Измерение КСВ на коротких волнах

Для настройки и согласования антенн, а также для контроля их параметров в процессе эксплуатации применяют измерители коэффициента стоячей волны

В любительской практике получили распостранение КСВ-метры двух типов: мостовые и с направленными ответвителями.

Мостовые КСВ-метры - самые простые в изготовлении и налаживании. Они обладают достаточно высокой чувствительностью и особенно удобны для измерения на этапе настройки и согласования антенны. Совместно с генератором стандартных сигналов мостовые КСВ-метры позволяют измерять коэффициент стоячей волны в широком диапазоне частот.

КСВ-метры с направленными ответвителями, в свою очередь, разделяются на две подгруппы. В конструктивном отношении да и в налаживании проще приборы, у которых чувствительность зависит от частоты: существенно уменьшается на НЧ диапазонах. Правда, это создает определенные трудности в изготовлении подобных КСВ-метров, предназначенных для эксплуатации с маломощными передатчиками в диапазоне 160 м. Приборы с направленными ответвителями, у которых чувствительность не зависит от частоты, несколько сложнее в изготовлении, заметно сложнее в налаживании и, что, пожалуй, самое важное для радиолюбителей, требуют применения достаточно дефицитных кольцевых магнитопроводов из высокочастотного феррита.

Рис. 1. Mостовой измеритель КСВ

Достоинством КСВ-метров с направленными ответвителями является то, что они работают при полном уровне мощности любительской радиостанции. Эти КСВ-метры позволяют вести постоянный контроль отдаваемой мощности, а при необходимости практически мгновенно, не прекращая работы в эфире, проверить КСВ.

Однако их относительно невысокая чувствительность является и основным недостатком, когда речь заходит об измерении КСВ за пределами любительских диапазонов. А такая необходимость может возникнуть при первоначальной настройке антенн.

Резюмируя все сказанное, можно утверждать, что на любительской радиостанции целесообразно иметь два КСВ-метра: мостовой (для настройки антенн) и с направленными ответвителями (для повседневной работы в эфире). Принципиальная схема мостового измерителя КСВ приведена на рис.1. Прибор разработан Б. Степановым. Источник сигнала - ГСС или передатчик с уменьшенной выходной мощностью - подключают к разъему Х1, а антенный фидер - к разъему Х2.

Входное сопротивление фидера вместе с резисторами R1-R3 образует мостовую схему. Сопротивление резистора R3 выбирают равным волновому сопротивлению коаксиального кабеля, через который питают антенну. Сопротивление резисторов R1 и R2 можно выбирать достаточно произвольно - важно лишь, чтобы они были равными (для радиолюбительской практики вполне приемлимым будет разброс их сопротивлений до 5%).

Если в антенно-фидерном тракте КСВ равен единице, то входное сопротивление фидера чисто активное и соответствует его волновому сопротивлению. Мост сбалансирован, и ВЧ вольтметр на диоде V2 не зарегистрирует высокочастотного напряжения в диагонали моста. Если КСВ не равен единице, то, измерив напряжение U1, поступающее в фидер, и напряжение U2 разбаланса моста, можно вычислить по формуле:

Порядок измерения КСВ следующий. Сначала замыкают или отключают нагрузку (фидер) и измеряют напряжение U1 (переключатель S в верхнем по схеме положении). Затем, не изменяя характера нагрузки на разъеме Х2 (холостой ход или короткое замыкание), переводят переключатель S в нижнее по схеме положение и регистрируют напряжение Uk, поступающее на мост от генератора. После этого подключают фидер и, регулируя амплитуду выходного сигнала ГСС или передатчика, устанавливают вновь по прибору Р напряжение Uk. И, наконец, переведя переключатель S в верхнее по схеме положение, измеряют напряжение разбаланса U2.

Подобная процедура с контрольными измерениями напряжения, поступающего на мост, необходима, поскольку он представляет собой достаточно низкоомную нагрузку для источника сигнала. Изменения этой нагрузки (подключение фидера) при не очень низком выходном сопротивлении генератора может вызывать соответствующее изменение выходного напряжения и, следовательно, ошибку в измерениях.

Процедуру измерений можно несколько упростить, если предварительно проверить нагрузочные способности источника сигнала. Для этого переключатель S устанавливают в нижнее по схеме положение и, подключая резисторы с различным сопротивлением, контролируют изменение выходного напряжения источника сигнала. Измерения надо производить при подключении двух резисторов: сопротивление одного из них должно быть примерно в три раза меньше волнового сопротивления тракта, с которым будет работать КСВ-метр, а другого - примерно в три раза больше.

Если измерение выходного напряжения источника сигнала при подключении этих нагрузок не превышает 10%, то его можно не контролировать в процессе измерений КСВ. В этом случае ошибка в измерении коэффициента стоячей волны для значений КСВ, меньших трех, будет незначительной. Значения КСВ более 3 на практике точно измерять не требуется, так как нормальными для работы антенно-фидерного тракта являются значения КСВ до 2.

Для повышения инструментальной точности измерений целесообразно уровень сигнала и (или) чувствительность ВЧ вольтметра КСВ-метра подбирать такими, чтобы напряжению U1 соответствовало отклонение стрелки измерительного прибора Р на последнее деление шкалы. В этом случае, в принципе, шкалу прибора можно отградуировать непосредственно в значениях КСВ в антенно-фидерном тракте. Необходимо только помнить следующее. Как правило, измерительный прибор Р - это обычный микроамперметр с линейной шкалой. Между тем 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 микроамперметра, 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 нe 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. Возможный вариант практической конструкции мостового КСВ-метра приведен на рис.2.

Рис. 2. Конструкция мостового КСВ метра

Весь монтаж выполнен на плате из одностороннего фольгированного стеклотекстолита, на которой резаком сделаны контактные площадки для подпайки деталей КСВ-метра. Плату помещают в экранированную коробку, которую также можно сделать из фольгированного стеклотекстолита.

Как уже отмечалось, недостатком КСВ-метров на основе направленных ответвителей является их относительно невысокая чувствительность, что обусловливает необходимость производить настройку собственно антенны или согласующего блока при уровнях мощности, достаточных для создания помех (хотя бы кратковременных) другим любительским радиостанциям.

В принципе, можно заметно снизить уровень излучаемой мощности при настройке антенно-фидерного тракта, если в качестве высокочувствительного индикатора КСВ-метра использовать связной приемник.

Но этот метод применим далеко не всегда, поскольку на большинстве любительских станций в настоящее время используются трансиверы, а традиционный метод измерения КСВ с помощью направленных ответвителей требует отдельного индикатора - приемника.

Метод измерения КСВ, о котором пойдет речь ниже, позволяет производить "тихую" настройку антенны или согласующего блока. Уровень излучаемого сигнала при такой "тихой" настройке не превышает 10^-12 Вт. Такой сигнал практически не обнаружим на расстояниях от антенны, превышающих одну-две длины волны.

Функциональные схемы устройств для измерения КСВ по традиционной и по новой методике приведены на рис.3а, б соответственно.

	Генератор (передатчик) Индикатор (приемник) Направленный ответвитель для падающей волны в рабочем тракте Направленный ответвитель для отраженной волны в рабочем тракте. Согласующий блок
Рис. 3. Функциональные схемы устройств для измерения КСВ а - по традиционной методике; б - по новой методике

Различие в двух схемах небольшое - поменялись местами лишь источник испытательного сигнала и индикатор. Такая перестановка возможна, поскольку направленные ответвители являются линейными "взаимными" устройствами, т.е. их свойства не изменяются, если генератор и нагрузку поменять местами. В устройстве по схеме рис.3б уровень испытательного сигнала должен быть больше уровня сигнала принимаемых в данный момент на данной частоте станций всего лишь на 20 дБ. Это обеспечит надежную регистрацию КСВ, равных или больших 2, что в большинстве случаев вполне достаточно в радиолюбительских условиях.

Собственно источник испытательного сигнала должен обеспечивать уровень примерно на 20-40 дБ больший, чтобы скомпенсировать потери в направленных ответвителях. Им может быть, например, кварцевый калибратор приемника. В этом случае измерения КСВ возможны только на фиксированных частотах, вырабатываемых калибратором. Если в качестве источника испытательного сигнала взять генератор шума, то измерения возможны на любой частоте. Из всего спектра сигналов, поступающих на его вход, приемник выделит лишь полезный сигнал, соответствующий частоте, на которую он настроен. Для радиолюбительской практики все же больше подходит кварцевый калибратор, поскольку он может обеспечить приемлимую точность по частоте (при метках, кратных 50 кГц), а по субъективным оценкам более удобна настройка антенны "на слух" (см. ниже) по минимуму КСВ.

Рассмотрим работу устройства по схеме рис.3б подробнее. Когда испытательный сигнал поступает в направленный ответвитель падающей волны, то в основном рабочем тракте он распостраняется в направлении антенны. Если антенно-фидерный тракт рассогласован (КСВ в тракте левее по схеме согласующего блока не равен 1), то возникает отраженный сигнал, который попадает на вход приемника. Когда же генератор подключен к ответвителю отраженной волны, то он сразу поступает на вход приемника. Измерив уровни этих двух сигналов по калиброванному S-метру приемника, по известной формуле вычисляют КСВ в рабочем тракте. КСВ, равному 2, соответствует разница в прямом и отраженном сигнале около 20 дБ, поэтому эти уровни должны отличаться примерно на 3,5 балла по шкале S-метра.

Малые уровни излучаемого сигнала позволяют при наличии такого КСВ-метра подстраивать согласующий блок антенно-фидерного тракта непосредственно на рабочей частоте, не создавая помех другим радиолюбителям. Более того, оператор радиостанции в этом случае следит в процессе подстройки согласующего блока за обстановкой в эфире. Минимум КСВ при настройке "на слух" выражен очень четко, поскольку изменения испытательного сигнала (его можно рассматривать в этом случае как "помеху" приему) и полезного сигнала носят "противофазный" характер: при уменьшении КСВ уровень испытательного падает, а полезного растет.

Рис. 4. Принципиальная схема для измерения КСВ

Практическая схема устройства для измерения КСВ по данному методике приведена на рис.4. Оно содержит только один направленный ответвитель, образованный резистором R и ВЧ трансформатором Т. Этот ответвитель реагирует на падающую волну по основному рабочему тракту.

Дело в том, что необходимости иметь второй ответвитель на самом деле нет. В приемной части тракта, где нет сильных токов, без труда можно имитировать КСВ, равный "бесконечности". Для этого достаточно каким-нибудь выключателем либо закоротить центральную жилу коаксиального кабеля на оплетку, либо наоборот - временно разорвать ее.

Если, например, в трансивере имеется антенное реле (его контакты К1.1 показаны на рис.4), то никаких дополнительных выключателей вводить не надо. Достаточно, не переходя на передачу, подать управляющее напряжение на обмотку этого реле: антенна будет отключена от измерителя, и вся мощность, поступившая в тракт через направленный ответвитель, попадет на вход приемника.

Трансформатор Т можно выполнить на тороидальном магнитопроводе диаметром 7-12 мм из феррита с магнитной проницаемостью 20-50. Обмотку трансформатора (десять витков с отводом от первого витка) равномерно размещают по всей окружности кольца. Ее начало и отвод подпаивают непосредственно к выводам безиндукционного резистора R (подойдут резисторы типа МОН, БЛП и т.п.). Для тракта с волновым сопротивлением 50 Ом этот резистор должен иметь сопротивление 5,6 Ом, а с волновым сопротивлением 75 Ом - 8,2 Ом. Мощность, рассеиваемая данным резистором, ничтожна, и ограничений здесь никаких нет. Входное сопротивление направленного ответвителя для источника сигнала составляет примерно 500 Ом (для 50-омного тракта) и 800 Ом (для 75-омного тракта).

Этот измеритель КСВ (точнее, его направленный ответвитель) ослабляет сигнал на 0,5 дБ. В приемном тракте на коротких волнах такими потерями практически всегда можно пренебречь.

"Радиоежегодник". 1983 год