КСВ мост, VSWR bridge, Return loss bridge 1,5 MHz... 1,5 GHZ

КСВ мост (он же VSWR bridge, он же Return loss bridge) с полосой 1,5 MHz... 1,5 GHZ и направленностью 40 dB.

Постановка задачи

КСВ мост это лабораторный измерительный прибор, который при подключении к нему ВЧ генератора и исследуемой нагрузки дает на выходе сигнал, пропорциональный коэффициенту отражения S от нагрузки. Т.е. позволяет измерять КСВ ( точнее, вычислять как (1 + S)/(1 - S) при наличии ВЧ генератора и вольтметра.

А если в качестве ВЧ генератора и вольтметра применить измеритель АЧХ (измеритель коэффициента передачи или анализатор спектра с встроенным трекинг-генератором), то КСВ-мост превращает такой прибор в панорамный измеритель КСВ.

Схема КСВ моста очень проста: резистивный мост, в котором вместо одного из плеч включена измеряемая нагрузка, а сигнал, пропорциональный коэффициенту отражения, снимается с диагонали моста.

Поскольку на ВЧ измерения проводятся относительно корпуса, то между диагональю моста и выходом прибора включен симметрирующий трансформатор Т1. Он превращает симметричный "подвешенный в воздухе" выходной сигнал моста в обычный несимметричный, к которому может быть подключен по коаксиальному кабелю любой ВЧ индикатор. Например, второй порт измерителя коэффициентов передачи или вход ВЧ анализатора.

Современные измерители АЧХ имеют очень широкий частотный диапазон: от единиц мегагерца, до гигагерц. KCB мост, подключаемый к такому прибору, тоже должен иметь соответствующий диапазон. И при этом иметь хорошую стабильность и точность во всей полосе. Т.е. быть измерительным прибором, а не "показометром"

Поэтому конструктивное выполнение такого моста имеет немало неочевидных подводных камней. Устранением которых мы и займемся, чтобы получить полосу с полосой 1,5 MHz... 1,5 GHZ и направленностью не менее 40 dB во этой полосе.

Схема и конструкция

Схема аналогична предыдущей. Но симметрирующий трансформатор T1 для обеспечения полосы 1,5 MHz... 1,5 GHZ выполнен на отрезках полужесткого коаксиального кабеля UT141 с набором ферритовых сердечников "биноклей", надетых на оплетки кабелей. Для обеспечения столь широкой полосы использованы разные по проницаемости и частотным характеристикам сердечники. Более высокочастотные расположены ближе к диагонали моста.

Обратите внимание, что у кабеля W1 центральная жила не используется. В случае крайнего дефицита полужесткого кабеля, W1 можно заменить на отрезок медного провода или трубки диаметром 3,5 мм, точно такой же длины, как и W2.

Подстроечный С1 компенсирует паразитную конструктивную емкость разъема X2

Резисторы моста SMD типоразмера 0402 номиналом по 49,9 Ом с точностью 1%. Если у вас таких нет, то цифровым тестером выберите с аналогичной точностью из ленты обычных резисторов 51 Ом.

Конструкция прибора показана на двух следующих фото (вид сверху и снизу).

Эти фото красноречивее слов. Внимательно изучите их при повторении. Любая техника, работающая на многих сотнях мегагерц конструктивных промахов не прощает. А уж измерительная с высокой точностью - тем более.

Настройка и использование

Подключаем к входу нашего моста In выход измерителя АЧХ (или выход трекинг-генератора), к выходу Out - 50-ти омный вход измерителя АЧХ (или анализатора спектра).

Выход Ant КСВ-моста оставляем свободным.

На экране должен быть график, близкий к верхнему на следующем рисунке. Т.е. почти горизонтальная АЧХ около -16...18 dB. Если завал этого графика на ВЧ больше 3 dB, скорее всего виноваты большие паразитные емкости около резисторов моста. В частности, полосковые линии, подходящие к ним не 50-ти омные (обратите на это внимание при разводке печатной платы моста).

Затем подключаем хорошую согласованную нагрузку выходу Ant. Должно получиться что-то близкое к нижнему графику на предыдущем рисунке. Вращая ротор С1 добиваемся хорошего подавления в высокочастотной области.

Разница между обоими графиками это направленность нашего моста.

Каким образом измерять КСВ этим мостом? Коэффициент отражения - это разность между верхним графиком предыдущего рисунка (выход моста Ant ни на что не нагружен) и текущим измеряемым значением.

Чтобы не заниматься пересчетами логарифмической разницы в линейный КСВ приведу пару пересчетных графиков (вообще-то, это один, только масштабы разные):

Для измерения КСВ придется узнавать разность. Вариантов тут два.

  1. Часть современных приборов может запомнить результаты первого измерения и затем показывать разность между ним и текущим (например, это умеет анализатор спектра Rigol DSA815, режим Marker > Delta Pair > Delta). В этом случае разность можно прямо считать с экрана измерителя.

  2. Можно распечатать график без нагрузки и вычислять разность с текущим значением в уме. А для прикидочных оценок можно поступить еще проще. Ведь, как правило, нас интересует резонанс и и относительно низкие значения КСВ. А график полного рассогласования почти во всем диапазоне лежит в пределах -15...18 dB. Значит, уровень, соответствующий КСВ = 2, лежащий на ~10 dB (см. пересчетные графики) ниже, будет в пределах -25...-28 dB. Для быстрой оценки достаточно просто отслеживать те части графика коэффициента отражения, которые лежат ниже этого уровня.

Наш КСВ мост имеет развязку 40 dB почти во всем диапазоне (снижается до 37 dB на 1,5 GHz). По приведенным графика это означает, что можно измерять КСВ до 1,03.

Измерения

На следующем рисунке показано измерение куска провода ~27 см, вставленного в разъем Ant. Хорошо видны λ/4, 3λ/4 и 5λ/4 резонансы.

Еще одно измерение. Маленькая спиральная антенна. Тоже вставлена прямо в разъем Ant.

Результаты показаны ниже. На них красным отмечены уровни, соответствующие КСВ = 2, и КСВ = 3 вблизи резонансных частот антенны и указан КСВ на резонансах. Антенна имеет два резонанса и после небольшого шаманства с размерами, ориентируясь вживую на графики измерения, может быть настроена на 430 и 1296 MHz.

Выводы

Описанный КСВ-мост является весьма точным и широкополосным прибором. Он уверенно измеряет даже малые КСВ (от 1,03 при направленности 37... 40 dB) в тысячекратном диапазоне частот от 1,5 MHz 1,5 GHz. И, вероятно, может удовлетворительно работать и выше по частоте. У меня не было анализатора АЧХ с непрерывным перекрытием выше 1,5 GHz, но я проверял этот мост на частоте WiFi 2,4 GHz и получил направленность моста не меньше 20 dB (возможно и выше, но у моих приборов не хватило разрешающей способности для измерения малых сигналов на 2,4 GHz) т.е можно измерять КСВ выше 1,25.

КСВ-мост превращает любой анализатор АЧХ в панорамный измеритель КСВ, т.е. при небольших дополнительных усилиях получается еще один полезный ВЧ прибор.



Beer Sheeba, 02.04.2016

На главную - Main page