Безуспешный перебор нескольких известных конструкций привёл к печальному результату - все они внутри PA работать отказывались. То есть конечно что-то они показывали. Но все что угодно, кроме того, кроме того, что надо. Никакое экранирование не помогало: рядом П-контур, а там столько полей рассеивания, что мало не покажется. Решение пришло случайно. Вертя в руке трансформатор тока, у которого боковые стенки экрана за неимением другого материала были сделаны из двустронннего стеклотекстолита, вдруг сообразил, как весь монтаж можно там же и сделать.

КСВ-метр для усилителя мощности

При разработке КСВ-метра (SWR-meter), предназначенного для работы внутри коротковолнового PA с большой выходной мощностью, наиболее сложными являются следующие две проблемы:

  1. равномерности и корректности показаний в очень широком диапазоне частот (1,8...30 MHz) и мощностей, т.е. в создании измерительного устройства, а не измерителя скорости ветра;

  2. обеспечении нечувствительности к мощным электрическим и магнитным полям, которых предостаточно внутри усилителя мощности.

Первое условие исключает приборы, изготовленные на основе направленных разветвителей в виде провода, под оплеткой выходного коаксиального кабеля, или печатных полосок-проводников.

Чувствительность подобных устройств пропорциональна частоте, поэтому если на высокочастотных диапазонах для нормальной работы такому КСВ-метру достаточно нескольких ватт, то при работе на диапазоне 1,8 MHz мощность в сотни ватт (даже если используются германиевые (Ge) диоды) едва отклоняет стрелку.

О линейности детектирования и точности измерений при таких условиях говорить просто смешно. Поэтому в дальнейшем будет идти речь о измерителях КСВ с датчиком тока на ферритовом кольце, которые при рациональном монтаже почти не зависят от частоты. Кстати, именно на основе таких датчиков изготавливается большинство профессиональных приборов.

Обеспечить нечувствительность КСВ-метра к мощным электрическим и магнитным полям важно прежде всего для точного измерения малых значений КСВ.

В самом деле, при КСВ=1 на выходе датчика отраженной волны должен быть ноль, в случае же наводок на этот датчик появляется ошибка измерения, тем большая, чем меньшую величину КСВ мы измеряем. При малых значениях КСВ полезный сигнал на диоде детектора отраженной волны составляет десятки милливольт. Для корректной работы прибора паразитный сигнал наводки должен быть хотя бы на порядок меньше — несколько mV. А места в усилителе мало, рядом - анод лампы где более более одного kV, а в магнитном поле катушки П-контура "гуляет" реактивная мощность в Q раз больше выходной, т.е. несколько kWt.

Вот почему среди радиолюбителей бытует мнение, что самодельный точный измеритель КСВ можно изготовить только в виде отдельной от PA экранированной конструкции.

С другой стороны, в большинстве "фирменных" PA имеется встроенный (и при этом достаточно точный) измеритель КСВ, следовательно, при грамотном подходе изготовить его вполне возможно.

В радиолюбительской практике КСВ-метры с датчиком тока на ферритовом кольце достаточно распространены [1...4]. При всем разнообразии, их схемы сводится к двум основным вариантам. Первый [1, 2] несколько упрощенно показан на рисунке 1.

На резисторах R1, R2 с обмотки трансформатора тока T1 выделяется напряжение, пропорциональное току в кабеле, которое подается на аноды детекторных диодов VD1, VD2. На катоды диодов подается напряжение с емкостных делителей C1, C2 и C3, C4 соответственно.

При КСВ=1 эти напряжения равны по амплитуде, на диоде падающей волны они складываются в фазе, а на диоде отраженной они имеют фазовый сдвиг 180 градусов и взаимно компенсируются, обеспечивая нулевое значение на выходе сигнала отраженной волны Uотр.

Деталей в схеме много (так, в [2] для их размещения потребовалась плата с размерами 95х80 мм), так что есть чему "ловить" наводки. При размещении такого прибора в PA, сбалансировать прибор (т.е. добиться величины Uотр=0 при КСВ=1) зачастую не удается даже при очень хорошем экранировании.

Не улучшают схему и два дросселя (их наличие необходимо, чтобы не замкнуть по высокой частоте сигналы с емкостных делителей C1, C2 и C3, C4), которые должны иметь высокий импеданс при отсутствии резонансов в рабочем диапазоне.

Это не так просто, как может показаться. Большинство промышленных дросселей этим условиям не удовлетворяют. Кроме того, дроссель любого типа является антенной, улавливающей магнитное поле, которое в PA создает катушка П-контура. Если же на рисунке 1 дроссели заменить резисторами, они сильно уменьшают выходные сигналы и, соответственно, чувствительность прибора.

Дополнительным конструктивным неудобством является подключение к линии двух конденсаторов (С1 и С3).

Чтобы исключить дроссель и второй емкостной делитель, используется схема, приведенная на рисунке 2 [3, 4].

Здесь применен симметричный трансформатор тока и только один емкостной делитель С1, С2.

К сожалению, использованный тип простейших детекторов требует протекания через источник сигнала постоянной составляющей тока детектора. Поэтому приходится устанавливать резистор R2 или высокочастотный дроссель, который обеспечивает соединение анодов диодов с общим проводом по постоянному току.

Но дроссель (как уже упомянуто) неплохая антенна для наводок, и нам не подходит. Наличие же резистора, во-первых, уменьшает выходные сигналы прибора, а во-вторых, приводит к частотной погрешности прибора.

Остановимся на этом подробнее. Баланс прибора на всех частотах достигается, когда напряжение от трансформатора тока в точности равно напряжению с делителя С1, С2. При условии качественного изготовления Т1, сигнал, пропорциональный току в кабеле, от частоты практически не зависит. Если бы у делителя напряжения не было R2, сигналы, пропорциональные напряжению, тоже не зависели бы от частоты.

Однако наличие R2 делает делитель С1, С2, R2 зависимым от частоты (хотя и в небольшой степени, из-за большого сопротивления R2). Поэтому точный баланс прибора, изготовленного по схеме рисунка 2 возможен на одном-двух смежных диапазонах. На других частотах при измерении малых значений КСВ будет возникать погрешность.

Решает эту проблему прибор, схема которого показана на рисунке 3.

Она отличается от схемы рисунка 2 только тем, что использованы детекторы с удвоением напряжения. Собственно, удвоение в данном случае не требуется, но то обстоятельство, что такие детекторы не требуют замыкания источника сигнала по постоянному току на корпус, в данном случае оказывается решающим. Из-за него удается исключить резистор в емкостном делителе (R2 на рисунке 2) и все связанные с ним проблемы.

Частотный диапазон и погрешность прибора, изготовленного по по схеме рис.3, определяются только качеством изготовления трансформатора T1 и рациональностью конструкции. Которой мы сейчас и займемся.

Конструкция

Традиционное исполнение в виде отдельного трансформатора тока и отдельной платы с деталями совершенно непригодно для работы внутри PA — наводок избежать не удастся. Проверено. Тем не менее, отказавшись от традиционной конструкции, вполне реально получить очень хорошо защищенный от наводок прибор.

Ниже описано конструктивное исполнение прибора по схеме рисунке 3, которое позволяет обойтись без дополнительного экранирования даже при работе в непосредственной близости от П-контура. Почти весь монтаж выполнен непосредственно на коаксиальном кабеле, идущем от выходного конденсатора П-контура к выходному разъему. Эскиз конструкции показан на рисунке 4.

1-2-4.gif (19208 bytes)

Трансформатор тока T1 намотан на кольце M20BЧ K20х10х5 в два провода и содержит 2х10 витков провода МГТФ 0,25. Обмотка распределяется равномерно на 3/4 периметра кольца. Потребуется изготовить две одинаковые круглые шайбы из двустороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1... 1,5 мм. Внутренний диаметр шайб должен быть равен диаметру коаксиального кабеля, идущего к выходному разъему PA, внешний — на 7...10 мм больше диаметра кольца T1.

Технология изготовления

Берется отрезок коаксиального кабеля (лучше фторопластового, полиэтиленовый "поплывет" при неаккуратной пайке), которым будет соединяться выходной конденсатор П-контура с выходным разъемом.

В 4...5 см от конца кабеля на длине около 20 мм аккуратно снимается внешняя изоляция. Посередине оголенного участка оплетки делается кольцевой разрез шириной 2...3 мм. Разрезанные концы оплетки лучше опаять — для фиксации и предохранения их от замыкания между собой (важно, иначе трансформатор тока не будет работать - образуется короткозамкнутый виток).

Затем на один из разрезанных и опаянных кусков оплетки одевается (отступив от разреза оплетки на 6...8 мм) и припаивается с обеих сторон к оплетке первая стеклотекстолитовая шайба.

Потом точно на середину разреза одевается ферритовое кольцо T1. Для его надежной фиксации место разреза обматывается несколькими слоями пластиковой ленты (на рисунке 4 условно не показана), так, чтобы кольцо T1 своим внутренним отверстием плотно оделось на эту ленту.

В уже припаянной стеклотекстолитовой шайбе по месту, напротив выводов T1, сверлится отверстие диаметром 1,2...1,5 мм, через которое пропускаются наружу начала обмоток T1. Такое же отверстие сверлится и во второй шайбе. Затем вторая шайба одевается на кабель, концы обмоток T1 пропускаются через отверстие в ней наружу, после чего шайба паяется с обеих сторон аналогично первой. Расстояние между шайбами должно быть на 10...12 мм больше толщины ферритового кольца, с тем чтобы вторую шайбу можно было паять изнутри (потребуется паяльник с плоским и узким жалом).

Из тонкой жести или латуни вырезается полоска шириной, равной расстоянию между внутренними поверхностями шайб, и длиной, равной периметру шайб. Эта полоска-перемычка паяется по периметру между внутренними поверхностями шайб, образуя замкнутый кольцевой экран.

На этот экран снаружи припаивается конденсатор C1. В качестве C1 лучше использовать опорный конденсатор с отпиленным болтом крепления. В крайнем случае, можно использовать изолированную монтажную стойку с металлическим основанием, параллельно которой припаивают обычный конденсатор типа КМ и т. п., или даже припаять конденсатор без вывода (прямо тем торцом к которому был припаян вывод) к полоске. В любом случае надо позаботится о предельно коротких выводах.

Начало одной обмотки Т1 и конец другой припаиваются к верхнему выводу С1, образуя средний вывод Т1.

Теперь на обеих стеклотекстолитовых шайбах, на их внешних сторонах, резаком вырезаются по три контактные площадки, как показано на рис.5.

Оставшиеся свободными выводы T1 припаиваются к ближайшей контактной площадке на первой и второй шайбах соответственно. Между этими площадками устанавливается резистор R1, как показано на рис.4.

Оставшиеся детали паяют навесным монтажом (выводы укорачивают до минимальной длины) на контактных площадках обеих шайб, как показано на рис.5.

В качестве С3...С6 использованы малогабаритные конденсаторы типа КМ. При возможности лучше использовать безвыводные конденсаторы, или те же КМ с предварительно отпаянными выводами.

Выходные сигналы прибора парой проводов (уже без экрана, тут только постоянный ток, наводки не страшны) подаются на любое индикаторное устройство.

Теперь коаксиальный кабель с практически полностью смонтированным на нем КСВ-метром (пока отсутствует только С2) устанавливается в требуемом месте PA ( либо вблизи выходного конденсатора П-контура, либо вблизи выходного разъема PA), и навесным монтажом устанавливается подстроечный конденсатор С2, который должен иметь воздушный зазор, выдерживающий выходные напряжения PA. Можно использовать любой воздушный конденсатор предварительно продернув его пластины (для ротора совершенно достаточно одной пластины, размером с полкруга диаметром мм 10), можно и что-то самодельное придумать.

Место установки трансформатора тока (который теперь уже почти законченный прибор) надо выбрать так, чтобы С2 имел бы выводы минимальной длины. У меня С2 установлен изолированном кронштейне около выходного конденсатора П-контура.

Настройка

Подключив к PA эквивалент нагрузки, подстройкой С2 (диэлектрической отверткой, рука и металлические отвертки сильно влияют, и поэтому не годятся) добиваются нулевого значения Uотр.

Если минимум Uoтp достигается при минимальной емкости С2, надо увеличить емкость C1 (устанавливая параллельно дополнительные конденсаторы); если же минимум Uoтp получается при максимальной емкости C2, то емкость C1 надо уменьшать. Необходимо добиться, чтобы нулевые значения Uотр достигались при введенных на 1/4...1/3 пластинах C2.

При изготовлении прибора необходимо учитывать следующие особенности:

Неоднородности вносимые в кабель минимальны. Емкость C2 в настроенном состоянии составляет 2...3 pF, других подключений к центральной жиле кабеля нет. Ток в оплетке протекает по следующей цепи: оплетка кабеля — внутренняя металлизация первой шайбы — кольцевая перемычка — внутренняя металлизация второй шайбы — оплетка кабеля. Физические размеры прибора составляют менее 0,002 длины волны верхнего рабочего диапазона, поэтому он практически не вносит неоднородностей в измерительную линию.

Результаты

Показания прибора не зависят от частоты в диапазоне 1,8...30 MHz. Балансировка сохраняется неизменной во всем рабочем диапазоне частот. Конструкция прибора позволяет без дополнительного экранирования устранить влияние наводок. Например, в PA с выходной мощностью более 500 W прибор располагается в нескольких сантиметрах от катушки П-контура и, тем не менее, не отмечалось влияния наводок на балансировку прибора.


Литература

1. Рэд Э. Справочное пособие по ВЧ схемотехнике. — М.: Мир, 1990. С.131.

2. КСВ метр-ваттметр. — Радиолюбитель. KB и УКВ, 1996, №4, C.32-33.

3. КСВ метр-ваттметр. — Радиолюбитель. KB и УКВ. 1996, №11,C.32-33.

4. Ефремов В. Универсальный измеритель КСВ. — Радиолюбитель. 1994, N1, С.58-59.,


Bonn 10.08.2001

На главную - Main page