Ekstrakcja indukcyjności bądź pojemności z pliku S1P Użycie VNA do pomiarów cewek i kondensatorów

Nie dorobiłem się nigdy przyzwoitego w moim mniemaniu mostka RLC. Takie, na które mnie stać nie oferują mi wartości dodanej, gdyż pracują na częstotliwościach które mnie nie interesują. Na takie które potrafią pracować na częstotliwościach mnie interesujących mnie nie stać. Ale pojawia się czasami potrzeba dokładnego określenia indukcyjności i dobroci cewki. Potrzebuję aktualnie zmierzyć wpływ ekranowania cewki na jej parametry (L, Q), aby na podstawie takiego prostego modelu skorygować parametry syntezowanego modelu pasywnego układu w którym zastosuję tę cewkę. Nim przystąpię do zasadniczego zadania postanowiłem stworzyć sobie "wehikuł" matematyczny w postaci arkusza kalkulacyjnego, który to zadanie mi ułatwi. Pomiaru postanowiłem dokonać za pomocą wektorowego analizatora obwodów. Po fixturingu i kalibracji zapiszę plik *.S1P obejmujący interesujący mnie zakres częstotliwości i z niego wyekstrahuję indukcyjność i dobroć. Aby przebadać słuszność założeń nawinąłem na szybko cewkę z rdzeniem powietrznym, 6 zwojów drutu miedzianego 1,5 mm^2 na średnicy ~5 mm i przylutowałem do gniazdka SMA. Jest to próba mająca potwierdzić słuszność założeń, więc jako nieistotne uznałem przesuniecie płaszczyzny kalibracji i pominiecie deembedingu. Przy przeprowadzeniu docelowego pomiaru kiedy będę miał na biurku płytkę obudowę i docelowe cewki oczywiście tego nie zaniedbam. Pomiaru dokonałem za pomocą jednego portu, czyli mierzyłem impedancję układu szeregowego RL pomiędzy portem 1 a masą, gdzie L reprezentuje indukcyjność a R straty mające wpływ na dobroć. Rachunków dokonałem w Libre Office z zastosowaniem rachunków na liczbach zespolonych. Wiadomo jak wygląda na wykresie Smitha cewka. Część rzeczywista zespolonej impedancji reprezentuje rezystancję natomiast część urojona reaktancję indukcyjną. Wynik zapisałem z postaci pliku *.S1P i zaimportowałem do arkusza. http://www.procontrol.home.pl/pawel/pomiary_indukcyjnosci/Extraction.xls Zawartość pliku *.S1P należy wkleić w trzech pierwszych kolumnach. W zależności od ustawień językowych może być konieczna zamiana kropek na przecinki. Pierwsza kolumna to częstotliwość (w GHz), druga gamma (wartość bezwymiarowa), trzecia to faza w stopniach. W polu F3 należy wpisać impedancję wzorcową do której odnoszą się pomiary parametrów rozproszenia (domyślnie 50 OHm). Ponieważ arkusz może służyć do analizy cewek, rezystorów i kondensatorów na podstawie przebiegu ich impedancji w zależności od częstotliwości w polu F2 wpisujemy wartość rezystancji rezystora o ile analizujemy rezystor. Pozwala to w kolumnie "O" odczytywać stosunek modułu impedancji do rezystancji rezystora. Przy pomiarach cewek i kondensatorów ta kolumna jest nieistotna. Kolumny H i J rozkładają S11 na część rzeczywistą i urojoną. W kolumnie J tworzona jest wartość zespolona S11. W kolumnie K obliczana jest impedancja zespolona. W kolumnie L wyznaczana jest zespolona impedancja układu, a kolumny M i N to faza tej impedancji w radianach i stopniach. Dalej wspomniana wcześniej kolumna O istotna dla rezystorów. Kolumna P to część rzeczywista impedancji czyli rezystancja a kolumna Q to część urojona czyli reaktancja (pojemnościowa bądź indukcyjna). W kolumnie R na podstawie reaktancji i częstotliwości wyznaczana jest indukcyjność w Henrach dla cewek i rezystorów (pomijana dla pomiarów kondensatorów). Kolumna S to indukcyjność w nH. W kolumnie T wyliczana jest dobroć cewki jako stosunek reaktancji do rezystancji. Kolumny U, V, W to w przypadku pomiaru kondensatora pojemność w F, pojemność w pF i stratność kondensatora (tangens kąta strat) jako stosunek rezystancji do reaktancji. Oczywiście kolumny U, V, W do pominięcia jeśli analizujemy rezystor bądź cewkę. Wyniki wyglądają w mojej opinii sensownie. Jakie ograniczenia ma taka metoda pomiaru? Przede wszystkim VNA dobrze i dokładnie radzi sobie z impedancjami niezbyt wiele różniącymi się od jego wzorcowej impedancji. Szacuję, że z dużym poziomem ufności można traktować wyniki pewnie gdzieś do 500 Ohm. W tym wypadku to jak najbardziej w zakresie zastosowania tej cewki. Tej wielkości cewka ma zastosowanie w układach pewnie w zakresie 50-150 MHz, gdzie moduł jej impedancji zmienia się od 20 do 80 Ohmów. Prosty model bez innych elementów pasożytniczych sprawdza się daleko od rezonansu własnego ale do takiego zastosowania mi tutaj był potrzebny. A może ktoś się pokusi o wykonanie podobnych pomiarów za pomocą jakiegoś prostego VNA (nano...)? Jakie są granice zastosowania jego układu pomiarowego jeśli chodzi o zakres impedancji? Gdzieś chyba widziałem w którymś programie obsługującym proste VNA wprost kursor odczytujący indukcyjność czy pojemność. Zresztą można nie liczyć tego w arkuszu tylko spojrzeć na kursor na wykresie Smitha gdzie wprost mamy podaną rezystancję, reaktancję i częstotliwość czyli cały prosty model elementu. Wystarczy wyliczyć pojemność czy indukcyjność z reaktancji i częstotliwości, co było chyba nawet w podstawowym kursie fizyki w zakresie szkoły średniej.

  PRZEJDŹ NA FORUM