Android для радиоинженера (и не только)

С того самого момента, когда я приобрел свой первый смартфон, работающий под ОС Android, я искал приложения под эту ОС, которые бы помогли мне делать несложные рабочие расчеты «на ладошке». Об одном из таких приложений и пойдет речь.


Вычислительная мощь современных смартфонов просто поражает. И мне очень хотелось применить эти вычислительные ресурсы для выполнения рабочих расчетов. Пусть несложных, но обязательно полезных и нужных.

Долгое время я бороздил просторы Google Play и других ресурсов в поисках инструмента, который бы удовлетворил мои запросы. И в какой-то момент времени поиски завершились успехом — я нашел RF & Microwave Toolbox. Нужно отметить, что создателем этого замечательного приложения является разработчик СВЧ устройств ("rf and microwave circuit design") поэтому в приложении реализованы действительно полезные и востребованные функции. Сам разработчик говорит о своем приложении следующее:

«This is the best and most advanced High frequency electronics toolbox for Microwave designers, RF professionals, EMC technicians, radio-amateur, students, astronomer and electronic hobbyists.»

Т.е. аудитория достаточно широкая и это не только радиоинженеры, но и радиолюбители, технические специалисты в области ЭМС, студенты, астрономы и те люди, для которых радиоэлектроника — это хобби.

Интерфейс приложения выглядит достаточно лаконично, представляя собой плитку, каждый «кирпичик» которой ведет к отдельному «калькулятору» (вычислению или инструменту — «tool»). На экране моего смартфона умещается три странички с набором «калькуляторов»:


страница 1


страница 2


страница 3

На каждой страничке около 30 различных инструментов, на трех — почти 90! Поэтому я не буду рассказывать о каждом инструменте отдельно, а расскажу только о тех, которыми сам часто пользуюсь. Остальные вы сможете изучить сами.

Давайте посмотрим, что же тут есть…

1. Mismatch Error Limits — разброс, связанный с ошибкой рассогласования.



Вводится КСВН источника и нагрузки в указанном сечении и рассчитываются максимальный и минимальный КСВН в линии, а также ряд сопутствующих характеристик (возвратные потери, амплитудная и фазовая ошибки).

2. Reflectometer — рефлектометр (на иконке VSWR).



Поле ввода можно выбрать в левой колонке. В примере на картинке выбрано поле VSWR (=2) и проведен расчет:

• Return Loss — возвратных потерь (модуль S11 в dB);
• Mismatch loss — потерь на рассогласование (видно, что только из-за рассогласования потери составляют 0,5 dB);
• Reflected Power — отраженная мощность (видно, что при КСВН=2 в «обратку» отражается более 10% полезной мощности).

Ниже приведены значения коэффициента отражения (Г — модуль и фаза, действительная и мнимая часть), нагрузки и проводимости.

3. Power and Voltage Converter — пересчет из единиц мощности в единицы напряжения и тока, а также обратно.



На представленном изображении выполнен пересчет из логарифмических единиц мощности (dBm). Нужно помнить, что по умолчанию расчет делается для сопротивления 50 Ом.

4. Wavelength — расчет длины волны.



Выполняется для заданных частоты и параметров среды (определяется значением относительной диэлектрической константы εr). На выходе — длина волны и ее доли (1/2, 1/4, 1/8, 1/10), скорость распространения ЭМВ в среде (v) и длительность периода колебаний (τ).

Забыл сказать, что у каждого расчета есть своя справка (знак вопроса в правом верхнем углу экрана), где можно посмотреть по каким формулам выполнен расчет, как правильно пользоваться «калькулятором».



При необходимости, можно сохранить сделанный расчет как шаблон, чтобы потом можно было быстро к нему вернуться.



5. Patch Antenna — планарная «патч» антенна (имеется ввиду микрополосковая прямоугольная патч-антенна со схемой питания «inset feed»).



Не иначе, этот расчет появился для тех, кто занимается разработкой планарных антенных решеток для абонентских терминалов сетей 5G :) Хотя… прямоугольная патч-антенна находит применение во многих антенных решениях — от систем связи и передачи данных различных диапазонов частот до автомобильных радаров (24 и 77 ГГц). Как в одиночном виде, так и в виде массивов (решеток).
Помимо расчета патч-антенны есть еще справочник по наиболее популярным материалам для печатных плат ( в т.ч. Rogers).



Это очень удобно, т.к. не надо запоминать эти данные или искать их где-то. Просто ткнул в список и выбрал наиболее подходящий материал.

Конечно, диаграмму направленности (ДН) этот tool не считает. Но если вам интересно, какая ДН у такой антенны, можете посмотреть, например, вот тут.

6. IP3 — расчет «точки пересечения 3-го порядка» (или определение уровня интермодуляционных искажений 3-го порядка).



Честно скажу, что тут я все время путаюсь, т.к. практическое значение величины IP3 от меня все время ускользает. Мне проще оперировать именно уровнем интермодуляционных искажений 3-го порядка (IMD 3). Но в зарубежной технической литературе, как правило, приводят именно IP3. И поэтому такой инструмент для меня — просто находка, т.к. на «ладошке», не отходя так сказать от кассы, можно сразу прикинуть уровень IMD 3-го порядка на выходе активной (нелинейной) схемы. Для ВЧ-тракта это важный показатель, который обговаривается в техническом задании (ТЗ).

7. Radar Cross Section (RCS) — эффективная поверхность (или площадь) рассеяния (ЭПР).



На картинке выше показан пример расчета ЭПР для тэтраэдрального отражательного уголка с длиной стороны L. Подобные уголки используются для тестирования прототипов радарных установок, когда необходима тестовая «цель» с заданной величиной ЭПР. И насколько я понимаю, автор и создатель RF and Microwave ToolBox тоже столкнулся с этой задачей :)
Помимо тэтраэдра есть и другие конфигурации уголков, а еще есть сфера, цилиндр и плоский отражатель (flat plate).

8. Microstrip Line — расчет волнового сопротивления (импеданса) микрополосковой линии (несимметричной полосковой линии).



Это задача, с которой сталкиваются все, кто занимается разработкой устройств, выполняющихся по технологии печатных плат. Не только в диапазоне ВЧ или СВЧ, но и на более низких частотах. Есть два режима расчета — синтез и анализ. Т.е. можно задать необходимый импеданс и данные подложки, чтобы получить геометрию требуемой линии. А можно проанализировать имеющуюся геометрию линии и получить значение импеданса для этой линии.



Тут тоже есть встроенный справочник наиболее популярных материалов для печатных плат (ПП)



А еще есть справочник основных проводников: медь, золото и серебро, т.е. тех материалов, которые широко применяются при изготовлении ПП.

9. Skin Depth — Скин-эффект (точнее, глубина скин-эффекта).



Идея проста — чем выше частота, тем ближе к поверхности проводника токи. А чтобы понять, на какую глубину проникают ВЧ токи, и создан этот калькулятор.

10. Couplers and Transformers — это целый раздел, посвященный ответвителям, делителям и трансформаторам (преобразователям), в т.ч. и балунам (balun).



По этому разделу можно написать целый цикл книг и статей с пояснениями и расчетами :) Поэтому приведу только пару примеров.

Wilkinson Divider — делитель Вилкинсона (Уилкинсона) или кольцевой делитель мощности.



Такая схема делителя широко применяется во многих приложениях и является очень популярной.

Microstrip coupled line directional coupler — направленный ответвитель на связанных микрополосковых линиях.



Это уже не просто делитель, а направленный ответвитель на связанных микрополосковых линиях (длина связанных линий около 1/4 длины волны). Т.е. ответвляет некоторую часть сигнала, проходящего по линии передачи в определенном направлении. Может применяться, например, для детектирования наличия сигнала и определения его уровня. Устройство, вроде бы, простое, но существует такое количество модификаций и применений, что можно целую книгу написать.

На этом я закончу рассказ о разделе Couplers and Transformers. Если будет интересно, проведите свое собственно расследование.

11. TRL CalKit (Calibration Kit) — расчет калибровочных мер для стандарта TRL.
Расчет может проводится для микрополосковых линий (microstrip line), полосковых линий (stripline), копланарного волновода (CPW) и копланарного волновода с «земляным полигоном» (GCPW).



Вещь это достаточно специфическая, но необходимая для всех, кто занимается разработкой планарных СВЧ устройств (или устройств, монтируемых, на печатную плату в СВЧ тракт) с последующей их характеризацией с помощью векторного анализатора цепей (ВАЦ).
Если интересно, то вот немного информации по TRL калибровке.

12. Power (dBm) add calculator — калькулятор, который позволяет рассчитывать результирующую мощность нескольких сигналов (до четырех) с учетом фаз.



Удобство в том, что можно складывать уровни, выраженные в dBm. Т.е. не нужно заниматься переводом из логарифмических единиц в линейные и обратно. Опять же, удобно, когда можно учесть влияние фазы на результирующее значение уровня сигнала.

13. PI and TI Attenuators — расчет «П» и «Т»-секций аттенюаторов.



«П» и «Т»-секции аттенюаторов используются как для проектирования фиксированных аттенюаторов, так и перестраиваемых. Могут использоваться по отдельности или в составе достаточно сложных схем (например, в цифровых перестраиваемых аттенюаторах или системах АРУ).

И это только небольшая часть тех инструментов, которые присутствуют в RF and Microwave Toolbox.

Отмечу, что этим приложением я пользуюсь уже несколько лет. И все эти годы приложение развивается, в нем появляются новые функции и возможности.
Помимо полной версии RF & Microwave Toolbox, которая является платной, существует еще версия RF & Microwave Toolbox Lite — ознакомительная версия с небольшим набором функций. Возможно, кому-то хватит «легкого» функционала. Если же нужен только какой-то один инструмент, а не весь toolbox, то можно выбрать из большого набора утилит, большинство из которых является бесплатными.

P.S. Уважаемые хабравчане, спасибо вам за внимание!

Буду благодарен вам за комментарии к посту и ссылки на аналогичные инструменты, которыми вы пользуетесь. Если обозначенная тема вам интересна, поставьте галочку в опросе или оставьте комментарий к публикации. Обратная связь позволит мне понять стоит ли писать о других инструментах.