Прибор, без которого при настройке антенн как без рук. Хотя по сути всего лишь омметр. Но омметр не вообще, а на заданной частоте и позволяющий измерять не только активные, но и комплексные импедансы.

Высокочастотный мост

Измеритель импеданса (R + jX) на заданной пользователем частоте при антенных измерениях необходим.Не буду ломится в открытую дверь и убеждать. Просто поверьте на слово – это действительно так.

Современные антенные анализаторы вполне решают эту задачу. Однако есть нюанс: их цена высока (около 200$) а изготовить их самому весьма сложно.

Для самостоятельного изготовления пригодны ВЧ мосты. Такой прибор – это гибрид обычного мостового измерителя сопротивления и ВЧ генератора (чтобы можно было измерять на любой частоте). Одна из удачных конструкций описана UA9AA. Сделал такой прибор и я (очень давно). В основном остался доволен, но пару моментов показались требующими улучшения:

1. Генератор давал не чисто синусоидальный сигнал (уровень гармоник –14 ... –16 дБ), что при измерениях многодиапазонных антенн приводило к погрешностям. В самом деле, вместо одной частоты измерение происходило фактически на двух (второй гармонике тоже). А импедансы антенны на разных частотах разные, поэтому четкого минимума при балансе моста в таких случаях не получалось.

2. Использованный в мосте UA9AA метод измерения реактивности (параллельным подключением измерительного КПЕ) выдавал значение реактивности в параллельном эквиваленте. Это требовало отдельного и непростого пересчета т.к. в основном в расчетах и моделях используется последовательный эквивалент.

Ниже описывается модифицированный ВЧ мост, в котором указанные проблемы решены. Схема ВЧ генератора показана на рис. 1.


Рис.1.

Задающий генератор собран по схеме UA9AA. Но выход сделан по-иному: непосредственно с самого LC-контура. На контуре чистая синусоида (в отличие от истока VT1, откуда снимается сигнал в схеме UA9AA). Сигнал снимается с емкостного делителя С6 С7, коэффициент передачи которого очень мал, около 1:50. Но амплитуда напряжения на контуре генератора достигает нескольких вольт, поэтому около 100 мВ до затвора VT3 все же доходит.

Буферный повторитель с очень высоким входным импедансом на VT3 VT2 обеспечивает около 70 мВ полезного сигнала на нагрузке 50 Ом.

Выходной каскад на VT4, собранный по стандартной схеме, поднимает уровень выходного сигнала до 2 ... 2,5 В эфф. на нагрузке 50 Ом. Такой большой уровень потребовался для того, чтобы при измерениях антенн принятые ими сигналы не очень мешали бы измерениям.

Это достижимо если принимаемые антенной из эфира сигналы в 30...40 раз меньше сигнала генератора. При 2 В генератора мы можем допустить до 50 мВ с антенны без существенного снижения точности. Т.е. одну станцию с уровнем 59+60 дБ, или несколько с уровнем 59+50 дБ в полосе работы антенны.

Это значит, что если рядом нет работающего передатчика (любительского в радиусе сотни-другой метров, радиовещательного в радиусе нескольких км), то антенну можно настраивать данным прибором, не обращая внимания на помехи, принятые антенной:

- на ВЧ диапазонах (10 ...29 МГц) в любое время суток,

- на НЧ диапазонах в дневное время (вечером и ночью на полноразмерных антеннах 40, 80, 160 м уровень принятых сигналов обычно превышает 100 мВ, как-нибудь подключите осциллограф вместо приемника и посмотрите).

Уровень гармоник на выходе генератора (конденсатор С13) составляет не более –26 дБ, что практически полностью устраняет погрешность баланса моста при измерениях многодиапазонных антенн.

Схема самого мостового измерителя тоже подверглась изменениям. Результат показан на рис. 2


Рис. 2

Элементы R1 R2 R3 C2 C7 – собственно сам мост. С3 С4 С5 L1 L2 VD1 - детектор, измеряющий разбаланс моста. С1 и С6 – конденсаторы компенсации монтажных емкостей.

Включение конденсатора С7 последовательно с R3, а также наличие С2 в цепи измеряемой нагрузки привело к тому, что мост измеряет импеданс в последовательном эквиваленте и не требует пересчета, в отличие от моста UA9AA.

Как работает мост?

Проще всего это понять на примерах:

1. Чисто активная нагрузка 50 Ом. Баланс моста (нулевой сигнал с детектора) будет в том случае, когда R3 = 50 Ом, а С7 = 130 пФ (т.е. и слева и справа оба нижних плеча моста одинаковы и представляют собой последовательное соединение 50 Ом и 130 пФ). Очевидно, что на шкале С7 в положении, соответствующем 130 пФ, должен быть отмечен ноль реактивности (положение "jX = 0").

2. Zx – последовательно соединенные резистор Ra = 100 Ом и конденсатор Ca = 100 пФ. При этом левое нижнее плечо моста (от нижнего вывода R1 до корпуса) представляет собой последовательноесоединение резистора 100 Ом (Ra) и конденсатора 56,5 пФ (результирующая емкость включенных последовательно С2 и Са). Понятно, что баланс моста достигается при R3 = 100 Ом и С7 = 56,5 пФ (правое нижнее плечо равно левому). Столь же понятно, что на шкале С7 положение, соответствующее 56,5 пФ, должно быть обозначено как "100 пФ".

3. Zx – последовательно соединенные резистор Ra = 40 Ом и катушка La = 0,4 мкГн. Частота 14 МГц. На этой частоте реактивное сопротивление катушки jX = 2·p·F·L =2·3,14·14·0,4 = j35 Ом. Такое же реактивное сопротивление +j35 Ом будет иметь на этой частоте вымышленный "отрицательный" конденсатор 325 пФ (настоящий конденсатор будет иметь тоже j35 Ом, но отрицательных по знаку).

Учитывая, что на 14 МГц реактивное сопротивление настоящего конденсатора С2 равно –j88 Ом получим, что импеданс нижнего левого плеча моста составляет 40 Ом + j35 Ом – j88 Ом = 40 Ом – j53 Ом.

Понятно, что для баланса моста R3 должен стоять в положении 40 Ом, а С3 иметь такую емкость, чтобы реактивное сопротивление составляло бы –j53 Ом, т.е. 214 пФ (на 14 МГц). И столь же понятно, на шкале С7 в положении 214 пФ должна стоять метка "–325 пФ" (т.е. вымышленная, отрицательная емкость 325 пФ, с положительной реактивностью).

Таким образом мост также измеряетиндуктивную составляющую нагрузки, но информация считывается не в единицах индуктивности, а "отрицательных пикофарадах". Это удобнее для градуировки, т.к. шкала "отрицательных пикофарад" получается независимой от частоты. А для того, чтобы получить реальное значение индуктивности нагрузки надо посчитать реактивное сопротивление "отрицательной емкости" на данной частоте как X = 1/(2·p·F·C) и вычислить какой индуктивности соответствует это X как L = X/(2·p·F).

Детали

Детали генератора (рис. 1) ясны, за исключением катушек и конденсатора С6.

Дроссель L1 делается так: берется стандартный дроссель ДП или ДПМ с индуктивностью 50 ... 250 мкГн. Имеющаяся обмотка сматывается (не забывая считать витки), а взамен нее наматывается новая, состоящая из трех отдельных секций. Каждая секция мотается внавал. Общее число витков определяется как имевшееся число витков (для того и считали сматывая старую обмотку), умноженное на корень из отношения 500 мкГн к исходно имевшейся индуктивности дросселя.

Катушки L2 ... L9 определяются поддиапазонами работы генератора. Проще всего изготавливать и устанавливать L2 ... L9 в процессе настройки.

Конденсатор С6 конструктивный. Это всего лишь несколько (2..4) витков проводом ПЭВ 0,5 на проводнике, соединяющем переключатель S1 и КПЕ С5.

Детали моста (рис. 2). Резисторы R1 и R2 должны быть без спиральных нарезов и предварительно подобраны с точностью не хуже 1%. Их мощность от 0,5 Вт.

R3 безиндуктивный (не проволочный) потенциометр с минимальной емкостью на корпус. Поэтому крепить R3 к шасси надо через толстую пластиковую шайбу, а сам должен быть в пластмассовом корпусе и с пластмассовой осью.

Дроссели L1 и L2 точно такие же, как и L1 в генераторе, но обратите особое внимание на их идентичность (число витков испособ намотки обязаны быть одинаковыми для L1 и L2). Конденсатор С7 с воздушным диэлектриком от переносных приемников.

Конструкция

Генератор (как впрочем и весь прибор) собран навесным монтажом на пластине одностороннего фольгированного стеклотекстолита, верхняя сторона которой служит передней панелью прибора, а нижняя металлизированная – шасси прибора. Конструкция основного узла генератора показана на рис. 3.


Рис. 3.

Выходной каскад генератора отделен от остальной схемы вертикальным экраном – впаянной полоской стеклотекстолита (на рис. 3 она видна справа, выходной каскад и сам мост за ней еще правее).

Конденсатор С5 желательно снабдить небольшим верньером (1:2 ... 1:4) и шкалой (вернее несколькими шкалами по числу поддиапазонов генератора).

Ничто не препятствует использовать цифровую шкалу, однако практика показывает, что без нее вполне можно обойтись, имея нормальную механическую (например, барабанную) шкалу – её точности для антенных измерений вполне достаточно.

Мост расположен на той же пластине-шасси, что и генератор в одном отсеке с выходным каскадом. Расположение деталей такое же как на схеме рис. 2.

Резистор R3 и конденсатор С7 должны быть снабжены большими (миллиметров 50...70 в диаметре) шкалами. Разъемы подключения нагрузки – обычные, но хорошие клеммы, с возможностью как вставить в них проводник, так и поджать его вниз под резьбу (может по-разному при измерениях понадобиться).

Индикатором баланса моста служит обычный микроамперметр на 100 мкА, зашунтированный во избежание перегрузки диодом КД522 (в прямом направлении). Раньше последовательно с микроамперметром использовался переменный резистор (для регулировки чувствительности индикатора), но практика показала, что он не особо нужен.

Питание аккумуляторное. Прибор потребляет70...90 мА. Если не забывать отключать питание после очередного измерения, то даже небольших аккумуляторов хватает на день работы с антеннами.

Корпус. Передняя панель (она же с обратной стороны – шасси) несет на себе почти все органы управления и детали прибора.

Остальной корпус из пластика или металла.Обязательно предусмотрите на корпусе две механически надежные проушины для крепления ремня, на котором прибор надевается на шею (передней панелью к себе). Когда вы будете висеть на мачте и одной рукой страховаться от падения, а другой проводить измерения, то такой ремень, освобождающий руки и страхующий прибор от падения с высоты, незаменим.

Настройка

Генератор. Выходной каскад при правильном монтаже настройки не требует. В буферном каскаде VT2 VT3 надо подобрать R3, так чтобы постоянное напряжение на эмиттере VT3 составляло бы 1,8...3 В. Всё готово настройки самого генератора на VT1.

Переключателем S1 выберите катушку L9. У меня L9 – это 14 витков ПЭВ 0,5 на каркасе диаметром 5 мм, но у вас требуемые 0,5 мкГн вполне могут быть намотаны и как-то по-иному, это не принципиально. Подключите к С13 любой частотомер. Убедитесь, что при минимуме С5 частота составляет 32...33 МГц (если это не так, подкорректируйте индуктивность L9). Установив С5 в максимум запишите значение частоты ( у меня получилось 23 МГц, у вас может быть по-другому, это не важно).

Переключитесь на катушку L8. Подгоните ее индуктивность так, чтобы при минимуме С5 частота была бы чуть выше, чем минимальная частота при катушке L9.

Двигаясь таким образом вниз по поддиапазонам генератора (изготавливая-подгоняя катушки в процессе; удобно иметь подстроечные сердечники в катушках) укладываются все поддиапазоны. У меня получились следующие:

1,7...2,4 МГц, 2,9...4,13 МГц, 4,1...5,65 МГц, 5,6...8,1 МГц, 8 ... 11,6 МГц, 11,5...16,5 МГц, 16 ...23 МГц, 22 ... 32 МГц. Это тоже не руководство для точного повторения, а лишь ориентир. Вы можете изменять количество и укладку поддиапазонов по своим потребностям. Схема генератора обеспечивает устойчивую генерацию и стабильную амплитуду от 1,4 до 36 МГц (выше и ниже не проверял), достаточно лишь установить соответствующую катушку.

Последнее в настройке генератора – это подбор емкости С6 (т.е. числа витков проволочки связи) так, чтобы эффективное выходное напряжение генератора на нагрузке 50 Ом составляло бы 2 В.

Мост. Соедините выход генератора с мостом. К измерительных разъемам Zx генератора подключите безындуктивный резистор 51...56 Ом.Установите частоту 14 МГц. Поставьте R3 в положение 50 Ом, а С7 в положение 130 пФ (точнее говоря, в положение половинной емкости, и таким же номиналом должен быть С2, скорректируйте С2 под имеющийся у вас КПЕ). Аккуратно уточняя положения R3, С7 и вращая ротор С1 добейтесь точного баланса моста.

Отметьте найденное положение ротора С7 как "jX = 0". Хорошо бы сделать полуфиксацию ручки С7 в этом положении (например, подпружиненный шарик в ручке и небольшое углубление под шарик в панели в положении "jX = 0").

Переключая поддиапазоны генератора, убедитесь, что баланс сохраняется на всех частотах. Если это не так, то первое подозрение на неодинаковость дросселей моста, второе на недопустимо большую емкость на корпус потенциометра R3.

Градуировка

Разметить шкалу R3 можно обычным цифровым омметром или же подключая безиндуктивные резисторы известных номиналов.

Разметку шкалы С7 проще всего сделать цифровым измерителем емкости, по следующей формуле:

Са = (С·С2)/(C2 – C),

где:

Са – отметка емкости нагрузки на шкале;

С2 – емкость С2 (измерить предварительно отдельно);

С – текущая емкость КПЕ.

Причем, по этой же формуле размечается и шкала "отрицательных" емкостей, соответствующих индуктивному jX. Емкостную часть шкалы С7 можно также разметить, подключая последовательно с резистором 50 Ом известные конденсаторы. При КПЕ с максимальной емкостью 260 пФ номинал С2 = 130 пФ (половина от максимума КПЕ), а шкала С7 должна иметь такую разметку:

Текущая емкость С7, пф 17 36 56 79 103 115 130 150 176 260
Отметка на шкале 20 пФ 50 пф 100 пФ 200 пФ 500 пФ 1000 пФ jX=0 –1000 пФ –500 пФ –260 пФ

Работа с прибором

Описать все мыслимые применения ВЧ моста вряд ли возможно (да и то, как потребует минимум потребует отдельной статьи), здесь перечислю только то, чем сам часто пользуюсь. Итак.

Подключить разъемы Zx прибора к измеряемой антенне или кабелю (если они несимметричны, землю прибора – к их земле).

1. Для измерения Za установите на генераторе желаемую частоту. Вращая R3 и С7 добейтесь баланса моста. Шкалы R3 и С7 показывают импеданс антенны на вашей частоте. Если вместо пикофарад шкалы С7 вам требуются реактивные омы, то посчитайте их по формуле –Xа = 1/(2·p·F·C), а если антенна имеет индуктивную составляющую и вам надо узнать эквивалентную катушку, то вычислите ее как Lа = Xa/(2·p·F).

Отмечу, что измерения этого пункта можно выполнять, подключившись не прямо к антенне, а через полуволновой повторитель. Впрочем, если Za сильно отличается от волнового сопротивления линии повторителя а потери в линии заметны, то погрешность измерения будет большой. Но прибор тут не при чем – искажают показания потери в рассогласованной линии.

2. Для определения резонансной частоты антенны установите С7 в положение "jX = 0", а R3 в положение, соответствующее ожидаемому Ra на резонансе. Перестраивая генератор найдите частоту минимума индикатора.Уточняя R3 и частоту добейтесь точного баланса. Вы нашли резонансную частоту и точное Ra.

Это измерение невозможно через полуволновой повторитель, т.к. вы по определению не знаете частоту резонанса (ищете ее), и потому не можете знать заранее длину повторителя. Если точка питания антенны труднодоступна, осваивайте чудеса верхолазания, иных вариантов нет.

Этим же способом измеряются резонансные частоты пассивных элементов в многоэлементных антеннах. Прибор включается в разрыв пассивного элемента, в точку максимума тока. Активный элемент при этом должен быть нагружен на резистор 50 Ом (или какой там планируется кабель питания антенны). При таком измерении Ra пассивных элементов, как правило, низкое 15...30 Ом.

3. Определение волнового сопротивления линии. Нагружаем изучаемую линию на безындуктивный потенциометр (проще, если он имеет шкалу). Другой конец линии – к мосту (имеется в виду, что линия сложена и ее начало и конец недалеко друг от друга) Вращая потенциометры нагрузки линии и R3 моста (С7 в положении "jX = 0") добиваемся чтобы R3 показывал столько же, сколько установлено на нагрузочном потенциометре. Меняем частоту генератора на 5...10%. Если на новой частоте этом баланс не нарушился, то R3 равно волновому сопротивлению линии. А если нарушился – вы попали на резонанс (четверть- или полуволновой) линии, поэтому повторяем все сначала уже на новой частоте.

4. Определение коэффициента укорочения линии. Пусть мы имеет кусок 50-ти омного кабеля физической длиной 7 м, с непонятным коэффициентом укорочения. Нагружаем кабель на резистор 25 Ом. По известной формуле на четвертьволновом резонансе входное сопротивление кабеля будет (50·50)/25 = 100 Ом. Устанавливаем R3 моста в положение 100 Ом (С7 в положение "jX = 0"). Находим наименьшую частоту, где мост сбалансируется, в нашем примере это 7,5 МГц. На этой частоте электрическая длина исследуемого кабеля равна точно l/4. Поскольку длина волны частоты 7,5 МГц равно 40 м, а ее четвертая часть, соответственно, 10 м, то электрическая длина кабеля 10 м, а коэффициент укорочения = 7/10 = 0,7.

5. Определение электрической длины линии неизвестной физической длины. Пусть мы имеем существующий кабель, проложенный от радиостанции до антенны. Его длина неизвестна (не позаботились при установке измерить), но известно волновое сопротивление, допустим 50 Ом. Нагружаем верхний конец кабеля на резистор 25 Ом. По методике п.1 измеряем входной импеданс кабеля внизу. Подставляем в APAK-EL данные кабеля, сопротивление нагрузки и частоту измерений. Перемещая движок длины линии в программе добиваемся, чтобы программа показала такой же входной импеданс, как мы измерили.

6. Измерение входных импедансов и резонансных частот устройств (приемников, входов РА, фильтров, СУ, и т.п) делается точно также, как в 1 и 2 пунктах, только без чудес с верхолазанием и полуволновыми повторителями.

 

Вот пожалуй и всё. А вам остается лишь удивиться, как же вы раньше обходились без ВЧ моста? Ну и сделать его, конечно.



 

На главную - Main page