КСВ метр от RV4HV

Данное схемное решение скопировано с промышленного КСВ метра ROGER RSM-200 имеющего следующие хар-ки:

• Полоса частот от 1.6 мГц до 200мГц
• Проходная мощность не более 200 ватт

Принципиальная схема:

Прибор не реверсивный, поэтому надо соблюдать правильность включения входа и выхода. Трансформаторы L1 L2 намотаны на ферритовых кольцах типоразмер 12x7x6 мм проводом пэв-0.4мм 22 витка, мотается равномерно по всей окружности кольца. Затем в оба намотанных кольца вставляется латунная трубка диаметром 3,5мм и длинной 40 мм (я использовал элемент антенны от карманных приёмников) и распаивается на разъемах PL. Образец приведён на фотографии.

Дроссели L3 L4 мотаются на аналогичных кольцах и имеют по 19 витков ПЭВ 0.4мм. Обратите внимание, что через отверстия колец L3 L4 в кембрике пропущены перемычки, которые соединяют диоды и дроссели L1 L2 (как показано на схеме и видно на фото). Печатная плата двухсторонняя, на стороне показанной на фото, расположены два пятачка для пропайки разъемов PL. На второй стороне расположены остальные элементы схемы:

Выводы элементов должны быть предельно короткие.

Печатная плата выполнена утюжно-лазерной технологией её размеры 60мм Х 33мм. Плата помещается в жестяной экран 60 Х 33 Х 33мм

Получившийся блок располагают в любом удобном корпусе из алюминия или текстолита с измерительной головкой и переключателями. Все переменные и подстроечные резисторы располагаются на отдельной плате около изм. головки. Настройка КСВ метра сводится к калибровке обратной волны резистором R3. Калибровка мощметра производится резисторами R4, R5 в поддиапазоне 200 и 20 ватт.

АНТЕННОСКОП ДЛЯ ДИАПАЗОНА 144 МГц

Этот прибор предназначен для измерения входного сопротивления антенн двухметрового диапазона в пределах от 20 до 150 Ом. Антенноскоп (см. рисунок) состоит из генератора шума, мостовой схемы и индикатора баланса моста. Генератор шума выполнен на кремниевом СВЧ диоде V1. на который подано обратное смещение. Высокочастотные шумы, генерируемые диодом V1, усиливаются двухкаскадным широкополосным усилителем на транзисторах V2 и V3. С выхода усилителя шумовой сигнал через симметрирующий трансформатор T1 поступает на мостовую схему.

Она образована резистором R12, верхней и нижней (по отношению к движку) частями переменного резистора R10 и входным сопротивлением антенны, подключаемой к разъему Х2. Индикатор баланса моста (связной приемник любительской радиостанции, перекрывающий диапазон 144- 146 МГц) подключается к разъему XI. Резистор R11 служит для ослабления влияния индикатора на мостовую схему, а конденсаторы С7 и С8 - для компенсации индуктивных составляющих цепей монтажа антенноскопа.

Симметрирующий трансформатор T1 выполнен на кольце типоразмера К7x4x2 из феррита марки М50ВЧ2. Обмотки I-III имеют по 9 витков провода ПЭЛШО 0,3, причем обмотки Iи III наматывают одновременно двумя проводами, а обмотку II - отдельно.

Корпус прибора имеет размеры 60x95x25 мм. Он изготовлен из меди или латуни толщиной 0,5 мм. Внутри имеется одна перегородка с двумя отверстиями для подачи шумового сигнала с симметрирующего трансформатора на мост. В одном отсеке размещают генератор шума и батарею «Крона» для его питания, в другом - высокочастотный мост. Все швы должны быть тщательно пропаяны.

Подключив к антенноскопу связной приемник, убеждаются в наличии шума. Затем к разъему Х2 подключают образцовое безындуктивное сопротивление 50-100 Ом и находят положение движка переменного резистора R10, при котором прослушивается минимум шумов на выходе приемника. После этого подстроечным конденсатором С8 компенсируют индуктивную составляющую монтажа моста (также по минимуму шумов на выходе приемника). Для градуировки шкалы антенноскопа подключают к разъему Х2 образцовые резисторы с сопротивлением 20-150 Ом.

Прибор можно использовать и для определения резонансной частоты антенны. Для этого необходимо на связном приемнике найти такую частоту, на которой шум при балансе моста будет минимальным.

Еще раз об УКВ рефлектометре.

Наверно ни кому не нужно доказывать и убеждать в том, что успех работы в эфире зависит от антенны и от степени ее согласования и настройки.

В большей степени это касается УКВ диапазонов, где уровни сигналов РЛ станций малы, а затухания по фидерным линиям питания антенн велики. В такой ситуации и начинает играть главную роль точность согласования. Произвести такую настройку без УКВ рефлектометра просто невозможно. В литературе на данную тему было предложено достаточно много схем и вариантов КСВ-метров для КВ диапазонов, все они прекрасно работают на частотах до 30 МГц. Что же касается УКВ, то этот вопрос не достаточно освещен. В связи с этим, хочу предложить вниманию радиолюбителей, работающих на УКВ диапазонах, вариант УКВ рефлектометра, достоверно работающего в полосе частот 130-480МГц.

В основу устройства заложен двунаправленный ответвитель на полосковых линиях рис 1:

Он изготавливается из фольгированного стеклотекстолита толщиной 6 мм. Полосковая линия w-1 имеет волновое сопротивление 50 Ом. Параллельно соединенные линии w-2 и w-3, Рассчитываются на волновое сопротивление 100 Ом, Нагружены на безиндуктивное сопротивление 50 Ом

с их противоположных концов снимаются напряжения Uпр и Uобр. Далее эти напряжения выпрямляются диодами D1 и D2. С анодов диодов снимаются постоянные напряжения пропорциональные Uпр. и Uобр. и поступают на схему индикации. Ее можно собрать по схеме рис.2.

Но лучше и удобнее использовать цифровую схему подробно описанную в Радиоаматор №7 2004 г предложенную US5WDQ.

Во всем выше изложенном нет ничего нового, но нужно заострить внимание на том, что, чтобы говорить о какой либо точности измерений на частотах 70см диапазона, ответвитель должен быть выполнен с особой тщательностью и точностью, что не всегда возможно осуществить в радиолюбительских условиях. Исходя из этого, пользуясь предлагаемой методикой изготовления ответвителя можно получить довольно неплохие результаты.

Теперь о некоторых конструктивных особенностях.

Стеклотекстолит с толщиной диэлектрика 6мм выбран не зря, ведь тем более такой материал промышленностью не выпускается. Исходя из формулы рис 3.

Если использовать широко распространенный фольгированный стеклотекстолит

Толщиной 1,5мм то ширина полосковой линии имеющей 50 Ом должна быть 2.7 мм. Уход от этого размера на одну, две десятых мм вызовет уход волнового сопротивления на 5…10 Ом соответственно, что приведет к ощутимым погрешностям в работе ответвителя. При толщине материала 6мм. ширина полосковой линии имеет 11мм. Понятно, что чем шире дорожка, тем легче обеспечить точность размера. 6мм фольгированный стеклотекстолит изготавливается следующим образом: по размерам платы рис.1 вырезаются 4 заготовки из 1.5мм ф.стеклотекстолита. У двух из них металлизация удаляется с двух сторон у двух других только с одной. Заготовки промазываются клеем типа ЭДП собираются в пакет и зажимаются в тиски. После высыхания клея заготовка вынимается из тисков. Чтобы выяснить какая диэлектрическая проницаемость получилась у такого «слоеного пирога» нужно воспользоваться измерителем емкости, измерив емкость получившегося конденсатора. Зная емкость находим диэлектрическую проницаемость из формулы рис.4

У меня получилось 4.7….5. Изходя из полученных данных рассчитываются конструктивные размеры полосковых линий по выше приведенной формуле.

Из полученной заготовки плата ответвителя изготавливается или фото способом или с применением «кмпьютерно-утюжной» технологии или при определенной сноровке простым резаком из ножовочного полотна. Печатную плату ответвителя впаивают в прямоугольную рамку из латунной или медной полосы толщиной 0.8-1мм. На торцевых стенках рамки устанавливают ВЧ раземы соответствующего волнового сопротивления.

После этого рефлектометр нужно проверить. Для этого на вход от передатчика или ГСС подают вч напряжение, а выход нагружают на эквивалентную нагрузку 50 Ом. Можно воспользоваться готовыми вч нагрузками от АЧХ Х1-13, Х1-49, Х1-50. Подбором резистора R1 добиваются показаний КСВ=1. После этого поочередно подключают к выходу нагрузки сопротивлением 75 и 100 Ом показания должны быть 1.5 и 2 соответственно. Настроенный ответвитель закрывают с двух сторон крышками из меди или латуни. Поскольку ответвитель симметричный его вход и выход можно менять местами, учитывая, что выходы Uпр. и Uобр. тоже поменяются местами.

Индикатор выходной мощности трансивера или усилителя мощности ВЧ

На приведенной схеме показан один из самых простых индикаторов, который можно собрать на широкодоступной микросхеме и минимальном количестве деталей.
При настройке необходимо подобрать сопротивление резистора R1, номинал которого зависит от конструкции КСВ-метра и выходного напряжения с него.
Расчет вести из того, что максимальную мощность (100 Ватт) индикатор покажет при входном напряжении на 5-й ножкемикросхемы - 10 Вольт

Используемые компоненты:

Микросхема - LM3915,
светодиоды любого типа, цвет по вашему усмотрению (можно все разного цвета),
резисторы МЛТ-0,125
конденсаторы - любого типа,

Назначение некоторых выводов микросхемы

5 - входной сигнал,
7 - выход опорного напряжения,
8 - регулировка опорного напряжения,
9 - режим работы.

Индикатор поля - волномер

Схема собирается из старых деталей, навесной монтаж прямо на индикаторе, на пластинке облуженного фольгированного текстолита. Может быть весьма полезна при настройке выходных каскадов передатчиков и антенн УКВ-диапазона 144 МГц.

При использовании головки с током полного отклонения 100 мкА, излучение 300 мВт «хэндика» со штатной «резинкой» регистрируется на расстоянии более 10 м, т.е. нескольких длин волн. Катушка - бескаркасная, 4 витка провода 0,5 на оправке 4 мм, отвод - от 3-го витка. Антенна - вертикально стоящий кусок проволоки диаметром 1…2 мм и длиной 0,5…1 м. Подстроечный конденсатор - типа КПВМ-1 с воздушным диэлектриком, к оси припаян указатель шкалы - отрезок провода.

УКВ РЕФЛЕКТОМЕТР

На рис.1 показана конструкция УКВ рефлектометра на плоской коаксиальной линии (рабочий диапазон 100-600 Мгц). КСВ, вносимый самим прибором в линию передачи, порядка 1,1-1,13 в указанном диапазоне. Прибор состоит из отрезка плоской линии 1 и измерительной голой линии 2 с направленным ответвителем 3.

Puc.1

На рис.2 показан основной вертикальный разрез рефлектометра. Наружная поверхность плоской линии сделана из двух дюралевых пластин 5 размером 115х195Х2 мм, соединенных между собой двумя отрезками швеллера 4 размером 2Х18Х25,04мм, длиной 115 мм. Внутренний проводник линии 6 сделан из куска латунной трубки диаметром 9,4 мм, длиной 160 мм, удлиненной с обоих концов ступенчатыми переходами 7, компенсирующими неравномерности самой линии и перехода ее во внешние коаксиальные разъемы 8.

Разъемы крепятся к швеллеру 4 четырьмя винтами М3, соединение их с внутренним проводником 6 делают в зависимости от конструкции самого разъема.

Puc.2

В центре одной из пластин 5 сделано отверстие диаметром 10 мм и над ним крепится измерительная головка прибора. Механически головка состоит из двух отрезков гильзы N 20 и служит основанием 9 для поворотной части головки 10 из гильзы N 24.

В поворотной части головки смонтированы все детали направленного ответвителя: петля связи 3, нагрузочное сопротивление 11, детектор 12 и держатель детектора 13. К дну гильзы 10 припаян диск 14 из латуни 0,8-1,2 мм диаметром 26 мм; обод диска рифленый, так как он служит и ручкой поворота всей головки. На гладкую поверхность диска 14 уложена прокладка из слюды 0,8-0,1 мм, поверх которой наложен еще латунный диск 15, служащий второй обкладкой развязывающего конденсатора головки. Плоскости конденсатора стянуты вместе через слюду при помощи винта 16, проходящего через изолирующую втулку 17. Резьба под М2 для винта 16 сделана в центральной части дна, где обычно располагается капсюль.

В опытном образце рефлектометра сопротивление 11 желательно сделать сменным, поэтому его заземляемый конец крепится в дне гильзы при помощи стопорного винта 18 с резьбой М2. Толщина дна для этой цели вполне достаточна. В повторных конструкциях этот узел можно упростить и сопротивление R1=120-130 ом типа МЛТ впаивать в тонкую боковую стенку гильзы примерно так, как это показано на рис.2.

Держатель детектора 13 имеет внешнюю резьбу М2 и внутреннюю резьбу М3, куда ввинчивается детектор типа ДКИ. Тонкая ножка держателя проходит через отверстие диаметром 4,2 мм в дне гильзы 10 и ввинчивается в резьбу М2 в диске 15 конденсатора развязки. После подбора нужной высоты держателя 13 его положение фиксируют еще контргайкой, под которую одновременно подкладывают лепесток для соединения с микроамперметром.

Петля 3 ответвителя Lc сделана из провода диаметром 0,6 мм, имеет длину 12-13 мм и расстояние между центрами 2,6-2,8 мм. Ее левый конец припаян к проводу вывода сопротивления R1, правый, идущий к детектору, - к малому кольцу диаметром 2,0-2,5 мм, высотой 2-2,5 мм, согнутому из тонкой бронзы или латуни. Кольцо плотно надето на цилиндрический вывод детектора.

Поворот головки 10 желательно каким-либо способом ограничить в пределах 0-180°, так как отсчет ведется только в двух крайних положениях.

Применение рефлектометра. Основное назначение прибора - измерение коэффициента стоячей волны (КСВ), нагрузок и контроль согласования. Для измерения КСВ прибор включают при помощи высокочастотных разьемов между выходом передатчика и кабелем антенны. Головку ответвителя ставят в положение измерения падающей волны (ПВ), т.е. петлей в направлении к генератору, и связь с передатчиком подбирают такой, чтобы получить удобный отсчет по шкале прибора a1. Затем головку поворачивают в направлении к нагрузке для измерения отраженной волны a2. P=Uотр/Uпад=Sqr(a2/a1) где Uотр и Uпад - значения напряжений, на которые реагирует рефлектометр;
a1 и a2 - отклонения прибора;
(Sqr - корень квадратный).

Зная коэффициент отражения Р, можно определить и КСВ в измеряемой линии: K=(1+P)/(1-P) Пусть, например, антенна дает a1=20, a2=5, какой будет КСВ и потеря мощности? P=Sqr(5/20)=0,5 следовательно, K=(1+0,5)/(1-0,5)=3,0 Такие подсчеты нужны лишь в том случае, когда по каким-либо соображениям нельзя добиться согласования и узнать мощность, которую действительно излучает антенна с учетом всех потерь. Однако чаще всего рефлектометр сначала используют как индикатор рассогласования, сопоставляя a1, a2, первое должно быть большим. Если удастся, например, перемещением рефлектора в антенне "волновой канал" добиться того, что a2 будет в 10 раз меньше a1 при незначительном изменении усиления антенны, то дальнейшего уменьшения отраженной волны надо уже добиваться согласующим трансформатором или изменением диаметров и расстояний у сложных петлевых вибраторов. Соотношения a2/a1=10, <- 15, <- 20 соответствуют КСВ=1,93, 1,7, 1,57 и потеря мощности Рп=10%, 8%, 5%. Следовательно, приемлемым надо считать соотношение a2/a1=10, так как более высокие соотношения требуют точности и от самого рефлектометра. Точность его оценивается соотношением a2/a1 без нагрузки на разъеме Р2. В этом случае вся мощность падающей волны должна отразиться обратно, т. е. a2=a1 или a2/a1=1. Отклонение от 1, выраженное в процентах, можно считать погрешностью b прибора. В описываемой конструкции b=1,3% на 400 Мгц, 1,6% на 600 Мгц, 2,2% на 900 Мгц. Уменьшить погрешность в желаемом узком участке диапазона можно подбором длины петли связи Lc и величиной сопротивления нагрузки R1 петли. Например, для диапазона 120-450 Мгц меньшую погрешность дает Lc=19 мм, d=4,0 мм при R1=160-170 ом, Рп=5-6%.

КСВ метр своими руками

С помощью рефлектометра можно настраивать антенны, измерять выходную мощность передатчика, согласовывать между собой промежуточные и выходные каскады, согласовывать выход передатчика на 144 МГц со входом утроителя на 430 МГц и выход утроителя с нагрузкой и т.д. Принципиальная схема рефлектометра для УКВ диапазонов 144/430 МГц приведена на
Рис. 1

Основу устройства составляет двунаправленный ответвитель, выполненный на полосковой линии Е1 с двумя петлями связи L1 и L2. С них и снимаются напряжения прямой и отраженной волн, которые выпрямляются диодами V1 и V2. В зависимости от положения переключателя S1 измеряются либо то, либо другое напряжение. Петли связи нагружены на резистор R2. Резистором R1 регулируется чувствительность прибора. Емкость блокировочных конденсаторов С1 и С2 для диапазона 144 МГц - 0,022 мкФ, для 430 МГц - 220 пФ.

Конструкция линии с петлями связи для диапазонов 144/430 МГц показаны на рис.2а, б соответственно.

Рис. 2

Размеры даны для несимметричного фидера с волновым сопротивлением 75 Ом. Линия и петли связи выполнены на печатных платах из двухстороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 4 мм. При использовании другого материала ширину линии можно найти из формулы:

где Z - волновое сопротивление линии, Ом;
E - диэлектрическая проницаемость используемого материала (для стеклотекстолита Е=5);
D - толщина материала, мм;
b - ширина полосковой линии, мм.

Печатные платы впаивают в прямоугольную рамку из латунной полосы толщиной 0,8...1 мм и шириной 30 мм. Припаивать печатную плату нужно с двух сторон. На торцевых стенках рамки можно укрепить коаксиальные ВЧ разъемы. Если же использовать рефлектометр в какой-то конкретной цепи и не предусматривать его отключение, коаксиальный кабель можно припаять непосредственно.

Вход и выход полосковой линии через проходные конденсаторы или пистоны выводят на противоположную сторону печатной платы. На ней размещают резистор R2, диоды и конденсаторы. Для этого симметрично выводам петель связи на противоположной стороне делают опорные точки - вырезают кольцевые канавки в фольге так, чтобы получились "пятачки" диаметром 5 мм. К этим "пятачкам" и припаивают диоды V1 и V2 и резистор R2.

Диоды устанавливают между выводами петель связи и блокирующими конденсаторами. Конденсаторы применяют типа КМ, КГЛ или, в крайнем случае, СГМ. Их тонкие проволочные выводы отрезают, диоды припаивают к металлизированному участку конденсатора. Вторую обкладку конденсатора припаивают к общей поверхности фольги, как показано на рис.3.

Рис.3

Время пайки должно быть минимальным, так как при перегреве диоды выходят из строя.
Переключатель S1 - МТ-1. Резистор R2 - безиндукционный (УЛИ или МЛТ-0,25).

Стрелка микроамперметра на 100 мкА отклоняется на всю шкалу в положении переключателя "Прямая" при мощности на 144 МГц примерно 50 мВт и на 430 МГц - 100 мВт. При большей мощности чувствительность прибора необходимо понижать, вводя резистор R1.

После монтажа и сборки рефлектометр необходимо настроить. Для этого подают на вход сигнал от передатчика или ГСС, а выход нагружают на эквивалентную нагрузку 75 Ом. Можно воспользоваться готовым ВЧ эквивалентом от измерителей АЧХ Х1-13, Х1-19, Х1-30. Подают такое напряжение ВЧ, чтобы стрелка прибора отклонилась на всю шкалу в положение переключателя S1 "Прямая". Затем переключатель переводят в положение "Отраженная" и подбором резистора R2 добиваются нулевого показания. Эту процедуру повторяют несколько раз с каждым из вновь включаемых резисторов. Настроенный рефлектометр закрывают с двух сторон крышками.

Поскольку рефлектометры симметричны, их входы и выходы можно поменять местами.

КСВ-метр

Увеличение частоты сигнала приводит к увеличению потерь в фидерной линии. Поэтому очень важно добиться наилучшего согласования между передатчиком и антенной системой, а именно, минимального коэффициента стоячей волны (КСВ).
Предлагаемым КСВ-метром можно проводить измерения вплоть до сантиметрового диапазона в линиях с волновым сопротивлением 50 Ом.
Описанный в КСВ-метр на полосковых линиях имеет ограничение частотного диапазона сверху в силу особенностей своего конструктивного исполнения, хотя схемное решение такого ограничения не накладывает.

Принципиальная электрическая схема предлагаемого КСВ-метра аналогична описанной в и показана на рис. 1 (отличия в типономиналах отдельных деталей).

Особенностью предлагаемого прибора является конструктивное исполнение детекторной части КСВ-метра, что позволило расширить диапазон измерений вплоть до 1 ГГц.

Автор опускает описание физики образования стоячих волн в соединительных линиях, математические расчеты величин падающей и отраженной мощностей при согласованной и не согласованной линии, принцип измерения КСВ, основанный на измерении определенных величин падающей и отраженной волн, основы конструирования приборов СВЧ-диапазона и технологических требований, предъявляемых к ним, и отсылает заинтересованных читателей к известной литературе .

Конструкция
Корпус детекторной головки КСВ-метра состоит из двух частей (рис.2): П-образно-го основания 1 и крышки 2 (материал - бронза).

Центральный проводник 4 (L2) припаян непосредственно к разъемам XS1 и XS2. В тело крышки 2 впаяны стаканы 5 (4шт.) и четыре стеклобусы 6. Диоды (VD1; VD2), конденсаторы (С1; С2) и резисторы (R1; R2) помещены в цилиндрические стаканы 5. Выводы диодов пропущены через канал стеклобусы и припаяны непосредственно к ответвителям.
Корпус детекторной головки КСВ-метра, направленные ответвители, центральный проводник перед сборкой полируют (в корпусе - только внутреннюю поверхность диаметром 15 мм; наружная поверхность чистотой Rz 20) и покрывают серебром.

Порядок сборки
Сначала устанавливают все детали, относящиеся к крышке детекторной головки. Затем, в основании головки закрепляют один из разъемов XS с припаянным центральным проводником, потом второй разъем и проводят пайку. После сборки основания и крышки их соединяют с помощью 6 винтов М3 и в крышке фиксируют разъемы XS1 и XS2.
Перед сборкой детекторную головку промыть спиртом и просушить. Работать в хлопчатобумажных перчатках, предварительно обезжирив кожу рук.

Детали
Требования к радиоэлементам стандартные для СВЧ-техники. Конденсаторы С1 и С2 - проходные. В авторском варианте использованы бескорпусные диоды АА113А. Возможна замена на другие типы диодов в зависимости от требуемой верхней граничной частоты. В этом случае возможно применение иного способа их крепления. Разъемы XS1 и XS2 конструктивного исполнения с серебряным покрытием; их тип определяется наружным диаметром кабеля.

Примечания
1. При использовании кабеля с волновым сопротивлением отличным от 50 Ом, диаметр центрального проводника расчитывают по формуле:
Zo=138 IgD/d,
где: Zo - волновое сопротивление линии, D - внутренний диаметр экрана коаксиальной линии детекторной головки, d - диаметр центрального проводника. Значения резисторов R1 и R2 приводят в соответствие с волновым сопротивлением кабеля.
Упростить конструкцию предлагаемого КСВ-метра можно применив коаксиальную линию с квадратным сечением экрана и круглым центральным проводником. Расчет размеров линии можно выполнить исходя из формулы:
Zo-138 lg1,08D/d, где: Zo - волновое сопротивление линии, D - внутренняя сторона квадратного экрана коаксиальной линии, d-диаметр центрального проводника

2. Необходимо точно выдерживать размеры деталей, тип соединения, а также посадочные размеры.

3. Для удобства детекторную головку можно конструктивно объединить с индикаторной частью в общем корпусе.

4. Если в распоряжении радиолюбителя нет готовых стеклобус, то можно воспользоваться подходящими по размерам, демонтировав их из металлобумажных конденсаторов.

Иван Милованов, UYOYI, г. Черновцы

Литература
1. И.Я.Милованов, КСВ-метр на полосковых линиях. Радиохобби, № 6, 1998г. с. 16.
2. Радио, телевизия, электроника, № 1,1985г.(НРБ).
3. С. Г. Бунин, Л.П.Яйленко, Справочник радиолюбителя коротковолновика, изд.2, пер. и доп., Киев, Техника, с.221,243.
4. С. М. Алексеев, Радиолюбительская УКВ аппаратура, Гос. энергетическое издательство, М., -Ленинград, 1958, с. 131.
5. М.Левит, Прибор для определения КСВ, Радио, 1978, №6, с. 20.
6. Техническое описание и схема электрическая принципиальная радиостанции «Лен».

Радиохобби 4/2000

Известно, что успешная работа в эфире во многом зависит от эффективности антенны любительской радиостанции. Существует большое разнообразие коротковолновых антенн. Начинающие радиолюбители обычно используют наиболее простые, не требующие больших затрат. Более опытные устанавливают на высоких мачтах многоэлементные направленные антенны с дистанционным управлением положением главного лепестка диаграммы направленности. Но любая антенна будет давать хорошие результаты, лишь когда правильно настроена. Существенную помощь радиолюбителю в настройке антенны окажет предлагаемый прибор.

Антенну, как правило, запитывают тремя способами. На наиболее простые, например «длинный луч», питаются однопроводным фидером, являющимся частью антенны и поэтому интенсивно излучающим электромагнитные волны. При работе радиостанции на передачу такой фидер является источником помех для ближайших телевизоров. При приеме на него также наводится множество бытовых и индустриальных помех.

Некоторые антенны запитывают двухпроводным воздушным фидером или симметричным ленточным кабелем. Такой способ позволяет уменьшить излучение фидера, но широкого распространения у радиолюбителей не получил из-за необходимости использовать симметричные выходные цепи передатчика, относительно сложную воздушную двухпроводную фидерную линию или дефицитный ленточный кабель.

Наибольшее распространение получил коаксиальный фидер. При правильном согласовании и симметрировании он практически не излучает при передаче и помехозащитен при приеме. К тому же обычный телевизионный коаксиальный кабель доступен любому радиолюбителю. Описываемый ниже прибор предназначен для измерения коэффициента стоячей волны (КСВ) и мощности, передаваемой по коаксиальному кабелю в антенну. Известно, что коаксиальная линия передачи характеризуется «так называемым волновым сопротивлением q, которое в основном зависит от соотношения размеров внутреннего (у кабеля - жила) и внешнего (оплетка) проводников. Наиболее часто встречаются кабели с волновым сопротивлением 50 и 75 Ом. Для того чтобы мощность, подаваемая от передатчика в кабель (рис. 2.6,а), поступала в нагрузку (антенну), необходимо выполнить условие: сопротивление нагрузки должно быть равно волновому сопротивлению кабеля. В этом случае, если не принимать во внимание потери в кабеле, по всей длине между центральным проводником и оплеткой установится одинаковое напряжение и по ним потечет одинаковой силы ток (рис. 2.6,6). Конкретные значения этих величин зависят от мощности передатчика, параметров нагрузки и кабеля. Принято говорить, что при этом в кабеле устанавливается режим бегущей волны.

Но на практике чаще бывает так, что сопротивление нагрузки не равно волновому сопротивлению кабеля, т. е. между ними существует рассогласование. В этом случае в нагрузке выделяется только часть мощности (падающая волна), а появляющаяся так называемая реактивная мощность движется от нагрузки к передатчику (отраженная волна). Составляющие электромагнитного поля отраженной волны имеют начальную фазу, отличную от начальной фазы составляющих падающей волны. В результате сложения одноименных составляющих с разными фазами в кабеле образуются стоячие волны . Уровень стоячих волн можно оценить коэффициентом стоячей волны - частным от деления суммы на разность напряжений или токов в кабеле, вызванных падающей и отраженной волнами.

Рассмотрим два крайних случая рассогласования: обрыв нагрузки (RH=oo) и короткое замыкание (RH=0). В первом случае (рис. 2.6,в) напряжение на конце кабеля максимально и больше, чем в случае согласованной нагрузки (R„= 0), а ток в этой точке равен нулю. По мере удаления от конца кабеля к передатчику напряжение уменьшается, а ток возрастает. На расстоянии четверти длины волны в кабеле напряжение упадет до нуля, а ток достигнет максимума. В таком случае говорят, что в этой точке располагается узел напряжения и пучность тока.

Рис. 2.6. Распределение тока I и напряжения U вдоль линии передачи высокочастотной энергии

Попутно следует заметить, что длина волны в кабеле λн связана с длиной волны в свободном пространстве λ следующим соотношением:

В этой формуле ε - это диэлектрическая постоянная (проницаемость) материала внутренней изоляции кабеля. Выражение К = 1 / ε называется коэффициентом укорочения волны в кабеле. Например, для кабелей с диэлектриком из полиэтилена К = 0,66 и λк = 0,66 λ.

Если продолжать двигаться от конца кабеля в сторону передатчика, то еще через λк/4 картина соотношения напряжения и тока будет такой же, как и на конце кабеля, т. е. узел тока и пучность напряжения.

При коротком замыкании в нагрузке (рис. 2.6,г) картина стоячих волн несколько иная - на конце кабеля ток максимален, а напряжение равно нулю.

Обычно обрыв или короткое замыкание нагрузки бывает при неисправности антенны и случается не так часто. При неравенстве сопротивления нагрузки и волнового сопротивления кабеля вдоль линии также образуются стоячие волны и только часть мощности отражается от нагрузки (рис. 2.6, д, е).

Фидер антенны может работать как в режиме бегущих, так т в режиме стоячих волн. В первом случае его длина может быть произвольной и определяться удаленностью антенны от передатчика. Во втором случае длина фидера должна быть связана с длиной волны в кабеле Кл. Так, если она кратна целому числу полуволн, то сопротивление нагрузки трансформируется К началу кабеля без изменения. Элементами настройки выходного контура передатчика может быть достигнуто согласование его выходного сопротивления и нагрузки.

Принципиальная схема прибора для измерения КСВ изображена на рис. 2.7. К одному из коаксиальных разъемов XS1 или $S2 отрезком кабеля подключается передатчик, а к другому - .фидер антенны. К каждому из диодов VD1 и VD2 приложено два напряжения: одно, пропорциональное напряжению между проводниками коаксиального кабеля, поступает с емкостного делителя С1С2 и С3С4. Второе напряжение выделяется на резисторах R1 и R2 - оно пропорционально току в центральном проводнике.

Напряжения, снимаемые с емкостных делителей, практически синфазны, так как расстояние между точками подключения С1 и С3 невелико по сравнению с λк и набегом фазы на этом участке можно пренебречь. В то же время напряжения, снимаемые с резисторов, противофазны. Поэтому на одном диоде результирующее напряжение будет равно сумме двух напряжений, а на другом - разности. На каком какое - это зависит от взаимного направления намотки обмоток трансформатора тока Т1

Ток того диода, к которому приложено суммарное напряжение, пропорционален падающей волне, а ток другого - отраженной. КСВ вычисляют по формуле КСВ = (Iпад + Iотр)/(Iпад- I отр), где Iпад и Iотр - ток диода для падающей и отраженной волны.

Рис. 2.7. Принципиальная схема измерителя КСВ и малой мощности

Для удобства вычислений стрелку индикатора РА1 при положении переключателя SA1, соответствующем падающей волне, устанавливают переменным резистором R4 на последнее деление шкалы. Затем переключатель переводят в положение отраженной волны и отсчитывают показания индикатора.

Если шкала индикатора содержит 100 делений (например, у микроамперметра с током полного отклонения стрелки 100 мкА), формула принимает вид:

В этом случае для вычислений удобнее пользоваться табл. 2.2 в которой указано, какому значению КСВ соответствует то или иное отклонение стрелки индикатора

Когда переключатель SA2 устанавливают в положение «W», прибор с приемлемой погрешностью измеряет, мощность, проходящую по фидеру. Причем чем КСВ лучше (ближе к 1), тем выше достоверность измерения.

Теперь несколько слов о конструкции прибора и примененньх деталях. Диоды желательно использовать германиевые, поскольку они начинают открываться при меньшем приложенном напряжении по сравнению с кремниевыми. Кроме указанных на схеме, подойдут ГД507 или даже Д9. Подстроечиые конденсаторы С1 и С3 - типа КТ4-23 или КПК-МП, остальные - К10-7В или КМ Резисторы Rl - R3 типа МЛТ-0,25, причем R1 и R2 желательно подобрать одинаковыми по сопротивлению. Переменный резистор R4 может быть типа СПЗ-30, СПЗ-12, СПЗ-4аМ. Трансформатор тока Т1 выполнен на кольцевом сердечнике типоразмера К7Х4Х2 из феррита М50ВН-14. Обмотка I содержит 2 витка провода ПЭВ 2 0,51, обмотка II -48 витков провода ПЭЛШО 0,15. Дроссели L1 и L2 - типа ДПМ-0,1, но их можно заменить и самодельными. Для этого на кольца из феррита М1000НН типоразмера К7X4X2 следует намотать 45 витков провода ПЭЛШО 0,15.

Печатную плату (рис. 2.8) изготавливают из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм. Ее укрепляют внутри корпуса размерами 60X80X60 мм, который выполнен из листового алюминия или латуни. На передней стенке корпуса установлены тумблеры МТ-1 и микроамперметр. Он может быть любого подходящего типа с током полного отклонения рамки до 500 мкА. Коаксиальные разъемы СР-50-73Ф укрепляют на боковых стенках корпуса. Без ущерба качеству работы прибора эти разъемы можно заменить телевизионными антенными гнездами САТ-Г.

Puc. 2.8. Печатная плата измерителя КСВ (а) и расположение деталей на плате (б)

Для налаживания прибора вместо антенны к разъему XS2 подключают резистор 50 или 75 Ом. Его номинал зависит от волнового сопротивления используемого коаксиального кабеля в фидере антенны. Для передатчика мощностью до 10 Вт это могут быть несколько резисторов МЛТ-2, включенные параллельно. Лучше в качестве нагрузки применить уже известный читателю поглощающий измеритель мощности.

Передатчик мощностью не более 10 Вт подключают к разъему XS1. Переключатель SA1 устанавливают в положение отраженной волны. Подстройкой емкости конденсатора С1 изменяют коэффициент деления емкостного делителя С1С2 так, чтобы амплитуды напряжений на конденсаторе С2 и резисторе R1 уравнялись. Поскольку эти напряжения по отношению к диоду VD1 включены встречно, то ток через диод должен быть равен нулю. Если все же, подстраивая С1, не удается установить стрелку индикатора на нулевое деление шкалы, то следует поменять местами выводы обмотки II трансформатора Т1. Затем подключают к XS1 нагрузку, а к XS2- передатчик. Изменяют положение переключателя SA1 и, подстраивая СЗ, стрелку вновь устанавливают на нулевое деление.

Калибровку шкалы мощности осуществляют подбором резистора R3. При этом мощность, выделяющаяся в нагрузке, должна быть равна 10 Вт. Для контроля вместо поглощающего измерителя мощности можно также использовать и высокочастотный вольтметр, например типа ВК7-9, подключенный параллельно нагрузке. Значению мощности 10 Вт соответствует напряжение 22,4 В для нагрузки 50 Ом и 27,4 В - для 75 Ом. Подбором резистора R3 стрелку индикатора устанавливают на последнее деление шкалы. Уменьшая мощность, шкалу градуируют через 1 Вт. Для этой цели можно использовать данные, приведенные в табл. 2.1 и в прил. 3.

По окончании налаживания и градуировки следует обратить внимание на соответствие стрелок, нанесенных на панели у тумблера SA1, направлению падающей волны. Если тумблер установлен в положение стрелки, указывающей направо, то прибор должен регистрировать падающую волну при подключении передатчика слева, а нагрузки - справа. В случае необходимости восстановить это соответствие можно, поменяв местами провода, подпаянные к неподвижным контактам тумблера.

Как видно, описанный прибор применим лишь совместно с маломощным (до 10 Вт) передатчиком. Благодаря этому он реагирует на сравнительно малые уровни мощности и может быть использован не только для контроля качества антенно-фидерного тракта радиостанции. Прибор можно применять для оценки качества согласования между возбудителем и линейным усилителем мощности. Это очень важно, поскольку при плохом межкаскадном согласовании сопротивлений увеличивается уровень нелинейных искажений в выходном сигнале, расширяется полоса излучаемых частот, возрастает интенсивность помех радиовещательному и телевизионному приему.

Рис. 2.9. Принципиальная схема второго варианта измерителя КСВ и проходящей мощности (до 1000 Вт)

На радиостанциях второй и первой категории, особенно коллективных, весьма желательно иметь измеритель КСВ, постоянно включенный в разрыв фидера. Это даст возможность своевременно обнаруживать повреждение в антенне или ошибочное включение антенны другого диапазона.

Принципиальная схема такого варианта измерителя КСВ и проходящей мощности изображена на рис. 2.9. Как видно, он отличается от предыдущего тем, что пределов измерения мощности не один, а два - 100 и 1000 Вт. Высокочастотная часть измерителя такая же. Выбор рода работы осуществляется переключателем. SA1 на три положения и три направления. Резисторы R3 и R5 служат для калибровки на пределе 100 Вт, a R4 и R6 - на пределе 1000 Вт. Калибровку и градуировку шкал удобнее всего производить с помощью поглощающего измерителя мощности.

В конструкции применен трансформатор тока, выполненный На кольцевом сердечнике типоразмера К12Х6Х4,5 из феррита Марки М50ВН-14. Первичная обмотка представляет собой отрезок Центрального проводника коаксиального кабеля длиной 15 мм, Который вместе с изоляцией продет сквозь кольцо. Предварительно по окружности кольца равномерно в один слой намотана Вторичная обмотка - 30 витков провода ПЭВ-2 0,25. Концы первичной обмотки запаяны на печатные проводники шириной "0 мм на плате, которая связывает коаксиальные разъемы XS1 и XS2.

Конденсаторы С1 и СЗ могут быть типа КПК, КПВМ, КТ2-19. Диоды могут быть как германиевые, так и кремниевые, например КД522А.

Налаживание этого измерителя КСВ по сравнению с первым вариантом особенностей не имеет. Отличие заключается лишь в уровнях мощности, с которыми придется работать. Следует соблюдать осторожность и во избежание ожога токами высокой частоты не прикасаться к токонесущим проводникам прибора.

В заключение необходимо напомнить, что при приближении грозы антенну от радиостанции следует отключать и заземлять. Были случаи, когда из-за наводок, вызванных близкими грозовыми разрядами, выходили из строя диоды в измерителе КСВ.

Почти все пользователи как «стационарных» радиостанций (в том числе предназначенных для радиообмена на гражданской частоте 27 МГц), так и автомобильных трансиверов AM и 4M (амплитудной и частотной модуляции) сталкиваются с необходимостью оптимального согласования антенно-фидерного устройства (далее - АФУ) с передатчиком. Для увеличения зоны действия портативной (носимой) радиостанции иногда ее также подключают к соответствующей внешней антенне Например, в Си-Би диапазоне используется антенна с названием «5/8» с вертикальной поляризацией и штырем около 1450 мм То есть решение упомянутой проблемы важно для всех радиолюбителей, ведущих активный и эффективный (на дальние расстояния) радиообмен.

В основном внешние антенны трансиверов и радиостанций (балконные, крышные, автомобильные с различными креплениями) необходимо согласовать с передатчиком радиостанции так, чтобы на определенной частоте (например, 27,0 МГц) в АФУ были минимальные потери. Почти все радиолюбители об этом знают Если этого не сделать, полезная мощность передатчика будет использована неэффективно, то есть достичь максимального расстояния действия радиостанции будет трудно Для согласования служит измеритель коэффициента стоячей волны (далее - КСВ). Однако не стоит спешить за этим устройством в специализированные магазины - там он стоит от 600 рублей. Те же, кто редко ремонтирует и настраивает радиостанции, пользуются для настройки и согласования трансиверов и АФУ услугами «выездных специалистов», что сегодня обходится тоже весьма дорого, как и любые работы в сфере обслуживания и ремонта, хотя специалисты пользуются все теми же измерителями КСВ Так не проще ли собрать его для своих нужд самому? Для тех радиолюбителей, кто готов сам собрать измеритель КСВ и научиться пользоваться им, предлагаю воспользоваться нижеследующими рекомендациями.

Для получения наибольшего КПД работы передатчика Си-Би радиостанции необходимо обеспечить активное сопротивление выхода передающего узла, равное величине волнового сопротивления кабеля (фидера), а оно, в свою очередь, должно соответствовать значению сопротивления излучателя (антенного штыря, если рассматривать простую антенную конструкцию).

Согласование фидера и штыря осуществляется катушкой индуктивности и емкостью (подстроечным конденсатором), устанавливаемыми, как правило, в основание антенны Для этого потребуется собрать согласующее устройство с измерителем КСВ, схема которого показана на рисунке 1.

Согласующее устройство состоит из двух конденсаторов переменной емкости С1 и С2 с воздушным диэлектриком, например КПЕ-4…50,1КЛМВ-1 и бескаркасной катушки индуктивности L1 Она содержит 8 витков 2,2-мм медного провода без изоляции с диаметром намотки 25 мм и длиной 22 мм. Индуктивность такой катушки составит 1,2 мкГн Настройка согласования производится конденсаторами С1 и С2. Значения снимают на измеритель КСВ, который показывает, насколько близко к режиму бегущей волны (отсутствие отраженного сигнала от нагрузки) находится система «радиостанция - фидер - антенна».

Согласующее устройство подключают к гнезду антенны передатчика с помощью отрезка кабеля (длиной не более метра) с волновым сопротивлением 50 Ом, например РК-50.

КСВ-метр конструктивно выполнен из отрезка того же кабеля типа РК-50 длиной 160 мм с удаленной внешней изоляцией Этот отрезок кабеля после всех подготовительных работ загибают подковой. Экран провода соединяют с «массой» передатчика Внешний вид окончательно оформленного отрезка кабеля показан на рисунке 2.

1 - кабель с удаленной внешней изоляцией (РК-50, L1000), 2 - внутренняя жила кабеля; 3 - изолированный провод типа МГТФ-0,8; 4 - германиевые диоды VD1, -VD2 (из серий Д2, Д9, Д220, Д330)

Внутреннюю жилу кабеля подсоединяют соответственно одним концом к согласующему устройству (конденсатор С2), а другим - к фидеру антенны Внутри экранирующего провода КСВ-метра (отрезка кабеля длиной 160 мм с удаленной изоляцией) аккуратно с помощью иголки прокладывают гибкий изолированный провод типа МГТФ-0,8 и от его середины делают отвод для подключения резистора R1 Концы внутреннего провода МГТФ-0,8 (может быть применен любой аналогичный провод МГТФ-1, МГТФ-2) припаиваются к германиевым диодам VD1, VD2.

Постоянные конденсаторы - трубочные Резистор R1 - с мощностью рассеяния 2 Вт, например МЛТ-2 Его сопротивление может находиться в пределах 30 - 150 Ом Постоянный резистор 143 - типа МЛТ-0,5. Переменный резистор 142 - типа СПО-1 В качестве диодов VD1, VD2 используются германиевые диоды из серий Д2, Д9, Д220, Д311 с любым буквенным индексом.

Измерительный прибор - любой градуированный, с током полного отклонения 1 мА. Переключатель SB1 - типа тумблер, например МТS-1

Корпус для устройства измерителя КСВ может быть выбран любой подходящий, экранированный. Готовое устройство выглядит (например, как в авторском варианте), как показано на заставке Перед включением радиостанции и согласующего устройства проводят необходимые подготовительные работы подключают антенно-фидерное устройство, устанавливают переключатель SB1 в положение «ПР» (в левое по схеме), а движок переменного резистора R2 - в среднее положение Далее выполняют согласование и определяют КСВ.

После подачи питания на радиостанцию и включения ее в режим «передача» перемещением движка переменного резистора R2 добиваются максимального отклонения стрелки миллиамперметра вправо, например, до цифры «10» (если эта цифра является максимальной градуированной величиной на шкале) После этого переводят переключатель SB1 в положение «ОБР» и фиксируют новое показание по шкале прибора (заметно меньше предыдущего), что соответствует значению обратной волны.

По формуле КСВ = (Ппр+Побр)/(Ппр-Побр) находят значение КСВ Ппр - показание прибора в режиме фиксации прямой волны (переключатель SB1 - в левом по схеме положении) Побр - показание прибора при обратной волне Например, Ппр = 10, Побр = 2, тогда КСВ = (10+2)/(10-2) = 12/8 = 1,5.

Потери на отражение волны в цепи «передатчик - фидер - антенна» зависят от величины КСВ и могут быть определены по таблице, приведенной ниже.

Для оптимального согласования желательно установить КСВ в пределах 1,7 - 2, в этом случае потери на отражение волны составят 5 - 12%, что вполне допустимо.

При условии постоянной длины штыря-антенны изменением емкости конденсаторов С1 и С2 согласующего устройства, а также изменением емкости подстроечного конденсатора в основании антенны добиваются необходимых значений КСВ Если штырь антенны (а в некоторых моделях и его «противовес») конструктивно имеет возможность регулировки длины, то это является дополнительным рычагом настройки всей системы согласования Таким простым методом можно воспользоваться для настройки радиолюбительских трансиверов Си-Би диапазона, автомобильных радиостанций, работающих в гражданском диапазоне частот 27 МГц, с выходной мощностью 2 15 Вт и укомплектованных простыми по конструкции антеннами.

А. КАШКАРОВ

Заметили ошибку? Выделите ее и нажмите Ctrl+Enter , чтобы сообщить нам.