Quale potenza misurano i wattmetri?

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Quale potenza misurano i wattmetri?

Messaggio: #42791 IW5AFV
25/01/2024, 19:06

Buonasera, in questi giorni mi sono divertito a trasformare un wattmetro HP202 della Zetagi, che funziona solo a 27MHz, in uno adatto a funzionare in tutta la banda HF da 1 a 30MHz.
Questi apparecchi hanno lo strumento ad aghi incrociati che misura direttamente il ROS, e si possono trovare ai mercatini a 20 Euro. Per farlo funzionare in HF ho usato il circuito "Tandem match" che usa due trasformatori toroidali al posto della linea accoppiata montata nell'originale. Questo circuito si trova diffusamente in internet, ma se a qualcuno interessa si può approfondire l'argomento.
Provato con in NanoVNA funziona come una scheggia, con una direttività migliore di 30dB tra 2 e 30MHz, quindi tutto OK, ma.....
Ma facendo le tarature della potenza riflessa ho notato che mentre la potenza riflessa variava a seconda del valore del ROS, quella della potenza diretta rimaneva pressochè costante. Come mai? Lo strumento non funziona bene?
E no, lo strumento funziona bene, sono io che funziono male e dopo 50 anni che traffico con la radio frequenza non avevo focalizzato il funzionamento dello strumento.
E pensando che possa essere utile anche per gli amici che come me non l'avevano capito, provo a spiegarlo.
Preciso che i bolometri ed i wattmetri a termocoppia non hanno questo problema perchè in base al calore misurano la potenza assorbita dal carico, o dall'antenna.
I wattmetri ad accoppiatore direzionale, sia quelli fatti con le linee accoppiate o con i trasformatori, con il detector che pilota il milliamperometro, NON misurano la potenza assorbita dal carico, ma la potenza dell'onda diretta e dell'onda riflessa separatamente. Il meccanismo per il quale si può separare la tensioni dell'onda diretta da quella dell'onda riflessa si basa sul fatto che mentre la corrente dell'onda diretta è in fase con la tensione diretta, la corrente dell'onda riflessa è in controfase con la tensione riflessa.
La potenza che viene assorbita dal carico è la differenza tra la potenza diretta e la potenza riflessa, quindi quando si vuole misurare la potenza che va in antenna bisogna sottrarre la potenza riflessa dalla misura di quella diretta.
Se l'antenna è ben adattata si può evitare questo calcolo, ma se ad esempio l'antenna ha un ROS di 2:1, quando misuro 100W di potenza diretta in antenna ne vanno solo 89, e con un ROS di 3:1 ne vanno solo 75.
I wattmetri ad accoppiatore direzionale sono tutti quelli montati sugli apparati, e la maggior parte di quelli commerciali, tipo il Daiwa o il Bird.

Paolo IW5AFV

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Re: Quale potenza misurano i wattmetri?

Messaggio: #42796 IK0MOZ
26/01/2024, 19:05

Grazie Paolo, ancora un interessante post. Per capire : Io ho un Rosmetro Diamond dove posso leggere sia la Potenza diretta che quella riflessa e ho sempre creduto che la potenza diretta indicata era quella emessa. Invece se leggo bene non è cosi. In pratica la potenza effettiva in antenna si ottiene sottraendo la potenza riflessa indicata a quella diretta. Seguendo il tuo discorso ora mi sembra logico, ma francamente non ci avevo mai pensato. Ti prego confermare se ho ben capito.
In aggiunta anche io ho un Wattmetro ex CB e vorrei poterlo modificare come hai fatto tu, se ci dai i dettagli e cosa fare sarebbe cosa buona e utile. Mario
ImmagineImmagine # ARO 301/0Immagine WS 19 Group # 15 Mario IK0MOZ

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Re: Quale potenza misurano i wattmetri?

Messaggio: #42799 ik4jol
26/01/2024, 21:46

E così ha ragione Paolo, per sapere le perdite in un accoppiamento linea-carico l importante e quanto si cede in termine di energia a fronte di quella generata e la differenza ti quale sia la resa complessiva.
Per molti giovani OM e fuorviante (e lo sento dire da un sacco di pivellini) che il loro apparato non tira fuori potenza se hai del ROS,in realtà e l'amenicolo asiatico il cui circuito finale di potenza va in protezione.
Paolo ci posti il circuito che hai fatto,piu che altro per farte confronti con altri,di questi rosmetri economici ne ho già modificati diversii sia con singolo strumento che con quelli ad aghi incrociati(by Borgia) con risultati soddisfacenti,usando la linea a 3 toroidi che pubblicò Nuova elettronica...30 anni fa circa, peccato però che dopo i 250/300watt i 2 toroidini di ritorno cominciano a scaldare e se sali a 60dbm....fumano
Mendes
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Re: Quale potenza misurano i wattmetri?

Messaggio: #42803 IW5AFV
28/01/2024, 15:22

Mario, si è proprio così. La potenza che va in antenna è la differenza. Domani vi faccio vedere come ho modificato lo Zetagi.

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Re: Quale potenza misurano i wattmetri?

Messaggio: #42804 IW5AFV
29/01/2024, 22:19

Il wattmetro HP202 modificato.
La modifica si basa sulla sostituzione dell’accoppiatore a linee montato sullo HP202, che è a banda stretta, con un accoppiatore direzionale a trasformatori che ho realizzato a partire dall’articolo https://michaelgellis.tripod.com/direct.html . Su internet si trovano varie realizzazioni di questo accoppiatore, come questo in italiano https://www.ariroma.it/docs/projects/ros_tor.pdf
In pratica si usano due trasformatori toroidali uguali, con una spira sul primario ed N spire sul secondario. Sul primario di un trasformatore passa il cavo che dal trasmettitore va all’antenna, sul primario dell’altro trasformatore escono da un lato la tensione dell’onda diretta e dall’altro quella dell’onda riflessa. I secondari dei trasformatori sono collegati in modo che su una porta esca solo la tensione diretta, e sull’altra solo quella riflessa (perché la corrente dell’onda riflessa è in controfase con la tensione).
Il rapporto spire, in pratica N, determina il valore dell’accoppiamento con le due porte.
Se ad esempio il rapporto spire è 10, la tensione su ciascuna porta è 1/10 di quella che transita sul cavo di antenna, e di conseguenza la potenza è 1/100: la potenza accoppiata è un centesimo.
In dB, l’accoppiamento è 20Log1/N, in questo caso -20dB.
Le porte di uscita delle tensioni diretta e riflessa vanno terminate sulla impedenza caratteristica del sistema, che normalmente è 50Ω.
In pratica il circuito utilizzato è il seguente:
Schema completo.jpg

Le tensioni RF presenti sulle porte sono raddrizzate da un diodo al germanio, ad esempio un OA91, o quello tolto dal vecchio circuito (ma se il segnale è alto può essere utilizzato anche uno al silicio, tipo 1N4148) e vanno ai due milliamperometri attraverso dei reostati di valore opportuno in base alla corrente dei milliamperometri.
Per dimensionare il rapporto spire bisogna considerare la potenza dell’apparato che si vuole monitorare.
Io ero interessato a misurare potenze fino a 100W, quindi ho usato solo due portate di fondo scala: 10 e 100W, quindi ho usato un rapporto 16, che in dB corrisponde ad un accoppiamento di 24dB.
Quando la potenza è 100W, la tensione su 50Ω è circa 71V efficaci, circa 100V di picco. La tensione accoppiata è circa 6.2V di picco; con 1W è circa 0.62V quindi in un range adatto per un diodo al germanio che ha una soglia intorno a 0.3V. Se la potenza da misurare fosse 1KW, forse sarebbe più opportuno usare diodi al silicio, oppure diminuire l’accoppiamento a 30dB. Bisognerebbe fare delle prove perché magari poi avremmo errori di misura a potenze basse.
C’è da considerare che la scala di quasi tutti gli strumenti che raddrizzano una tensione RF per misurare una potenza non sono lineari, perché il diodo lavora in un tratto di caratteristica tra esponenziale e lineare, e le scale sono fatte ad hoc.
Comunque questa è la mia realizzazione.
Secondo HP modificato.jpg

Ho usato due nuclei ad alta permeabilità, 21mm di diametro e 12mm di spessore. Il cavo di antenna è un RG58, che realizza il primario di un trasformatore. La calza va collegata a massa da un solo lato, altrimenti fa una spira in cortocircuito. Il primario del secondo trasformatore è quel filo bianco, ai cui estremi sono collegate due resistenze da 100Ω 1/4W in parallelo per realizzare i 50Ω, e l’anodo dei diodi.
Sul catodo dei diodi un condensatore da 10nF filtra la RF.
I diodi presentano una certa capacità che disadatta leggermente le terminazioni; per renderla trascurabile si potrebbe utilizzare un partitore resistivo a pigreco prima del diodo, ma io non l’ho ritenuto necessario per le misure in HF.
Ho svuotato il circuito di controllo collegato al commutatore di cambio scala lasciando solo i reostati che mi servivano.
Prima di montare l’accoppiatore sullo strumento, ho collegato le 4 porte dell’accoppiatore a 4 connettori BNC e quindi al NanoVna nel seguente modo:
1. Alla porta CH0 l’ingresso TX
2. L’uscita antenna ad una terminazione a 50Ω (e successivamente a carichi con ROS noto)
3. la porta CH1 all’uscita diretta e l’uscita riflessa ad una terminazione a 50Ω
4. in alternativa alla posizione 3, CH1 sulla riflessa e l’uscita diretta terminata.
Qui si vede il risultato nelle condizioni 1,2 e 3. L’adattamento del ramo TX- Antenna (S11) è perfetto (a 14MHz è circa 30dB, cioè circa 1.06), e sull’uscita diretta (S21) l’accoppiamento è -24.3dB.
Diretta.png

Qui si vede il risultato nella condizione 1,2 e 4. L’accoppiamento sulla uscita riflessa (S21) è circa -57dB perché l’uscita TX è adattata. La differenza tra -24dB e -57dB, cioè 33dB rappresenta la direttività dell’accoppiatore direzionale, che è eccellente.
Riflessa new.png

Per verificare il ROS bisogna collegare la porta TX ad un carico di cui conosciamo il ROS. Io l’ho fatto collegando alla porta due carichi da 50Ω in parallelo con un T BNC. Ne deriva una resistenza di 25Ω che produce un ROS di 2:1 (la stessa cosa si otterrebbe con una resistenza da 100Ω), ed infatti il NanoVna (condizione 1,2 e 4) segna S11 di -11dB e -35dB di S21 sulla uscita riflessa. Con un ROS di 3:1, fatto con una resistenza da 150Ω, si deve ottenere un S11 di -6dB ed un S21 di -30dB.
Quando lascio aperta la porta TX l’uscita riflessa va a -24dB, ma se mi sposto in condizione 1.2 e 3 l’uscita diretta misura ancora circa -24dB, segno evidente che si sta misurando la potenza diretta, non quella che va in antenna. A questo punto ho verificato che l’accoppiatore funziona.
Montato sullo strumento, ho generato 10W con un apparato, ho controllato con uno strumento affidabile i 10W (io uso il Rigol + attenuatori) ed ho tarato il reostato della potenza diretta per il fondo scala di 10W.
Quindi ho collegato il carico con ROS di 2:1 ed ho regolato il reostato della potenza riflessa per una lettura di 1W.
Poi ho generato 100W ed ho tarato il reostato della diretta per il fondo scala di 100W, e poi con il carico di ROS 2:1 ho regolato la riflessa per una lettura di 10W.
A questo punto il wattmetro è tarato.
Ultime informazioni.
Io ho usato dei toroidi recuperati da un amplificatore per la risonanza magnetica, ma quelli Amidon di materiale 43, che hanno una permeabilità di 850, dovrebbero andare altrettanto bene. Per gli avvolgimenti va bene un filo smaltato da 0.5mm di diametro. Per potenze di 1KW suggerirei di usare nuclei più grossi.
Paolo IW5AFV
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Re: Quale potenza misurano i wattmetri?

Messaggio: #42913 ik4jol
29/02/2024, 9:57

Ciao Paolo torno un po in ritardo sul tuo articolo e pubblicazione del prototipo che hai realizzato,direi che il risultato e ottimo.
Al momento sto provando a realizzarne uno che mi possa reggere una potenza di prova piu elevata,(non come quello di F1FRV),ho seguito la tua strada ma con toroidi in ferrite di diametro elevato 27,5mm esterno e 14,5mm interno la ferrite e F8H04190,le spire sono 17 con filo smaltato da 1,5mm giuste giuste per serrare un pezzo di cavo passante Rg214
le due linee saranno schermate tra loro e chiuse su due paralleli di resistenze antinduttive per una dissipazione di 10watt a ramo.
Conto di usare diodi al germanio 1N270 due in serie per un Vrev di 200volt che e circa la meta della tensione di picco a 10 watt.
Non escludo anche di provare con dei BAT48 impiegati nei precedenti strumenti o dei BAS11 che se anche un po duri hanno una V di 300v e ottima tenuta di corrente,peccato sia piu alta la capacita di giunzione.
Mi servirà ancora un po di giorni poi proverò a postare il risultato.
Mendes.
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Re: Quale potenza misurano i wattmetri?

Messaggio: #42920 ik4jol
29/02/2024, 18:15

Faccio un aggiornamento all avanzamento lavori, le linee le ho montate e fatto i collegamenti,ho solo limitato la potenza di carico delle 2 resistenze a 2 watt quindi lettura in sicurezza fino a 3/400 watt.
Il gingillo funziona egregiamente, i diodi raddrizzatori ho usato dei BAT48 ,perche quelli al germanio non erano un granchè lineari al cambiare della frequenza,i BA481 e i BAS11 per prove future
Le prove iniziali, 2 strumenti separati,potenza 10 o 100watt lettura di riferimento sul testset 4040 stabilock
Nel range da 3 a 30 mhz,scartamento sul fondoscala di al massimo 3/4 watt da 1,9 a 50 e un po piu marcato 5/7 watt ma su 100 di fornitura
Il ros e in linea con le aspettative usando carichi fittizi a 100 e 25 ohm
Problemi
Il primo, meno importante il potenziometro doppio da 22k ohm e instabile cattiva qualità
Il secondo piu serio, ho del SWR residuo anche su carico perfetto,la colpa ipotizzo sia della linea che e piuttosto lunga,avendo usato la culatta con bocchettoni gia montati di un vecchio strumento,presumo che:con una linea piu corta di meno della metà il risultato sia migliore,visto anche l accentuarsi verso le frequenze piu alte
La schermatura tra i due toroidi con frapposta parete di alluminio va bene nessun innesco e effetto mano,da valutare la posizione dei toroidi lungo la linea, al momento sono centrati.
Alcuni spunti li ho tirati giu dal sito di David Stockton G4ZNQ
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Re: Quale potenza misurano i wattmetri?

Messaggio: #42923 ik4jol
01/03/2024, 21:02

Allego foto della realizzazione ,un po spartana come di solito mi vengono.
Riprovato a fare modifiche minimali ma la sostanza non cambia,mi permane il dubbio sulla lunghezza della linea,circa 8cm-
Aggiungo in foto il prossimo che intendo montare,usando un paio di tubolari in ferrite e cavo linea RG142, diminuendo le dimensioni del tutto,limitando la potenza a non piu di 60dbm,sperando che lavori meglio.
Il secondario lo faro con del filo smaltato con diametro 0,6mm,e inserendo 18 spire,la presa da pannello e per dare l idea delle dimensioni
Poi si vedrà
Mendes
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Re: Quale potenza misurano i wattmetri?

Messaggio: #42924 IW5AFV
01/03/2024, 21:27

Ciao Mendes, vedo che non hai perso tempo.
Per quanto riguarda il ROS, non penso che sia colpa della lunghezza della linea dove transita la potenza che dal TX va in antenna.
Se lo hai provato con il nanovna o con un altro VNA prima di collegare le resistenze ed i diodi ed il ROS misurato con la porta di antenna terminata era buono, diciamo sotto 1.1:1, allora l'accoppiatore funziona, e la colpa è della capacità introdotta dai diodi. Ma puoi risolvere il problema utilizzando al posto delle due resistenze da 100 Ohm un partitore resistivo che isoli i diodi ma che faccia vedere ancora 50 Ohm alle porte di uscita.
Se invece le misure con il nanovna ti danno un ROS brutto allora il problema potrebbe essere dovuto al tipo di nuclei utilizzati.
Paolo

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Re: Quale potenza misurano i wattmetri?

Messaggio: #42925 ik4jol
02/03/2024, 20:11

Hai ragione da vendere dovro fare un po di misure con il vna (Kc901) che però ancora non sono bravo a usare agevolmente.
Il partitore a resistenze ,non mi e chiaro mi deve consentire di prelevare la rf non direttamente ma disaccoppiando il diodo dalla sorgente?
In questo caso huum...potrei mettere per prova una resistenza da 47ohm in serie a una da 5,6 e prelevare al centro con quella da 5,6ohm verso massa?
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