Вимірювання КСВ на коротких хвилях
Для настройки і узгодження антен, а також для контролю їх параметрів в процесі експлуатації застосовують вимірювачі коефіцієнта стоячої хвилі.
В аматорській практиці отримали розповсюдження КСВ-метри двох типів: мостові і з спрямованими відгалужувачі.
Мостові КСВ-метри - найпростіші у виготовленні і налагодженні. Вони мають досить високу чутливість і особливо зручні для вимірювання на етапі налаштування і узгодження антени. Спільно з генератором стандартних сигналів мостові КСВ-метри дозволяють вимірювати коефіцієнт стоячої хвилі в широкому діапазоні частот.
КСВ-метри з спрямованими відгалужувачі. в свою чергу, поділяються на дві підгрупи. У конструктивному відношенні так і в налагодженні простіше прилади, у яких чутливість залежить від частоти: істотно зменшується на НЧ діапазонах. Правда, це створює певні труднощі у виготовленні подібних КСВ-метрів, призначених для експлуатації з малопотужними передавачами в діапазоні 160 м. Прилади з спрямованими відгалужувачі, у яких чутливість не залежить від частоти, трохи складніше у виготовленні, помітно складніше в налагодженні і, що, мабуть, найважливіше для радіоаматорів, вимагають застосування досить дефіцитних кільцевих магнітопроводів з високочастотного фериту.
Перевагою КСВ-метрів з спрямованими відгалужувачі є те, що вони працюють при повному рівні потужності аматорської радіостанції. Ці КСВ-метри дозволяють вести постійний контроль віддається потужності, а при необхідності практично миттєво, не припиняючи роботи в ефірі, перевірити КСВ. Однак їх відносно невисока чутливість є і основним недоліком, коли мова заходить про вимірювання КСВ за межами аматорських діапазонів. А така необхідність може виникнути під час першого налаштування антен.
Резюмуючи все сказане, можна стверджувати, що на аматорської радіостанції доцільно мати два КСВ-метра: бруківці (для настройки антен) і з направленими відгалужувачі (для повсякденної роботи в ефірі).
Принципова схема мостового вимірювача КСВ приведена на рис.1. Прилад розроблений Б.Степановим. Джерело сигналу - ГСС або передавач зі зменшеною вихідною потужністю - підключають до гнізда Х1, а антенний фідер - до гнізда Х2.
Рис.1. Принципова схема мостового вимірювача КСВ
Вхідний опір фідера разом з резисторами R1-R3 утворює бруківку схему. Опір резистора R3 вибирають рівним хвильовому опору коаксіального кабелю, через який живлять антену. Опір резисторів R1 і R2 можна вибирати досить довільно - важливо лише, щоб вони були рівними (для радіоаматорського практики цілком прийнятним буде розкид їх опорів до 5%).
Якщо в антенно-фидерном тракті КСВ дорівнює одиниці, то вхідний опір фідера чисто активне і відповідає його хвильовому опору. Міст збалансований, і ВЧ вольтметр на діоді V2 не зареєструють високочастотного напруги в діагоналі моста. Якщо КСВ НЕ дорівнює одиниці, то, вимірявши напругу U1, яке надходить в фідер, і напруга U2 разбаланса моста, можна обчислити за формулою:
Порядок вимірювання КСВ наступний. Спочатку замикають або відключають навантаження (фідер) і вимірюють напругу U1 (перемикач S у верхньому по схемі положенні). Потім, не змінюючи характеру навантаження на роз'ємі Х2 (холостий хід або коротке замикання), переводять перемикач S в нижнє за схемою становище і реєструють напруга Uk, яке надходить на міст від генератора. Після цього підключають фідер і, регулюючи амплітуду вихідного сигналу ГСС або передавача, встановлюють знову по приладу Р напруга Uk. І, нарешті, перевівши перемикач S у верхнє за схемою становище, вимірюють напругу разбаланса U2.
Подібна процедура з контрольними вимірами напруги, що надходить на міст, необхідна, оскільки він являє собою досить низкоомную навантаження для джерела сигналу. Зміни цього навантаження (підключення фідера) при не дуже низькому вихідному опорі генератора може викликати відповідну зміну вихідної напруги і, отже, помилку в вимірах.
Процедуру вимірювань можна дещо спростити, якщо попередньо перевірити навантажувальні здатності джерела сигналу. Для цього перемикач S встановлюють в нижнє за схемою становище і, підключаючи резистори з різним опором, контролюють зміна вихідної напруги джерела сигналу. Вимірювання треба проводити при підключенні двох резисторів: опір одного з них має бути приблизно в три рази менше хвильового опору тракту, з яким буде працювати КСВ-метр, а іншого - приблизно в три рази більше.
Якщо вимір вихідної напруги джерела сигналу при підключенні цих навантажень не перевищує 10%, то його можна не контролювати в процесі вимірювань КСВ. У цьому випадку помилка у вимірі коефіцієнта стоячої хвилі для значень КСВ, менших трьох, буде незначною. Значення КСВ більше 3 на практиці точно вимірювати не потрібно, так як нормальними для роботи антенно-фідерного тракту є значення КСВ до 2.
Для підвищення інструментальної точності вимірювань доцільно рівень сигналу і (або) чутливість ВЧ вольтметра КСВ-метра підбирати такими, щоб напрузі U1 відповідало відхилення стрілки вимірювального приладу Р на останнє поділ шкали. В цьому випадку, в принципі, шкалу приладу можна отградуировать безпосередньо в значеннях КСВ в антенно-фидерном тракті. Необхідно тільки пам'ятати наступне. Як правило, вимірювальний прилад Р - це звичайний мікроамперметр з лінійною шкалою.
Тим часом добре відомо, що шкала простого ВЧ вольтметра, що складається з напівпровідникового діода і мікроамперметра з додатковим резистором, істотно нелінійна при невеликих (менше 2 В) рівнях ВЧ напруги. Іншими словами, такий ВЧ вольтметр потребує калібрування (причому на декількох межах вимірювання!), Що далеко не завжди можна виконати в радіоаматорських умовах. Тут, однак, виручає одна обставина.
Дослідження простих ВЧ вольтметрів, виконаних на германієвих діодах серій Д2, Д9, Д18, Д20, Д310, Д311, Д312, ГД402, ГД507 і ГД508 з різними літерними індексами, показали, що деякі характеристики подібних вольтметрів дуже близькі один до одного. Так, якщо в КСВ-метрі використовується мікроамперметр зі струмом повного відхилення 50. 200 мкА, а додатковий резистор R6 такий, що разом з приладом Р утворює вольтметр постійного струму на напругу 1. 2 В (некритично), то показання ВЧ вольтметра N на згаданих диодах будуть пов'язані з амплітудою високочастотного напруги Uвч простим співвідношенням:
Це дає можливість не калібрувати шкалу КСВ-метра по зразковому приладу, а отримати її розрахунковим шляхом. Якщо користуватися лінійною шкалою мікроамперметра, то формула для знаходження КСВ набуває такого вигляду:
Ефективність випрямлення ВЧ напруги залежить від типу використаного в КСВ-метрі діода. Для діодів типу Д2, Д9, Д310, Д312 частотна залежність показань вольтметра починає проявлятися вже на частотах 2. 5 МГц, а на частоті 30 МГц ефективність випрямлення падає приблизно в два рази в порівнянні з низькими частотами (
Помітно кращі частотні характеристики мають діоди Д18, Д20, Д311, ГД402 і ГД507 - у них частотна залежність починає проявлятися на частотах 10. 20 МГц. Найкращими для КСВ-метра є діоди ГД508: у виконаних на їх основі ВЧ вольтметрів ефективність випрямлення залишається постійною аж до частоти 30 МГц.
Зауважимо, до речі, що в КСВ-метрах не можна використовувати кремнієві діоди, так як вони практично на випрямляють ВЧ напруги при амплітудах сигналу менше 0,6. 0,7 В. КСВ-метр з такими діодами буде помітно "покращувати" малі значення коефіцієнта стоячої хвилі.
Можливий варіант практичної конструкції мостового КСВ-метра наведено на рис.2.
Рис.2. Конструкція мостового КСВ метра
Весь монтаж виконаний на невеликій платі з однобічного фольгованого склотекстоліти, на якій різаком зроблені контактні полощадкі для подпайкі деталей КСВ-метра. Плату поміщають в екрановану коробку (її також можна зробити зі шматків фольгованого склотекстоліти).
Як уже зазначалося, недоліком КСВ-метрів на основі спрямованих відгалужувачі є їх відносно невисока чутливість, що обумовлює необхідність робити настроювання власне антени або узгоджувального блоку при рівнях потужності, достатніх для створення перешкод (хоча б короткочасних) іншим аматорським радіостанціям.
В принципі, можна помітно знизити рівень випромінюваної потужності при настройці антенно-фідерного тракту, якщо в якості високочутливого індикатора КСВ-метра використовувати зв'язковий приймач. Але цей метод можна застосовувати далеко не завжди, оскільки на більшості аматорських станцій в даний час використовуються трансивери, а традиційний метод вимірювання КСВ за допомогою спрямованих відгалужувачі вимагає окремого індикатора - приймача.
Метод вимірювання КСВ, про який піде мова нижче, дозволяє виробляти "тиху" настройку антени або узгоджувального блоку. Рівень випромінюваного сигналу при такій "тихої" налаштуванні не перевищує 10 в мінус 12 ступені Вт. Такий сигнал практично не виявимо на відстанях від антени, що перевищують одну-дві довжини хвилі.
Функціональні схеми пристроїв для вимірювання КСВ за традиційною і за новою методикою наведені на рис.3, б відповідно.
Рис.3. Функціональні схеми пристроїв для вимірювання КСВ
а - за традиційною методикою; б - за новою методикою.
Спрямований відгалужувач для падаючої хвилі в робочому тракті.Різниця в двох схемах невелике - помінялися місцями лише джерело випробувального сигналу і індикатор. Така перестановка можлива, оскільки спрямовані відгалужувачі є лінійними "взаємними" пристроями, тобто їх властивості не змінюються, якщо генератор і навантаження поміняти місцями. У пристрої за схемою ріс.3б рівень випробувального сигналу повинен бути більше рівня сигналу прийнятих в даний момент на даній частоті станцій всього лише на 20 дБ. Це забезпечить надійну реєстрацію КСВ, рівних або більших 2, що в більшості випадків цілком достатньо в радіоаматорських умовах.
Власне джерело випробувального сигналу повинен забезпечувати рівень приблизно на 20. 40 дБ більший, щоб компенсувати втрати в спрямованого відгалужувачі. Їм може бути, наприклад, кварцовий калібратор приймача. В цьому випадку вимірювання КСВ можливі тільки на фіксованих частотах, що виробляються калибратором. Якщо в якості джерела випробувального сигналу взяти генератор шуму, то вимірювання можливі на будь-якій частоті. З усього спектра сигналів, що надходять на його вхід, приймач виділить лише корисний сигнал, відповідний частоті, на яку він налаштований. Для радіоаматорського практики все ж більше підходить кварцовий калібратор, оскільки він може забезпечити прийнятну точність по частоті (при мітках, кратних 50 кГц), а за суб'єктивними оцінками більш зручна настройка антени "на слух" (див.нижче) по мінімуму КСВ.
Розглянемо роботу пристрою по схемі ріс.3б докладніше. Коли випробувальний сигнал надходить в спрямований ответвитель падаючої хвилі, то в основному робочому тракті він поширюється в напрямку антени. Якщо антенно-фідерний тракт неузгоджені (КСВ в тракті лівіше за схемою узгоджувального блоку не дорівнює 1), то виникає відбитий сигнал, який потрапляє на вхід приймача. Коли ж генератор підключений до відгалужувачів відбитої хвилі, то він відразу надходить на вхід приймача. Вимірявши рівні цих двох сигналів по калібровані S-метру приймача, за відомою формулою обчислюють КСВ в робочому тракті. КСВ, рівному 2, відповідає різниця в прямому і відбитому сигналі близько 20 дБ, тому ці рівні повинні відрізнятися приблизно на 3,5 бала за шкалою S-метра.
Малі рівні випромінюваного сигналу дозволяють при наявності такого КСВ-метра підлаштовувати узгоджувальний блок антенно-фідерного тракту безпосередньо на робочій частоті, не створюючи перешкод іншим радіоаматорам. Більш того, оператор радіостанції в цьому випадку стежить в процесі підстроювання узгоджувального блоку за обстановкою в ефірі.
Мінімум КСВ при налаштуванні "на слух" виражений дуже чітко, оскільки зміни випробувального сигналу (його можна розглядати в цьому випадку як "перешкоду" прийому) і корисного сигналу носять "протифазний" характер: при зменшенні КСВ рівень випробувального падає, а корисного зростає.
Практична схема пристрою для вимірювання КСВ за даним методикою приведена на рис.4. Воно містить тільки один спрямований відгалужувач, утворений резистором R і ВЧ трансформатор Т. Цей ответвитель реагує на падаючу хвилю за основним робочим тракту.
Рис.4. Принципова схема для вимірювання КСВ
Справа в тому, що необхідність мати другий ответвитель насправді немає. У приймальні частини тракту, де немає сильних струмів, без праці можна імітувати КСВ, рівний "нескінченності". Для цього достатньо якимось вимикачем або закоротити центральну жилу коаксіального кабелю на оплетку, або навпаки - тимчасово розірвати її. Якщо, наприклад, в трансивері є антенне реле (його контакти К1.1 показані на рис.4), то ніяких додаткових вимикачів вводити не треба. Досить, не переходячи на передачу, подати напругу, що управляє на обмотку цього реле: антена буде відключена від вимірювача, і вся потужність, що надійшла в тракт через спрямований відгалужувач, потрапить на вхід приймача.
Трансформатор Т можна виконати на тороідальному муздрамтеатрі діаметром 7. 12 мм з фериту з магнітною проникністю 20. 50. обмотку трансформатора (десять витків з відведенням від першого витка) рівномірно розміщують по всьому колу кільця. Її початок і відведення підпоюють безпосередньо до висновків безіндукціонного резистора R (підійдуть резистори типу МОН, БЛП і т.п.). Для тракту з хвильовим опором 50 Ом цей резистор повинен мати опір 5,6 Ом, а з хвильовим опором 75 Ом - 8,2 Ом. Потужність, що розсіюється даними резистором, незначна, і обмежень тут ніяких немає.
Вхідний опір спрямованого відгалужувачі для джерела сигналу становить приблизно 500 Ом (для 50-омного тракту) і 800 Ом (для 75-омного тракту).
Цей вимірник КСВ (точніше, його спрямований ответвитель) послаблює сигнал на 0,5 дБ. У приймальному тракті на коротких хвилях такими втратами практично завжди можна знехтувати.
"Радіоежегоднік" 1983 рік