een verbetering. Met een varco tussen de twee trafo's in de primaire kant (zender) haal ik wel hogere frequenties omdat ik dan de eventuele spreidings-inductie kan wegresoneren.

Maar ik ga eerst verder met het originele idee. De reden waarom ik de verliezen wilde kunnen meten. Je kunt wel wat bedenken en bouwen maar je wilt toch weten of het goed is. Het idee is een tuner met schakelaar die per band dus gelijk goed staat met een varco om het binnen de band overal goed te krijgen. De F-match lijkt daar geschikt voor.

Hier vond ik nog wat formules in een oud RF-vandemecum.
Dit ter info. Er hoort ook nog een mnonogram bij. Dan leg je een linieaal tussen de Rl of VSWR van S11 en S22 en daartussen lees je het verlies af.
Er staan meer tabellen in. oa ook over kabelverlies en swr.
Dan zie je iets wat eerst raar lijkt wat eigenlijk wel logisch is. Als je SWR bij de zender 5 is en je load ook een SWR van 5 zou opleveren dan is het coax verlies het laagste. Dat vindt de zender natuurlijk niet zo leuk maar je kan niet alles hebben. Dus met een tuner een coax lijn+antenne tunen naar een vswr van 1 levert een fors extra coax demping op.

Een VSWR van 1.1 aan de TX en een VSWR van 10 na de tuner levert een extra 12dB kabeldemping op.

[Bericht gewijzigd door fred101 op zaterdag 9 januari 2010 23:18:22 (70%)]