CQ-Log

\главная\р.л. конструкции\антенны\...

Измеритель КСВ

    Схем измерителей КСВ на ферритовом кольце довольно много, теория хорошо изложена в статье UT1MA, но ни в одной статье я не нашёл расчёта как количества витков на кольце, так и чёткого ответа какое ферритовое кольцо надо применить. В этой статье попробую объяснить работу измерителя, особенно трансформатора тока, и приведу его расчёт.
    Как известно, чтоб однозначно определить КСВ в фидере хватает знать волновое сопротивление фидера и комплексное сопротивление в любой точке его разреза. Волновое сопротивление обычно нам известно, а определить комплексное сопротивление можно путём измерения в одной точке разреза фидера напряжения, тока и угла между ними. Напряжение измерить просто, ток можно измерить с помощью токового трансформатора, на выходе которого получаем напряжение, которое зависит от тока.
    В этой схеме измерителя нет ничего нового, но чтоб он показывал правду в широком диапазоне частот, на некоторые детали обратим особое внимание.

    Ток измеряется токовым трансформатором. Для простоты будем считать, что потерь в ферритовом кольце нет. Токовый трансформатор можно рассматривать как трансформатор напряжения с некоторыми нюансами. Первичной обмоткой является провод, просунутый через отверстие кольца. Вторичная обмотка нагружена на сопротивление R' = R1 + R2. Трансформированное сопротивление на первичную обмотку будет


    Например, если количество витков вторичной обмотки w=20 и R’=100Ω, то R’’=100/202=0,25Ω. Такое активное сопротивление для ВЧ тока будет в первичной обмотке. При протекании ВЧ тока на неё будет падать напряжение U’=I*R’’. Если, допустим, течёт ток 2А, на выводах первичной обмотки будет напряжение U’=2*0,25=0,5V. Дальше всё рассчитываем как для трансформатора напряжения, т.е. напряжение на крайних выводах вторичной обмотки в данном случае будет UR'=0,5*20=10V.
    С учётом сказанного, напряжение на резисторе R' будет


    Где Р – мощность ТХ, R – сопротивление нагрузки, на которое настраивается измеритель.

    Величина напряжения на выводах вторичной обмотки и её фаза имеет большое значение для получения достоверных измерений. Для получения максимальной полосы трансформатора, как по амплитуде, так и по фазе, вторичная обмотка должна иметь волновое сопротивление близкое к R’/2. Её удобно делать около 50Ω путём скручивания проводов обмотки между собой. Напр. можно намотать вторичную обмотку двумя скрученными между собой проводами в лаковой изоляцией диаметром 0,2мм. около 4 скрутки в 1 см. R1 и R2 в таком случае будут по 51 (47 - 56)Ω. Резисторы R1 и R2 должны одинаковые и включены как в схеме. При использовании одного суммарного резистора R', подключённого между крайними выводами трансформатора, наблюдается завал на высоких частотах. При таком выполнении трансформатора и нагрузочного резистора коррекция  на высокочастотных диапазонах не требуется. Волновое сопротивление вторичной обмотки трансформатора тока 50Ω ни как не связано с волновым сопротивлением фидера, на который настраивается измеритель. Просто удобно реализовать линию с таким волновым сопротивлением для намотки вторичной обмотки.
    Индуктивность обмотки должна быть около


    где fmin – минимальная частота измерителя КСВ. Если минимальная частота 1,8 МГц, индуктивность обмотки должна быть около 90µH. Только в таком случае получим хорошие амплитудные и фазовые характеристики трансформатора тока в наибольшем диапазоне нужных частот.
    Итак, мы уже однозначно определили индуктивность обмотки и сопротивление её нагрузки R'. Осталось разобраться какое кольцо применить и сколько надо намотать витков вторичной обмотки. Напряжение на нагрузочном резисторе, как видно из ранее приведённой формулы, обратно пропорционально количеству витков. Из этого следует, что витков должно быть немного, чтоб иметь достаточно большое напряжение для обеспечения меньшей нелинейности при небольших КСВ из-за прямого напряжения диодов. Но это напряжение ограничивается максимальным обратным напряжением диодов и мощностью нагрузочных резисторов. Если мощность резисторов в принципе не проблема, с обратным напряжением диодов надо считаться. При превышении этого напряжения через них начинает течь значительный обратный ток, который искажает показания измерительного прибора. Поэтому напряжение вторичной обмотки при максимальной мощности передатчика не должно превышать этого значения. Приблизительно определить оптимальное количество витков вторичной обмотки можно с помощью формулы

w


где UDmax - максимальное обратное напряжение диода. Диоды должны иметь минимальную ёмкость в закрытом состоянии. Следует применять высокочастотные германиевые диоды или диоды с барьером Шоттки с наибольшим максимальным обратным и минимальным прямым напряжениями. Очень хорошо подошли бы детекторные диоды ВАТ62, но их я видел только в справочнике. Кремниевые диоды имеют сравнительно большое прямое напряжение, поэтому их применять для детектирования ВЧ напряжения в этом случае нежелательно.

    Имея нужную индуктивность и число витков, можно рассчитать индуктивность одного витка АL трансформатора, который будем использовать в качестве трансформатора тока.

AL

    Габарит сердечника выбирается так, чтобы поместилось требуемое число витков в один слой. Зная габарит и AL, несложно подобрать нужную проницаемость ферритового кольца. Материал, из которого сделан сердечник, не имеет значения.
    Мощность нагрузочного резистора R’ должно быть не менее


    Чтоб схема была сбалансирована, напряжение, получаемое с делителя С1 и С2, должна быть равно U’/2. Фаза напряжений на крайних выводах вторичной обмотки будет отличатся на 180°. Поэтому при КСВ=1 суммарное напряжение относительно земли при их сложении в одном плече будет в два раза больше, в другом равно нулю. Если сопротивление нагрузки не такое, на каком было сбалансирован измеритель КСВ, соотношение напряжение/ток и (или) фаза между напряжением и током не будет совпадать, баланса схемы не получим, что покажет измеритель. Сбалансировать измеритель в принципе можно на любую, но только активную нагрузку. Так как коррекции фазы в измерителе не предусмотрено, сбалансировать его при комплексной нагрузке не получится. 
    Напряжение в измеряемой точке делится делителем С1 и С2. Чтоб он не вносил значительное реактивное сопротивление, общая его ёмкость должна быть как можно меньше, но, с другой стороны, на самой низкой частоте его реактивное сопротивление должно быть небольшое, чтоб не было значительных фазовых искажений. Для измерителя на КВ диапазоны ёмкость конденсатора С1 целесообразно брать 5-10pF, он должен быть рассчитан на напряжение не менее 250V. Для большей точности прибора его можно сделать из двух конденсаторов, один из которых подключается к входному разьёму, другой к выходному, как показано статье UT1MA. Построечный конденсатор C3 предназначен для балансировки измерителя. На нём, как и на С2, напряжение небольшое,  годится керамический конденсатор с пределами регулировки 8-30pF. Можно построечный конденсатор применить и с бОльшим диапазоном регулировки, тогда не потребуется подбор конденсатора С2, что иногда случается. При выбранном С1 можно рассчитать С2 по формуле

    В этой формуле не учитывается монтажная ёмкость между обмотками трансформатора тока, а также С3, но обычно точности расчёта хватает. Если при балансировке не хватает предела регулировки ёмкости С3, меняем С2 с большей или меньшей ёмкостью.
    При использовании однотактных детекторов параллельно С2 подключается резистор около 100kΩ. Он может значительно сдвинуть фазу на низкочастотном диапазоне, где реактивное сопротивление делителя максимальное, что может потребовать коррекции на НЧ диапазонах. Поэтому желательно детекторы делать с удвоением напряжения, такая схема не требует такого резистора. Экранировать первичную обмотку от вторичной не надо, ёмкость между первичной и вторичной обмотками входит в ёмкость С1. Наоборот, чем больше эта ёмкость, тем лучше, так как напряжение надо измерять в той же точке, где измеряем ток.
    Монтаж датчика симметричный, надо стараться его сделать компактным. Выводы всех деталей ВЧ части должны быть предельно короткие. Расстояние между разъёмами минимальное. Провод, соединяющий разъёмы и проходящий сквозь трансформатор тока, монтажный с изоляцией, толщина его подбирается так, чтоб кольцо с обмоткой на нём двигалось с трудом. В случае применения одного конденсатора С1, передатчик к измерителю КСВ следует подключать со стороны ёмкостного делителя, тогда измеритель не будет "видеть" вносимое им реактивное сопротивление делителя напряжения. Оно большое, но на высокочастотных диапазонах заметно. Схему самого измерительного прибора не рисовал, она стандартная.
    Не делайте расчёты в ручную, доверьтесь считалке ниже. Это упростит расчёт. ALopt должен не сильно отличатся от AL. Считалка правее  поможет рассчитать AL конкретного ферритового кольца. Данные надо ввести в розовые ячейки, при нажатии серой кнопки мы видим результат расчёта. Для примера введён реальный расчёт измерителя КСВ для мощности ТХ 500W и волнового сопротивления кабеля Zk=50Ω. Применены диоды Д311, у которых максимальное обратное напряжение 30V. 
 
Fmin=

MHz

UDmax=

V

R1=R2=

P=

W

Zk=

C1=

pF

ALopt =

µH

AL =

µH

Lopt =

µH

L =

µH

w = 2x

P(R1,R2) =

W

C2 =

pF

Внешний диаметр

мм

Внутренний диаметр

мм

Высота

мм

Проницаемость

µH

 

    Пример практического исполнения датчика измерителя КСВ приведён в фото. Он соединён с измерительным прибором трёхпроводным кабелем. Такое исполнение измерителя КСВ часто удобнее, не надо толстый радиочастотный кабель подводить к месту, удобному для наблюдения КСВ.

SWR meter foto

    Шкалу измерителя можно нарисовать на лазерном принтере на бумаге, предназначенной для наклеек, с помощью программы FrontDesigner. Пример рисунка шкалы можно взять здесь. Прибор разбирается, шкала переворачивается, чтоб старые надписи смотрели вовнутрь, и на чистой поверхности наклеивается новая шкала. Ток полного отклонения стрелки прибора должен быть не более 100µА.
Таких измерителей я сделал несколько десяток, они хорошо сбалансировались и их показания на КВ диапазонах не сильно отличались от расчётных и показаний измерителя SX-600.
    Для проверки измерителя совсем не обязательно иметь разные нагрузки. Достаточно параллельно активной нагрузке подключить конденсатор. Показание измерителя КСВ при этом можно рассчитать ниже.

Rp= Zk=
Cp= pF F= MHz

где Rp - сопротивление активной нагрузки, Cp - ёмкость конденсатора, подключённого параллельно активной нагрузке,  Zk - волновое сопротивление кабеля, на который настроенный измеритель, F - частота, на которой измеряется КСВ.
    При удлинении кабеля между измерителем КСВ и нагрузкой из-за потерь в кабеле показания измерителя КСВ несколько уменьшаются. Это особенно важно при настройке антенн УКВ, где затухание в кабеле значительные. Если антенна подключена через длинный, большое затухание имеющий кабель, при измерении КСВ у передатчика можем получить хорошие показания КСВ, хотя антенна может быть плохо согласованна с фидером. Конечно, такой фидер желательно менять на более качественный, но для получения достоверных показаний желательно измерять КСВ у антенны, а не у передатчика. Если КСВ при увеличении длины кабеля увеличивается, то это показывает скорее всего не на неисправность данного измерителя, а на то, что, как часто случается с дипольными антеннами, симметричная антенна питается несимметричным кабелем и (или) ВЧ напряжение с антенны наводится на кабель, в результате этого оплётка кабеля излучает, т.е. кабель работает и как антенна. В таком случае при изменении длины кабеля меняется и параметры антенны, тем самим и её входное сопротивление, что изменяет КСВ. Но это уже ненормальная работа антенны, скорее всего соседи, смотрящие TV, это тоже заметят. Следует отметить, что от КСВ излучение кабелем не зависит. Можно иметь КСВ=1, но кабель будет излучать, а может быть КСВ=10, а кабель не будет излучать. Тут, в основном, дело только в симметрии, а не в КСВ.
    Следующий калькулятор поможет посчитать потери в фидере, в котором КСВ>1, и мощность, достигающую нагрузку. Затухание в фидере при КСВ=1 можно взять с графика на конкретной частоте. В нём затухание даётся для длины фидера 30,48 метров, но его несложно пересчитать на применяемую длину. Эти параметры приблизительные, они несколько изменяются в зависимости от изготовителя и могут сильно ухудшатся при плохой (редкой) оплётке, старении кабеля, при попадании влаги в оплётку и её окислении и т.д. Пример приведён для 50 метров кабеля RG213,  который при КСВ=1 на 30MHz имеет затухание 1,2 * 50/30,48 =  1,97dB. КСВ в кабеле равно 2.

Затухание в фидере при КСВ=1:

dB

КСВ:

Мощность на входе фидера:

W

Дополнительное затухание из за КСВ:

dB

Затухание в фидере при заданном КСВ:

dB

Мощность в нагрузке при КСВ=1:

W

Мощность в нагрузке при заданном КСВ:

W


    Как видим, дополнительные потери в кабеле из-за КСВ=2 в данном случае совсем не большие.

Vytas  LY3BG



Глас народа
11.01.2016 19:50 Всё понятно!...  -- 
17.07.2015 11:09 Михаил, спасибо, была ошибка, поправил. Индуктивность Lopt одной ...  --  Vytas LY3BG...
20.04.2015 12:21 Мне осталось непонятно, почему в расчетах при смене Fmin величин...  --  Михаил
03.04.2015 13:11 У нас в магазине появились диоды 1N5711, идеально подходящие для ...  --  Vytas, LY3BG...
22.04.2014 13:21 То ra1qea. С другой стороны платы параллельно стоят ещё такаие же...  --  Vytas LY3BG...
08.12.2013 20:12 Вопрос к LY3BG: почему КСВ-метр, на вашем фото, не соответствует ...  --  ra1qea
27.09.2013 21:26 Делал несколько таких измерителей, отлично работает на КВ, но инд...  --  Дмитрий RA4UIR...
17.06.2008 13:58 Игорь, а Вы не пробовали настраивать Ваш усилитель при полной мощ...  --  Vytas LY3BG...
06.03.2007 01:20 При отключении нагрузки, у меня сгорели диоды. Грустно, потому ка...  --  EW1MM Игорь...
07.12.2006 12:53 Интересно если будет отключена нагрузка что покажет этот ксв метр...  --  Серж
03.12.2006 02:58 Статья интересная, хотя некоторые моменты спорные. Особенно в нуж...  --  Anatoly, KC8HYR...
25.11.2006 11:50 Когда я писал о материале, имел в виду НН и НМ кольца. Как пишет ...  --  Vytas LY3BG...
25.11.2006 08:58 Витас, то что создаются и будут создаваться материалы с постоянно...  -- 
24.11.2006 21:45 Хороший КСВомерт на КВ, но на УКВ (более 50 МHz) точность +- тра...  --  4z5cp
24.11.2006 20:16 Виталий, не могу с Вами согласится. Первое, даже при максимальной...  --  Vytas LY3BG...
23.11.2006 18:43 Витас, мне кажется, что Ваше утверждение, об отсутствии влияния м...  -- 
19.11.2006 23:22 Извиняюсь, адресс файла http://www.qslnet.de/member/ly3bg/Matuokl...  --  LY3BG Vytas...
19.11.2006 23:16 1.На счёт такого условия не уверен. Ведь при изменении КСВ меняет...  --  LY3BG Vytas...
19.11.2006 19:58 Витас,спасибо за труд. Полезно было бы добавить условие получени...  --  UA9OC
19.11.2006 10:23 Витас, хорошая статья....  --  RU3BT
18.11.2006 09:22 СПАСИБО!...  --  Александр

Возврат