Простой мостовой КСВ-метр
Схема широкополосного устройства измерения КСВ в диапазоне
частот 1,5...430 МГц.
Онлайн калькулятор, вычисляющий КСВ по
значениям измеренных прибором напряжений
Поговорили мы на предыдущей странице про коэффициент стоячей волны и его влияние на потери, побалагурили, покурили, день прошёл,
как не было, а вопрос с измерителем КСВ так и остался открытым.
А поскольку КСВ является важнейшим параметром согласования приёмных и передающих устройств, то, хочешь не хочешь,
а придётся поднапрячься и отработать несколько человеко-часов, упражняясь в изготовлении измерительного прибора.
Чтобы не закружилась голова, и не перенапряглись мышцы, остановим своё внимание на самом простом, но далеко не самом плохом
типе измерителей – мостовом КСВ-метре.
Рис.1 Схема простого мостового КСВ-метра
Несмотря на внешнюю простоту, схема, приведённая на рисунке – это вполне себе работоспособная классика жанра, описанная
в большом количестве авторитетных источников.
Наиболее подробно, на мой взгляд, суть этой конструкции раскрыл уважаемый автор многотомника «Антенны КВ и УКВ» И.В. Гончаренко.
Процитирую часть раздела, посвящённого КСВ-метрам из 2-го тома упомянутого источника:
3.2.9.2. Мостовой КСВ-метр.
Мостовой КСВ-метр известен очень давно. Когда я попытался найти его изобретателя (хотел сослаться точно – уж больно красивая идея),
то ничего из этой затеи не вышло. Упоминаний много (первые относятся к 30-м годам прошлого века), но вот кто до этого додумался,
обнаружить не удалось. А жаль, прибор-то хорош.
Его достоинства:
• Независимость выходных сигналов от частоты.
• Чрезвычайно широкий рабочий диапазон частот. Отношение Fmax/Fmin легко достигает нескольких сотен при весьма скромных конструктивных
требованиях.
• Возможность работы при малых (единицы вольт) уровнях сигнала передатчика.
Недостатки:
• Высокое затухание, вносимое в линию и связанная с этим невозможность работать при большой мощности.
• Подвержен влиянию наводок, принятых измеряемой антенной.
Для настройки антенн такой прибор является лучшим решением. Но он совершенно непригоден для текущего контроля антенн во время
работы передатчика.
Схема мостового КСВ-метра показана на Рис. 1 .
При указанных номиналах он рассчитан на работу в линии 50 Ом в полосе 1,5…430 МГц.
Основой прибора является мост R1-R2-R3-Za, где Za – волновое сопротивление антенны.
Детектор на VD1 измеряет половину входного сигнала детектор на VD2 (включенный в диагональ моста) – сигнал разбаланса моста,
пропорциональный Uотр.
Чтобы понять, как работает этот прибор, рассмотрим несколько примеров. Считаем, что на входе КСВ-метра ВЧ напряжение амплитудой 10 В.
1. Za = 50 Ом. На диоде VD1 5 В (1/2 от входного напряжения с делителя R2, R3) и Uпад = 5 В (считаем, что диоды германиевые, или Шоттки,
с очень малым прямым напряжением). На антенне тоже 5 В (Za = R1). На обоих выводах VD2 равные и синфазные напряжения, значит на диоде
напряжения нет и Uотр = 0 В. По формуле КСВ = (Uпад+Uотр)/(Uпад-Uотр) = 1, что и есть на самом деле.
На резисторах R1-R3 рассеивается 75% мощности передатчика. Именно поэтому мостовой КСВ-метр пригоден только для измерений и
настройки, но не при работе передатчика на антенну.
2. Za = 0 Ом. Короткое замыкание. Ясно, что реальный КСВ при этом равен бесконечности. На VD1 все те же 5 В и Uпад= 5 В. На антенне
0В (КЗ в нагрузке). На аноде VD2 5 В ВЧ, на катоде ВЧ нет. Значит, на диоде VD2 есть ВЧ (5 - 0) = 5 В. Uотр = 5 В.
По формуле КСВ = (Uпад+Uотр)/(Uпад-Uотр) измеренный КСВ равен бесконечности.
3. Za равен бесконечности. Обрыв. Реальный КСВ тоже равен бесконечности. На VD1 все те же 5 В и Uпад= 5 В.
На антенне все те же входные 10 В. На аноде VD2 те же 5 В ВЧ, на катоде 10. Значит, на диоде VD2 есть ВЧ (10 - 5) = 5 В. Uотp= 5 В.
По формуле КСВ = (Uпад+Uотр)/(Uпад-Uотр) измеренный КСВ равен бесконечности.
4. Za = 25 Ом. Реальный КСВ = 2.
На VD1 неизменные 5 В и Uпад = 5 В. На антенне 1/3 от входного напряжения
(делитель Za/(R1 +Za) = 25/(50 + 25) =1/3), т.е. 3,33 В. На аноде VD2 конечно же 5В ВЧ, на катоде 3,33. Значит, на диоде есть
ВЧ (5 - 3,33) = 1,66 В. Uотp = 1,66 В. По формуле КСВ = (Uпад+Uотр)/(Uпад-Uотр), измеренный КСВ = (5 + 1,66)/(5 - 1,66) = 2.
5. Zа = -j50 Ом. Конденсатор. Реальный КСВ равен бесконечности, поскольку нет активной мощности в нагрузке. Uпад = 5 В.
На антенне-конденсаторе напряжение 7,06 В (простая задачка на построение векторной диаграммы цепи, решению которой тут не место,
иначе мы никогда не выберемся из этого параграфа). На аноде VD2 конечно же 5 В (с фазой 0°) на катоде 7,06 В с фазой 45°
(из того же ответа той же задачки). Напряжение на VD2 есть векторная разность, в данном случае равная = 5 В. Т.е. Uотр = 5 В
и измеренный КСВ — бесконечность.
Таким образом, при любой нагрузке, активной и реактивной, мостовой КСВ-метр измеряет правильно. Дополнительным полезным
свойством такого КСВ-метра является то, что при любом значении Za передатчик “видит” почти чисто активную нагрузку (R2 + R3
включены постоянно), и КСВ по входу (не путать с измеряемым КСВ антенны!) не превышает 2.
Это важно при работе с генераторами, чувствительными к импедансу нагрузки.
В принципе, при хороших детекторных диодах мостовой
КСВ-метр может работать при напряжениях на входе всего 1…2 В. Но при измерениях антенн надо иметь в виду, что принятый ими из
эфира сигнал искажает показания прибора. А сигнал на длинных проволочных KB антеннах может достигать нескольких сотен милливольт.
Поэтому желательно иметь сигнал на входе прибора 5... 15 В и по возможности не измерять НЧ антенны вечером и ночью,
когда уровень принимаемых ими сигналов максимален.
Конструкция прибора в точности соответствует принципиальной схеме. КСВ-метр размещается в маленькой экранированной коробочке
с двумя ВЧ разъемами, стоящими настолько близко друг к другу лишь бы между ними размещался R1. Резисторы R1-R3 должны быть
безындуктивными, с мощностью 0,5...1 Вт. Удобно сделать их параллельным включением двух по 100 Ом (при этом дополнительно снизится
паразитная индуктивность). Все выводы деталей должны быть минимальной длинны, по возможности хорошо бы применить SMD компоненты.
Настройка прибора не требуется. При резисторах МЛТ, конденсаторах КМ и диодах 1N34 (все с выводами 2...3 мм), в корпусе
25x25x25 мм КСВ метр, показанный на Рис.1 работает в полосе 1.5...430 МГц. Fmin зависит лишь от С1-С4, при их емкости
0,047 мкФ можно работать даже на 136 КГц. Fmax зависит лишь от качества компонентов и монтажа, и при SMD компонентах и СВЧ
диодах мостовые КСВ-метры по схеме Рис.1 выпускаются до 5 ГГц.
При измерениях КСВ относительно иного, чем 50 Ом сопротивления, соответственно меняются номиналы R1-R3.
Всё доходчиво, понятно, и добавить вроде бы нечего, если бы не маленькое "но".
Сигнал на входе прибора 5... 15 В - не является проблемой, если он поступает с выхода передатчика мощностью 0,2 - 2Вт.
При более высоких амплитудах следует увеличивать мощность входящих в состав КСВ-метра резисторов, либо понижать сигнал посредством
аттенюатора.
А что делать, если мы настраиваем приёмную антенну, а в хозяйстве не затерялось ничего, кроме ВЧ генератора с выходной амплитудой,
не превышающей 1 В?
Ответ на этот насущный вопрос можно найти в научно-популярном издании "Радиоежегодник" 1983 года издания.
Хорошо известно, что шкала простого ВЧ вольтметра, состоящего из полупроводникового диода и микроамперметра с добавочным резистором,
существенно нелинейна при небольших (менее 2 В) уровнях ВЧ напряжения. Иными словами, такой ВЧ вольтметр нуждается в калибровке
(причем на нескольких пределах измерения!), что далеко не всегда можно выполнить в радиолюбительских условиях. Здесь, однако,
выручает одно обстоятельство.
Исследование простых ВЧ вольтметров, выполненных на германиевых диодах серий Д2, Д9, Д18, Д20, Д310, Д311, Д312, ГД402, ГД507
и ГД508 с различными буквенными индексами, показали, что некоторые характеристики подобных вольтметров очень близки друг к другу.
Так, если в КСВ-метре используется микроамперметр с током полного отклонения 50...200 мкА, а добавочный резистор R6 такой, что
вместе с прибором Р образует вольтметр постоянного тока на напряжение 1...2 В (некритично), то показания ВЧ вольтметра N на
упомянутых диодах будут связаны с амплитудой высокочастотного напряжения Uвч простым соотношением:
Это дает возможность не калибровать шкалу КСВ-метра по образцовому прибору, а получить ее расчетным путем.
Если пользоваться линейной шкалой вольтметра, то формула для нахождения КСВ приобретает следующий вид:
Эффективность выпрямления ВЧ напряжения зависит от типа использованного в КСВ-метре диода. Для диодов типа Д2, Д9, Д310, Д312
частотная зависимость показаний вольтметра начинает проявляться уже на частотах 2...5 МГц, а на частоте 30 МГц эффективность
выпрямления падает примерно в два раза по сравнению с низкими частотами (~ 1 МГц).
Заметно лучшие частотные характеристики имеют диоды Д18, Д20, Д311, ГД402 и ГД507 - у них частотная зависимость начинает проявляться
на частотах 10...20 МГц. Наилучшими для КСВ-метра являются диоды ГД508: у выполненных на их основе ВЧ вольтметров эффективность
выпрямления остается постоянной вплоть до частоты 30 МГц.
Заметим, кстати, что в КСВ-метрах нельзя использовать кремниевые диоды, так как они практически на выпрямляют ВЧ напряжения при
амплитудах сигнала меньше 0,6...0,7 В. КСВ-метр с такими диодами будет заметно "улучшать" малые значения коэффициента стоячей
волны.
Если КСВ-метр необходим от случая к случаю и не предполагается к частому использованию,
то я не вижу особых поводов заморачиваться встраиванием внутрь прибора измерительной головки. Прекрасно можно обойтись без этого и
произвести измерения, подключив к измерителю обычный аналоговый или цифровой мультиметр, по-любому имеющийся у каждого радиолюбителя.
А чтобы не тужиться при проведении расчётов (особенно в случаях низких амплитуд) приведу простой калькулятор, позволяющий
перевести измеренные напряжения Uпад и Uотр в КСВ.
При вводе не ошибайтесь – амплитуда Uотр не может быть больше Uпад.
|
