Mikko Rihlaajan uusin RF-novelli: Mietelmiä ILMAISUSTA -------------------- Siitä ja Sen suurudesta ----------------------- Niin se on; emme me mikroaaltoilevat radioamatöörit (tai "Gigattajat", kuten OH2DV:n XYL asian ilmaisee) ole HF/VHF/UHF-hameja ihmeellisempiä. Mekin vietämme paljon aikaa debatoiden Siitä ja Sen suuruudesta: tehosta. Tai lainakseni erästä Tehon asiantuntijaamme, Penttiä, OH3BK:ta: Leistung macht Spass und Spannung macht Lichbogen (vapaasti käännettynä: "Teho tekee eetvarttia ja jännitteestä syntyy valokaaria"). GHz-keskustelufoorumi --------------------- Ja niinpä käytiin tässä päivänä eräänä kovaa keskustelua ja muistelua järeistä tehoista myös tuolla eräällä kansainvälisellä sähköposti- keskustelulistallakin. Kuten kaikki tiedämme, tie gigattajaksi vie käymällä ensin siellä HF:llä toteamassa tilanne, Tämän jälkeen siirrytään hiljalleen taajuudessa ylöspäin, kunnes päädytään tyypillisesti jonnekin VHF-SHF-akselille (300 - 3000 MHz). Joillekin tämäkään ei riitä... Niinpä tälläkin mainitulla foorumilla oli runsaasti AM-aikakauden nykyisiä ja entisiä ammattilaisia muistelemassa Sitä ja miten Sen vallattomuutt pyrittiin valvomaan. Siinä kohtaa, kun keskustelu siirtyi valokaariin ja niiden ilmaisuun suojaustoimenpiteitä varten UV-anturein, minullakin triggasi. Liipaistuin erityisesti noihin UV-ilmaisimiin (siinä vasta terahertseissä piisaakin). Totesinkin mikroaaltolistalle, että tämäpä oivallinen aasinsilta takaisin ryhmämme pääkiinnostusalueelle - "tavallista lyhyemmät" aallonpituudet. Ja jatkoin: Kaikessa tässä on kyseessä ilmaisu. W-maan BC-tehot vs. OH-maan BC-tehot ------------------------------------ Hyvä on, täällä meillä Suomessa eivät nuo AM-tehot koskaan voineen vetää vertoja uuden mantereen tehoihin - meillä oli parhaimpana AM-aikakautena "ainoastaan" 100 - 500 kW:n lähettimiä. Silloin, ei niinkään montaa kymmentä vuotta sitten, kun allekirjoittanutkin oli vielä "yleisradiobisneksessä" mukana, huomioni kiinnittyi tähän nimenomaiseen valokaaren ilmaisuongelmaan. Vanhin lähettimemme siihen aikaan oli 100 kW:n Marconi (tosin tehoa oli pudotettu 50 kW:iin särön pudottamiseksi liki 10 %:sta pariin prosenttiin). Tämän laitteen, vai pitäisikö sanoa järjestelmän, kun se oli kooltaan pienen kaksion luokkaa, historia on jäänyt kaivelemaan. Erityisesti siinä ihmetytti, miksi mm. kaikki virta- ja jännitemittarit olivat "Tropical Grade:a". Yleisradiourani ensimmäisiä elämyksiä oli ryömiä tämän "kaksion" kellarissa, lähettimen alla kulkevissa ilmanvaihto- tunneleissa pölynimurin kanssa. Tämän Tapiolassa sijainneen lähettimen huoltopäivä oli keskiviikkoisin, jolloin AM-lähetyksen olivat tältä asemalta poikki muutamia tunteja esihuoltoa, parannuksia ja laatumittauksia varten. Eräs tarkistettava laite oli nimenomaan seinän läpi menevän "avokoaksiaalin" alkupäässä oleva UV-ilmaisija. Ennakkohuollon huolet --------------------- UV-ilmaisijoita käytettiin myös Porin "kansainvälisellä suurteho- asemalla" valokaarien ilmaisuun. Ongelmapaikoista kaksi oli varsin yleisiä: verhoantennin elementeissä ja antennikenttien kytkentämatriisin kytkimillä. Kytkimet olivat suljettua koaksiaali- rakennetta ja niissä alkanut laajojen kontaktipintojen pienen epätasaisuuden aikaansaama valokaari pyrittiin ilmaisemaan mahdollisimman nopeasti, sillä pahetessaan koko kontaktipinta saattoi palaa pilalle. Sen lisäksi, että tämä saattoi aiheuttaa pitkähköjä katkoksia, nämä "normaalikäytössä kuluvat" komponentit olivat vallan hirmuisen kalliita. Kuitenkaan näistä kytkimistä ei saatu läheskään aina ajoissa ilmaistua jo alkanutta valokaarta ja metallin höyrystymistä, vaan huoltohenkilöstölle tuli töitä. Kytkimien rungoissa oli tarkkailureiät, mahdettiinkohan nekin porata ihan tarkoitusta varten, mutta tämä ei paljoa asiaa auttanut. Mitä taas tulee verhoantenneissa esiintyvään valokaareen, niin ikävää oli aina se, että valokaari esiintyi aina siinä kohtaa siirtojohtoa tai antennia, että sovitus säilyi hyvänä, tai siis niin, että lähetin ei nähnyt epäsovitusta, vaan jatkoi tehon ajamista järjestelmään ihan mukisematta. Tässä kohtaa on hyvä viettää hiljainen hetki miettien tehosovituksen määritelmään ja tätä enemmän tai vahemmän hauskaa ilmiötä... Hyppäys aikakoneeseen --------------------- Vaan tässä kohtaa mennäänkin ajassa taaksepäin, aikaan, jolloin minulla oli ilo toimia tyyppihyväksyntäinsinöörinä Posti- ja Telelaitoksen radiolaboratoriossa Särkiniementiellä. Täällä minulla oli kolleegana polilla opiskeleva harjoittelija, joka teki eräänä kesänä samalla opinnäytetyönään tutkimusta kierto- elimien epälineaarisuudesta. Tämä oli niin äärimmäisen mielen- kiintoista touhua, että allekirjoittanutkin vietti useita pitkiä iltoja labrauksissa. Eräs mielenkiintoisimpia kysymyksiä oli se, että kuinka epälineaarinen tällainen RF-valokaari oikein on ? Sähkömagneettinen kirjo ----------------------- Asiaa lähemmin tutkiaksemme, valmistimme 160 MHz:lle helical- suodattimen, sekä sorvasimme 3 mm:n messinkiruuvin pään teräväksi piikiksi. Ruuville tehtiin kierteet toisen induktanssin korkean impedanssin päähän (korkein jännite) säädettäväksi valokaaren synnyttäjäksi. Two Tone Test-signaali rakennettiin kahdesta ARP-radiopuhelimesta, josta kummastakin saatiin n. 20 W tehoa. Summaus tehtiin kiertoelimillä, joista tehtiin suuntavaimentimia 50 ohmin keinokuormilla. Näin saimme aikaiseksi hyvin IMD-vapaan testisignaalin alkeellisiin valokaaritutkimuksiimme. Ilmaisuun käytettiin erilaisia suuntakytkimiä ja vanhaa 1.8 GHz:n spektri- analysaattoria, jossa oli fosforimuisti (siihen aikaan digitaaliset max.-hold-keksinnöt olivat kalliita ja hyvin harvassa). Ruuvia säätämällä tehot päällä oli mahdollista saada aikaiseksi lyhyaikaisia valokaaria. Valokaarien yhteydessä syntyi sekä harmonista, että keskeismodulaatiotehoa, jonka spektri ylsi piiiiiiiiitkälti yli 1.8 GHz ! Tämä kaikki tapahtui joskus 1980-luvun puolenvälin tienoilla. Jännä ajatus, että voisi esimerkiksi 2 m:n FM-radiolla pitää vaikkapa 23 cm:n bandilla kuso käyttäen valokaarta kertojana... No, onneksi viranomaiset avarakatseisuudessaan kieltävät moiset kokeilut. Mutta konsepti kiehtoo ja ajatuksenjuoksu pyrkii vääjäämättä karkaamaan: tuohan toimisi tietenkin myös vastaanottimena; ensimmäisenä sekoittajana valokaari...hmmm... Aikakoneella takaisin --------------------- Palatakseni suuritehoisiin BC-lähettimiin ja muistaen kaiken tämän (näillä asioilla on taipumus palaa verkkokalvoille ja syöpyä muistiin lähtemättömästi), rakensin vanhasta satelliitti- TV-LNB:stä hyvin yksinkertaisen 11 GHz:n kokonaistehoradiometrin, jolla oli hyvin ylivoimainen etu: aaltoputkirakenne toimitti järeän n. 9 GHz:n ylipäästösuodattimen virkaa. Ilmaisimena oli yksikertainen kahden Schottky-diodin lämpötilakompensoitu RF- ilmaisija, jota peruskytkentää olen käyttänyt lukuisissa vastaavanlaisissa kokeiluissa. Tämä kädessä pidettä laite on minulla käytössä vielä tänäkin päivänä, yli 15 vuotta myöhemmin. Käytän sitä usein myös demonstraatiovälineenä, jolla voi helposti näyttää ihmisen ja muidenkin kappaleiden termistä säteilyä... tosin joidenkin on vaikea käsittää heidän kehonsa säteilevät helposti mitattavaa energiaa myös 11 GHz:llä, sen tunnetun infra- punan lisäksi. Tässä kohtaa on hyvä muistuttaa, että meistä säteilee koko spektrillä tehoa (lukion koulufysiikasta voi muistella vaikka mustan kappaleen säteilyä, Wienin siirtymä- lakia jne.). Kyllähän me kaikki olemme kokeneet toisen ihmisen läheisyyden infrapunasäteilylämpönä vaikka silmät kiinni ja pimeässä. Tai no, ainakin näillä meidän leveysasteillamme, ns. kylmässä pohjolassa. Mikä olikin hauska anekdootti siihen, miten aina pitää olla ensin jokin referenssi; jokin, mitä pidetään mittakeppinä ja johon verrataan - toisen ihmisen läheisyyden tuntee kylmemmässä herkemmin kuin kuumassa. Quod erat demonstrandum. Ihmisen iho on hämmästyttävän laajakaistainen detektori muutenkin: parin-kolmen watin RF-teho mikroaalloilla riittää aiheuttamaan selvän lämpövaikutuksen iholla. Vai pitäisikö sanoa, että ihon lämpötila muuttuu helposti ja ihmisen hermosto on melkoisen herkkä mittaamaan tätä lämpötilan nousua... Boltzmann ja ensivalo --------------------- Mikroaaltovalokaarisäteilyilmaisimeni (37 kirjainta muuten) "näki ensivalon" silloisen työpaikkani konepajalla. Siellä oli sattumoisin meneillään sähköhitsausta urakalla ja kas kummaa, pieneen torvi- antenniini kantautui senverran 11 GHz:n mikroaaltosäteilyä, että hitsauskaaren näki laitteen varsin leveällä antennin keilalla ihan kohtuullisella etäisyydellä. Leveän antennikeilan lisäksi pitää muistaa, että kohinateho Pn on Boltzmannin vakio kertaa kohina- lämpötila Kelvineissä kertaa kaistaleveys Hertseissä. Boltzmann on mitä on, vakio. T(Kelvin) on se, mitä mitataan, B(Hz) on tässä tapauksessa luokkaa kälyiset 1.5 GHz) ja Pn on se, kuinka diodi-ilmaisin- kytkentäni saa mittarin viisaria poikkeamaan. Värkki siis toimi, mutta kuten myöhemmin voitiin havaita, herkkyyttä ei kuitenkin ollut riittävästi em. järeiden RF-koaksiaalikytkimien orastavien valokaarien senttimetrialueen mikroaaltokomponentin ilmaisuun. Tätä tarkoitusta varten rakensin PTFE-suojatun varttiaallon säteilijän, jonka pystyi työntämään RF-kytkimen mittausreiästä sisälle. Tosisäätäjän antennin kuuluu osoittaa ylöspäin ---------------------------------------------- Minulla oli aikoinaan jatkosuunnitelmia tuolle yksinkertaiselle mikroaaltovalokaarisäteilyilmaisimelleni: sen perään oli myös tarkoitus ruuvata pienehkö paraboloidipeiliantenni antennin keilaa kaventaakseni. Ajatuksena yrittää paikallistaa mahtavista dipoli- verhoantenneista näitä samoja, sovitusta jopa parantavia valokaaria. Käytännössä ultraäänimikrofoni paraboloidiheijastimineen on niin herkkä (myös suuntaherkkä) laite, että sillä löytää nuo valokaaret varsin helposti niistä kuuluvan sihinän avulla. Näitä laitteita käyttävät myös sähkölaitokset vuotavien eristimien yms. paikanta- misessa. Sitäpaitsi HF-verhoantenneissa esiintyvän valokaaren ilmaisu oli muutenkin erittäin helppoa ja automatisoitua. Hälytys saatiin jo hyvin varhaisessa vaiheessa kun HF-energiasta muuttui syttyneessä valokaaressa VHF- ja UHF-spektrin energiaksi...aiheuttaen tele- visiokuvan katoamisen naapurikylässä. Puhelimet siis kilisivät (elettiin siis vielä suhteellisen kännykkävapaata 90-luvun alkua) välittömästi RF:n etsiessä oikopolkujaan antennirakenteissa. Ettei vain tarvitsisi sovittua vapaan tilan aaltoimpedanssiin 377 ohmia ja säteillä suunnitelluilla aallonpituuksilla horisontin ionosfääriin. Rauschleistung, eli kohinateho ------------------------------ Sinnikkäästi aiheessa pysyäksemme laitoin vanhan kunnon kTB:n jälleen töihin ja kytkin 1950-luvulta olevan vanhan, mutta hienon tanska- laisen Radiometer AS:n GVM22a valoläikkägalvanometrini suoraan WG16-aaltoputkessa olevalle 1N26 diodi-ilmaisimelle. Tämän X-alueen aaltoputken kaistaleveys on n. 4 GHz, aika iso luku laitettavaksi tuohon Pn=kTB-yhtälöön B:ksi. Aaltoputki-ilmaisijan perään laitoin sitten pienen 3 * 4 cm suuaukon omaavan torviantennin. Hämmästykseni oli kyllä suuri, kun sain valoläikkägalvanometrin viisarin liikkumaan noin 2 mm Thot/Tcold-erolle käyttäessäni "lähes mustana kappaleena" muovista Philipsin vedenkeitintä n. 10 astetta C kylmää vettä vs. n. 100 astetta C kiehuvaa vettä... Minusta tämä kokeilu oli ERITTÄIN kolea ("cool") täysin passiiviselle ilmaisija-näyttölaite-yhdistelmälle ! Lämpömittari, mutta mittaus tapahtuu 11 GHz:llä... Siis: ei mitään etuvahvistimia, ei mitään ilmaisijan jäähdytyksiä, ei ilmaistun signaalin jälkivahvistusta, ei mitään integrointia (paitsi mitä nyt mekaanista viisarin hitautta), ei Dicke-ilmaisijoita, ei mitään lock-in-vahvistimia......ainoastaan "riittävästi" B:tä !!! Kokeen onnistuminen vaati kuitenkin yhden hauskan säädön: torven paikkaa ja asentoa piti "hakea" vedenkeittimeen nähden, parhaan "kohinasovituksen" löytämiseksi - aika veikeää, eikö ;-) Sinänsä mielenkiintoinen havainto, että valoläikkägalvanometrin sisäisistä impedansseista johtuen 1N26-diodi DC-kuormittui optimaalisesti mittalaitteen 20 mV:n asteikolla, eikä siis kovinkaan hyvin millään virranmittausalueella. Pari-kolme oktaavia ylempänä... ------------------------------- Lopuksi, mutta vielä erittäin tiukasti aiheeseen liittyen: olen havainnut, että molemmat digitaaliset infrapunalämpömittarini ovat erinomaisen herkkiä 39 ja 96 GHz:n tehon ilmaisijoita, erityisesti modifioituani hieman niiden linssien "kvasioptiikkaa" sopivammaksi näille laineille. Toinen näistä kahdesta halvasta mittareista on erityisen herkkä 96 GHz:n RF:lle, joten potentiaalia alimillimetri- alueen tehomittariksi tuntuisi olevan. Tässä kohtaa vielä muutama lisävinkki himogooglettajille: Wienin siirtymälaki, kirkkauslämpötila, Rayleigh’n–Jeansin laki, Planckin laki, Planckin vakio... Ja vielä pari-kolme oktaavia... ------------------------------- Nyt voinkin sitten ryhtyä miettimään ankaraa tehonkorotusta (ehkä peräti 1 milliwattiin !!!) 76, 122 ja 241 GHz:lle bandeille nyt, kun minulla on luotettava termopile-"tehomittari". Tai no, sanotaan vaikka indikaattori siihen saakka, kunnes saan sen jollakin em. kepuli- konstilla kalibroitua... Tuosta 411 GHz:n piirustuksesta ei vielä voi paljoa kertoa, sillä siihen ihen pitäisi anoa erikoislupa, spektrin ollessa allokoimatonta. Pah ! Mutta sinänsä hupaisan yksityiskohdan tuosta voin paljastaa: siinä on antennina neljän lambdan pitkälanka-antenni, eli se on pituudeltaan vajaat 3 millimetriä. Kesän lähestyessä vauhdilla, voi näillä vehkeillä kohta jalkautua, sillä mikroaalto-/millimetriaalto-/alimillimetriaaltokusoilu on mitä suurimmassa määrin portable-touhua. Hyvää kesää, Michael, OH2AUE