ВЧ амперметр

Прибор для измерения высокочастотных токов с частотой до 30 МГц

Постановка задачи

Высокочастотное напряжение измерить легко (диод, конденсатор, индикатор). Это в том случае, когда его есть относительно чего измерять. Ведь напряжение это разность потенциалов между двумя точками.

В приборах проблем с измерением напряжения не возникает. Там есть корпус, относительно которого меряются все напряжения. И провода, идущие от точек измерения до ВЧ-вольтметра обычно столь коротки в λ, что почти не влияют на измеряемую схему.

А вот в антенной технике сложнее. Во-первых, в антеннах часто вообще не бывает земли (например, симметричные антенны). Во-вторых, даже если земля и есть (скажем, GP или диполь с γ-согласованием), то измерительные провода получаются недопустимо длинными (представьте себе как будет выглядеть попытка измерить напряжение в середине GP: ведь от этой точки до основания штыря придется тянуть провод). Они фактически становятся частью антенны, изменяют её работу и распределение напряжения настолько, что точность и ценность таких измерений очень низки.

Для изучения и измерения того, что происходит в антенных проводниках нужен ВЧ-амперметр. Он, в отличие от вольтметра, подключается в одной точке. А, значит, не имеет длинных измерительных проводов, искажающих измерение.

Датчик тока

Основой ВЧ-амперметра является датчик тока. Это специальный ВЧ-трансформатор на кольцевом феррите. Первичной обмоткой этого трансформатора является провод, в котором мы измеряем ток. Вторичная обмотка состоит из нескольких десятков витков, нагруженных на низкоомный резистор.

Показанный на рисунке токовый трансформатор работает так: ток в измеряемом проводе через сердечник наводит ток во вторичной обмотке, который будет меньше в отношение числа витков (т.е. в нашем случае в 20) раз меньше. Этот ток, протекая через нагрузочный резистор, создаст на нём падение ВЧ напряжения. Последнее можно измерить любым ВЧ вольтметром (тут уже есть две точки для измерения - выводы вторичной обмотки): от детекторного диода до анализатора спектра или приёмника.

Коэффициент передачи токового трансформатора в нашем случае будет:

Uвых = (Iвх/20)*50 = 2,5Iвх

Сопротивление 50 Ом в качестве нагрузки выбрано не случайно, а для того, чтобы имелась возможность в качестве измерителя ВЧ напряжения использовать приемник или анализатор спектра, чтобы измерять очень маленькие ВЧ токи.

Отношение N числа витков обмоток (т.е. количество витков вторичной обмотки, т.к. первичная всегда имеет один виток) выбрано из компромисным соображений. С одной стороны, чем меньше витков во вторичной обмотке, тем широкополоснее трансформатор. А с другой – чем выше N, тем меньше вносимое в измеряемый провод сопротивление, т.е. меньше влияния нашего трансформатора на измеряемый провод. Вносимое сопротивление равно R/N2, т.е. в нашем случае 50/202 = 0,125 Ом. То есть, активное входное сопротивление нашего ВЧ-амперметра 0,125 Ом, что достаточно для большинства применений.

 

Нам требуется измерительный прибором, а не "показометр". Для этого надо чтобы сердечник мог работать в заданной полосе (т.е. быть не слишком низкочастотным) и не насыщаться при значительных токах в измеряемом проводе (т.е. феррит должен быть большим).

Кроме того феррит должен быть распадающимся на две половинки и защелкивающимся. Без этого пользоваться прибором будет почти невозможно: вы же не будет всякий раз продевать начало измеряемого провода (а если там большой разъём?) сквозь сплошной сердечник и двигать последний до точки измерения.

Последнее (по упоминанию, но не по значению) требование к сердечнику токового трансформатора: отверстие должно быть большим, для того, чтобы иметь возможность измерять толстые кабели.

Исходя из вышеизложенного был выбран сердечник 28A3851-0A2 с размерами 30 х 30 х 33 мм и отверстием диаметром 13 мм. Это помехоподавляющий защелкивающийся сердечник из феррита с магнитной проницаемостью около 300 на частоте 25 МГц (скорее всего подойдут и другие, аналогичные по назначению, сердечники, но я их не пробовал).

Мотаем на сердечнике 20 витков тонкого монтажного провода:

Защищаем вторичную обмотку термоусаживающейся трубкой:

Крепим сердечник к небольшой (20...30 см) диэлектрической штанге с коаксиальным приборным разъемом на нижнем конце. От разъема до вторичной обмотки в штанге проводим тонкий коаксиальный кабель 50 Ом.

Точность измерений

Проверим качество сделанного токового трансформатора. Для этого соберем следующую схему:

Оценим ожидаемый коэффициент передачи. Ток через R1 равен Uвх/R1. Подставляя это вместо Iвх в предыдущую формулу, получим:

Uвых = Uвх/20

То есть коэффициент передачи такой цепи будут 1/20 или -26 dB. Это при идеальной работе трансформатора. Сравним это расчетное значение с практикой. Результаты измерений в полосе 0,3 ... 30 МГц показаны на следующем рисунке:

Видно, что отличие коэффициента передачи от расчетного составляет менее 0,9 дБ, т.е. трансформатор получился весьма точным измерительным датчиком. И я бы не поручился, что завал АЧХ на ВЧ краю связан со свойствами феррита, а не с реальным падениям тока через трансформатор. Дело в том, что кусочек провода, проходящий через трансформатор имеет ненулевую индуктивность, которая повышает импеданс нагрузки выше 50 Ом, отчего немного растёт КСВ (достигая 1,1 на 30 МГц) и падает ток нагрузки. И очень похоже на то, что падение графика на АЧХ просто показывает правду: ток в моей нагрузке на ВЧ падает.

В любом случае, видно, что точность измерения весьма высока (погрешность менее 1 дБ) от 0,3 до 30 МГц.

Применение

Описанный выше трансформатор тока используется в двух вариантах.

1. Для автономной работы (например, на крыше для изменений тока в антеннах и изучения его распределения или для поиска по каким кабелям радиостанции растекается синфазный ток от передатчика) к трансформатору подключается диодный детектор со входным сопротивлением 50 Ом с переключателем пределов измерений и стелочным прибором. Например, такой:

Резисторы R2...R9 подбираются исходя из чувствительности стрелочного прибора по следующей методике. На R1 (он состоит из двух резисторов 100 Ом\ 2 Вт, включенных параллельно)подается постоянное напряжение (от блока питания) 25 В (соответствует току 10 А) и при помощи R8, R9 устанавливается полное отклонение шкалы (делать это надо быстро, R1 сильно греется). На пределе 3 А то же самое делается при напряжении 7,5 В резисторами R6, R7. На пределе 1 А при напряжении 2,5 В резисторами R4, R5; 0,3 А - 0,75 В резисторами R2, R3.

Получается удобный автономный ВЧ-амперметр, способный измерять почти любые антенны. "Почти" потому что сопротивление любого амперметра должно быть во много раз меньше сопротивления измеряемой цепи.

Поэтому применять данный ВЧ-амперметр в тех местах, где сопротивление ниже нескольких Ом (КЗ шлейфы, магнитные рамки, укороченные антенны) не то чтобы нельзя, но неразумно. Включение амперметра в такие места вызовет заметное изменение тока и истинное его значение вы не узнаете.

 

2. Для измерений малых токов (например, паразитных синфазных токов помех в различных шнурах и кабелях) к трансформатору подключается 50-ти омный вход приемника или анализатора спектра.

Например, на следующем рисунке показано, что творится в сетевом шнуре удлинителя, в который включены компьютер, монитор и цифровой осциллограф (тоже, в принципе компьютер). Изучается полоса любительского диапазона 160 м от 1,8 до 2,0 МГц:

Такую нерадостную картину дают всего три импульсных блоков питания. Причем это еще хорошие блоки питания, отвечающим нормам на паразитное излучение. Это однако не отменяет того факта, что приему DX они вполне могут мешать.

Описанный ВЧ датчик тока поможет найти наиболее проблемные в смысле излучения помех кабели и приборы.



Ber Sheba, 28.02.2015

На главную - Main page