Időnként előjönnek koaxiális kábelekkel kapcsolatos mérési feladatok. Ilyenkor az ember felüti a böngészőt és keresgél a rengeteg vélemény, és megoldás közt. Vannak olyan honlapok, amik komoly matematikai fegyvertárat vonultatnak fel mellőzve a gyakorlati megvalósítást. És vannak olyanok is, amelyek nehezen, vagy egyáltalán nem érthetők (tán aki írta, az sem értette jól). Ezért készítettem az alábbi cikket, ami egyszerű elvek mentén ad a hétköznapi gyakorlatban elfogadható pontosságú mérési módszereket.

Sok olyan kábelekkel kapcsolatos kérdés van, amit gyakran hallani. Ezekből a leggyakoribbakat veszem végig az elméleti magyarázatok nélkül, kizárólag a gyakorlati használatra koncentrálva.

Milyen hosszú egy adott kábel?

Ez a kérdés akkor merül fel, ha a kábel hosszát nem áll módunkban megmérni pl. mérőszalaggal. Ilyen eset az, ha pl. "megközelíthetetlen" helyeken, vagy a földben megy a kábel, vagy spulnira van tekerve. Ilyenkor két eset lehetséges. Ismert fajtájú a kábel, vagy ismeretlen. Ismert, ha tudjuk az impedanciáját és / vagy a sebességtényezőjét (Velocity Factor). Az a legszerencsésebb, ha mindkettőt ismerjük. Ez van akkor, ha a kábel egy szakasza látható és el is olvasható rajta a felirat. De sajnos ez nincs mindig így. Ha nem ismert az impedancia és / vagy a sebességtényező, a kábelünkhöz hasonló kábel egy darabját kell megmérnünk (pl. egy méter kábel a spulniról levágva). Ezekre a mérésekre a későbbiekben adok útmutatást. Most tegyük fel, hogy tudjuk a kábelünk iménti adatait, csak a hossza a kérdéses!

A módszer egyszerű. Szorozzuk meg a kábel impedanciáját 2-szer gyök kettővel! Ezt a számot szorozzuk meg a sebességtényezővel és az eredményt írjuk le magunknak. Legyen a mérendő kábelünk egyik vége lezáratlan (szakadást kell mérnünk rajta ohm-mérővel, a meleg ér és a harisnya közt)! Ezek után azt kell meghatároznunk, hogy ha egy nagyfrekvenciás szinusz-generátort kötünk a kábel  másik végére, melyik az a frekvencia, ahol a fázis az áram és a feszültség közt 0?

Ez megmérhető például úgy is, ha a kábel harisnyája és a generátor (rádióadó) föld pontja közé egy kicsi értékű (1-2 ohm) ellenállást teszünk. És kétsugaras oszcilloszkóppal figyeljük a frekvencia növelése közben az ellenálláson eső feszültséget, ami az áramerősséggel arányos. Az egyik csatorna a kábel feszültségét, a másik az ellenálláson eső feszültséget kell mutassa. Ha megtaláltuk ezt a keresett frekvenciát, akkor az imént felírt számot osszuk el a frekvenciával (MHz-ben), és a hosszat rögtön méterben kapjuk. Lehet, hogy elsőre bonyolultan hangzik, de valójában nagyon egyszerű a dolog.

Itt kell megemlítenem, hogy a keresendő frekvenciát a nulla fázisú helyen két féle mérési esetnél is megtaláljuk az egyik eset, ha a kábel végén rövidzár van, a másik eset, ha szakadás. Szakadás esetén jóval pontosabb mérésre van lehetőségünk, mert a fázis a frekvencia változásával szépen, komótosan változik, míg a rövidzár esetén mérhetetlenül hirtelen! Így én a szakadásos esetet tárgyalom csak.

Ha az embernek van antenna analizátora (ami tud fázisgörbét is rajzolni), vagy Vektoros Hálózat-analizátora (Vector Network Analyzer, vagy csak egyszerűen VNA) akkor a mérés még egyszerűbb. Az analizátort S11 Fázis (Phase) állásba kell kapcsolnunk, és meg kell keresnünk azt a frekvenciát a kirajzolt grafikonon, ami a legalacsonyabb olyan frekvencia, ahol a fázis 0 (a 0 frekvencia környezetét kivéve). Ilyen VNA pl. a mostanában népszerű Nano VNA. Ha beállítjuk az iménti állásba, az alábbihoz hasonló képet láthatunk.

Látni a fenti képen, hogy a grafikon vízszintes tengelye a frekvencia, ami 1,8MHz-től 150MHz-ig megy és a függőleges tengely a fázis. Néhány mérés után tapasztalatból tudjuk majd, hogy például az egy méter körüli kábelhosszakhoz a 50-100MHz közti tartományban lesz a keresett 0 fázisú pont, míg 10 méternél hosszabb esetben a 15 MHz alatti frekvenciák közt kell keresni. Minél hosszabb a kábel, annál alacsonyabb lesz a keresett frekvencia. A fenti ábrán két olyan 0 fázishoz tartozó pont található, ami érdekes. A legelső a 21,8MHz-től kissé jobbra, az a meredek szakasz, ami ahhoz hasonló, mikor rövidzár van a kábelünk végén. Tehát nem ez az, amit keresünk, hiszen nekünk szakadásunk van. A mellette jobbra lévő lankás szakaszon, 46,26MHz közelében lévő frekvencia, amit keresünk. Látható, hogy a frekvenciaskálán jobbra haladva hasonló lankás szakaszok és zérushelyek ismétlődnek (pl. 92,52MHz, 138,78MHz), de ezek az esetek nekünk soha nem jók! Ezek a felharmonikusok, amikből persze végtelen sok létezik. A mérést a pontosság növelése céljából a zérushely környezetére koncentrálva az alábbi képet láthatjuk.

Ekkor a mérési tartomány, amint látható is 46,5MHz-46,8MHz. Látható, hogy ennél a nagyobb felbontású mérésnél a frekvenciát is pontosabban leolvashatjuk. A helyesebb érték a 46,68MHz. A számolások megkönnyítésére a cikk alján lévő letölthető Excel munkafüzet második (kék színnel jelzett) lapja ad segítséget.

Vegyük tehát példának a fenti ábrát. Ez egy 242 centi hosszúságú, Rosenberger RTK033 típusú kábel mérése során készült. Ez egy 40GHz-ig használható 50 ohmos, 2,92mm átmérőjű kábel, aminek a sebességtényezője 0,8. Nos, a mérésből látható, hogy a keresett zérushely, a 46,68MHz frekvenciánál van. A cikk elején kiszámolandó szám pedig 2-szer 50 ohm szorozva gyök kettővel, azaz 100-szor gyök kettő, azaz 100-szor 1,4142, azaz 141,42. Ezt kell megszoroznunk a sebességtényezővel, azaz a 0,8-cal, majd elosztanunk a frekvenciával, tehát 141,42 x 0,8 / 46,68 az annyi, mint 2,42 méter. A hiba 1 centi, ami kb. 0,5%. Ez szerintem megfelelő.

Vegyünk egy másik példát! Mérjünk meg egy 9 méter 66 centis H-155-ös kábelt! Nem mellékelem az ábrát, csupán az adatokat és a számolást. Mint köztudott, ez a kábel szintén olyan paraméterekkel rendelkezik, mint az iménti vékony fajta. A mért frekvencia 12,01MHz. A kábelhossz tehát 141,42 x 0,8 / 12,01 azaz 9 méter 42 centi. A hiba 24 cm. Ez 2,5% hiba. Más alkalommal történt méréseknél kiderült, hogy a kábelek anyagának tulajdonsága a kábel hosszanti irányában nem állandó. A nagyobb hosszúságnál ez a hiba magyarázat lehet a 2,5%-ra.

Végül vegyük példának a rádióamatőr körökben népszerű RG-58C/U kábelt! AZ előbbi linkre rákattintva látható, hogy a sebességtényező 0,66. Az impedancia 50ohm. A birtokomban lévő kábeldarab esetén a mért frekvencia 58,586MHz. A számolt hossz 141,42 x 0,66 / 58,586 ami annyit tesz, mint 1,59 méter. A valóságban 1,63 méter volt a hossz. A hiba ekkor is 2,5%.

Ha 75 ohmos a kábel, akkor a gyök kettőt (1,4142) 2 x 75-tel, azaz 150-nel kell szorozni!

Nyilván az iménti módszer variálható. Bármelyik adat kiszámolható, ha ismerjük a többit. De nem vagyunk mindig ilyen szerencsések.

Ha gyakran kell mérni ismert típusú, 50 ohmos, 0,66 sebességtényezőjű (pl. RG-58C/U)kábelek hosszát, egyszerűbb felírni magunknak a 93,34 értéket és ezt kell csak mindig elosztani a meghatározott frekvenciával. 0,8 sebességtényező esetén ez az érték 113,14.

A módszer átlagos pontossága 3% alatti. Mi a helyzet akkor, ha nagyobb pontatlanságot tapasztalunk? Az egyik fontos dolog, amire érdemes figyelni, hogy a kábel hogyan csatlakozik a műszerre. Ha van rajta csatlakozó, de a műszeren másik fajta van, akkor toldókat kell használni! A hosszba ezek is beleszámítanak! A másik az, hogy elvileg a műszert kalibrálni lehet arra a szűk frekvenciatartományra, ami a pontosabb méréshez beállításra kerül. Persze ezzel az emberek nem szoktak foglalkozni, megelégszenek a némileg pontatlan méréssel és az esetek többségében igazuk is van. A harmadik ok, hogy a módszer csak akkor pontos, ha a megfelelő impedanciával és sebességtényezővel számolunk. Ez is eltérhet a szokásos kábelfajták értékeitől. Van például egy darab olyan kábelem, ami 65 ohmos, és a sebességtényezője 0,69.

A cikk elolvasása után felmerülhet a gondolat, hogy ha a fázis 0, akkor azon a frekvencián a kábel vége, ahová a műszer csatlakozik, tisztán ohmos. És akkor miért nem mérjük SWR-méréssel? Ehhez, meg kell értenünk, hogy attól, hogy ohmos, attól még az SWR nagyon nagy. A zérushely frekvenciáján az impedancia nem ritkán kilóohmos nagyságú, ami 20:1 SWR-t jelent! Ez használhatatlan a mérésre, kár vesződni vele. Ráadásul 20:1 SWR nem csak ott lehet, ahol tisztán 1k az impedancia, hanem lehetnek képzetes tagok is és az eredő (a komplex szám hossza) 1k... Teljesen zavaros viszonyok teremtődhetnek.

A sebességtényező, impedancia, dielektromos állandó megmérése ismeretlen kábel esetén.

Ehhez nem kell más eszköz, csak egy jó tolómérő, egy collstokk, egy darab kábel, aminek a sebességtényezőjét meg akarjuk mérni és egy kapacitásmérő, ami kb. 1-5 pikofarád pontosságú. Ilyen pontossággal sok digitális multiméter rendelkezik. Először tehát megmérjük a kábel hosszát. Ha azt sem tudjuk, mert spulniban van mondjuk közel 100 méter, akkor vágjunk le belőle egy métert és mérjük meg a kapacitását! Töltsük le e cikk aljáról a számoló Excel táblázatot és írjuk bele a kábelhosszt mm-ben, a kapacitást (a meleg ér és a harisnya közt, de a zárlatot kerüljük el!) pF-ban, a kábel belső (meleg) erének és a belső szigetelőnek a külső átmérőjét! A táblázat ekkor azonnal köpi a fontos adatokat. Ezek birtokában már a spulni kábel hossza is könnyedén meghatározható. A dielektromos állandó értékéből talán következtethetünk a szigetelés anyagára. Ebből az átütési szilárdságra, illetve a szállítható teljesítményre... De ezek kiszámolása már egy másik cikk témája lenne.

A kábelek hossza egy 5% kitöltési tényezőjű négyszöggenerátor és egy oszcilloszkóp segítségével is mérhető lenne, csak sokkal kisebb pontossággal. Ez a késleltetéses módszer, vagy angolul Time Domain módszer. Gyors mikrovezérlővel a pontosság és a mérés gyorsasága jelentősen növelhető. Kábelmérő kézikészülék könnyedén gyártható így.

Az impedancia pedig leolvasható a négyszögjel nagyságából, ha a mérendő kábel egy ellenállásosztó alsó tagja. Pl. ha a generátor 50 ohmon át táplálja a kábelt, a kábelen 50 ohm impedancia esetén fele nagyságú lesz csak a négyszögjel nagysága a generátoron mérthez képest...

A kábel hosszának meghatározását persze jóval egyszerűbben is megejthetjük, ha a kábel egy kis darabjának kapacitását megmérjük és utána az egész spulni kábel kapacitását is (arra alkalmas Digitális Multiméterrel). Aztán a két adatból helyesen felírt aránypárral viszonylag pontosan megkaphatjuk a keresett hosszt.

Sok sikert a mérésekhez!

 

 

 

 

Attachments:
Download this file (Coax_Impedance_Calculator.xlsx)Coax_Impedance_Calculator.xlsx[A számolásokat végző Excel munkafüzet.]6 kB
We use cookies

We use cookies on our website. Some of them are essential for the operation of the site, while others help us to improve this site and the user experience (tracking cookies). You can decide for yourself whether you want to allow cookies or not. Please note that if you reject them, you may not be able to use all the functionalities of the site.