Определить ксв в нагруженной линии передачи. Все о коэффициенте стоячей волны
Произвольная нагрузка в общем случае порождает в линии передачи отраженную волну. Накладываясь на падающую, отраженная волна приводит к образованию повторяющихся максимумов и минимумов в продольных распределениях нормированных токов и напряжений, формируя картину смешанных волн. Режим смешанных волн в инженерной практике принято характеризовать коэффициентом бегущей волны (КБВ), представляющим собой отношение минимального значения нормированного полного напряжения (или тока, или напряженности) в линии к максимальному значению полного напряжения (или тока, или напряженности поля) в линии
где |Г| - модуль коэффициента отражения. Часто вместо КБВ пользуются обратной ему величиной, называемой коэффициентом стоячей волны (КСВ)
Коэффициентом отражения называется отношение поперечных компонентов электрического поля для падающей и отраженной волн в одной и той же точке поперечного сечения линии передачи
где Z A – входное сопротивление антенны,
Z В – волновое сопротивление линии передачи (коаксиального кабеля). Зависимость входного сопротивления от частоты рассчитана в предыдущем пункте.
По методу излучаемой мощности получаем
По методу наведенных ЭДС получаем
График зависимости КСВ от длины волны приведен в приложении В.
2.8 Расчет ппф и его ачх
Фильтры СВЧ применяют для частотной селекции сигналов, согласования комплексных нагрузок, в цепях задержки и в качестве замедляющих систем.
Фильтры являются обычно пассивными взаимными устройствами и характеризуются частотной зависимостью вносимого в тракт затухания. Полоса частот с малым затуханием называется полосой пропускания, а полоса частот с большим затуханием – полосой заграждения. По взаимному расположению полосы пропускания и заграждения принято выделять следующие типы фильтров: фильтр нижних частот (ФНЧ), пропускающие сигналы ниже заданной граничной частоты и подавляющие сигналы с частотами выше граничной; фильтры верхних частот (ФВЧ), пропускающие сигналы на частотах выше заданной и подавляющие сигналы других частот; полосно-пропускающие (полосовые) фильтры (ППФ), пропускающие сигналы в пределах заданной полосы частот и подавляющие сигналы вне этой полосы, полосно-заграждающие (режекторные) фильтры (ПЗФ), подавляющие сигналы в пределах заданной полосы частот и пропускающие сигналы вне этой полосы.
Частотная характеристика каждого фильтра имеет переходную область между полосой пропускания и полосой заграждения, то есть между частотами з и п . В этой области затухание меняется от максимального значения до минимального. Обычно стараются уменьшить эту область, что приводит к усложнению фильтра, увеличению числа его звеньев. При проектировании фильтров, как правило, задаются следующие характеристики: полоса пропускания, полоса заграждения, средняя частота, затухание в полосе пропускания, затухание в полосе заграждения, крутизна изменения затухания в переходной области, уровень согласования по входу и по выходу, характеристики линии передачи, в которую включается фильтр, тип линии передачи, иногда оговариваются фазовые характеристики фильтра.
Таблица 2.4 – Исходные характеристики ППФ
2.8.1 Расчет низкочастотного фильтра прототипа
В настоящее время наиболее распространенной методикой расчета фильтров СВЧ является методика, согласно которой вначале рассчитывается низкочастотный фильтр-прототип. Нахождение параметров схемы фильтра-прототипа по заданной частотной характеристике фильтра является задачей параметрического синтеза. Для общности результатов все величины нормируются. Сопротивления нагрузки и генератора принимается равным единице. Наряду с нормировкой по сопротивлению проводится нормировка по частоте, например граничная частота полосы пропускания фильтра принимается равным единице. Таким образом расчет фильтра СВЧ сводится к синтезу схемы НЧ-прототипа и замене элементов с сосредоточенными параметрами их эквивалентами с распределенными параметрами.
Для аппроксимации частотных характеристик применяется ряд функций, удовлетворяющих условиям физической реализуемости фильтров. Наиболее распространенной являются максимально плоская и равноволновая аппроксимации, использующие полиномы Баттерворта и Чебышева соответственно.
Рассчитаем фильтр с максимально плоской характеристикой затухания. Она монотонно возрастает при повышении частоты:
,
где n – число звеньев фильтра прототипа,
=/ п – нормированная частота,
=10 L п/10 -1 – коэффициент пульсаций,
п – граничная частота полосы пропускания,
L п – затухание на частоте п (см рисунок 2.3).
Рисунок 2.3 – Максимально плоская характеристика затухания фильтра-прототипа нижних частот
Число звеньев фильтра прототипа может быть найдено из требований к АЧХ фильтра. Так, для фильтра с максимально плоской АЧХ:
,
то есть для нашего фильтра необходимо, чтобы n 2.76 .
Возьмем n =3 , тогда схема фильтра-прототипа будет иметь вид, изображенный на рисунке 2.4
Рисунок 2.4 – Схема фильтра-прототипа нижних частот
Параметры фильтра можно рассчитать по сложным формулам, а можно воспользоваться справочной литературой, например : g 0 =1, g 1 =0.999165, g 2 =1.998330, g 3 =0.999165, g 4 =1.
Денормировки параметров фильтра производится с помощью соотношений
,
,
.
Здесь обозначения со штрихом относятся к нормированным параметрам фильтра-прототипа, без штрихов к денормированным: R 0 `=1, L 1 `=1, C 2 `=2, L 3 `=1, R 4 `=1.
Так как будущий фильтр будем ставить в коаксиальный тракт передачи, то R 0 =75Ом , тогда
2.8.2 Расчет ППФ
Для проектирования ППФ воспользуемся фильтром-прототипом, рассчитанным в предыдущем пункте и реактансное преобразование частоты
где 0 =( п -п ) 0.5 – центральная частота ППФ,
k з =1/2 - коэффициент преобразования,
2 = п - -п – полоса пропускания ППФ.
Любая индуктивность в фильтре прототипе после выполнения частотного преобразования трансформируются в последовательный контур с параметрами
Одновременно любая емкость в фильтре прототипе превращается в параллельный колебательный контур
Рисунок 2.5 – Эквивалентная схема ППФ
Таким образом, ППФ (рисунок 2.5) состоит из каскадно-включенных резонаторов, значения эквивалентных параметров которого получились следующими
2.8.3 Реализация ППФ
По способу реализации ППФ можно разделить на следующие типы: на одиночной МПЛ с зазорами, на параллельных связанных полуволновых резонаторах, на встречных стержнях, с параллельными и последовательными четвертьволновыми шлейфами длиной /4 , где - длина волны в линии, соответствующая средней частоте полосы пропускания ППФ; с двойными шлейфами и четвертьволновыми соединительными линиями на диэлектрических резонаторах.
Выполним ППФ на микрополосковых линиях (МПЛ) с двойными шлейфами и четвертьволновыми соединительными линиями.
МПЛ представляют собой тонкий слой металла, нанесенного на листы диэлектрика. Наиболее распространены экранированные несимметричные МПЛ. МПЛ используются во всем диапазоне СВЧ. По сравнению с прямыми волноводами МПЛ обладают рядом недостатков – имеют более высокие погонные потери и сравнительно низкую передаваемую мощность. Кроме того, открытые МПЛ излучают энергию в пространство, из-за чего могут возникать нежелательные электромагнитные связи.
Но МПЛ обладают и важными достоинствами. Они имеют малые габариты и массу, дешевы в изготовлении, технологичны и удобны для массового производства методами интегральной технологии, что позволяет реализовать на пластине из металлизированного с одной стороны диэлектрика целые узлы и функциональные модули в микрополосковом исполнении.
Реализация последовательных колебательных контуров в МПЛ очень затруднена. Вместе с тем можно последовательное включение перевести в параллельное так, как это показано на рисунке 2.6 с помощью преобразований
Рисунок 2.6 Замена последовательного колебательного контура параллельным
Тождество на рисунке 2.6 выполняется только на резонансной частоте, поэтому получившуюся схему следует подвергать анализу для определения ее частотных свойств.
После замены получим схему ППФ изображенную на рисунке 2.7
Рисунок 2.7 – Эквивалентная схема ППФ
Эта схема имеет следующие значения параметров
Длина соединительной линии будет известна после определения параметров МПЛ.
Для расчета волнового сопротивления МПЛ воспользуемся выражением, полученным в квазистатическом приближении
(2.1)
Точность определения по этой формуле составляет 1% при w / h 0.4 и 3% при w / h <0.4 .
Для расчета длины волны на низких частотах на практике широко используется формула, также полученная в квазистатическом приближении
где - длина волны в свободном пространстве,
э – эффективная диэлектрическая проницаемость линии.
Эффективная диэлектрическая проницаемость может быть вычислена по формуле
, (2.3)
Подложку выполним на диэлектрике с относительной диэлектрической проницаемостью =7 , а толщину подложки примем h =5мм . Ширина металлической полоски w , а соответственно и отношение w / h ,будут меняться при расчетах.
Сначала рассчитаем параметры соединительных линий. Для согласования фильтра с трактом передачи его соединительные линии должны иметь волновое сопротивление равное волновому сопротивлению коаксиала Z 0 =75Ом. Разрешая выражение (2.1) находим, что w / h =0.5, тогда ширина полоски w =0.5 5=2.5(мм) . По формуле (2.3) находим эффективную диэлектрическую проницаемость
Расчет ведем на средней частоте диапазона, поэтому 0 =0.594м , тогда по (2.2) длина волны в линии
Так как соединительная линия четвертьволновая, то ее длину определим по формуле
Параллельная индуктивность реализуется в виде короткозамкнутого параллельного шлейфа. Реактивное сопротивление такого отрезка линии определяется по формуле
(2.4)
Сопротивление этого шлейфа на средней частоте диапазона должно равняться сопротивлению параллельно включенной индуктивности, поэтому можно определить длину отрезка
(2.5)
Примем w / h =1(w =5мм)
Теперь по формуле (2.5) можно определить длину шлейфов, заменяющих каждую индуктивность
Параллельная емкость реализуется в виде параллельного шлейфа разомкнутого на конце. Реактивное сопротивление такого отрезка линии определяется по формуле
Сопротивление этого шлейфа на средней частоте диапазона должно равняться сопротивлению параллельно включенной емкости, поэтому можно определить длину шлейфа
(2.6)
Примем w / h =0.2(w =1мм) , тогда по (2.1)-(2.3) получаем
Теперь по формуле (2.5) можно определить длину шлейфов, заменяющих каждую емкость
Занесем параметры шлейфов в таблицу 2.5.
Таблица 2.5 Размеры ППФ на МПЛ
Схема ППФ приведена в приложении Д.
2.8.4 Расчет АЧХ
АЧХ фильтра – это есть зависимость вносимого в тракт затухания от частоты. Зная входное сопротивление фильтра можно определить коэффициент отражения
(2.7)
Тогда АЧХ будет иметь следующий вид
(2.8)
Определим АЧХ низкочастотного фильтра прототипа изображенного на рисунке 2.4 после денормировки параметров
Подставляя в (2.7) и (2.8) получим характеристику затухания.
Определим АЧХ эквивалентной схемы ППФ изображенной на рисунке 2.5
Подставляя в (2.7) и (2.8), получим необходимую характеристику затухания.
Теперь определим АЧХ фильтра на МПЛ. Зависимость от частоты сопротивлений индуктивных и емкостных шлейфов определяется формулами
где i=1,2,3;
Z 0 L и Z 0 C – волновые сопротивления индуктивных и емкостных шлейфов соответственно.
Входное сопротивление фильтра
Конечная формула для входного сопротивления имеет очень сложный вид, поэтому не будем ее здесь приводить. По формулам (2.7) и (2.8) получим АЧХ.
Все АЧХ полученные в этом пункте приведены в приложении Г.
В линии с КСВ>1 наличие отраженной мощности не приводит к потерям передаваемой мощности, хотя некоторые потери наблюдаются из-за конечного затухания в линии в фидерной линии без потерь нет потерь мощности из-за отражения независимо от величины КСВ. На всех KB диапазонах с кабелем, имеющим низкие потери, потери в рассогласованной линии обычно незначительны, однако на УКВ могут быть существенными, а на СВЧ-даже чрезвычайно большими. Затухание в кабеле зависит, прежде всего, от характеристик самого кабеля и его длины. При работе на KB кабель должен быть очень длинным или очень плохим, чтобы потери в кабеле стали весьма существенными.
Отраженная мощность не течет обратно в передатчик и не повреждает его. Повреждения, иногда приписываемые высокому КСВ, обычно вызывает работа выходного каскада передатчика на рассогласованную нагрузку. Передатчик не «видит» КСВ, он «видит» только импеданс нагрузки, который зависит и от КСВ. Это означает, что импеданс нагрузки можно сделать точно соответствующим требуемому (например, с помощью антенного тюнера), не беспокоясь о КСВ в фидере.
Усилия, затрачиваемые на снижение КСВ ниже 2:1 в любой коаксиальной линии, вообще представляются затраченными впустую - с точки зрения увеличения эффективности излучения антенны, но целесообразны в том случае, если схема защиты передатчика срабатывает, например, при КСВ>1,5.
Высокий КСВ не обязательно указывает, что антенна работает плохо - эффективность излучения антенны определяется соотношением ее сопротивления излучения к общему входному сопротивлению.
Низкий КСВ - не обязательно свидетельство того, что антенная система является хорошей. Напротив, низкий КСВ в широкой полосе частот является поводом для подозрений, что, например, в диполе или вертикальной антенне велико сопротивление потерь, обусловленное плохими соединениями и контактами, неэффективной системой заземления, потерями в кабеле, попаданием влаги в линию и т.д. Так, эквивалент нагрузки обеспечивает в линии КСВ=1,0, но он вообще не излучает, а короткая вертикальная антенна с сопротивлением излучения 0,1 Ом и потерями сопротивления 49,9 Ом излучает лишь 0,2% от поступающей мощности, обеспечивая при этом КСВ 1,0 в фидере.
Для достижения максимального ВЧ тока излучатель антенной системы не обязательно должен иметь резонансную длину и не требует фидера определенной длины. Существенное рассогласование между линией питания и излучателем не препятствует поглощению излучателем всей реально поступающей мощности. При использовании соответствующего согласования (например, антенного тюнера) для компенсации реактивности не резонансного излучателя в месте подключения фидерной линии случайной длины антенная система является согласованной, и фактически вся подводимая мощность может эффективно излучаться.
На КСВ в фидерной линии не влияет настройка антенного тюнера, установленного возле передатчика . Низкий КСВ в линии, достигнутый с помощью тюнера, обычно является свидетельством того, что в процессе настройки тюнера произошло рассогласование между передатчиком и входом антенного тюнера, и передатчик работает на несогласованную нагрузку.
Вопреки расхожим представлениям, с хорошим симметричным (балансным) антенным тюнером и открытой двухпроводной фидерной линией излучение питаемого в центре диполя длиной 80 м, работающего в диапазоне 3,5 МГц, не намного эффективнее излучения такой же антенны длиной 48 м, работающей в том же диапазоне и с той же мощностью передатчика. Эффективность излучения диполя, настроенного в резонанс на частоте, например, 3750 кГц, практически такая же, как и на частоте 3500 или 4000 кГц при использовании любого фидера разумной длины; хотя можно ожидать, что КСВ на краях диапазона может достигать 5 и что коаксиальный кабель в действительности будет работать как настроенная линия. В этом случае, разумеется, потребуется использовать соответствующее устройство согласования (например, антенный тюнер) между передатчиком и фидером. Если для достижения согласования коаксиальный фидер любой антенной системы требует определенной длины, тот же самый входной импеданс можно получить с кабелем любой длины с помощью соответствующей простой цепи согласования из индуктивностей и емкостей.
Высокий КСВ в коаксиальном фидере, вызванный значительным рассогласованием характеристического сопротивления линии и входного сопротивления антенны, сам по себе не вызывает появления ВЧ тока на внешней поверхности оплетки кабеля и излучения фидерной линии . В диапазонах коротких волн высокий КСВ в любой открытой линии, работающей с высоким КСВ, не будет ни вызывать протекание антенного тока по линии, ни приводить к излучению линии при условии, что токи в линии сбалансированы, и расстояние между проводниками линии мало по сравнению с рабочей длиной волны (это справедливо и на УКВ при условии отсутствия острых изгибов линии). Ток на внешней поверхности оплетки фидера и излучение фидера практически отсутствуют, если антенна сбалансирована относительно земли и фидера (например, при использовании горизонтальной антенны фидер должен располагаться вертикально); в таких случаях не нужно применять симметрирующие устройства (балуны) между антенной и фидером.
КСВ-метры, установленные на участке между антенной и фидером, не обеспечивают более точное измерение КСВ . КСВ в фидере не может регулироваться изменением длины линии. Если показания КСВ-метра при перемещении по линии существенно различаются, это может указывать на антенный эффект фидера, вызываемый током, текущим по внешней стороне оплетки коаксиального кабеля, и/или на плохую конструкцию КСВ-метра, но не на то, что КСВ изменяется вдоль линии.
Любая реактивность, добавленная к существующей резонансной нагрузке (имеющей только активное сопротивление) с целью снижения КСВ в линии, вызовет только увеличение отражения. Самый низкий КСВ в фидере наблюдается на резонансной частоте излучающего элемента и совершенно не зависит от длины фидера.
Эффективность излучения диполей различных типов (из тонкого провода, петлевого диполя, «толстого» диполя, трапового или коаксиального диполя) практически одинакова при условии, что каждый из них имеет незначительные омические потери и питается одинаковой мощностью. Однако «толстые» и петлевые диполи имеют более широкую рабочую полосу частот по сравнению с антенной из тонкого провода.
Если входное сопротивление антенны отличается от характеристического сопротивления фидерной линии, то сопротивление нагрузки передатчика может весьма значительно отличаться от характеристического сопротивления линии (если электрическая длина линии не кратна L/2), и от сопротивления в месте подключения к антенне. В этом случае импеданс нагрузки передатчика зависит еще и от длины фидера, который действует как трансформатор сопротивлений. В таких случаях, если не установлена подходящая цепь согласования между передатчиком и линией передачи, импеданс нагрузки может быть комплексным (т.е. иметь активную и реактивную составляющие), и с ним выходная схема передатчика может не справиться. В этом случае изменением длины линии передачи иногда удается обеспечить согласование нагрузки с передатчиком - именно это обстоятельство, скорее чем любые потери, связанные с КСВ, привело к возникновению многих неверных представлений о работе фидерных линий.
Любая питаемая в центре антенна любой разумной длины с любым типом фидера с низкими потерями будет обеспечивать достаточно эффективное излучение электромагнитной энергии . При этом, как правило, требуется хороший антенный тюнер, если передатчик рассчитан на работу с низкоомной нагрузкой (например, 50 Ом). Этим объясняется тот факт, что многие годы питаемый в центре диполь остается популярной многодиапазонной антенной.
Прибор для измерения качества согласования фидера с антенной (КСВ-метр) является непременной составной частью любительской радиостанции. Насколько достоверную информацию о состоянии антенного хозяйства дает такой прибор? Практика показывает, что далеко не все КСВ-метры заводского изготовления обеспечивают высокую точность измерений. В еще большей степени это справедливо, когда речь идет о самодельных конструкциях. В предлагаемой вниманию читателей статье рассматривается КСВ-метр с токовым трансформатором. Приборы такого типа получили широкое распространение как у профессионалов, так и у радиолюбителей. В статье дана теория его работы и проанализированы факторы, влияющие на точность измерений. Завершает ее описание двух несложных практических конструкций КСВ-метров, характеристики которых удовлетворят самого взыскательного радиолюбителя.
Немного теории
Если подключенная к передатчику однородная соединительная линия (фидер) с
волновым сопротивлением Zо нагружена на сопротивление Zн≠Zо, то в ней возникают
как падающая, так и отраженная волна. Коэффициент отражения г (reflection) в
общем виде определяют как отношение амплитуды отраженной от нагрузки волны к
амплитуде падающей. Коэффициенты отражения по току г, и по напряжению ru равны
отношению соответствующих величин в отраженной и падающих волнах. Фаза
отраженного тока (по отношению к падающему) зависит от соотношения между Zн и Zо.
Если Zн>Zо, то отраженный ток будет противофазен падающему, а если Zн Величину коэффициента отражения r определяют по формуле где Rн и Хн - соответственно активная и реактивная составляющие нагрузочного
сопротивления При чисто активной нагрузке Хн = 0 формула упрощается до r=(Rн-Zо)/(Rн+Zо).
Например, если кабель с волновым сопротивлением 50 Ом нагружен резистором
сопротивлением 75 Ом, то коэффициент отражения будет r = (75-50)/(75+50) = 0,2. На рис. 1 ,а показано распределение напряжения Uл и тока Iл вдоль линии именно
для этого случая (потери в линии не учитываются). Масштаб по оси ординат для
тока принят в Zо раз больше - при этом у обоих графиков будет одинаковый размер
по вертикали. Пунктирная линия - графики напряжения Uло и тока Iло в случае,
когда Rн=Zо. Для примера взят участок линии длиной λ. При большей ее длине
картина будет циклично повторяться через каждые 0,5λ. В тех точках линии, где
фазы падающей и отраженной совпадают, напряжение максимально и равно Uл max -=
Uло(1 + r) = Uло(1 + 0,2) = 1,2Uлo, а в тех, где фазы противоположны, -
минимально и равно Uл min = Uло(1 - 0,2) = = 0,8Uло. По определению КСВ = Uл max/
/Uл min=1l2Uло/0I8Uло=1I5. Формулы для расчета КСВ и r можно записать и так: КСВ = (1+r)/(1-r) и r = =
(КСВ-1)/(КСВ+1). Отметим важный момент - сумма максимального и минимального
напряжений Uл max + Uл min = Uло(1 + r) + Uло(1 - r) = 2Uno, а их разность Uл
max - Uл min = 2Uлo. По полученным значениям можно рассчитать мощность падающей
волны Рпад = Uло2/Zo и мощность отраженной волны Pотр = = (rUло)2/Zo. В нашем
случае (для КСВ = 1,5 и r = 0,2) мощность отраженной волны составит всего 4 % от
мощности падающей. Определение КСВ по измерениям распределения напряжения вдоль участка линии в
поисках значений Uл max и Uл min широко применялось в прошлом не только на открытых воздушных линиях, но и в коаксиальных фидерах
(преимущественно на УКВ). Для этого использовался измерительный участок фидера,
имеющий длинную продольную щель, вдоль которой перемещалась тележка с
вставленным в нее зондом - головкой ВЧ вольтметра. КСВ можно определить, измеряя ток Iл в одном из проводов линии на участке длиной
менее 0,5λ. Определив максимальное и минимальное значения, рассчитывают КСВ =
Imax/Imin. Для измерения тока применяют преобразователь ток-напряжение в виде
токового трансформатора (TT) с нагрузочным резистором, напряжение на котором
пропорционально и синфазно измеряемому току. Отметим интересный факт - при
определенных параметрах TT на его выходе можно получить напряжение, равное
напряжению на линии (между проводниками), т.е. Uтл = IлZo. На рис. 1,б приведены совместно график изменения Uл вдоль линии и график
изменения Uтл. Графики имеют одинаковые амплитуду и форму, но сдвинуты один
относительно другого на 0.25Х. Анализ этих кривых показывает, что можно
определить г (или КСВ) при одновременном измерении величин Uл и UТЛ в любом
месте линии. В местах расположения максимумов и минимумов обеих кривых (точки 1
и 2) это очевидно: отношение этих величин Uл/Uтл (или Uтл/Uл) равно КСВ, сумма
равна 2Uло, а разность - 2rUлo. В промежуточных точках Uл и Uтл сдвинуты по
фазе, и их нужно складывать уже как векторы, однако приведенные выше соотношения
сохраняются, так как отраженная волна напряжения всегда обратна по фазе
отраженной волне тока, а rUлo = rUтлo. Следовательно, прибор, содержащий вольтметр, калиброванный преобразователь
ток-напряжение и схему сложения-вычитания, позволит определить такие параметры
линии, как r или КСВ, а также Рпад и Ротр при включении его в любом месте линии. Первые сведения об устройствах такого рода относятся к 1943 г и воспроизведены в
. Первые известные автору практические устройства были описаны в .
Вариант схемы, взятый за основу, показан на рис. 2. Устройство содержало: Вторичная обмотка трансформатора Т1 включена таким образом, что при подключении
передатчика к левому по схеме разъему, а нагрузки - к правому, на диод VD1
поступает суммарное напряжение Uc + UT, а на диод VD2 - разностное. При
подключении к выходу КСВ-метра резистивной эталонной нагрузки с сопротивлением,
равным волновому сопротивлению линии, отраженная волна отсутствует и,
следовательно, ВЧ напряжение на VD2 может быть нулевым. Это достигается в
процессе балансировки прибора уравниванием напряжений UT и Uc с помощью
подстроечного конденсатора С1. Как было показано выше, после такой настройки
величина разностного напряжения (при Zн≠Zо) будет пропорциональна коэффициенту
отражения г. Измерения с реальной нагрузкой производят так. Сначала в показанном
на схеме положении переключателя SA1 ("Падающая волна") калибровочным переменным
резистором R3 выставляют стрелку прибора на последнее деление шкалы (например,
100 мкА). Затем переключатель SA1 переводят в нижнее по схеме положение
("Отраженная волна") и отсчитывают значение г. Применительно к случаю с RH = 75
Ом прибор должен показать 20 мкА, что соответствует r = 0,2. Величину КСВ
определяют по приведенной выше формуле - КСВ = (1 +0,2)/ /(1-0,2) = 1,5 или КСВ
= (100+20)/ /(100-20) = 1,5. В этом примере детектор предполагается линейным - в
действительности необходимо вводить поправку, учитывающую его нелинейность. При
соответствующей калибровке прибор может быть использован для измерения падающей
и отраженной мощностей. Точность КСВ-метра как измерительного прибора зависит от ряда факторов, в первую
очередь от точности балансировки прибора в положении SA1 "Отраженная волна" при
Rн = Zo. Идеальной балансировке соответствуют напряжения Uс и Uт, равные по
величине и строго противоположные по фазе, т. е. их разность (алгебраическая
сумма) равна нулю. В реальной конструкции несбалансированный остаток Uост есть
всегда. Рассмотрим на примере, как это отражается на конечном результате
измерений. Допустим, что при балансировке получились напряжения Uс = 0,5 В и Uт
= 0,45 В (т. е. разбаланс 0,05 В, что вполне реально). При нагрузке Rн = 75 Ом в
50-омной линии реально имеем КСВ = 75/50 = 1,5 и r = 0,2, а величина отраженной
волны, пересчитанная к внутриприборным уровням, составит rUc= 0,2x0,5 = 0,1 В и
rUт = 0,2x0,45 = 0,09 В. Вновь обратимся к рис. 1,б, кривые на котором приведены для КСВ = 1,5 (кривые Uл
и Uтл для линии будут в нашем случае соответствовать Uс и Uт). В точке 1 Uс max
= 0,5 + 0,1 =0,6 В, Uт min = 0,45 - 0,09 = 0,36 В и КСВ = 0,6/0,36 = 1,67. В
точке 2UTmax = 0,45 + 0,09 = 0,54 В, Ucmin = 0,5 - 0,1 = 0.4 и КСВ = 0,54/0,4 =
1,35. Из этого несложного расчета видно, что в зависимости от места включения
такого КСВ-метра в линию с реальным КСВ=1,5 или при изменении длины линии между
прибором и нагрузкой могут быть считаны разные значения КСВ - от 1,35 до 1,67! Что может привести к неточной балансировке?
1. Наличие напряжения отсечки германиевого диода (в нашем случае VD2), при
котором он перестает проводить, - примерно 0,05 В. Поэтому при UOCT < 0,05 В
прибор РА1 покажет "ноль" и можно допустить ошибку в балансировке. Относительная
неточность значительно уменьшится, если поднять в несколько раз напряжения Uc и
соответственно UT. Например, при Uc = 2 В и UT = 1,95 В (Uост = 0,05 В) пределы
изменения КСВ для приведенного выше примера будут уже только от 1,46 до 1,54. 2. Наличие частотной зависимости напряжений Uc или UT. При этом точная
балансировка может быть достигнута не во всем диапазоне рабочих частот. Разберем
на примере одну из возможных причин. Допустим, в приборе использован конденсатор
делителя С2 емкостью 150 пФ с проволочными выводами диаметром 0,5 мм и длиной по
10 мм каждый. Измеренная индуктивность проволоки такого диаметра длиной 20 мм
оказалась равной L = = 0,03 мкГн. На верхней рабочей частоте f = 30 МГц
сопротивление конденсатора будет Хс = 1 /2πfС = -j35,4 Ом, суммарное реактивное
сопротивление выводов XL = 22πfL = j5,7 Ом. В результате сопротивление нижнего
плеча делителя уменьшится до значения -j35,4 + j5f7 = -j29,7 Ом (оно
соответствует конденсатору емкостью 177 пФ). В то же время на частотах от 7 МГц
и ниже влияние выводов ничтожно. Отсюда вывод - в нижнем плече делителя следует
применять безындуктивные конденсаторы с минимальными выводами (например, опорные
или проходные) и включение нескольких конденсаторов параллельно. Выводы
"верхнего" конденсатора С1 практически не влияют на ситуацию, так как Xс у
верхнего конденсатора в несколько десятков раз больше, чем у нижнего. Получить
равномерную балансировку во всей рабочей полосе частот можно с помощью
оригинального решения, о котором речь пойдет при описании практических
конструкций. 3.2. Индуктивное сопротивление вторичной обмотки Т1 на нижних частотах рабочего
диапазона (~1,8 МГц) может ощутимо шунтировать R1, что приведет к уменьшению UT
и его фазовому сдвигу. 3.3. Сопротивление R2 - часть детекторной цепи. Так как по схеме оно шунтирует
С2, на нижних частотах коэффициент деления может получить частотную и фазовую
зависимости. 3.4. В схеме рис. 2 детекторы на VD1 или VD2 в открытом состоянии шунтируют
своим входным сопротивлением RBX нижнее плечо емкостного делителя на С2, т.е RBX
действует так же, как и R2. Влияние RBX незначительно при (R3+R2) более 40 кОм,
что требует применения чувствительного индикатора РА1 с током полного отклонения
не более 100 мкА и ВЧ напряжения на VD1 не менее 4 В. 3.5. Входной и выходной разъемы КСВ-метра обычно разнесены на 30...100 мм. На
частоте 30 МГц разница фаз напряжений на разъемах составит α= [(0,03...
0,1)/10]360°- 1... 3,5°. Как это может отразиться на работе, продемонстрировано
на рис. 3,а и рис. 3,б. Разница схем на этих рисунках только в том, что
конденсатор С1 подключен к разным разъемам (Т1 в обоих случаях находится на
середине проводника между разъемами). В первом случае некомпенсированный остаток можно уменьшить, если скорректировать
фазу UOCT с помощью небольшого параллельно включенного конденсатора Ск, а во
втором - включением последовательно с R1 небольшой индуктивности Lк в виде
проволочной петли. Такой способ нередко применяется как в самодельных, так и
"фирменных" КСВ-метрах, но делать это не следует. Чтобы убедиться в этом,
достаточно повернуть прибор так, чтобы входной разъем стал выходным. При этом
компенсация, которая помогала до поворота, станет вредной - Uoct существенно
увеличится. При работе на реальной линии с несогласованной нагрузкой, в
зависимости от длины линии, прибор может попасть в такое место на линии, где
введенная коррекция "улучшит" реальный КСВ или, наоборот, "ухудшит" его. В любом
случае будет неправильный отсчет. Рекомендация - располагать разъемы по
возможности ближе друг к другу и использовать оригинальное схемное решение,
приведенное ниже. Для иллюстрации того, как сильно могут повлиять рассмотренные выше причины на
достоверность показаний КСВ-метра, на рис. 4 показаны результаты проверки двух
приборов заводского изготовления . Проверка заключалась в том, что
несогласованная нагрузка с расчетным КСВ = 2,25 устанавливалась на конце линии,
состоящей из ряда последовательно соединенных отрезков кабеля с Zо = 50 Ом
длиной каждый по λ/8. В процессе измерений полная длина линии изменялась от λ/8 до 5/8λ. Проверялись
два прибора: недорогой BRAND X (кривая 2) и одна из лучших моделей - BIRD 43
(кривая 3). Кривая 1 показывает истинный КСВ. Как говорится, комментарии
излишни. На рис. 5 приведен график зависимости ошибки измерений от величины коэффициента
направленности D (directivity) КСВ-метра . Аналогичные графики для КБВ =
1/КСВ приведены в . Применительно к конструкции рис. 2 этот коэффициент равен
отношению напряжений ВЧ на диодах VD1 и VD2 при подключении к выходу КСВ-метра
нагрузки Rн = Zо D = 20lg(2Uо/Uост). Таким образом, чем лучше удалось
сбалансировать схему (чем меньше Uост), тем выше D. Можно также использовать
показания индикатора РА1 - D = 20 х х lg(Iпад/Iотр). однако это значение D будет
менее точным из-за нелинейности диодов. На графике по горизонтальной оси отложены реальные значения КСВ, а на
вертикальной - измеренные с учетом ошибки в зависимости от величины D КСВ-метра.
Пунктиром показан пример - реальный КСВ = 2, прибор с D = 20 дБ даст показания
1,5 или 2,5, а при D = 40 дБ - соответственно 1,9 или 2,1. Как следует из литературных данных , КСВ-метр по схеме рис. 2 имеет D - 20
дБ. Это значит, что без существенной коррекции он не может применяться для
точных измерений. Вторая по важности причина неправильных показаний КСВ-метра связана с
нелинейностью вольт-амперной характеристики детекторных диодов. Это приводит к
зависимости показаний от уровня подаваемой мощности, особенно в начальной части
шкалы индикатора РА1. В фирменных КСВ-метрах нередко на индикаторе делают две
шкалы - для малого и большого уровней мощности. Трансформатор тока Т1 является важной частью КСВ-метра. Основные его
характеристики такие же, как и у более привычного трансформатора напряжения:
число витков первичной обмотки n1 и вторичной n2, коэффициент трансформации к =
n2/n1, ток вторичной обмотки I2 = l1/к. Отличие состоит в том, что ток через
первичную обмотку определяется внешней цепью (в нашем случае это ток в фидере)
и не зависит от сопротивления нагрузки вторичной обмотки R1, поэтому ток l2
также не зависит от величины сопротивления резистора R1. Например, если по
фидеру Zo = 50 Ом передается мощность Р = 100 Вт, ток I1 = √P/Zo
= 1,41 А и при к
= 20 ток вторичной обмотки будет l2 = I1/к - 0,07 А. Напряжение на выводах
вторичной обмотки будет определяться величиной R1: 2UT= l2 х R1 и при R1 = 68 Ом
составит 2UT = 4,8 В. Выделяемая на резисторе мощность Р = (2UT)2/R1 = 0,34 Вт.
Обратим внимание на особенность токового трансформатора - чем меньше витков во
вторичной обмотке, тем больше будет напряжение на ее выводах (при одном и том же
R1). Самый тяжелый режим для токового трансформатора - режим холостого хода (R1
= ∞), при этом напряжение на его выходе резко возрастает, магнитопровод
насыщается и разогревается настолько, что может разрушиться. В большинстве случаев в первичной обмотке используют один виток. Этот виток
может иметь разные формы, как показано на рис. 6,а и рис. 6,б (они равноценны),
а вот обмотка по рис. 6,в - это уже два витка. Отдельный вопрос - применение соединенного с корпусом экрана в виде трубки между
центральным проводом и вторичной обмоткой. С одной стороны, экран устраняет
емкостную связь между обмотками, чем несколько улучшает балансировку разностного
сигнала; с другой - в экране возникают вихревые токи, также влияющие на
балансировку. Практика показала, что с экраном и без него можно получить
примерно одинаковые результаты. Если экран все же используется, длину его
следует сделать минимальной, примерно равной ширине примененного
магнитопроводом, и соединить с корпусом широким коротким проводником.
"Заземление" экрана следует делать на среднюю линию, равноудаленную от обоих
разъемов. Для экрана можно использовать латунную трубку диаметром 4 мм от
телескопических антенн. Для КСВ-метров на проходящую мощность до 1 кВт подойдут ферритовые кольцевые
магнитопроводы размерами К12x6x4 и даже К10x6x3. Практика показала, что
оптимальное число витков п2 = 20. При индуктивности вторичной обмотки 40...60
мкГн получается наибольшая частотная равномерность (допустимая величина - до 200
мкГн). Возможно использование магнитопроводов с проницаемостью от 200 до 1000,
при этом желательно выбрать типоразмер, который обеспечит оптимальную
индуктивность обмотки. Можно использовать магнитопроводы и с меньшей проницаемостью, если применить
большие типоразмеры, увеличить число витков и/или уменьшить сопротивление R1.
Если проницаемость имеющихся магнитопроводов неизвестна, при наличии измерителя
индуктивности ее можно определить. Для этого следует намотать десять витков на
неизвестном магнитопроводе (витком считается каждое пересечение проводом
внутреннего отверстия сердечника), измерить индуктивность катушки L (мкГн) и
подставить это значение в формулу μ = 2,5 LDср/S , где Dср - средний диаметр
магнитопровода в см; S - сечение сердечника в см 2 (пример - у К10x6x3 Dcp = 0,8
см и S = 0,2x0,3 = 0,06 см 2). Если μ магнитопровода известна, индуктивность обмотки из n витков можно
рассчитать: L = μn 2 S/250Dcp. Применимость магнитопроводов на уровень мощности 1 кВт и более можно проверить и
при 100 Вт в фидере. Для этого следует временно установить резистор R1,
величиной в 4 раза большей, соответственно напряжение Uт также вырастет в 4
раза, а это эквивалентно возрастанию проходящей мощности в 16 раз. Разогрев
магнитопровода можно проверить наощупь (мощность на временном резисторе R1 также
вырастет в 4 раза). В реальных условиях мощность на резисторе R1 возрастает
пропорционально росту мощности в фидере. КСВ-метры UT1МА
Две конструкции КСВ-метра UT1MA, о которых пойдет речь ниже, имеют практически
одинаковую схему, но разное исполнение. В первом варианте (КМА - 01)
высокочастотный датчик и индикаторная часть раздельные. Датчик имеет входной и
выходной коаксиальные разъемы и может быть установлен в любом месте фидерного
тракта. Он соединен с индикатором трехпроводным кабелем любой длины. Во втором
варианте (КМА - 02) оба узла размещены в одном корпусе. Схема КСВ - метра приведена на рис. 7 и отличается она от базовой схемы рис. 2
наличием трех цепей коррекции. Рассмотрим эти отличия. Кроме того, балансировка осуществляется подстроечным конденсатором, включенным в
нижнее плечо делителя. Это упрощает монтаж и позволяет применить маломощный
малогабаритный подстроечный конденсатор. В конструкции предусмотрена возможность измерения мощности падающей и отраженной
волн. Для этого переключателем SA2 в цепь индикатора вместо переменного
калибровочного резистора R4 вводится подстроечный резистор R5, которым
устанавливается нужный предел измеряемой мощности. Применение оптимальной коррекции и рациональная конструкция прибора позволили
получить коэффициент направленности D в пределах 35...45 дБ в полосе частот
1,8...30 МГц. В КСВ - метрах применены следующие детали. Вторичная обмотка трансформатора Т1 содержит 2 x 10 витков (намотка в 2 провода)
проводом 0,35 ПЭВ, размещенных равномерно на феррито-вом кольце К12 x 6 x 4
проницаемостью около 400 (измеренная индуктивность ~ 90 мкГн). Резистор R1 - 68 Ом МЛТ, желательно без винтовой канавки на теле резистора. При
проходящей мощности менее 250 Вт достаточно установить резистор с мощностью
рассеивания 1 Вт, при мощности 500 Вт - 2 Вт. При мощности 1 кВт резистор R1
можно составить из двух параллельно включенных резисторов сопротивлением 130 Ом
и мощностью 2 Вт каждый. Впрочем, если КС В - метр проектируется под высокий
уровень мощности, есть смысл увеличить в два раза число витков вторичной обмотки
Т1 (до 2 x 20 витков). Это позволит в 4 раза уменьшить требуемую мощность
рассеивания резистора R1 (при этом конденсатор С2 должен иметь вдвое большую
емкость). Емкость каждого из конденсаторов С Г и С1" может быть в пределах 2,4...3 пФ (КТ,
КТК, КД на рабочее напряжение 500 В при Р ≥ 1 кВт и 200...250 В при меньшей
мощности). Конденсаторы С2 - на любое напряжение (КТК или другие безындуктивные,
один или 2 - 3 параллельно), конденсатор C3 - малогабаритный подстроечный с
пределами изменения емкости 3...20 пФ (КПК - М, КТ - 4). Требуемая емкость
конденсатора С2 зависит от суммарной величины емкости верхнего плеча емкостного
делителя, в которую входит помимо конденсаторов С" + С1" еще и емкость С0 ~ 1 пФ
между вторичной обмоткой трансформатора Т1 и центральным проводником. Общая
емкость нижнего плеча - С2 плюс C3 при R1 = 68 Ом должна быть примерно в 30 раз
больше емкости верхнего. Диоды VD1 и VD2 - Д311, конденсаторы С4, С5 и С6 -
емкостью 0,0033... 0,01 мкФ (КМ или другие высокочастотные), индикатор РА1 -
М2003 с током полного отклонения 100 мкА, переменный резистор R4 - 150 кОм СП -
4 - 2м, подстроечный резистор R4 - 150 кОм. Резистор R3 имеет сопротивление 10
кОм - он предохраняет индикатор от возможной перегрузки. Величину корректирующей индуктивности L1 можно определить так. При балансировке
прибора (без L1) надо отметить положения ротора подстроеч-ного конденсатора C3
на частотах 14 и 29 МГц, затем выпаять его и измерить емкость в обоих отмеченных
положениях. Допустим, для верхней частоты емкость оказалась меньше на 5 пФ, а
общая емкость нижнего плеча делителя - около 130 пФ, т. е. разница составляет
5/130 или около 4 %. Следовательно, для частотного выравнивания нужно на частоте
29 МГц уменьшить сопротивление верхнего плеча также на ~ 4 %. К примеру, при С1
+ С0 = 5 пФ емкостное сопротивление Хс = 1/2πfС - j1100 Ом, соответственно, Xc -
j44 Ом и L1 = XL1 / 2πf = = 0,24мкГн. В авторских приборах катушка L1 имела 8...9 витков проводом ПЭЛШО 0,29.
Внутренний диаметр катушки - 5 мм, намотка плотная с последующей пропиткой клеем
БФ - 2. Окончательное число витков уточняется после ее установки на место.
Первоначально производят балансировку на частоте 14 МГц, затем устанавливают
частоту 29 МГц и подбирают такое число витков катушки L1, при котором схема
балансируется на обеих частотах при одном и том же положении подстроечника C3. После достижения хорошей балансировки на средних и верхних частотах
устанавливают частоту 1,8 МГц, на место резистора R2 временно впаивают
переменный резистор сопротивлением 15...20 кОм и находят значение, при котором
UOCT минимально. Значение сопротивления резистора R2 зависит от индуктивности
вторичной обмотки Т1 и лежит в пределах 5...20 кОм для ее индуктивности 40...200
мкГн (большие значения сопротивления для большей индуктивности). В радиолюбительских условиях наиболее часто в индикаторе КСВ-метра используют
микроамперметр с линейной шкалой и отсчет ведут по формуле КСВ = (Iпад + Iотр) /
(Iпад -Iотр), где I в микроамперах - показания индикатора в режимах "падающая" и
"отраженная" соответственно. При этом не учитывается ошибка из-за нелинейности
начального участка ВАХ диодов. Проверка с помощью нагрузок разной величины на
частоте 7 МГц показала, что при мощности около 100 Вт показания индикатора были
в среднем на одно деление (1 мкА) меньше реальных значений, при 25 Вт - меньше
на 2,5...3 мкА, а при 10 Вт - на 4 мкА. Отсюда простая рекомендация: для
100-ваттного варианта - заранее сместить начальное (нулевое) положение стрелки
прибора на одно деление вверх, а при использовании 10 Вт (например, при
настройке антенны) прибавлять к отсчету по шкале е положении "отраженная" еще 4
мкА. Пример - отсчеты "падающая/отраженная" соответственно 100/16 мкА, а
правильный КСВ будет (100 + 20) / (100 - 20) = 1,5. При значительной мощности -
500 Вт и более - в указанной коррекции нет необходимости. Следует заметить, что все типы любительских КСВ-метров (на токовом
трансформаторе, мостовые, на направленных ответвителях) дают значения
коэффициента отражения r, а величину КСВ затем приходится вычислять. Между тем
именно r является основным показателем степени согласования, а КСВ - это
показатель производный. Подтверждением сказанного может быть тот факт, что в
электросвязи степень согласования характеризуется затуханием несогласованности
(тот же r, только в децибелах). В дорогих фирменных приборах также предусмотрен
отсчет r под названием return loss (обратные потери). Что будет, если в качестве детекторов применить кремниевые диоды? Если у
германиевого диода при комнатной температуре напряжение отсечки, при котором ток
через диод всего 0,2...0,3 мкА, составляет около 0,045 В, то у кремниевого уже
0,3 В. Следовательно, чтобы сохранить точность отсчета при переходе на
кремниевые диоды, необходимо более чем в 6 раз поднять уровни напряжений Uc и UT
(!). В эксперименте, при замене диодов Д311 на КД522 при Р = 100 Вт, нагрузке Zн
= 75 Ом и тех же Uc и UT, получились цифры: до замены- 100/19 и КСВ=1,48, после
замены - 100/12 и расчетный КСВ=1,27. Применение схемы удвоения на диодах КД522
дало еще худший результат - 100/11 и расчетный КСВ = 1,25. Корпус датчика в раздельном варианте может быть изготовлен из меди, алюминия или
спаян из пластинок двусторонне фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5...2
мм. Эскиз такой конструкции приведен на рис. 8,а. Корпус состоит из двух
отсеков, в одном друг напротив друга расположены ВЧ разъемы (СР - 50 или SO -
239 с фланцами размерами 25x25 мм), перемычка из провода диаметром 1,4 мм в
полиэтиленовой изоляции диаметром 4,8 мм (от кабеля РК50 - 4), токовый
трансформатор Т1, конденсаторы емкостного делителя и компенсационная катушка L1,
в другом - резисторы R1, R2, диоды, подстроечный и блокировочные конденсаторы и
малогабаритный НЧ разъем. Выводы Т1 минимальной длины. Точка соединения
конденсаторов С1" и С1" с катушкой L1 "висит в воздухе", а точка соединения
конденсаторов С4 и С5 среднего вывода разъема ХЗ соединена с корпусом прибора. Перегородки 2, 3 и 5 имеют одинаковые размеры. В перегородке 2 отверстий нет, а
в перегородке 5 отверстие делают под конкретный НЧ разъем, через который будет
подключаться индикаторный блок. В средней перемычке 3 (рис. 8,б) вокруг трех
отверстий с обеих сторон выбирают фольгу, а в отверстия устанавливают три
проходных проводника (например, латунные винты М2 и МЗ). Эскизы боковин 1 и 4
приведены на рис. 8,в. Пунктирными линиями показаны места соединения перед
пайкой, которая для большей прочности и обеспечения электрического контакта
производится с обеих сторон. Для настройки и проверки КСВ - метра необходим образцовый нагрузочный резистор
50 Ом (эквивалент антенны) мощностью 50...100 Вт. Одна из возможных
радиолюбительских конструкций показана на рис. 11. В ней используется
распространенный резистор ТВО сопротивлением 51 Ом и мощностью рассеивания 60 Вт
(прямоугольник размерами 45 x 25 x 180 мм). Внутри керамического корпуса резистора находится длинный цилиндрический канал,
заполненный резистивным веществом. Резистор должен быть плотно прижат к днищу
алюминиевого кожуха. Это улучшает отвод тепла и создает распределенную емкость,
улучшающую широко-полосность. С помощью дополнительных резисторов с мощностью
рассеивания 2 Вт входное сопротивление нагрузки устанавливают в пределах
49,9...50,1 Ом. С небольшим корректирующим конденсатором на входе (~ 10 пФ)
удается на базе этого резистора получить нагрузку с КСВ не хуже 1,05 в полосе
частот до 30 МГц. Отличные нагрузки получаются из специальных малогабаритных
резисторов типа Р1 - 3 номиналом 49,9 Ом, выдерживающих значительную мощность
при использовании внешнего радиатора. Были проведены сравнительные испытания КСВ-метров разных фирм и приборов,
описанных в этой статье. Проверка заключалась в том, что к передатчику с
выходной мощностью около 100 Вт через испытуемый 50-омный КСВ - метр
подключалась несогласованная нагрузка 75 Ом (эквивалент антенны на мощность 100
Вт заводского изготовления) и производилось два измерения. Одно - при
подключении коротким кабелем РК50 длиной 10 см, другое - через кабель РК50
длиной ~ 0,25λ. Чем меньше разброс показаний, тем достовернее прибор. При частоте 29 МГц получены следующие значения КСВ: С нагрузкой 50 Ом при любой длине кабелей все приборы "дружно" показывали КСВ <
1,1. Причину большого разброса показаний RSM - 600 удалось выяснить при его
исследовании. В этом приборе в качестве датчика напряжения используется не
емкостный делитель, а понижающий трансформатор напряжения с фиксированным
коэффициентом трансформации. Это снимает "проблемы" емкостного делителя, но
снижает надежность прибора при измерении больших мощностей (предельная мощность
RSM - 600 - всего 200/400 Вт). В его схеме нет подстроечного элемента, поэтому
резистор нагрузки токового трансформатора должен быть высокой точности (хотя бы
50±0,5 Ом), а реально был использован резистор сопротивлением 47,4 Ом. После его
замены на резистор 49,9 Ом результаты измерений стали значительно лучше -
1,48/1,58. Возможно, с этой же причиной связан большой разброс показаний
приборов SX - 100 и KW - 220. Измерение при несогласованной нагрузке с помощью дополнительного
четвертьволнового 50 - омного кабеля - надежный способ проверки качества КСВ -
метра. Отметим три момента: Литература
Коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН, VSWR)
В современном мире электронная техника развивается семимильными шагами. Каждый день появляется что-то новое, и это не только небольшие улучшения уже существующих моделей, но и результаты применения инновационных технологий, позволяющих в разы улучшить характеристики. Не отстает от электронной техники и приборостроительная отрасль - ведь чтобы разработать и выпустить на рынок новые устройства, их необходимо тщательно протестировать, как на этапе проектирования и разработки, так и на этапе производства. Появляются новая измерительная техника и новые методы измерения, а, следовательно – новые термины и понятия. Для тех, кто часто сталкивается с непонятными сокращениями, аббревиатурами и терминами и хотел бы глубже понимать их значения, и предназначена эта рубрика. Коэффициент стоячей волны по напряжению – это отношение наибольшего вдоль линии значения амплитуды напряжения к наименьшему. Коэффициент стоячей волны по напряжению вычисляется по формуле: , В идеальном случае КСВН = 1, это означает, что отраженная волна отсутствует. При появлении отраженной волны возрастает в прямой зависимости от степени рассогласования тракта и нагрузки. Допустимые значения КСВН на рабочей частоте или в полосе частот для различных устройств регламентируются в технических условиях и ГОСТах. Обычно приемлемые значения коэффициента лежат в пределах от 1,1 до 2,0. Измеряют КСВН, например, с помощью включённых в тракт в противоположном направлении двух направленных ответвителей. В космической технике КСВН измеряется встроенными в волноводные тракты датчиками КСВ. Современные анализаторы цепей также имеют встроенные датчики КСВН. При проведении измерений КСВН необходимо учитывать, что затухание сигнала в кабеле приводит к погрешности измерений. Это объясняется тем, что как падающая, так и отраженная волны испытывают затухание. В таких случая КСВН рассчитывается следующим образом: где К - коэффициент ослабления отраженной волны, который вычисляется следующим образом: K = 2BL, При монтаже и настройке систем радиосвязи часто измеряют некую не всем и не совсем ясную величину называемую КСВ. Что же это за характеристика, помимо спектра частот указываемая в характеристиках антенн? Измеренное на постоянном токе тестером сопротивление кабеля покажет либо холостой ход либо короткое замыкание в зависимости оттого, что подключено к другому концу кабеля, а волновое сопротивление коаксиального кабеля, определяется соотношением диаметров внутреннего и внешнего проводников кабеля и характеристиками изолятора между ними. Волновое сопротивление это сопротивление, которое оказывает линия бегущей волне высокочастотного сигнала. Волновое сопротивление постоянно вдоль линии и не зависит от её длины. Для радиочастот волновое сопротивление линии считают неизменным и чисто активным. Оно приблизительно равно: Мощность попадающая в нагрузку
Обратные потери
Важно понимать, что: Измеряют КСВ, например, с помощью двух направленных ответвителей, включённых в тракт в противоположных направлениях или измерительного мостового рефлектометра, что позволяет получить сигналы пропорциональные падающему и отраженному сигналу. Для измерения КСВ могут использоваться различные приборы. Сложные приборы имеют в своем составе генератор качающейся частоты, позволяющий увидеть панорамную картину КСВ. Простые приборы состоят из ответвителей и индикатора, а источник сигнала используется внешний, например, радиостанция. Например, двухблочный РК2-47 за счет широкополосного мостового рефлектометра обеспечивал измерение в диапазоне 0,5-1250MГц. Или попроще и подешевле: Популярны простые и недорогие панорамные измерители от AEA: Измерение КСВ может проводиться как в конкретной точке спектра, так и в панораме. В этом случае на экране анализатора могут быть выведены значения КСВ в указанном спектре, что удобно для настройки конкретной антенны и исключает промах при обрезке антенны. Практическое измерение заключается в подключении измерителя к разъёму испытуемого устройства или в разрыв тракта при использовании прибора проходного типа. Значение КСВ зависит от многих факторов: При измерении КСВ антенны через фидер с потерями, испытательный сигнал в линии затухает и фидер внесет погрешность, соответствующую потерям в нем. И падающая, и отраженная волны испытывают затухание. В таких случаях КСВН рассчитывается: Например, если Вы проверяете фидерный тракт с потерями 3дБ, антенну с КСВ 1,9 и используете передатчик мощностью 10 Вт как источник сигнала для проходного измерителя, то падающая мощность, измеренная прибором составит 10Вт. Поданный сигнал ослабится фидером в 2 раза, от антенны отразится 0,9 пришедшего сигнала и, наконец, отраженный сигнал на пути к прибору ослабится ещё в 2 раза. Прибор честно покажет соотношение падающего и отраженного сигналов падающая мощность 10Вт и отраженная 0,25Вт. КСВ получится 1,37 вместо 1,9. Если будет использоваться прибор с встроенным генератором, то мощности этого генератора может оказаться недостаточной, чтобы на детекторе отраженной волны создать нужное напряжение и Вы увидите шумовую дорожку. В общем случае, усилия, затрачиваемые на снижение КСВ ниже 2:1 в любой коаксиальной линии не дают результата с точки зрения увеличения эффективности излучения антенны, и целесообразны в тех случаях, если схема защиты передатчика срабатывает, например, при КСВ>1,5 или расстраиваются частотнозависимые цепи, подключенные к фидеру. Наша компания предлагает широкий спектр измерительного оборудования различных производителей вкратце рассмотрим их: КСВ-метр MFJ-259 очень компактный, его можно использовать как с внешним источником питания низкого напряжения, так и с внутренним комплектом батарей типа АА. MFJ-269
Диапазон частот, МГц Измеряемые характеристики 200х100х65 мм Диапазон рабочих частот КСВ-метра разбит на поддиапазоны:1,8…4 МГц, 27…70 МГц, 415…470 МГц, 4,0…10 МГц, 70…114 МГц, 10…27 МГц, 114…170 МГц Измерители КСВ и Мощности
Comet
Диапазон М1 Диапазон М2 Частотный диапазон 1.8 - 200 МГц 140 - 525 МГц Площадь измерения мощности 0 - 3КВт (HF), 0 - 1КВт (VHF) Диапазон измерения мощности Погрешность измерения мощности ±10% (всей шкалы) Область измерения КСВ от 1 до бесконечности Сопротивление Остаточный КСВ 1.2 и менее Вносимое затухание 0.2 дБ или менее Минимальная мощность для измерений КСВ Приблизительно 6Вт. М-образный Питание для ламп подсветки 11 - 15В постоянного тока, приблизительно 450 мА Габариты (данные в скобках с учетом выступов) 250(Ш) х 93 (98) (В) х 110 (135) (Г) Приблизительно 1540 г. Измерители мощности и КСВ
Nissen
Коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН, VSWR)
где U 1 и U 2 - амплитуды падающей и отражённой волн соответственно.
,
здесь В - удельное затухание, дБ/м;
L - длина кабеля, м;
а множитель 2 учитывает тот факт, что сигнал испытывает ослабление при передаче от источника СВЧ сигнала к антенне и на обратном пути.
Отвечаем:
Коэффициент стоячей волны (КСВ), коэффициент бегущей волны (КБВ), обратные потери это - термины, характеризующие степень согласования радиочастотного тракта.
В высокочастотных линиях передачи соответствие сопротивления источника сигнала волновому сопротивлению линии определяет условия прохождения сигнала. При равенстве этих сопротивлений в линии возникает режим бегущей волны, при котором вся мощность источника сигнала передается в нагрузку.
где L и С распределенные емкость и индуктивность линии;
Где: D – диаметр внешнего проводника, d – диаметр внутреннего проводника, - диэлектрическая проницаемость изолятора.
При расчете радиочастотных кабелей стремятся получить оптимальную конструкцию, обеспечивающую высокие электрические характеристики при наименьшем расходе материалов.
При использовании меди для внутреннего и внешнего проводников радиочастотного кабеля справедливы соотношения:
минимальное затухание в кабеле достигается при отношении диаметров
максимальная электрическая прочность достигается при:
максимум передаваемой мощности при:
исходя из этих соотношений, выбраны волновые сопротивления радиочастотных кабелей, выпускаемых промышленностью.
Точность и стабильность параметров кабеля зависят от точности изготовления диаметров внутреннего и внешнего проводников и стабильности параметров диэлектрика.
В идеально согласованной линии отражение отсутствует. Когда сопротивление нагрузки равно волновому сопротивлению линии передачи, падающая волна полностью поглощается в нагрузке, отраженная и стоячая волны отсутствуют. Такой режим называется режимом бегущей волны.
При коротком замыкании или холостом ходе линии на конце линии, падающая волна полностью отражается обратно. Отраженная волна складывается с падающей, и результирующая амплитуда в любом сечении линии является суммой амплитуд падающей и отраженной волн. Максимум напряжения называется пучностью, минимум напряжения узлом напряжения. Узлы и пучности не движутся относительно линии передачи. Такой режим называется режимом стоячей волны.
Если на выходе линии передачи подключена произвольная нагрузка, только часть падающей волны отражается обратно. В зависимости от степени рассогласования возрастает отраженная волна. В линии одновременно устанавливаются стоячая и бегущая волны. Это режим смешанных или комбинированных волн.
Коэффициент стоячей волны (КСВ) это безразмерная величина, характеризующая соотношение падающей и отраженной волн в линии, то есть степень приближения к режиму бегущей волны:
; как видно по определению, КСВ может меняться от 1 до бесконечности;
КСВ меняется пропорционально соотношению сопротивления нагрузки к волновому сопротивлению линии :
Коэффициент бегущей волны это величина обратная КСВ:
КБВ= может меняться от 0 до 1;
или наоборот: 
Обратные потери удобно использовать при оценке эффективности фидерного тракта, когда потери кабеля, выражаемые в дБ/м можно просто просуммировать с обратными потерями.
Величина потерь на рассогласование зависит от КСВ:
в разах или 
в децибелах.
Передаваемая энергия при несогласованной нагрузкевсегда меньше, чем при согласованной. Передатчик, работающий на несогласованную нагрузку, не отдает в линию всю ту мощность, которую бы отдавал в согласованную. Фактически, это не потери в линии, а снижение мощности, отдаваемой в линию передатчиком. Насколько влияет КСВ на снижение, видно из таблицы:
RL
Р4-11 служил для измерения КСВН, фазы коэффициента отражения, модуля и фазы коэффициента передачи в диапазоне 1-1250МГц.
Импортные приборы для измерения КСВ ставшие классическими от Bird и Telewave:
К большинству системных анализаторов существуют control head - рефлектометрические мосты, позволяющие с высокой точностью измерять КСВ в частотной точке или в панораме:
где k
- коэффициент ослабления отраженной волны, который вычисляется: k=2BL
; В
- удельное затухание, дБ/м; L
- длина кабеля, м, при этом
множитель 2
учитывает, что сигнал ослабляется дважды - на пути к антенне и на пути от антенны к источнику, на обратном пути.
Например, используя кабель с удельным затуханием 0,04 дБ/м, ослабление сигнала на длине фидера 40 метров составит 1,6 дБ в каждую сторону, всего 3,2 дБ. Значит, вместо действительного значения КСВ=2,0 прибор покажет 1,38; при КСВ=3,00 прибор покажет около 2,08.
MFJ
MFJ-259
– достаточно простой в эксплуатации прибор для комплексного измерения параметров систем работающих в диапазоне от 1 до 170 МГц.
КСВ-метр MFJ-269 компактным комбинированным прибор с автономным питанием.
Индикация режимов работы осуществляется на жидкокристаллическом дисплее, а результатов измерений - на ЖКД и стрелочных приборах, расположенных на лицевой панели.
MFJ-269 позволяет производить большое количество дополнительных антенных измерений: РЧ импеданса, потерь в кабелях и их электрических длин до места обрыва или короткого замыкания.
Технические характеристики
Серия измерителей мощности и КСВ Comet представлена тремя моделями:CMX-200 (Измеритель КСВ и мощности, 1,8-200 МГц, 30/300/3 кВт), CMX-1(Измеритель КСВ и мощности, 1,8-60 МГц, 30/300/3 кВт) и, представляющий наибольший интерес, CMX2300 T (Измеритель КСВ и мощности, 1,8-60/140-525 МГц, 30/300/3 кВт, 20/50/200 Вт)
CMX2300 T
Измеритель мощности и КСВ CMX-2300 состоит из двух независимых систем диапазона 1.8-200МГц и диапазона 140-525 МГц с возможностью одновременного измерения этих диапазонов. Проходная структура прибора и, как следствие, невысокая потеря мощности позволяет проводить измерения в течении длительного времени.
Технические характеристики
Зачастую для работы на объекте не требуется сложный и дающий полную картинку, а скорее функциональный и простой в использовании прибор. Именно такими «Рабочими лошадками» и является серия измерителей мощности и КСВ Nissen.
Простая проходная структура и высокое предельное значение мощности до 200 Вт совместно с частотным спектром 1,6-525МГц делают приборы Nissen весьма ценным подспорьем там где необходима не комплексная характеристика линии а быстрота и точность измерения.
NISSEI TX-502
Характерным представителем серии измерителей Nissen может послужить Nissen TX-502. Измерение прямых и обратных потерь, измерение КСВ, стрелочная панель с явно видимой градуировкой. Максимум функционала при лаконичном исполнении. И при этом в процессе настройки антенн этого зачастую вполне хватает для быстрого и оперативного развертывания системы связи и наладки канала.
