Bird 43 EF04.2005

Eccomi oggi a parlare del più diffuso wattmetro passante bidirezionale del pianeta: il Bird 43 (e derivati)

Già, ma che cos’è un “wattmetro passante bidirezionale?”

Senza voler annoiare i molti che gia hanno le idee chiare in merito, rivediamo velocemente le definizioni…

Anzitutto un wattmetro è uno strumento capace di misurare la potenza, in questo caso a radiofrequenza.

Si chiama passante quel wattmetro che s’inserisce lungo la linea di trasmissione, fra generatore e carico; misura quindi la potenza che lo “attraversa” E’ l’opposto del “wattmetro ad assorbimento”, che invece si monta in fondo ad una linea e misura invece la potenza in ingresso.

Quando poi, è capace di misurare la potenza nei due versi di percorrenza della linea, ecco l’attributo bidirezionale.

E’ forse lo strumento più diffuso nelle stazioni CB e radioamatoriali, sia per monitorare la potenza trasmessa, sia per controllare lo stato dell’antenna (il famigerato ROS).

Ve ne sono molti tipi per tutte le tasche, cercheremo oggi di vedere quali sono le ragioni del motivato ed universale successo di questo modello prodotto ormai da decenni dalla Bird.

Anzitutto una descrizione sommaria dell’oggetto.

Il wattmetro è racchiuso in un elegante e robusto contenitore in fusione d’alluminio. Un’ampia maniglia di pelle n’agevola il trasporto. Lateralmente troviamo i connettori, intercambiabili fra diverse serie e due sedi per elementi di misura di scorta. Frontalmente il microamperometro montato su supporti antivibranti e più in basso, l’alloggiamento per l’elemento di misura: il famoso “tappo” (o slug all’americana)

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Facciamo anzitutto un paragone di prestazioni con il classico ros-wattmetro amatoriale:

ros-wattmetro amatoriale

Bird (43 e derivati)

Contenitore

plastica

fusione di alluminio

Posizione di lavoro

unica e definita

qualsiasi

Range di frequenza

HF, o VHF, o UHF

450 kHz 2700 MHz

Portata

10 – 1000W nei modelli top

100mW…10 kW

Precisione

5-15%

< 5%

Direttività

15-20 dB

>25 dB, typ: 30 dB

ROS

Typ. 1.2:1

<1.05:1

Connettori

PL, N (solo le versioni UHF)

PL, N, 7/16

  • Contenitore: quello del Bird è veramente robusto ed anche se è meglio non “prenderlo a calci” o farlo cadere volutamente, è in grado di garantire lunghi anni di servizio anche in uso portatile, esterno, mobile. Quelli amatoriali sono generalmente in plastica ed idonei solo per un uso interno, senza troppi… “traumi”.

  • Posizione di lavoro: il Bird può lavorare comune disposto: verticale, sdraiato, “a testa in giù..”, mentre il prodotto amatoriale di solito non consente questa libertà…

  • Range di frequenza: il Bird 43 può misurare potenze dalle onde lunghe fino alle microonde, scegliendo opportunamente l’elemento sensibile. Strumenti amatoriali di solito si limitato a coprire una banda, tipo HF, 144MHz, 430 e simili….

  • Portata: secondo l’elemento di misura può andare da solo 100mW fondo scala a ben 10 kW! A livello amatoriale c’è poco da scegliere… spesso il fondo scala è fisso, oppure copre al massimo un paio di decadi (i.e. 10-100-1000W)

  • Precisione: il Bird è un vero strumento di misura ed offre una precisione sempre inferiore al 5% del fondo scala. Le versioni amatoriali, vanno in genere da un 15-20% delle più economiche fino al 5% dei modelli top.

  • Direttività: poiché si tratta di un “wattmetro direzionale” è uno dei parametri più importanti. Indica la “insensibilità” della lettura alla potenza in transito nel verso opposto a quello di misura. Se durante le nostre misure il ROS fosse sempre nullo, sarebbe un parametro inutile, ma dato che si tratta di utopia… meglio tenerne conto. Il Bird offre un eccellente 25 dB, mentre soluzioni amatoriali arrivano a 15-20 dB. Per molte misure possono bastare ma in talune situazioni si possono commettere errori grossolani.

  • ROS: è il disadattamento provocato dal wattmetro stesso sulla linea nella quale è inserito. Anche qui “non c’è storia”…. il Bird esibisce un rassicurante 1.05 su tutta la banda di frequenza, merito dei connettori e soprattutto della elevata precisione meccanica interna. Il nostro prodotto amatoriale difficilmente si avvicina.

  • Connettori: il Bird ha la possibilità di intercambiarli fra molte serie quali: N, HN, C, UHF, 7/8EIA, BNC, LC, LT, TNC, tutti sia nella versione maschio sia femmina, adattandosi così a quelli della linea sotto misura. I prodotti amatoriali al 95% usano gli UHF, alcuni i N e in ogni modo non è possibile cambiarli dopo l’acquisto.

Noti ora i punti di forza del prodotto, vale la pena soffermarsi un attimo sulle soluzioni tecniche utilizzate per realizzarli.

Range di frequenza: la sua enorme ampiezza è giustificata dalla possibilità di sostituire l’elemento di prelievo e misura. Al variare della frequenza è così possibile disporre di un sistema sempre ottimizzato.

Portate fondo scala: valgono le considerazioni fatte sopra, sulla disponibilità di elementi ottimizzati secondo il livello di potenza da leggere.

Precisione: “figlia” delle voci appena esposte e della accurata costruzione generale (fra cui il microamperometro!).

Direttività: qui le cose si complicano un attimo. Vediamo di spiegare in dettaglio come e perché raggiunge valore così elevati.

Ecco uno schizzo, preso dal manuale originale che evidenzia le varie parti coinvolte nella misura:

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Ogni “tappo” di misura contiene un elemento di prelievo ed un raddrizzatore. L’elemento di prelievo (simile ad un pezzetto di filo rigido) è accoppiato alla linea passante sia capacitivamente sia induttivamente. La corrente in esso generata per effetto di mutua induzione scorre nello stesso verso della potenza in transito. La porzione capacitiva, ne è invece indipendente. Applicando quindi un po’ di algebra, accade che analizzando il circuito in un verso le due componenti si sommino (e quindi si parla di potenza incidente), mentre nel verso opposto si sottraggano (potenza riflessa). Bilanciando opportunamente i componenti del circuito di prelievo, è possibile ottenere un quasi perfetto annullamento delle componenti sensibili all’onda riflessa. Questa si chiama direttività.

ROS: dipende principalmente dall’accuratezza costruttiva. Nel caso del Bird, la linea passante è costituita da una raffinata linee coassiale in aria, realizzata con strette tolleranze meccaniche.

Spendiamo ora qualche parola sugli elementi di misura.

Come detto, determinano il fondo scala ed il range di frequenza dello strumento.

Sostanzialmente ne esiste una serie “standard” per impieghi generali ed una speciale per usi specifici.

I tappi della serie standard, hanno una codifica come da tabella seguente:

tipo

Banda MHZ

Potenza fondo scala [W]

5

10

25

50

100

250

500

1000

2500

5000

H

2- 30

50H

100H

250H

500H

1000H

2500H

5000H

A

25 – 60

5A

10A

25A

50A

100A

250A

500A

1000A

B

50 – 125

5B

10B

25B

50B

100B

250B

500B

1000B

C

100 – 250

5C

10C

25C

50C

100C

250C

500C

1000C

D

200 – 500

5D

10D

25D

50D

100D

250D

500D

1000D

E

400 – 1000

5E

10E

25E

50E

100E

250E

500D

1000D

Si può facilmente notare come il numero del modello indichi la potenza di fondo scala, mentre la lettera seguente, la banda di frequenza d’utilizzo.

Oltre a questa serie, altre tre sono disponibili per esigenze particolari:

Elementi da 1 e2.5W, da 60 a 960 MHz in 60 bande

Elementi da 1, 2.5, 5, 10, 25 W per le bande: 950-1260 MHz, 1100-1800 MHz, 1700-2200 MHz, 2200-2300 MHz

Elementi da 1, 2.5, 5 e 10 kW da 0.45 a 2.5 MHz

Ritornando alla serie più comune, si nota come tutti gli estremi della banda di frequenza di ogni tappo stiano nella proporzione 2,5:1 e che la sequenza dei fondo scala segua la legge 1:2,5:5 che permette un’ottima visualizzazione sullo strumento.

Una delle critiche più comuni, è l’elevato onere di tappi richiesto per coprire tutte le banda amatoriali. Vediamo come è possibile 2 risparmiare qualcosa….

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Quella riportata in figura (sopra), è la risposta in frequenza di 3 tappi di diversa potenza, tutti nominalmente impiegabili da 100 a 250 MHz (area verde).

Al di fuori dell’area verde, il degrado di precisione è lento e meno significativo per tappi di elevata potenza. Il 10W ad esempio è usabile da 70 a 400 MHz, il 100 W da 40 a 450 MHz, il 500 W da 25 a 900 MHz.

Simili proporzioni possono essere prese anche per le altre serie, avendo cura di “normalizzare” le frequenze sul grafico.

ESEMPI d’USO

Dopo aver chiarito il come ed il perché, eccomi arrivati alla parte dedicata al cosa e come.

L’utilizzo più diretto ed immediato dello strumento è ovviamente quello di wattmetro.

In questo caso va inserito lungo la linea, tra trasmettitore e carico. Occorre poi inserire un tappo idoneo alla potenza massima da misurare ed alla banda di frequenza usata. L’elemento di misura deve essere girato colla freccia indicante il carico, cioè il verso della potenza che vogliamo misurare. Si accende quindi il trasmettitore e si legge la potenza sulla scala corrispondente. E’ tutto.. semplice fin qui..

Vediamo ora come comportarsi nel caso si voglia misurare il rapporto di onde stazionare su una linea, noto anche come ROS, Retun loss, SWR. Tutto come sopra, ma dopo aver annotato la misura “diretta” ad esempio 100 W, gireremo il tappo colla freccia nell’altro verso e ripeteremo la misura, ottenendo magari 20W. Dal rapporto (= 20%) dei due numeri letti, ricaveremo il ROS come da tabelle.

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Le cose potrebbero diventare un po’ più complicate nel caso di misure su linee con basso rapporto di onde stazionarie. In quel caso infatti, la misura della potenza “riflessa” potrebbe essere prossima all’inizio scala e quindi di difficile valutazione. In queste situazioni, è possibile cambiare tappo, ed usarne uno più sensibile. Vediamo un esempio: supponiamo di avere un trasmettitore da 100 W che alimenta un carico con un return loss di –13dB (VSWR pari a 1.6). Decido ovviamente di usare un tappo tipo 100x. Nella prima misura, questo porterà lo strumento a fondo scala. Nella misura inversa, quando il livello di potenza è prossimo a 5W, sarà molto dura veder muovere l’indice dello strumento. Posso quindi utilizzare un tappo da 10x per fare questa lettura. L’indice si sposterà verso centro scala e tutto sarà semplice, veloce e preciso. ATTENZIONE: occorre agire con cautela in questa situazione onde evitare di inserire erroneamente il tappo (verso sbagliato) e quindi misurare i 100 W con l’elemento da 10! I danni sono certi. Per questo motivo di sicurezza è quindi caldamente sconsigliato spingere oltre il rapporto 10:1 questa pratica.

Un altro uso, forse meno noto è di misurare le perdite di una linea. Esistono fondamentalmente due modalità operative.

Prima possibilità: collego il Bird fra trasmettitore e linea. Misuro la potenza “in partenza”, diciamo i soliti 100W. Spengo tutto e sposto il Bird in fondo alla linea, in prossimità del carico e ripeto la misura, ottenendo magari 80W. Il rapporto fra la potenza “in partenza” e quella “in arrivo” mi indica le perdite del cavo, usualmente poi espresse in dB. In questo esempio quindi 10*Log = – 1dB. La loro differenza (20W) indica invece quanta potenza la linea dissipa in calore (irradiamento trascurato).

Nel caso di perdite basse, può essere difficile valutare differenze di lettura su valori prossimi. Ecco quindi che può risultare vantaggioso il prossimo metodo.

Seconda possibilità: come sopra collego il Bird tra trasmettitore e linea, che questa volta non collego al carico ma lascio aperta (o in corto). Attenzione: in questa modalità il trasmettitore vedrà un carico molto disadattato e quindi valutare a priori se il fatto è tollerabile in sicurezza. Senza spostare il wattmetro, faccio le due misure di potenza, diretta e riflessa; in questo caso 100 e 65 W. Il loro rapporto indicherà il doppio delle perdite della linea in questione, che anche in questo caso valgono: *Log = 1 dB. E’ quindi un metodo che “amplifica” la sensibilità dello strumento alle basse perdite.

Bene, anche per oggi siamo arrivati in fondo. Spero di aver fatto un po’ di luce e chiarezza sui motivi di cotanto successo del Bird 43 ed averne suggerito qualche buon utilizzo. Quindi… buon lavoro!

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