Как измерить ксв антенны своими руками. Ксв-метр на полосковых линиях

Измеряем КСВ: теория и практика

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.

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 2 (пример – у К10x6x3 Dcp = 0,8 см и S = 0,2×0,3 = 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.

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.

1. Верхнее плечо емкостного делителя С1 выполнено из двух одинаковых постоянных конденсаторов С1 = С1′ + С1″, подключенных соответственно к входному и выходному разъемам. Как отмечалось в первой части статьи, фазы напряжений на этих разъемах несколько различаются, и при таком включении фаза Uc усредняется и сближается с фазой UT. Это улучшает балансировку прибора.
2. За счет введения катушки L1 сопротивление верхнего плеча емкостного делителя становится частотно-зависимым, что позволяет выровнять балансировку на верхнем краю рабочего диапазона (21. 30 МГц).
3. Подбором резистора R2 (т. е. постоянной времени цепочки R2C2) можно компенсировать разбалансировку, вызванную спадом напряжения UT и его фазовым сдвигом на нижнем краю диапазона (1,8. 3,5 МГц).

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.

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).

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.

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).

Это замечание сделано для того, чтобы подчеркнуть следующий факт. В любительских условиях достаточно сложно изготовить шкалу индикатора в величинах КСВ, а вот r можно отсчитывать непосредственно по линейной шкале.

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 25×25 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.

Конструкция индикаторного блока без особенностей и здесь не рассматривается.

ВЧ датчик второго варианта КСВ – метра монтируется на съемной задней стенке (медь, алюминий, латунь) металлического корпуса КСВ-метра (рис. 9).

В отличие от первого варианта все детали (кроме Т1 и разъемов XW1 и XW2) смонтированы на печатной плате (рис. 10), туда же припаян НЧ разъем типа межблочных телевизионных.

Конденсаторы С1′ и С1″ одним выводом припаяны к контактной площадке на печатной плате, а другими концами – к ВЧ разъемам. Элементы С2, C3 и L1 расположены со стороны фольги. Ограничивающий резистор R3 перенесен на плату (R3′ и R3″ показаны на схеме пунктиром). Диоды VD1 и VD2 установлены вертикально. Плата крепится к панели между ВЧ разъемами с помощью небольших напаяных уголков из меди толщиной 0,5. 1 мм (место пайки показано на рис. 10 пунктиром). Датчик желательно накрыть экраном. Конструкция индикатора – без особенностей.

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).

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.

0,25λ. Чем меньше разброс показаний, тем достовернее прибор.

КСВ-метр на полосковых линиях на КВ

RM5Y сказал(-а): 30.10.2012 01:58

КСВ-метр на полосковых линиях на КВ

Собрал схему один в один отсюда: http://qrx.narod.ru/izm/ksw_pl.htm
Мотивация по этой схематике была весьма убедительной. Правда, вместо Д9 поставил пару Д18- думаю не критично, подобрал их только по прямому падению напряжения на p-n переходе. Корпус спаял из двустороннего фольгированного стеклотекстолита.
Нагрузил на эквивалент 51Ом и начал испытания:
1,8МГц- на 100Вт стрелка еле отклоняется;
3,5МГц – на 100Вт – стрелка отклоняется полностью, отражёнка =0.
7МГц – на 100Вт аналогично 3,5МГц.
10МГц – 100Вт отражёнка 1мкА.
14МГц – 100Вт отражёнка 3мкА.
18МГц – 100Вт- отражёнка 7,5мкА.
21МГц -100Вт- отражёнка 21мкА.!
24МГц-100Вт- отражёнка 25мкА.!
28МГц- 100Вт- отражёнка 19мкА.

И первый вопрос к знающей аудитории- откуда выползает такая Отражёнка? Всё вроде подобрал Оно понятно что и диоды имеют нелинейную ВАХ и по частоте плавают.. ну а как можно добиться балансировки? Уже пришла идея с полосковых линий кинуть провода на тумблер и использовать один диод и ёмкость чтобы избежать разброса у пары диодов.
И вопрос два: можно ли полагать, что если отражёнка составляет на активную нагрузку 50 ом 20мкА то КСВ=1. при реальных замерах между трансивером и СУ, КСВ-метр показывает отражёнку 30мкА. т.о. 30-20=10мкА и КСВ=1,22? Т.е. можно ли принять за погрешность прибора те значения отражёнки на активную нагрузку и считать их нулём отражёнки?

Экспериментируя по диапазонам убедился, что при той же “погрешности” на 21МГц в некоторых участках диапазона КСВ-метр показывал отражёнку 1мкА и даже 5мкА. откуда?! ведь даже на активную нагрузку было минимум 21мкА!
В общем, не понимаю что дальше делать: пытаться балансировать подборкой диодов и сопротивлений? По сути, в трансивере автоматический тюнер и его работа не вызывает нареканий. на днях нужно настроить Futura на 28,5МГц но с таким прибором я в растерянности как не промахнуться и не потратить время на крыше зря.

PS оно и понятно что в продаже есть КСВ-метры узко заточенные под конкретный диапазон измерений КСВ. Читал в сети отзывы- чем больше народ гонялся за дешёвыми широкополосными КСВ-метрами тем чаще прокалывался на практике работы таких устройств.

КСВ-метр для УКВ диапазона

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 [1] 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 [1] 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 [2. 6].

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

Конструкция направленных ответвителей 3 (L1 и L2) показана на рис.З.

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».