КСВ-метры: теория и практика. Как сделать достоверный КСВ-метр

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? Ведь даже многие фирменные модели имеют невысокую точность, тем более это относится к самодельным конструкциям. В предлагаемой вниманию читателей статье рассматривается самый популярный и распространенный вид – КСВ-метр с токовым трансформатором (КСВм-тт). В первой части статьи оценивается правомерность его применения (значительная часть радиолюбителей считает КСВм-тт не измерительным прибором, а “показометром”), кратко дана теория его работы с выявлением факторов, ухудшающих качество прибора. Эта часть рассчитана на подготовленного читателя. Во второй части подробно описаны две несложные конструкции, имеющие достаточно высокие характеристики.

1. Немного теории

1.1. В подключенной к передатчику однородной соединительной (фидерной) линии с волновым сопротивлением Z₀, нагруженной на сопротивление Z_Н≠Z₀, возникают как падающая, так и отраженная волны. Коэффициентом отражения r (reflection) в общем виде называется отношение амплитуды отраженной от нагрузки волны к амплитуде падающей. Коэффициенты отражения по току r_i и по напряжению r_U равны отношению соответствующих величин в отраженной и падающих волнах, численно все три коэффициента равны. Фаза отраженного тока (по отношению к падающему) зависит от соотношения между Z_Н и Z₀. Если Z_Н>Z₀ отраженный ток будет противофазен падающему, а если Z_Н<Z₀ то синфазен. Коэффициент r_U имеет такую же величину, как и r_i, но знаки у них разные, т.е. фазы противоположные. Из-за этого стоячие волны, которые образуются на линии в результате суммирования падающей и отраженных волн, будут расположены таким образом, что в точке линии с максимумом волны тока будет минимум волны напряжения и наоборот.

Коэффициент отражения r определяется формулой

                          _________________________

                    r=√[(R_H–Z₀)²+X_H²]/[(R_H+Z₀)²+X_H²],                                                   (1)

где R_H и X_H, соответственно, активная и реактивная составляющие нагрузочного сопротивления Z_H. При чисто активной нагрузке Х_H=0 формула упрощается

                    r=(R_H–Z₀)/(R_H+Z₀)                                                                             (2)

Например, если кабель с Z₀=50 Ом нагружен R_H=75 Ом, коэффициент отражения будет

                    r=(75–50)/(75+50)=0,2

На рис.1а показано распределение напряжения U_Л и тока I_Л вдоль линии для этого случая (потери в линии не учитываются). Масштаб по оси ординат для тока принят в Z₀ раз больше, при этом получается одинаковый размер обоих графиков по вертикали. На рисунке также показаны пунктиром графики напряжения U_Л0 и тока I_Л0 в виде прямой линии в случае, когда R_Н=Z₀. Взят участок линии длиной 1λ, при большей длине картина будет циклично повторяться через каждые 0,5λ. В тех точках линии, где фазы падающей и отраженной волн совпадают, напряжение максимально и равно U_MAX=U_Л0(1+r)=U_Л0(1+0,2)=1,2U_Л0, а в тех, где фазы противоположны – минимально U_MIN=U_Л0(1–0,2)=0,8U_Л0. По определению КСВ=U_MAX/U_MIN=1,2U_Л0/0,8U_Л0=1,5.

Напишем отдельно - КСВ=(1+r)/(1–r) и, соответственно,

r=(КСВ–1)/(КСВ+1).                                                                                         (3)

Отметим важную особенность – сумма максимального и минимального напряжений U_MAX+U_MIN=U_Л0(1+r)+U_Л0(1-r)=2U_Л0, а разность U_MAX–U_MIN=2rU_Л0. По полученным значениям можно рассчитать мощность падающей волны P_ПАД=U_Л0²/Z₀ и мощность отраженной волны Р_ОТР=(rU_Л0)²/Z₀. В нашем случае (КСВ=1,5 и r=0,2) мощность отраженной волны составит всего 4% от мощности падающей.

Определение КСВ путем измерения напряжения вдоль участка линии в поисках значений U_MAX и U_MIN широко применялось в прошлом не только на открытых воздушных линиях, но и в мощных коаксиальных фидерах, преимущественно на УКВ. Для этого использовался измерительный участок фидера, имеющий длинную продольную щель, вдоль которой перемещалась тележка с вставленным в нее зондом – головкой ВЧ вольтметра.

КСВ линии можно также определить по результатам измерения тока  I_Л в одном из проводов линии на участке длиной не более 0,5λ. Зная максимальное и минимальное значения, можно вычислить КСВ по формуле КСВ=I_MAX / I_MIN. Для измерения тока широко применяют преобразователь ток / напряжение в виде токового трансформатора (ТТ) c определенным нагрузочным резистором, напряжение на котором U_T пропорционально и синфазно измеряемому току. Отметим интересную (теоретическую) возможность – при определенных параметрах ТТ на его выходе можно получить напряжение, равное напряжению на линии (между проводниками), т.е. U’_T = I_ЛZ₀.

На рис.1б приведены совместно графики изменения U_Л и U’_Т вдоль линии, которые имеют одинаковые амплитуду и форму, но расположены со сдвигом 0,25λ. Анализ этих кривых показывает, что можно определить r (или КСВ) при одновременном измерении величин U_Л и U'_Т в любом месте линии. В местах расположения максимумов и минимумов обеих кривых (т.т. 1 и 2) это очевидно: отношение этих величин U_Л/U'_Т (или U'_Т/U_Л) равно КСВ, сумма равна 2U_Л0, а разность равна 2rU_Л0. В промежуточных точках U_Л и U’_Т сдвинуты по фазе и их нужно складывать как векторы, однако приведенные выше соотношения сохраняются, так как отраженная волна напряжения всегда обратна по фазе отраженной волне тока, а rU_Л0 = rU'_Т0.

Следовательно, прибор, содержащий вольтметр, калиброванный преобразователь ток / напряжение (ТТ) и схему сложения / вычитания, позволит определить такие параметры линии, как r или КСВ, а также Р_ПАД и Р_ОТР при включении в любом месте линии.

1.2. Первые сведения об устройствах такого рода относятся к 1943 г. и воспроизведены в [1]. Первые известные автору практические устройства было описаны в [2, 3]. Вариант схемы, взятый за основу, воспроизведен на рис.2.

 Устройство содержало:

а) датчик напряжения – емкостной делитель на С1 и С2 с выходным напряжением U_C, значительно меньшим, чем напряжение на линии U_Л;

б) датчик тока - токовый трансформатор Т1, намотанный на карбонильном кольце. Первичная обмотка Т1 имела 1 виток в виде проводника, проходящего по центру кольца. Вторичная – n витков, нагрузка по вторичной обмотке – резистор R1, выходное напряжение 2U_Т. Вторичную сторону можно выполнить из двух отдельных обмоток, каждая с напряжением U_Т и своим нагрузочным резистором, однако конструктивно удобнее сделать одну обмотку с отводом от середины. Данные Т1, R1 и делителя С1/С2  выбраны с расчетом, чтобы при согласованной нагрузке R_Н=Z₀ напряжения U_С=U_Т;

в) детекторы на диодах VD1 и VD2, переключатель SW1 и вольтметр на микроамперметре РА1 с добавочными резисторами.

Вторичная обмотка Т1 включена таким образом, что при подключении ТХ к левому разъёму, а нагрузки к правому на диод VD1 поступает суммарное напряжение U_С+U_Т, а на диод VD2 – разностное,. При согласованной нагрузке отраженная волна отсутствует, следовательно и напряжение на VD2 должно быть нулевым. Это достигается в процессе балансировки за счет уравнивания напряжений U_Т и U_С с помощью подстроечного конденсатора С1 (возможна балансировка и за счет изменения величины R1). Как было показано выше, после такой настройки величина разностного напряжения (при Z_Н≠Z₀) будет пропорциональна коэффициенту отражения r. Измерение с реальной нагрузкой производится так: сначала в положении переключателя SW1 “падающая” с помощью калибровочного резистора R3 выставляют положение стрелки прибора в конце шкалы (условно 100 микроампер), затем SW1 переводят в положение “отраженная” и отсчитывают величину r. Применительно к случаю с R_Н=75 Ом прибор должен показать 20 мкА, что соответствует r=0,2. Значение КСВ определяют по формуле (3) – КСВ=(1+0,2)/(1–0,2)=1,5 или КСВ=(100+20)/(100–20)=1,5 (в этом примере детектор условно линейный, в действительности необходимо вводить поправку). После дополнительной настройки прибор может быть использован для измерения падающей и отраженной мощностей.

1.3. Точность КСВ-метра как измерительного прибора зависит от ряда факторов, в первую очередь от точности балансировки прибора в положении SW1 “отраженная” при R_Н=Z₀. Идеальной балансировке соответствуют напряжения U_С и U_Т, равные по величине и строго противоположные по фазе, их разность (алгебраическая сумма) равна нулю. В реальной конструкции несбалансированный остаток U_ОСТ есть всегда. Рассмотрим на примере, как это отражается на результате. Допустим, что при балансировке получились напряжения U_С = 0,5 В и U_Т = 0,45 В (разбаланс 0,05 В, что вполне реально). При нагрузке R_Н=75 Ом в 50-омной линии реально имеем КСВ = 75 / 50 = 1,5 и r = 0,2 и величина отраженной волны, пересчитанная к внутриприборным уровням, составит rU_С=0,2х0,5 = 0,1 В и rU_Т=0,2х0,45=0,09 В.

Вновь обратимся к рис.1б, кривые на котором соответствуют КСВ=1,5 (кривые U_Л и U'_Т для линии будут  соответствовать U_С и U_Т в нашем случае). В т.1 U_Сmax=0,5+0,1=0,6 В, U_Тmin=0,45–0,09=0,36 В и КСВ=0,6/0,36=1,67. В т.2 U_Тmax=0,45+0,09=0,54 В, U_Cmin=0,5–0,1=0,4 и КСВ=0,54/0,4=1,35. Из этого несложного расчета видно, что в зависимости от места включения такого КСВ-метра в линию с реальным КСВ=1,5 или при изменении длины линии между прибором и нагрузкой могут быть отсчитаны разные значения от 1,35 до 1,67.

Что может привести к неточной балансировке?

- Напряжение отсечки германиевого диода (в нашем случае VD2), при котором он перестает проводить, около 0,05 В. Поэтому, при U_ОСТ<0,05 В прибор РА1 покажет “0” и можно допустить ошибку в балансировке. Относительная неточность значительно уменьшится, если поднять в несколько раз напряжения U_С и, соответственно, U_Т. Например, при U_С=2 В и U_Т =1,95 В (U_ОСТ=0,05 В) пределы изменения КСВ будут от 1,46 до 1,54.

- Частотная зависимость напряжений U_С или U_Т. При этом точная балансировка может быть достигнута не во всем диапазоне рабочих частот. Разберем на примере одну из возможных причин. Допустим, в приборе использован конденсатор делителя С2 емкостью 150 пФ с проволочными выводами диаметром 0,5 мм и длиной по 10 мм каждый. Измеренная индуктивность проволоки такого диаметра длиной 20 мм оказалась равной L=0,03 мкГн.     На верхней рабочей частоте f = 30 МГц сопротивление конденсатора будет X_С=1/2pfC=-j35,4 Ом, суммарное реактивное сопротивление выводов X_ВЫВ=2pfL=j5,7 Ом, в результате сопротивление нижнего плеча делителя уменьшится до значения -j35,4+j5,7= -j29,7 Ом (это значение соответствует конденсатору емкостью 177 пФ). В то же время на частотах от 7 МГц и ниже влияние выводов ничтожно. Отсюда вывод - в нижнем плече делителя следует применять безиндуктивные конденсаторы с минимальными выводами (например, опорные или проходные) и включение нескольких конденсаторов параллельно. Выводы “верхнего” конденсатора С1 практически не влияют на ситуацию, так как его X_С в несколько десятков раз больше, чем у нижнего. Получить равномерную балансировку во всей рабочей полосе частот можно с помощью оригинального решения, показанного во второй части.

- Влияние паразитных реактивностей приводит к несинфазности напряжений U_С и U_Т (режим R_Н=Z₀). Сдвиг фаз на несколько градусов незначительно отражается на их сумме (SW1-“пад.”), но сильно ухудшает балансировку. К примеру, если сдвиг фаз составляет всего α=3є и U_С= U_Т=2 В, несбалансированный остаток составит U_ОСТ≈U_Сsin α=2х0,052=0,104 В. Рассмотрим возможные причины:

а) влияние реактивности выводов вторичной обмотки. При длине выводов всего по 10 мм на верхней частоте их сопротивление X=j5,7 Ом (см. предыдущий пример) и фаза тока во вторичной цепи Т1 будет по отношению к току в линии (и напряжению U_С) сдвинута на угол α=arctg(X_ВЫВ/R1). Здесь R1 – сопротивление нагрузки трансформатора, составляющее в разных образцах от 10 до 100 Ом. Для крайних значений получаем α=arctg(5,7/10)=30є (!) и α=arctg(5,7/100)≈3є. В действительности во вторичной цепи паразитная индуктивность может быть ещё больше из-за наличия индуктивности рассеяния Т1 и индуктивности выводов R1. Отметим, что хотя полное сопротивление вторичной цепи на верхних частотах возрастает, напряжение U_Т, снимаемое непосредственно с R1, остается неизменным по величине (свойство токового трансформатора Т1, см. ниже);

б) индуктивное сопротивление вторичной обмотки Т1 на нижних частотах рабочего диапазона (~1,8 МГц) может ощутимо шунтировать R1, что приведет к уменьшению U_Т и его фазовому сдвигу;

в) сопротивление R2 – часть детекторной цепи. Так как R2  по схеме  шунтирует С2, на нижних частотах коэффициент деления может получить частотную и фазовую зависимость;

г) в схеме рис.2 детектор на VD1 или VD2 в открытом состоянии шунтирует своим входным сопротивлением R_ВХД нижнее плечо емкостного делителя на С2, т.е действует также, как и R2. Влияние R_ВХД незначительно при (R1+ R2) более 40 кОм, что требует применения чувствительного индикатора РА1 с током полного отклонения не более 100 мкА и ВЧ напряжения на Д1 не менее 4-х вольт;

д) входной и выходной разъёмы КСВ-метра обычно разнесены на 30…100 мм. На верхней частоте 30 МГц (λ=10 м) разница фаз напряжений на разъёмах составит α=[(0,03…0,1)/10]360є ≈ 1…3,5є. Как это может отразиться на работе, продемонстрировано на рис.3а и 3б. Разница схем на этих рисунках только в том, что конденсатор С1 подключен к разным разъемам (Т1 в обоих случаях находится на середине проводника между разъёмами). В первом случае нескомпенсированныйн остаток можно уменьшить, если скорректировать фазу U_ОСТ с помощью небольшого параллельно включенного конденсатора С_К (пунктир на рис.3а), во втором за счет включения последовательно с R1 небольшой индуктивности L_К в виде проволочной петли (рис.3б). Такой способ нередко применяется в кустарных и фирменных КСВ-метрах, но делать это не следует. Чтобы убедиться в этом, достаточно повернуть прибор так, чтобы входной разъём стал выходным. При этом компенсация, которая помогала до поворота, станет вредной – U_ОСТ существенно увеличится. При работе на реальной линии с несогласованной нагрузкой в зависимости от длины линии прибор может попасть в такое место на линии, где введенная коррекция “улучшит” реальный КСВ или, наоборот, “ухудшит” его, в любом случае будет неправильный отсчет. Рекомендация – располагать разъёмы по возможности ближе друг к другу и использовать оригинальное решение, показанное во второй части. Очень важно, чтобы корпуса (фланцы ) входного и выходного разъёмов соединялись максимально короткими и  широкими проводниками.

1.4. Для иллюстрации того, как сильно могут повлиять рассмотренные выше и другие причины на достоверность КСВ-метра, на рис.4 показаны результаты проверки двух фирменных приборов [4].

Проверка заключалась в том, что несогласованная нагрузка с расчетным КСВ=2,25 устанавливалась на конце линии, состоящей из ряда последовательно соединенных отрезков кабеля с Z₀=50 Ом длиной каждый по λ/8. В процессе измерений полная длина линии изменялась от λ/8 до 5/8 λ. Проверялись два прибора: недорогой BRAND X и одна из лучших моделей – BIRD 43. Как говорится – комментарии излишни.

На рис.5 приведен график зависимости ошибки измерений от величины коэффициента направленности D (directivity) КСВ-метра [4], где по горизонтальной оси отложены реальные значения КСВ (v.s.w.r.), а по вертикальной – измеренные с учетом ошибки в зависимости от величины D КСВ-метра.

Пунктиром показан пример – реальный ксв = 2,  прибор с D = 20 дБ даст показания  1,6 или  2,5 , а при D = 40 дБ ошибка значительно меньше, соответственно 1,9 или 2,1. Аналогичные графики применительно к КБВ=1/КСВ приведены в [5].

В конструкции рис.2 этот коэффициент равен отношению напряжений ВЧ на анодах диодов VD1 и VD2 при подключении к выходу КСВ-метра нагрузки с R_Н=Z₀: D=20lg(2U₀/Uост), дБ, Таким образом, чем лучше удалось сбалансировать схему (чем меньше U_ОСТ) тем выше D. Можно также использовать показания индикатора РА1 - D=20lg(I_ПАД/I_ОТР), дБ, однако это значение D будет менее точным из-за нелинейности диодов.

Вторая по важности причина неправильных показаний КСВ-метра связана с нелинейностью вольтамперной характеристики детекторных диодов. Это приводит к зависимости показаний от уровня подаваемой мощности, особенно в начальной части шкалы индикатора РA1. В фирменных КСВ-метрах нередко на индикаторе делают две шкалы для малого и большого уровней мощности. В любительских конструкциях можно применить описанные в п.2.3. способы коррекции.

1.5. Трансформатор тока Т1 является важной частью КСВ-метра. Основные характеристики Т1 такие же, как и у более привычного трансформатора напряжения: число витков первичной обмотки n1 и вторичной n2, коэффициент трансформации к  =n2/n1, ток вторичной обмотки I2=I1/к. Отличие состоит в том, что ток через первичную обмотку определяется внешней цепью (в нашем случае это ток фидера) и не зависит от сопротивления нагрузки трансформатора R1, поэтому ток I2 также не зависит от величины R1. Например, если по фидеру Z₀=50 Ом передается мощность Р=100 Вт, ток I1=√Р/Z₀=1,41 А и при к=20 ток вторичной обмотки будет I2=I1/к ≈ 0,07 А. Напряжение на выводах вторичной обмотки будет определяться величиной R1: 2U_Т=I2хR1 и при R1=68 Ом составит 2U_Т=4,8 В, выделяемая на резисторе мощность Р=(2Uт)²/R1=0,34 Вт. Обратим внимание на “непривычную” особенность Т1 – чем меньше витков во вторичной обмотке, тем больше будет напряжение на её выводах (при одном и том же R1). Самый тяжелый режим для Т1 – режим холостого хода (R1=∞), при этом напряжение на его выходе резко возрастает, сердечник насыщается и разогревается настолько, что может разрушиться. В большинстве случаев в первичной обмотке используют 1 виток. Этот виток может иметь разные формы, как на рис.6а и 6б, они равноценны. Следует иметь в виду, что обмотка на рис.6в – это уже 2 витка.

Отдельный вопрос – применение соединенного с корпусом экрана в виде трубки между центральным проводом и вторичной обмоткой. С одной стороны, экран устраняет емкостную связь между обмотками, чем несколько улучшает балансировку разностного сигнала, с другой стороны в экране возникают вихревые токи, также влияющие на балансировку. Практика показала, что с экраном и без него можно получить примерно одинаковые  результаты. Если экран все же применен, длину его следует сделать минимальной, примерно равной ширине примененного сердечника, и соединить с корпусом широким коротким проводником. “Заземление” экрана следует делать в равноудаленном от обоих разъемов месте корпуса или печатной платы. Для экрана можно использовать латунную трубку диаметром 4 мм от телескопических антенн.

Для КСВ-метров на проходящую мощность до 1кВт достаточны ферритовые кольцевые сердечники размером К12х6х4 и даже К10х6х3. Практика показала, что оптимальное число витков n2=20. При индуктивности вторичной обмотки 40…60 мкГн получается наибольшая частотная равномерность, допустимая величина - до 200 мкГн. Возможно использование сердечников с проницаемостью от 200 до 1000, желательно выбрать типоразмер, который обеспечит оптимальную индуктивность обмотки. Можно использовать сердечники с меньшей проницаемостью, если применить большие типоразмеры, увеличить число витков и (или) уменьшить сопротивление R1.

Если проницаемость имеющихся сердечников неизвестна, при наличии измерителя индуктивности её можно определить. Для этого следует намотать 10 витков на неизвестном сердечнике (витком считается каждое пересечение проводом внутреннего отверстия сердечника), измерить индуктивность катушки L (мкГн) и подставить это значение в формулу μ=2,5LD_СР/S, где D_СР - средний диаметр сердечника в см, а S – сечение сердечника в см² (пример – у К10х6х3 D_СР=0,8 см и S=0,2х0,3=0,06 см²). Если μ сердечника известна, индуктивность обмотки из n витков можно рассчитать L=μn²S/ 250D_СР.

Применимость сердечников на уровень мощности 1 кВт и более можно проверить и при 100 Вт в фидере. Для этого следует временно установить R1 сопротивлением в 4 раза больше расчетного, соответственно напряжение U_Т также вырастет в 4 раза, а это эквивалентно возрастанию проходящей мощности в 16 раз. Разогрев сердечника можно проверить “наощупь” (мощность на временном резисторе R1 также вырастет в 4 раза). В реальных условиях мощность на R1 возрастает пропорционально росту мощности в фидере.

2. Две конструкции КСВ-метров UT1MA

2.1. КСВ-метры имеют одинаковую схему, но разное исполнение. В первом варианте (КМА-01) высокочастотный датчик и индикаторная часть выполнены раздельно. Датчик имеет входной и выходной коаксиальные разъёмы и может быть установлен в любом месте фидерного тракта, соединение с индикатором осуществляется трехжильным кабелем любой длины. Во втором варианте (КМА-02) обе части расположены в одном корпусе.

Схема КСВ-метра приведена на рис.7 и отличается от базовой схемы рис.2 наличием трех цепей коррекции.

Рассмотрим эти отличия по отдельности:

- Верхнее плечо емкостного делителя выполнено из двух одинаковых постоянных конденсаторов С1′+С1″=С1, подключенных к входному и выходному разъёмам, фазы напряжений на которых несколько различаются (п.1.3.). При таком включении фаза U_С усредняется и сближается с фазой U_Т, что улучшает балансировку.

- За счет включения катушки L_К сопротивление верхнего плеча емкостного делителя становится частотнозависимым, что позволяет выровнять балансировку на верхнем краю диапазона (21…30 МГц).

- Подбором сопротивления R2 (постоянной времени R2C2) можно компенсировать разбалансировку, вызванную спадом напряжения U_Т и его фазовым сдвигом на нижнем краю диапазона (3,5…1,8 МГц).

Кроме отмеченного, балансировка осуществляется с помощью подстроечного конденсатора С3, включенного в нижнем плече делителя. При этом упрощается монтаж и становится возможным применение маломощного малогабаритного подстроечника.

  В конструкции предусмотрена возможность измерения мощности отдельно для падающей и отраженной волн. Для этого с помощью переключателя SW2 в цепь индикатора вместо переменного калибровочного резистора R4 вводится подстроечный резистор R5, которым устанавливается нужный предел шкалы измеряемой мощности.

Применение коррекции и рациональная конструкция прибора позволили получить коэффициент направленности D в пределах 35…45 дБ в частотном диапазоне 1,8…30 МГц.

2.2 Детали

Вторичная обмотка Т1 содержит 2х10 витков (намотка в 2 провода) ПЭВ 0,35, намотанных равномерно на ферритовом кольце К12х6х4 проницаемостью около 400 (измеренная индуктивность »90 мкГн).

Резистор R1 – МЛТ 68 Ом, желательно без винтовой канавки на теле резистора. При проходящей мощности менее 250 Вт достаточно МЛТ-1, при 500 Вт – МЛТ-2, при 1 кВт R1 можно составить из 2-х параллельно включенных МЛТ-2 по 130 Ом. Впрочем, если КСВ-метр проектируется под высокий уровень мощности, есть смысл вдвое увеличить вторичную обмотку Т1 (2х20 вит.), что позволит в 4 раза уменьшить рассеиваемую мощность R1 (при этом величина емкости С2 также удваивается).

Конденсаторы С1′ и С1″ емкостью 2,4…3 пФ каждый, типа КТ, КТК, КД на напряжение 500 В при Р ≥ 1 кВт и 200…250 В при меньшей мощности, С2 – на любое напряжение, КТК или другие безиндуктивные, один или 2…3 параллельно, С3 – малогабаритный подстроечный 3…20 пФ. Емкость С2 зависит от суммарной емкости верхнего плеча емкостного делителя, в которую входит помимо С1′+С1″=С и внутренняя емкость между вторичной обмоткой Т1 и центральным проводником (0,5..1 пФ). Общая емкость нижнего плеча (С2+С3) при R1=68 Ом примерно в 30 раз больше емкости верхнего. Диоды - типа Д311, С4, С5 и С6 – 0,003…0,01 мкФ типа КМ или другие высокочастотные, индикатор – М2003 с током полного отклонения 100 мкА, калибровочный резистор R4 – 150 кОм СП-4-2м, R3 (10 кОм) предохраняет индикатор от возможной перегрузки, подстроечный R5 – 150 кОм.

Индуктивность корректирующей L_К можно определить следующим образом. При балансировке (R_Н=Z₀) отметить положения подстроечника С3 на частотах 14 и 29 МГц (без L_К), затем выпаять и измерить его емкость в обоих отмеченных положениях. Допустим, для верхней частоты емкость оказалась меньше на 5 пФ, а общая емкость нижнего плеча около 130 пФ, т.е. разница составляет 5/130 или около 4%. Следовательно, для частотного выравнивания нужно на частоте 29 МГц уменьшить сопротивление верхнего плеча также на ~4%. Зная Х_С1 и то, что сопротивление L_К должно составлять 4% от Х_С1, несложно определить величину L_К Примененный вариант – 8…10 витков ПЭЛШО 0,29, внутренний диаметр 5 мм, намотка бескаркасная плотная с последующей пропиткой клеем БФ-2, окончательное количество витков уточняется при балансировке, критерий – положения ротора С3 на 14 МГц и 29 МГц должны совпадать.

После достижения хорошей балансировки на средних и верхних частотах устанавливают частоту 1,8 МГц, на место R2 временно впаивают переменный резистор на 15…20 кОм и находят значение, при котором U_ОСТ минимально. Значение R2 зависит от индуктивности вторичной обмотки Т1 и находится в пределах 5…20 кОм соответственно для L=40…200 мкГн.

2.3. Индикатор

В радиолюбительских условиях наиболее часто в индикаторе КСВ-метра используют микроамперметр с линейной шкалой, и отсчет ведут по формуле КСВ=(I_ПАД+I_ОТР)/(I_ПАД–I_ОТР), 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 1 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 1 деление, а при использовании 10 Вт (например, при настройке антенны) прибавлять к отсчету по шкале в положении “отраж.” ещё 4 мкА. Пример: при отсчетах “пад/отр” соответственно равных 100 / 16 мкА правильный КСВ будет (100+20)/(100–20)=1,5. При значительной мощности (500 Вт и более) в указанной коррекции нет необходимости.

Примечание. Все популярные у радиолюбителей типы КСВ-метров – КСВм-тт, мостовые и на направленных ответвителях – непосредственно отсчитывают именно коэффициент отражения r, а величину КСВ затем приходится вычислять. Между тем, именно r является основным показателем степени согласования, а КСВ – показатель производный. Подтверждением этого 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). Примечание это связано с тем, что в любительских условиях достаточно сложно изготовить шкалу индикатора в значениях 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 U_С и U_Т (!). В эксперименте, при замене диодов Д311 на КД522 при Р=100 Вт, нагрузке Z_Н=75 Ом и тех же U_С и U_Т были получены I_ПАД/I_ОТР: до замены – 100/19 и КСВ=1,48, после замены – 100/12 и расчетный КСВ=1,27. Применение схемы удвоения на КД522 дало ещё худший результат – 100/11 и КСВ=1,25.

2.4. Конструкция

Корпус датчика в раздельном варианте (КМА-01) может быть изготовлен из меди, алюминия или спаян из пластинок 2-х стороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5…2 мм. Эскиз такой конструкции приведен на рис.8, там же даны размеры заготовок.

Пунктирными линиями показаны места соединения перед пайкой, которая для большей прочности производится с обеих сторон. Корпус состоит из двух отсеков, в одном оппозитно расположены ВЧ разъемы (СР-50 или SO-239 c фланцами размерами 25х25 мм), перемычка из провода Æ1,4 мм в полиэтиленовой изоляции Æ4,8 мм (от кабеля РК50-4), токовый трансформатор Т1 , конденсаторы емкостного делителя (С1′+С1″=С1, С2′+С2″=С2) и компенсационная катушка L_К, в другом резисторы R1, R2, диоды, подстроечный и блокировочные конденсаторы и малогабаритный НЧ разъем. В средней фольгированной перегородке (рис.8б) устанавливаются три проходных изолированных контакта (например, латунные винты М2...М3), места их расположения показаны на чертеже. Выводы Т1 и R1 – минимальной длины.

Конструкция индикаторного блока без особенностей и здесь не рассматривается.

ВЧ датчик совместного варианта (КМА-02) монтируется на задней стенке (медь, алюминий, латунь) общего корпуса КСВ-метра (рис.9).

В отличие от первого варианта все детали (кроме Т1 и разъёмов XS1 и XS2) смонтированы на печатной плате (рис.10), туда же припаян трехконтактный НЧ разъем типа межблочных телевизионных. Оба конденсатора С1′ и С1″ одним концом припаяны к контактной площадке на печатной плате, а другими концами – к ВЧ разъёмам. С2 (1шт), С3 и Lк расположены со стороны фольги. R3 перенесен на плату, где для дополнительной развязки по ВЧ установлено 2 резистора R3 (рис.10) с допуском не более 5%. Плата крепится к панели между ВЧ разъёмами с помощью небольших напаянных уголков из меди толщиной 0,5…1 мм. Датчик желательно накрыть экраном. Конструкция индикатора – без особенностей.

2.5. 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 45х25х180 мм). Внутри керамического корпуса резистора находится длинный цилиндрический канал, заполненный резистивным веществом. Резистор размещается внутри алюминиевого кожуха, его выводы коротко соединяют с входным коаксиальным разъёмом и кожухом, и плотно прижимают к днищу кожуха. Это улучшает отвод тепла и создает распределенную емкость, улучшающую широкополосность. С помощью дополнительных резисторов с мощностью рассеивания 2 Вт входное сопротивление нагрузки устанавливают в пределах 49,9…50,1 Ом. С небольшим корректирующим конденсатором на входе (~10 пФ) удается на базе этого резистора получить нагрузку с КСВ не хуже 1,05 в полосе частот до 30 МГц ( измерено мостовым ксв-метром ). Отличные нагрузки получаются из специальных малогабаритных резисторов типа Р1-3 номиналом 49,9 Ом, выдерживающих значительную мощность при использовании внешнего радиатора.

2.6. Были проведены сравнительные испытания КСВ-метров разных фирм и приборов, описанных в этой статье. Проверка заключалась в том, что к передатчику с выходной мощностью около 100 Вт через испытуемый 50-омный КСВ-метр подключалась несогласованная нагрузка 75 Ом (эквивалент антенны на мощность 100 Вт заводского изготовления) и производились 2 измерения. Одно при подключении коротким кабелем РК50 длиной ~10 см, другое - через кабель РК50 длиной ~0,25λ. Чем меньше разброс показаний, тем достовернее прибор.

При частоте 29 МГц получены следующие значения КСВ:

DRAKE WH-7 ………………1,46/1,54

DIAMOND SX-100 …………1,3/1,7

ALAN KW-220 ……………   1,3/1,7

ROGER RSM-600 ……….   1,35/1,65

КMA-01………………………1,44/1,5

С нагрузкой 50 Ом при любой длине кабелей все приборы “дружно” показывали КСВ<1,1.

Причину большого разброса показаний RSM-600 удалось выяснить при его исследовании. В этом приборе в качестве датчика напряжения используется не емкостной делитель, а понижающий трансформатор напряжения с фиксированным коэффициентом трансформации. Это снимает “проблемы” емкостного делителя, но снижает надежность прибора при измерении больших мощностей (предельная мощность RSM-600 всего 200…400 Вт). В его схеме нет подстроечного элемента, поэтому резистор нагрузки токового трансформатора должен быть высокой точности (хотя бы 50±0,5 Ом), а реально был использован резистор сопротивлением 47,4 Ом. После его замены на резистор 49,9 Ом результаты измерений стали значительно лучше - 1,48/1,58. Возможно, с этой же причиной связан большой разброс показаний приборов SX-100 и KW-220.

Измерение при несогласованной нагрузке с помощью дополнительного четвертьволнового 50-омного кабеля – надежный способ проверки качества КСВ-метра. Отметим три момента:

1. Для такой проверки можно использовать и нагрузку 50 Ом, если включить параллельно её входу конденсатор, например, в виде небольшого отрезка разомкнутого на конце коаксиального кабеля. Подключение удобно произвести через коаксиальный тройниковый переход. Опытные данные – с отрезком  РК50 длиной 28 см на частоте 29 МГц такая комбинированная нагрузка имела КСВ≈1,3, а при длине 79 см – КСВ≈2,5 (любую нагрузку подключать к КСВ-метру только 50-омным кабелем).

2. Реальный КСВ в линии примерно соответствует среднему от двух отсчитанных значений (с добавочным четвертьволновым кабелем и без него).

3. При измерении в реальном антенно-фидерном устройстве могут возникнуть трудности, связанные с затеканием тока на внешнюю поверхность оплетки кабеля. При наличии такого тока изменение длины фидера снизу может привести к изменению этого тока, что приведет к изменению нагрузки фидера и реального КСВ. Уменьшить влияние внешнего тока можно защитным дросселем, например, свернув входящий в помещение фидер в виде бухты из 15…20 витков диаметром 15…20 см.

Литература

1. D.Lechner, P.Finck         Kurzwellensender. - Militarverlag, Berlin, 1979

2. W.B.Bruene                    An Inside Pictures of Directional Wattmeters. – QST, 1959, Apr

3. D.Demaw                        In – Line RF Power Metering. - QST, 1969, Dec

4. W.Orr, S.Cowan             The beam antenna handbook. – RAC, USA, 1993

5. Бекетов В., Харченко К.    Измерения и испытания при конструировании и регулировке   радиолюбительских антенн. - М. Связь, 1971

Э.Гуткин (UT1MA) г.Луганск