КСВ-метр на "бинокле" tandem match

Принцип работы

Любой измеритель КСВ это балансное устройство. Делаются два датчика: с одного сигнал пропорционален току в нагрузке, с другого - напряжению. Датчики тока и напряжения устроены так, что уже если нагрузка согласована (т.е. мы считаем, что она наша цель и КСВ на ней должен быть равен 1), то их сигналы равны по амплитуде и противофазны. Поэтому они в точности компенсируют друг друга и на выходе отраженной волны будет ноль (что и соответствует КСВ = 1).

Если же нагрузка не согласована, то сигналы с датчиков уже не будут равны по амплитуде (неправильное R нагрузки) и/или фазовый угол между ними будет отличаться от 1800 (не нулевая реактивность нагрузки). При этом сигналы датчиков тока и напряжения уже не будут полностью компенсировать друг друга и их разность на выходе отраженной волны будет пропорциональна степени рассогласования нагрузки. Т.е. чем выше КСВ нагрузки, тем больше будет сигнал отраженной волны.

В рассматриваемом в этой статье КСВ-метре датчики тока и напряжения выполнены идентично: как ферритовые трансформаторы, в которых первичная обмотка сдержит 1 виток (просто провод сквозь отверстие сердечника), а вторичная содержит N = 20 витков тонкого провода.

У токового датчика первичная обмотка включается в разрыв измеряемой линии, а а сигнал тока снимается со вторичной, повышающей обмотки.

У датчика напряжения вторичная обмотка подключается параллельно выходу генератора, а сигнал напряжения снимается с первичной (одновитковой) обмотки.

Чтобы не иметь проблем с разбросом характеристик ферритовых сердечников у датчиков тока и напряжения, наиболее разумно намотать их на одном "бинокле". Я использовал сердечник Fair-Rite 2843000302 (проницаемость 800).

Схему соединения обмоток рисовать не буду, просто посмотрите на следующее крупное фото, там всё видно.

На этом снимке вторичные обмотки намотаны в одну сторону.Кстати, даже если вы ошибетесь в полярности вторичных обмоток, ничего худшего, чем обмен местами выходов датчиков прямой и отраженной волны не случится.

Принцип работы

Чтобы разобраться с принципом работы, обратимся к схеме КСВ-метра, показанной на следующем фото.

Выход генератора (передатчика) подключается на порт 1, нагрузка - на порт 2. Порты 3 и 4 это выходы отраженной и прямой волн соответственно. Они обязаны быть нагружены на резисторы, равные тому сопротивлению, при котором мы считаем КСВ = 1.

Допустим, у нас нагрузка на порту 2 (антенна) имеет активное сопротивление R (реактивное = 0), а передатчик развивает на выходе напряжение U.Тогда ток нагрузки будет U/R.

Значит во вторичной обмотке токового трансформатора, содержащей N витков, будет в N раз меньше U/(RN). Если мы нагрузим этот ток на резистор с сопротивлением R, то получим на нём напряжение U/N.

А на выходе датчика напряжения также будет напряжение U/N (в коэффициент трансформации раз меньше, чем на входе). То есть, такое же, как и с датчика тока. Соединив их выходы встречно получим точную компенсацию, т.е. ноль напряжения отраженной волны при согласованной нагрузке КСВ-метра.

Параметры по измеряемой цепи

Посмотрим, как наш датчик влияет на измеряемую цепь. КСВ-метр предполагался для работы на КВ от 1,8 ДО 29 МГц. Поэтому изучим его в полосе от 1 до 50 МГц (~ двойной запас по частоте вверх и вниз).

На следующем скриншоте показано измеренное (здесь и далее для измерений использовался профессиональный анализатор Agilent E5061A) проходное затухание. Оно не превышает 0,07 dB, т.е. очень мало. Особенно если учесть, что в измеренные цифры входят и еще и потери в двух разъемах, двух переходниках SMA-N и кабеле.

Кстати, оценим потери активной мощности в самом измерителе. На резисторах портов 3 и 4 может выделяться напряжение в N раз меньше входного. Значит, активная мощность, рассеиваемая в каждом них будет N2 раз меньше, сем на входе прибора. А т.к. резисторов два, то в 2/N2 раз меньше.

Например, при киловатте и N = 20 тепловые потери в КСВ-метре составят 1000*2/(202) = 5 ватт. Помимо прочего, это означает, что сердечник должен быть способен пропустить такую мощность во всём диапазоне используемых частот.

При увеличении N снижаются потери мощности и требования к сердечнику, но растет завал на верхних частотах и снижаются выходные сигналы. В данной конструкции выбрано компромиссное значение N = 20, обеспечивающее хорошую точность измерения от 1,8 до29 МГц (см. ниже) и еще терпимый нагрев сердечника и нагрузочных резисторов при киловатте проходящей мощности.

 

На следующем скриншоте показан КСВ по входу прибора (порт 1) при нагрузке всех остальных портов на резисторы 50 Ом.

Видно, что во всем КВ диапазоне КСВ не превышает 1,04.

Параметры по цепям прямой и отраженной волн балансировки

Нагрузим все порты (кроме первого, к которому у нас всегда подключен генератор) на 50 Ом и посмотрим, что получится на выходе прямой волны (порт 4). Результат показан на следующем скриншоте.

Видна исключительно стабильная АЧХ, с коэффициентом передачи минус 26 dB. А 26 dB это 20 раз. Т.е. точно в наше отношение числа обмоток раз меньше. Как мы и ожидали.

 

На следующем скриншоте показан сигнал на выходе отраженной волны (порт 3). В теории там должен быть полный ноль (т.к. выход 2 нагружен на согласованную нагрузку и отраженная волна должна отсутствовать). Но на практике ноль не полный. Сигнал меньше прямой волны на 30...35 dB.

Это хорошо видно на следующем скриншоте, на котором наложены вместе два предыдущих.

Разница между графиками определяет качество балансировки и минимальный КСВ, который мы можем измерить. Например, при разница в 34 dB (50 раз), означает, что при согласованной нагрузке наш КСВ-метр может показывать паразитный сигнал 1/50 = 0,02 от прямой волны и КСВ меньше, чем (1 + 0,02)/( 1 - 0,02) = 1,04 этим прибором не измеришь.

 

А хочется. Попробуем увеличить эту разницу. Поскольку частоты высокие, а затухание требуется большое, то экранируем нашу коробочку полностью (до этого измерения она была такой, как на первом фото - только периметр без крышек).

Результат показан на двух следующих скриншотах.

 

Разница во всем КВ диапазоне превысила 40 dB (т.е. 100 раз), достигая 60 dB (1000 раз) на 14 МГц. Теперь можно измерять КСВ до 1,02. Во всём КВ диапазоне.

Опыт с экранированием показывает, что для прецизионного применения (измерение совсем малых КСВ, ниже 1,05), а также при работе в мощных внешних полях (например внутри РА иили тюнера), экранирование измерителя необходимо.

Проверка точности измерений КСВ

Практика - критерий истины.

Измерим нашим прибором КСВ разных нагрузок в полосе. И сравним с результатами прямого измерения КСВ тех же нагрузок профессиональным поверенным прибором.

 

Для начала посмотрим, что покажет линейный вольтметр на выходе отраженной волны при холостом ходе и коротком замыкании. Эти измерения приведены на двух следующих скриншотах. На них (и всех последующих аналогичных) вертикальная шкала в милливольтах (mU так прибор обзывает милливольты). На входе прибора (порт 1) 1 В с генератора.

 

Видно, что во всём КВ диапазоне это напряжение стабильно держится в интервале 48,7 ...49,8 mV (на выходе генератора 1 В, а у нас в 20 раз меньше). Т.е. при бесконечном КСВ измеритель отраженной волны показывает практически полную шкалу во всей полосе.


Теперь подключим в нагрузке КСВ-метра (порту 2) резистор 25 Ом. На выходе отраженной волны видим следующее:

Прямое измерение КСВ той же нагрузки показано ниже. На этом скриншоте кроме измерения красными точками перенесены показания нашего КСВ-метра (посчитаны на основании данных предыдущего скриншота):

Не пугайтесь больших отличий: шаг вертикальной сетки на предыдущем скришоте всего 0,05. Т.е. даже на 50 МГц погрешность нашего прибора составила менее 0,1. А на 28 МГц - меньше 0,05.

 

Подключим к выходу прибора (порту 2) согласованную нагрузку. И посмотрим на показания линейного вольтметра на выходе отраженной волны. Без экранирующих крышек:

С экранирующими крышками:

 

Нагрузим КСВ-метр (порт 2) на резистор 100 Ом. На выходе отраженной волны видим следующее:

Прямое измерение КСВ той же нагрузки показано ниже. На этом скриншоте кроме измерения красными точками перенесены показания нашего КСВ-метра (посчитаны на основании данных предыдущего скриншота):

Погрешность аналогична той, что была при R = 25 Ом.

 

Нагрузим КСВ-метр (порт 2) на резистор 200 Ом. На выходе отраженной волны видим следующее:

Прямое измерение КСВ той же нагрузки показано ниже. На этом скриншоте кроме измерения красными точками перенесены показания нашего КСВ-метра (на основании данных предыдущего скриншота):

Погрешность тут примерно такая же, как и на нагрузках 25 и 100 Ом ( обратите внимание, шаг вертикальной сетки на последнем скриншоте возрос до 0,1).

 

Перейдём к нагрузкам с реактивной составляющей. Нагрузим КСВ-метр (порт 2) на параллельно соединенные резистор 100 Ом и конденсатор 68 pF. На выходе отраженной волны видим следующее:

Прямое измерение КСВ той же нагрузки показано ниже. На этом скриншоте кроме измерения красными точками перенесены показания нашего КСВ-метра (на основании данных предыдущего скриншота):

Здесь ошибка на верхних частотах хотя и слегка возросла (на 28 МГц мы получили КСВ = 2,91 вместо фактического 2,74), но осталась более чем терпимой. На 50 МГц погрешность получилась повыше, но там мы и не планировали наш прибор использовать.

 

Следующая нагрузка: последовательно соединенные резистор 50 Ом и конденсатор 390 pF. На выходе отраженной волны видим следующее:

Прямое измерение КСВ той же нагрузки показано ниже. На этом скриншоте кроме измерения красными точками перенесены показания нашего КСВ-метра (на основании данных предыдущего скриншота):

Видна очень высокая идентичность показаний. На низких частотах даже при КСВ > 20 совпадение вполне приличное (а на высоких погрешность не видна, т.к. реактивное сопротивление последовательного конденсатора становится низким).

 

Последняя нагрузка: последовательно соединенные резистор 50 Ом и катушка около 0,5 мкГн. На выходе отраженной волны:

Прямое измерение КСВ той же нагрузки показано ниже. На этом скриншоте кроме измерения красными точками перенесены показания нашего КСВ-метра (на основании данных предыдущего скриншота):

В пределах КВ диапазона совпадение очень хорошее. На 50 МГц погрешность великовата, но держим в уме, что на 50 МГц мы и не собирались работать.

Выводы

Описанный КСВ-метр в полосе 1,8 ... 28 МГц является прецизионным прибором, вносящим в измеряемую линию лишь несколько сотых dB затухания, пропускающим до киловатта проходящей мощности и измеряющим КСВ до нескольких единиц* любых нагрузок (включая реактивные) с точностью, близкой к точности хорошего профессионального оборудования**.

*При КСВ выше нескольких единиц точность измерений КСВ падает. Но это общее свойство вычисления КСВ, т.к. в знаменателе при высоких КСВ получается малая величина (1 минус коэффициент отражения, равный отношению отраженной волны к прямой). Поэтому даже небольшая погрешность в измерении отраженной волны приводит к значительной погрешности вычисления КСВ. Кстати, именно поэтому, в профессиональных приборах (том же Agilent E5061A) в паспорте не дают погрешность измерения КСВ. Только погрешность коэффициента отражения (т.е. нормированной отраженной волны).

**Нагрузки 50 Ом на портах 3 и 4 отраженной и прямой волн должны иметь хорошие ВЧ свойства. При наличии реактивностей в этих резисторах точность измерения КСВ падает.

Детекторы, подключенные к портам 3 и 4 не должны создавать заметной дополнительной нагрузки Если это не так, то детекторы лучше подключить через аттенюаторы 6 ... 12 dB, ослабляющие влияние входного импеданса детекторов на порты 3 и 4.

Кстати, точно измерять КСВ выше ~5...6 мне кажется делом ненужным на практике. При таком рассогласовании надо не гоняться за процентами точности измерения КСВ, а думать как и чем согласовать антенну.



Beer Sheeba, 24.03.2016

На главную - Main page