Бесконтактный индикатор ВЧ тока
Борис СТЕПАНОВ (RU3AX), г. Москва
О том, как индицировать и оценивать ВЧ токи с использованием токового ВЧ трансформатора, хорошо известно. Однако прямое введение токового трансформатора в исследуемую цепь не всегда удобно, а иногда практически и невозможно, в частности, при налаживании антенно-фидерных трактов. Старый и хорошо известный метод позволяет оценить ВЧ токи бесконтактным способом.
Прямое измерение или хотя бы индикация наличия высокочастотного тока — непростая задача. У большинства радиолюбителей из доступных средств "под руками", скорее всего, есть только весьма грубый индикатор — лампа накаливания. Содержащие термопару термоэлектрические миллиамперметры и амперметры сегодня практически недоступны. С широким распространением кольцевых ферритовых магнитопроводов термоэлектрические приборы были вытеснены относительно несложными в изготовлении ВЧ амперметрами на основе измерительного трансформатора тока. Однако все эти приборы требуют их последовательного включения в исследуемую цепь, что иногда невозможно. Например, ими нельзя даже оценить поверхностные токи в оплетке коаксиального кабеля, посмотреть распределение тока по проводнику (антенна, противовес) и т. д. Для этих целей нужен амперметр с бесконтактным датчиком тока.
Для решения подобных задач подойдет "магнитная антенна" — виток провода (рамка) с ВЧ амперметром. Принцип действия такого амперметра описан, например, в книге В. И. Бекетова и К. П. Харченко "Измерения и испытания при конструировании и регулировке радиолюбительских антенн" (М: Связь, Москва, 1971 г.). Его иллюстрирует рис. 1,а. Рамку располагают в плоскости проводника, в котором надо оценить ВЧ ток !д. Такая простейшая антенна имеет существенный недостаток. В ней, помимо тока, обусловленного током в исследуемом проводнике, возникают еще и токи из-за емкостной связи рамки с этим проводником (на рис. 1,а она не показана), а также токи из-за внешних излучений (НВн). Последнее особенно нежелательно, ибо в месте расположения измерительной рамки могут быть относительно большие электромагнитные поля от исследуемой антенны.
Рис. 1
Воздействие полей, искажающих результаты измерений, сводят к минимуму, применив дифференциальную рамку, которую иногда называют "бабочкой" (рис. 1 ,б). При измерениях антенну располагают симметрично относительно исследуемого проводника. В этом случае вызванные им магнитные силовые линии пересекают витки рамки с противоположных сторон, и в силу ее дифференциального характера наведенные ими токи будут суммироваться. А вот токи, создаваемые внешними полями, пересекают витки рамки с одной и той же стороны и будут вычитаться, в большей или меньшей степени компенсируя друг друга. Степень компенсации определяется, в первую очередь, конструкцией рамки (ее симметрией).
Для повышения чувствительности прибора рамку можно настроить в резонанс на рабочую частоту, введя в нее конденсатор переменной емкости С.
Схема практического варианта од-нодиапазонного индикатора ВЧ тока изображена на рис. 2. На этом рисунке объединены как элементы прибора, так и его конструкция. Собственно рамка L1 состоит из двух перекрещенных квадратных витков каждый со стороной 100 мм. В середине верхнего проводника верхнего витка включены конденсатор С1, обеспечивающий резонанс рамки на требуемом любительском диапазоне, и лампа накаливания, о назначении которой будет сказано далее, а в середине нижнего проводника нижнего витка — измерительный трансформатор тока Т1, через который обеспечивается регистрация тока в рамке, и индикаторная часть прибора (VD1, С2, R1 и РА1).
Рис. 2.
Измерительную рамку изготавливают из провода ПЭВ-2 диаметром 2...3 мм (некритично) и длиной 800 мм. Подготовив концы провода для пайки и надев на него ферритовое кольцо трансформатора Т1, изгибают провод в соответствии с рис. 2. Витки необходимо механически зафиксировать в точке А. Следует подчеркнуть, что в этой точке между витками рамки не должно быть электрического контакта. Для жесткости рамку можно закрепить на пластине из стеклотекстолита или другого высокочастотного диэлектрика. К свободным концам рамки припаивают последовательно включенные лампу накаливания HL1 и конденсатор С1. Формул для расчета таких рамок автору найти не удалось. Оценки по разным формулам (одновитковая рамка — заведомо заниженное значение, катушка из двух витков — заведомо завышенное значение) дали значения индуктивности в интервале 0,33...1,1 мкГн. Измеренная индуктивность оказалась равной 0,7 мкГн. С конденсатором С2 емкостью 78 пФ (68+10 пФ) рамка имела резонанс на частоте 21100 кГц. Без лампы HL1 добротность рамки была около 150. Рамку с такой добротностью использовать для практических измерений сложно — узкая полоса пропускания (130 кГц) и заметное влияние окружающих предметов могут заметно исказить результаты измерений. Компромиссом между чувствительностью и стабильностью результатов измерений стало введение в рамку миниатюрной лампы накаливания HL1 на 1 В и 68 мА. В ее "холодном" состоянии добротность контура снизилась примерно до 25, а полоса пропускания стала более 1 МГц. Это исключило необходимость подстройки рамки в процессе измерений. Вместо лампы можно включить и резистор соответствующего сопротивления, но лампа служит и дополнительным световым индикатором тока, что может быть полезным в некоторых случаях.
Резонансную частоту рамки регистрируют вольтметром с высоким входным сопротивлением и малой входной емкостью, который подключают параллельно конденсатору С1.
Этот конденсатор можно сделать и переменным, обеспечив тем самым работу прибора на нескольких диапазонах. Следует, однако, иметь в виду, что он находится в "горячей" части рамки. Поэтому для управления его ротором надо применять длинную диэлектрическую ручку, чтобы исключить влияние руки оператора.
Переменным резистором R1 регулируют чувствительность индикатора.
Токовый трансформатор Т1 намотан на кольцевом магнитопроводе К7х4х2 из феррита МЗОВЧ (современное обозначение МЗОВН). Первичная обмотка трансформатора — это провод рамки, проходящий через кольцо, а вторичная — десять витков провода ПЭВ-2 0,35, равномерно размещенных по маг-нитопроводу. Поскольку прибор представляет собой индикатор, требования к использованным в нем элементам весьма и весьма некритичны. Так, магнитопровод может иметь начальную магнитную проницаемость от 20 до 600. Диод VD1 — любой высокочастотный германиевый (хорошая замена — Д18, Д311). Применение кремниевых диодов здесь нежелательно. Параметры измерительной головки также некритичны.
Ток полного отклонения стрелки микроамперметра РА1 влияет на чувствительность индикатора, поэтому лучше использовать приборы с током не более 300 мкА.
При измерениях рамку располагают вдоль проводника по линии В (рис. 2). Для уменьшения влияния тела оператора ее размещают на деревянной штанге длиной не менее одного метра (рис. 3). Поскольку датчик тока бесконтактный, то его показания зависят от места размещения рамки по отношению к исследуемому проводнику (помимо ее корректной ориентации). Чтобы результаты индикации были сопоставимыми, рамку целесообразно снабдить диэлектрическими кронштейнами, фиксирующими положение рамки на исследуемом проводнике.
Рис. 3
Радио 3-2005,с. 66-67.