Draad kwalificatie meting

1 Algemeen

Het maken en gebruiken van een model is altijd gekoppeld aan het kalibreren van het model.
Indien een model niet kan geverifieerd worden door een werkelijke meeting, is het model niet geschikt om werkelijke situaties na te bootsen en/of mist het de juiste referentie waardes om tot een goed resultaat te komen.

Een model dat een bepaalde situatie niet kan nabootsen, kan te wijten zijn aan een beperking op de wiskundige benadering.
Zo is geweten dat de NEC2 engine beperkingen heeft om inductieve koppelingen met loop antennes te simuleren.
Hierdoor zal je de NEC2 engine, die standaard in SimNEC zit niet kunnen gebruiken voor het maken van magnetisch gekoppelde loop antennes.

Echter standaard draad antennes zou perfect moeten lukken, daar dit model volledig is uitgewerkt in de NEC2 engine.
Maar om realistische waardes te bekomen in je model, dien je de materialen die je gebruikt ook nauwkeuring te kwalificeren en de bekomen waardes te gebruiken in je model.
De procedure om zulke kwalificerende metingen te doen, wordt verder toegelicht.

Het is aanbevolen aan iedereen die met draadantennes wil werken om volgende kwalificatie metingen en kalibratie instellingen te gebruiken, om tot een bruikbaar resultaat te komen.
Toleranties zijn er steeds, maar de ordegrootte van fouten wordt zo sterk verkleint.

2 Principe meeting

Het maken van een kwalificatie meting vereist een aantal aandachtspunten om de externe invloeden zo veel mogelijk te beperken.

Maak gebruik van een kortgesloten open lijn (ladder line) met voldoende aftand tussen beide draden.
- Dit zorgt ervoor dat de transmissielijn antenne zo weinig mogelijk straalt en straling opvangt en dat de invloed van het "proximity effect" tussen beide geleiders klein blijft in verhouding tot de eigenschappen van de draden.
- De kortsluiting elimineert alle "end effecten" die kunnen ontstaan bij open dipolen.
- De grotere afstand (in ons voorbeeld 86mm) zorgt ervoor dat de transmissie lijn kan gemodelleerd worden als een antenne, zonder tegen de limieten te lopen van wat de NEC2 engine kan owv kort bij elkaar geplaatste draden.
Hang de antenne "verticaal" op aan een niet geleidende paal, om het grond effect te verkleinen.
In ons voorbeeld wordt er gebruik gemaakt van een 8m glasvezel visstok.
Gebruik common mode chokes van goede kwaliteit (in ons voorbeeld de FT240-31 van HF kits) en voorzie je USB kabels van ferriet clamp-ons .
Gebruik je laptop op batterij, niet gekoppeld aan het net, om storingen te vermijden.
Kies een RF rustige omgeving.

Ladder line spreader

Onshape model link

Layer height 0.1mm, PLA.
Center wire distance +5.8mm.

Ladder line spreader 40mm.3mf

Ladder line spreader 40mm.stl

Ladder line spreader 60mm.3mf

Ladder line spreader 60mm.stl

Ladder line spreader 80mm.3mf

Ladder line spreader 80mm.stl

Ladder line spreader 100mm.3mf

Ladder line spreader 100mm.stl

3 Meeting

Het meting bestaat uit 3 delen:

Kalibratie van de VNA op het "reference plane" over een groot frequentie bereik (meerdere harmonische)
VNA meting van de TL-antenne over een groot frequentie bereik
Fysieke afmetingen van de draad

3.1 Kalibratie VNA

Positie

Het is uitermate belangrijk om de kalibratie goed uit te voeren op het "reference plane".
Dit is de positie waarop de antenne wordt aangesloten.

SOL kit

De kalibratie wordt uitgevoerd met een SOL kit, liefs aangepast aan de aansluiting van de antenne.
Vermits wij gebruik maken van een open lijn, is de aansluiting van de antenne een adapter BNC-banaan.
De Common Mode Choke (CMC) heeft dus als laatste connectie een BNC connector en we gebruiken ons kalibratie kit(SMA) met adapters naar BNC.

CMC & VNA

De CMC heeft een Zo van 50 ohm, alsook het kort stukje coax tussen de CMC en de VNA.
De CMC vormt geen probleem om tot 300 MHz meetingen te doen en zorgt er enkel voor dat de symmetrische antenne "RF geïsoleerd" wordt ten opzichte van de VNA.

Om alle ruisinvloeden te vermijden sluit je de tweede poort (S21, DUT) af met Zo, zijnde 50 ohm.

nanoVNA Connect

De kalibratie wordt uitgevoerd in nanoVNA connect met een voldoende span, step en maximale gemiddelde meeting.

De kalibratie file wordt bewaard zodat je nadien de gegevens terug kan gebruiken voor identieke metingen.

In ons voorbeeld zien we dat de kalibratie is gebeurt op een CMC met L-type BNC connector tussen 0,5MHz en 300Mhz met een step size van 50kHz en zonder gebruik van speciale filters in de scripts.

Deze nvcal file kan gemaakt worden in je lab en kan je nadien buiten gebruiken.
Het uitvoeren van deze kalibratie duurt ongeveer een uur!

CMC-ON4AWM-L-BNC-0,5-300MC-step50kc-avg10NVC-nofilter.nvCal

Referentie metingen kalibratie

Om zekerheid te hebben dat je kalibratie perfect is verlopen, doe je na de kalibratie metingen van de SOL standaard.
Je kan een meeting gebruiken waarbij een span en step size instelling wordt gebruikt die binnen de grenzen van de kalibratie instellingen valt, zoals in ons voorbeeld waar we 250KHz stappen gebruiken, welke een veelvoud zijn van 50Khz stappen in de kalibratie instellingen.

Deze richtlijn laat je toe om met dezelfde kalibratie, metingen te doen van een sub frequentie bereik of step size van de kalibratie, zonder dat er interpolatie optreed.

Open-CMC-on4awm-1-300MC-step250Kc-avg10NVCnofilter.s1p
Short-CMC-on4awm-1-300MC-step250Kc-avg10NVCnofilter.s1p
Load-CMC-on4awm-1-300MC-step250Kc-avg10NVCnofilter.s1p

De resultaten van deze metingen mogen nagenoeg geen afwijkingen vertonen ten opzichte van de ideale waardes van de SOL elementen, zelfs niet wanneer je inzoomt op de Smith Chart

Afwijken zijn er altijd en zijn te wijten aan de toleranties van de nanoVNA, ruis en alle andere externe factoren.
Deze zijn echter sterk gereduceerd door gebruik te maken van de averaging (10).

Meeting TL antenne

De meeting wordt uitgevoerd met de kalibratiefile die je hebt gemaakt en identiek dezelfde settings.

In ons geval is de kalibratie gemaakt met 50kHz stappen tussen 500Khz en 300Mhz om zo een hoge nauwkeurigheid te verkrijgen in de beeldvorming en je model nadien.

Stel de naam van je meting samen door het vermelden van de parameters die je gebruikt hebt voor de meting en een referentie naar het type draad dat je meet, zodat deze nadien goed herkenbaar zijn.
In ons voorbeeld gaat het over een naakte koperdraad.

3.2 Interpolatie of niet?

Het is gebruikelijk om de instellingen voor kalibratie en meting aan elkaar gelijk te maken, vooral de stapgrootte, om interpolatie tijdens de meting te voorkomen.
Dit lijkt logisch, maar er zit een addertje onder het gras.
Kalibreren dient namelijk om kleine afwijkingen te corrigeren die ontstaan door de verbindingen. Deze correcties zijn van nature breedband.
Door een zeer kleine stapgrootte te gebruiken voor kalibratie, voegen we veel ruis toe aan de kalibratiedata.

Dit is duidelijk te zien wanneer we twee metingen (R of X) van een open circuit vergelijken, waarbij we een stapgrootte van 10 kHz gebruiken bij verschillende kalibraties:

blauw: kalibratie avg10, step 10kHz, 0,05-150MHz
rood: kalibratie avg10, step 250kHz,0,05-150MHz

Het effect van een veel grotere step size bij kalibratie is identiek aan het wegnemen van ruis met behulp van filtering, zonder het nadeel van een frequentie shift.

Het kleine verschil in resultaten op metingen van smalband componenten, zoals een Xtal, is minimaal en pleit niet in het voordeel van een kleinere step size bij kalibratie.

De voorbeeld sweep van 10000 stappen geeft de metingen weer tussen 4.4 en 4.5 MHz van een Xtal met een kalibratie step size van 10kHz(Coil) en va 250kHz(CoilInter) , gemeten met een step size van 100Hz.

4 Model parameter kalibratie (manueel)

Het is sterk aan te raden om gebruik te maken van de automatische methode, die omschreven word op de volgende pagina.
De omschrijving van de manuele methode geeft je een inzicht in wat de invloed is van de verschillende parameters.

Zie:Automatisatie draad kwalificatie

4.1 Algemeen

Het uitzoeken van de correcte parameters in het model is een proces waar je de nodige tijd dient voor te nemen.
Het gebruik van dit meetprincipe laat je toe om de eigenschappen van de draad te bepalen en zo nadien deze gegevens te gebruiken in je ontwerpen.
De eigenschappen van een draad worden binnen simNEC bepaald aan de hand van verschillende parameters:

NECOptions.mhosPerMeter
Het materiaal, zijnde "Conductivity", wat een factor is die als geleidbaarheid wordt gedefinieerd (1/soortelijke weerstand).
NECOptions.wireDiameter
De diameter van de geleider
NECOptions.Insulation(thick, Pr,LT);
1. De dikte van de isolatie
2. De permittivity van de isolatie
3. De Loss Tangent van de isolatie

Het mag gesteld worden dat al deze parameters een invloed hebben op verschillende factoren, zoals de resonantiefrequentie (verkortingsfactor) en de impedantie van een ontwerp.
Het ijken van je model gebeurt door het aanpassen van deze parameters aan de gekende waardes, de veronderstelde waardes en de gecorrigeerde waardes.
Dit proces wordt vereenvoudigd door gebruik te maken van de Smith Chart en NEC antenne model binnen SimNEC.

4.2 TL-antenne model (D-block)

Het maken van een exact fysiek model dat de TL-antenne benaderd is noodzakelijk om een correcte correlatie te kunnen bekomen.
Hiervoor maken we gebruik van de NEC module binnen SimNEC.

In dit model kunnen alle parameters, zowel de fysieke als de eigenschappen, worden ingegeven.
Voor de fysieke zijn de de volgende parameters belangrijk:

spacing: De afstand tussen de centerpunten van beide geleiders
l: lengte van de TL-Antenne, wat dus de helft is van de totale lengte van de draad die gebruikt is om de TL te maken.
h: hoogte tov de grond waarop je meetpunt geplaatst is.

De TL-antenne wordt zo gemaakt dat de kortsluiting bestaat uit een horizontale verbinding op de kop van de TL.

De parameters van een draad worden gegeven door:

dia: is de diameter van de geleider
thick: is de dikte van de isolatie, dus (totale diameter inclusief isolatie - dia)/2
Mat: de conductivity van het geleidend materiaal
Pr: Permittivity van het isolatiemateriaal
LT: Loss Tangent van het isolatiemateriaal

Het aanpassen van deze parameters heeft een effect op hoe de draad zich gedraagt in het NEC model.
De parameters zijn niet noodzakelijk exclusief gekoppeld aan één eigenschap maar vormen de gegevens voor het wiskundige model van een draad.

4.3 Reference plane correction (rotatie)

Door een kleine correctie in je model in te brengen kan je de curve draaien rond het centrale punt, waardoor je het model kan laten overeen komen met de meeting.

Hiervoor wordt gebruik gemaakt van een transmissielijn(T2) voorafgaand aan het antenne model(A).
De lengte van deze transmissielijn kan zowel positief als negatief zijn en wordt later in de ijking gebruikt om correcties uit te voeren zodat visueel beide curves op elkaar kunnen gebracht worden.

4.4 Meeting inbrengen

Het invoeren van de meting in SimNEC doe je door gebruik te maken van een isolatieblok, waarbij je de code "cloneLoad;"verwijdert en de S1P file koppelt als file.

In ons voorbeeld hernoemen we de blok, naar de meting, zodat achteraf de markers in de Smith Chart goed herkenbaar zijn.

TL-CU-solid-bare-CMC_20241112-0,5-300Mc50Kc.s1p

Het uiteindelijk resultaat is de volgende opbouw, waarbij je je antenne model laat vooraf gaan door een kort stukje transmissielijn en een isolatieblok gebruikt om de gemeten waarde in te brengen.

4.5 Bepalen ijkwaardes (manueel)

Om de correctie parameters te zoeken tracht je om beide curves T2 en de S1P file over elkaar te leggen en dit op meerdere harmonische frequenties, zodat twee voorwaarden voldaan zijn:

De resonantiefrequentie is nagenoeg identiek
De impedantie cirkels liggen op elkaar.

Dit is een iteratief proces waarbij je telkens bepaalde parameters aanpast en kijkt wat de invloed is op het visuele uiterlijk.

Stap 1: bepalen sweep.

Om een bruikbaar visualisatie te vormen beperk je best de sweep tot een 5 tal lijnen of harmonische.
Vermits de lage impedantie van een kortgesloten lijnstuk ligt op een halve golflengte, weet je dat de fundamentele frequentie van deze "lus" ligt op de eerste cirkelboog waarbij de X waarde 0 is (x as)

In ons voorbeeld is dit op 22.23Mhz, voor een TL-antenne lengte van 6.66m en beperken we de sweep tussen 10 en 120 MHz.

Stap 2: Plaats de markers van de meeting op de X=0 as

De positie van de markers op de curves worden bepaald door de frequentie.
Je kan de positie van de marker verplaatsen door de frequentie na plaatsing aan te passen.
Gebruik deze mogelijkheid om de marker correct op het X=0 punt te plaatsen.

Het uiteindelijk beeld ziet er als volgt uit:

Stap 3: startwaardes parameters

Je kan reeds een aantal parameters als startwaarde instellen zoals de gekende lengte, tussen afstand, diameter van de geleider, hoogte van het meetpunt en de keuze van het materiaal, wat in ons geval koper is met een geleidbaarheid van 57M.
In de transmissielijn, die gebruikt wordt voor de correctie van de rotatie (T2) geef je als startlengte 0 in.
Vermits ons voorbeeld gaat over een blanco solide koper geleider, kunnen we eveneens de volgende waardes als startwaarde aannemen: LT=0, thick=0, Pr=0

Behalve de fysieke grootheden hoogte, lengte en tussen afstand kunnen in de ijking alle waardes veranderen tijdens het ijkingsproces tot je het doel hebt bereikt.
Deze ijkwaarden zijn de basis parameters van het wiskundige model voor een specifiek type draad en passen we aan om tot een correlatie te komen tussen de gemeten antenne en het model.

Stap 4: Plaatsing markers op het model

Om de curve van het model te bekijken gebruiken we de ingang impedantie van de T2 transmissielijn, zodat we nadien door het aanpassen van ft in T2 een rotatie kunnen creëren indien nodig.

Op het model plaatsen we de marker voor de 5 cirkelbogen op identiek dezelfde frequenties zoals deze voorheen bepaald werden op de werkelijke meeting. Hierdoor zie je direct het resonantie verschil tussen het model en de werkelijk gemeten antenne.

Het zal duidelijk zijn dat de correlatie niet bestaand is tussen het model en de werkelijke antenne met de gegeven waardes.
Het aanpassen van de waardes is noodzakelijk en kan je met behulp van de volgende richtlijnen doen.

Stap 5: aanpassen resonantie

In tegenspraak tot de fysieke opbouw, mag je een blanco geleider niet aanzien als een geleider zonder isolatie.
Om het deel isolatie in het wiskundig model te kunnen gebruiken dien je een dikte in te stellen die > 0.
Wij starten met een dikte van 100u, waarna je de PR parameter kan aanpassen.
In ons voorbeeld gebruiken we PR=3.5 en je ziet dadelijk de verschuiving van de resonantie punten op de cirkelbogen van T2 in de richting van de meeting.

De aanpassingen van de isolatie dikte(thick) en permittivity(Pr) bepalen het resonantiepunt, zo breng je de markers van beide curves samen.

Ondanks deze aanpassing zien je dat de impedanties nog steeds verschillend zijn: de cirkelbogen liggen niet op elkaar.

Om een correlatie te bekomen zijn er meerdere bewegingen nodig van de curves van het model, zoald het verschuiven naar rechts en het aanpassen van de afstand tussen de verschillende cirkelbogen.

Stap 6: aanpassen materiaal.

Om het model (T2) verder naar rechts te kunnen verschuiven, dien je de conductiviteit van het materiaal aan te passen.
Wij zijn er van uit gegaan dat dit als koper zou gebruikt kunnen worden, maar stellen vast dat de geleiding ervan veel te goed is (cirkels te ver naar links) .

Door het aanpassen van de Mat waarde kan je de cirkels horizontaal verschuiven, zo breng je de impedantie cirkels meer op elkaar.

Stap 7: loss tangent aanpassen

We zien nu dat de cirkels meer over elkaar liggen maar dat de onderlinge afstand in het model kleiner is dan deze van de meeting.

Deze afstand is de verandering van impedantie met frequentie en wordt bepaald door de LT factor.

Door het aanpassen van de LT factor kan je de onderlinge afstand van de cirkelbogen veranderen. zo breng he de impedantie cirkels echt op elkaar.

Stap 8: Rotatie model

We zien nu dat de cirkels van het model geroteerd zijn tov de meeting.
Deze correctie kan je doorvoeren door een zeer kleine positieve of negatieve waarde in te geven in de ft waarde van T2.
In ons voorbeeld blijkt een waarde van 0,07 ft de juiste rotatie te geven, maar dit had evengoed een negatieve waarde kunnen zijn!

Het roteren van de curves van het model doe je door een zeer kleine ft waarde in te geven in de transmissielijn voorafgaand aan het antenne model.

Stap 9: iteratief proces

Nu je alle aanpas mogelijkheden hebt gebruikt kan je door kleine aanpassingen beide curves nagenoeg perfect op elkaar brengen, zowel in resonantie als in impedantie.

In ons geval behalen we een overeenkomst bij de volgende waardes:

Vaste gegevens:

Lengte 6.66m
Hoogte: 1m
spacing: 86mm
Diameter geleider: 1.35mm

Aangepaste parameters:

Conductivity: 20M (Mat)
LT: 0,07
Pr:3.2
Thick: 118u
T2.ft: 0,06ft

Een geautomatiseerd proces kan je vinden op de volgende pagina.Automatisatie draad kwalificatie

4.6 Controle ijkwaardes

Uit de grafiek kan je zien dat waardes op bepaalde frequenties, zoals op 1.9MHz, aardig overeen komen tussen het model en de meetwaarde.
Hieruit kunnen we besluiten dat de draadparameters ook bruikbaar zijn voor antenne modellen op andere frequenties en hierdoor nagenoeg realistische waardes genereren.

Deze geijkte gegevens bepalen het type draad en kan je gebruiken voor het modelleren van antennes gemaakt met dit type draad op andere frequenties. De uitkomst van dit model zal sterk overeen komen met de werkelijke antenne meting.

4.7 Toepassing

De bekomen waardes kunnen ingegeven worden in een bepaald model.
In ons voorbeeld maken we met dit type draad een gevouwen dipool met een gekende lengte van 2m geplaatst op een hoogte van 6m, en verbonden met een lengte van 8m coax type Aircell 5.

Het model geeft ons een resonantiefrequentie op 141.3 MHz en de impedantiecurve laat zien dat de werkelijke waarde lager is dan het model.

De afwijkingen in het model ontstaat doordat de extra verliezen van de meetkabel, een 8m lange coax kabel niet gecompenseerd worden in het model.
Door het ijken van de VNA op het "reference plane", de plaats van verbinding van de coax aan de antenne, is het verlies weggewerkt.

Om dit extra verlies te simuleren kan je gebruik maken van een weerstand parallel met de antenne aansluiting of anders gezegd een verliesfactor op de plaats waar het "reference plane" geijkt is. In ons voorbeeld plaatsen we een weerstand van 1.9K parallel aan de antenne aansluiting.
Hierdoor wordt de overeenkomst duidelijk beter. (figuur 2)

meeting zonder compensatie verlies op de coax

coax verlies gesimuleerd door parallel weerstand van 2K

Page updated

Report abuse