Известно, что успешная работа в эфире во многом зависит от эффективности антенны любительской радиостанции. Существует большое разнообразие коротковолновых антенн. Начинающие радиолюбители обычно используют наиболее простые,
не требующие больших затрат. Более опытные устанавливают на высоких мачтах многоэлементные направленные антенны с дистанционным управлением положением главного лепестка диаграммы направленности. Но любая антенна будет давать хорошие результаты, лишь когда правильно настроена. Существенную помощь радиолюбителю в настройке антенны окажет предлагаемый прибор.
Антенну, как правило, запитывают тремя способами. На наиболее простые, например «длинный луч», питаются однопроводным фидером, являющимся частью антенны и поэтому интенсивно излучающим электромагнитные волны. При работе радиостанции на передачу такой фидер является источником помех для ближайших телевизоров. При приеме на него также наводится множество бытовых и индустриальных помех.
Некоторые антенны запитывают двухпроводным воздушным фидером или симметричным ленточным кабелем. Такой способ позволяет уменьшить излучение фидера, но широкого распространения у радиолюбителей не получил из-за необходимости использовать симметричные выходные цепи передатчика, относительно сложную воздушную двухпроводную фидерную линию или дефицитный ленточный кабель.
Наибольшее распространение получил коаксиальный фидер. При правильном согласовании и симметрировании он практически не излучает при передаче и помехозащитен при приеме. К тому же обычный телевизионный коаксиальный кабель доступен любому радиолюбителю. Описываемый ниже прибор предназначен для измерения коэффициента стоячей волны (КСВ) и мощности, передаваемой по коаксиальному кабелю в антенну. Известно, что коаксиальная линия передачи характеризуется «так называемым волновым сопротивлением q, которое в основном зависит от соотношения размеров внутреннего (у кабеля — жила) и внешнего (оплетка) проводников. Наиболее часто встречаются кабели с волновым сопротивлением 50 и 75 Ом. Для того чтобы мощность, подаваемая от
передатчика в кабель (рис. 2.6,а), поступала в нагрузку (антенну), необходимо выполнить условие: сопротивление нагрузки должно быть равно волновому сопротивлению кабеля. В этом случае, если не принимать во внимание потери в кабеле, по всей длине между центральным проводником
и оплеткой установится одинаковое напряжение и по ним потечет одинаковой силы ток (рис. 2.6,6). Конкретные значения этих
величин зависят от мощности передатчика, параметров нагрузки и кабеля. Принято говорить, что при этом в кабеле устанавливается режим бегущей волны.
Но на практике чаще бывает так, что сопротивление нагрузки не равно волновому сопротивлению кабеля, т. е. между ними
существует рассогласование. В этом случае в нагрузке выделяется только часть
мощности (падающая волна), а появляющаяся так называемая реактивная мощность
движется от нагрузки к передатчику (отраженная волна). Составляющие электромагнитного поля отраженной волны имеют начальную фазу, отличную от начальной фазы составляющих падающей волны. В результате сложения одноименных составляющих с разными фазами в кабеле образуются стоячие волны [15]. Уровень стоячих волн можно оценить коэффициентом стоячей волны — частным от деления суммы на разность напряжений или токов в кабеле, вызванных падающей и отраженной волнами.
Рассмотрим два крайних случая рассогласования: обрыв нагрузки (RH=oo) и короткое замыкание (RH=0). В первом
случае (рис. 2.6,в) напряжение на конце кабеля максимально и больше, чем в случае согласованной нагрузки (R„= 0), а ток
в этой точке равен нулю. По мере удаления от конца кабеля к передатчику напряжение уменьшается, а ток возрастает. На расстоянии четверти длины волны в кабеле напряжение упадет
до нуля, а ток достигнет максимума. В таком случае говорят, что в этой точке располагается узел напряжения и пучность
тока.
Рис. 2.6. Распределение тока I и напряжения U вдоль линии передачи высокочастотной энергии
Попутно следует заметить, что длина волны в кабеле λн связана с длиной волны в свободном пространстве
λ следующим соотношением:
В этой формуле ε — это диэлектрическая постоянная (проницаемость) материала внутренней изоляции кабеля. Выражение К = 1 / ε называется коэффициентом укорочения волны в кабеле. Например, для кабелей с диэлектриком из полиэтилена К = 0,66
и λк = 0,66 λ.
Если продолжать двигаться от конца кабеля в сторону передатчика, то еще через
λк/4 картина соотношения напряжения и тока будет такой же, как и на конце кабеля, т. е. узел тока и пучность напряжения.
При коротком замыкании в нагрузке (рис. 2.6,г) картина стоячих волн несколько иная — на конце кабеля ток максимален, а напряжение равно нулю.
Обычно обрыв или короткое замыкание нагрузки бывает при неисправности антенны и случается не так часто. При неравенстве сопротивления нагрузки и волнового сопротивления кабеля вдоль линии также образуются стоячие волны и только часть мощности отражается от нагрузки (рис. 2.6, д, е).
Фидер антенны может работать как в режиме бегущих, так т в режиме стоячих волн. В первом случае его длина может быть произвольной и определяться удаленностью антенны от передатчика. Во втором случае длина фидера должна быть связана с длиной волны в кабеле Кл. Так, если она кратна целому числу полуволн, то сопротивление нагрузки трансформируется
К началу кабеля без изменения. Элементами настройки выходного контура передатчика может быть достигнуто согласование его выходного сопротивления и нагрузки.
Принципиальная схема прибора для измерения КСВ изображена на рис. 2.7. К одному из коаксиальных разъемов XS1 или $S2 отрезком кабеля подключается передатчик, а к другому — .фидер антенны. К каждому из диодов VD1 и VD2 приложено два напряжения: одно, пропорциональное напряжению между проводниками коаксиального кабеля, поступает с емкостного делителя С1С2 и С3С4. Второе напряжение выделяется на резисторах R1 и R2 — оно пропорционально току в центральном проводнике.
Напряжения, снимаемые с емкостных делителей, практически синфазны, так как расстояние между точками подключения
С1 и С3 невелико по сравнению с λк и набегом фазы на этом участке можно пренебречь. В то же время напряжения, снимаемые с резисторов, противофазны. Поэтому на одном диоде результирующее напряжение будет равно сумме двух напряжений, а на другом — разности. На каком какое — это зависит
от взаимного направления намотки обмоток трансформатора тока Т1
Ток того диода, к которому приложено суммарное напряжение, пропорционален падающей волне, а ток другого — отраженной. КСВ вычисляют по формуле КСВ = (Iпад + Iотр)/(Iпад-
Iотр), где Iпад и Iотр — ток диода для падающей и отраженной волны.
Рис. 2.7. Принципиальная схема измерителя КСВ и малой мощности
Для удобства вычислений стрелку индикатора РА1 при положении переключателя SA1, соответствующем падающей волне, устанавливают переменным резистором R4 на последнее деление шкалы. Затем переключатель переводят в положение отраженной волны и отсчитывают показания индикатора.
Если шкала индикатора содержит 100 делений (например, у микроамперметра с током полного отклонения стрелки 100 мкА), формула принимает вид:
В этом случае для вычислений удобнее пользоваться табл. 2.2 в которой указано, какому значению КСВ соответствует то или иное отклонение стрелки индикатора
Когда переключатель SA2 устанавливают в положение «W», прибор с приемлемой погрешностью измеряет, мощность, проходящую по фидеру. Причем чем КСВ лучше (ближе к 1), тем выше достоверность измерения.
Теперь несколько слов о конструкции прибора и примененньх деталях. Диоды желательно использовать германиевые, поскольку они начинают открываться при меньшем приложенном напряжении по сравнению с кремниевыми. Кроме указанных на схеме, подойдут ГД507 или даже Д9. Подстроечиые конденсаторы
С1 и С3 — типа КТ4-23 или КПК-МП, остальные — К10-7В или КМ Резисторы Rl - R3 типа МЛТ-0,25, причем R1 и R2 желательно подобрать одинаковыми по сопротивлению. Переменный резистор R4 может быть типа СПЗ-30, СПЗ-12, СПЗ-4аМ. Трансформатор тока Т1 выполнен на кольцевом сердечнике типоразмера К7Х4Х2 из феррита М50ВН-14. Обмотка I содержит 2 витка провода ПЭВ 2 0,51, обмотка II —48 витков провода ПЭЛШО 0,15. Дроссели L1 и L2 — типа ДПМ-0,1, но их можно заменить и самодельными. Для этого на кольца из феррита М1000НН типоразмера К7X4X2 следует намотать 45 витков провода ПЭЛШО 0,15.
Печатную плату (рис. 2.8) изготавливают из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм. Ее укрепляют внутри корпуса размерами 60X80X60 мм, который выполнен из листового алюминия или латуни. На передней стенке корпуса установлены тумблеры МТ-1 и микроамперметр. Он может быть любого подходящего типа с током полного отклонения рамки до 500 мкА. Коаксиальные разъемы СР-50-73Ф укрепляют на боковых стенках корпуса. Без ущерба качеству работы прибора эти разъемы можно заменить телевизионными антенными гнездами САТ-Г.
Puc. 2.8. Печатная плата измерителя КСВ (а) и расположение деталей на
плате (б)
Для налаживания прибора вместо антенны к разъему XS2 подключают резистор 50 или 75 Ом. Его номинал зависит от волнового сопротивления используемого коаксиального кабеля в фидере антенны. Для передатчика мощностью до 10 Вт это могут быть несколько резисторов МЛТ-2, включенные параллельно. Лучше в качестве нагрузки применить уже известный читателю поглощающий измеритель мощности.
Передатчик мощностью не более 10 Вт подключают к разъему XS1. Переключатель SA1 устанавливают в положение отраженной волны. Подстройкой емкости конденсатора
С1 изменяют коэффициент деления емкостного делителя С1С2 так, чтобы амплитуды напряжений на конденсаторе С2 и резисторе R1 уравнялись. Поскольку эти напряжения по отношению к диоду VD1 включены встречно, то ток через диод должен быть равен нулю. Если все же, подстраивая С1, не удается установить стрелку индикатора на нулевое деление шкалы, то следует поменять местами выводы обмотки II трансформатора Т1. Затем подключают к XS1 нагрузку, а к XS2— передатчик. Изменяют положение переключателя SA1 и, подстраивая СЗ, стрелку вновь устанавливают на нулевое деление.
Калибровку шкалы мощности осуществляют подбором резистора R3. При этом мощность, выделяющаяся в нагрузке, должна быть равна 10 Вт. Для контроля вместо поглощающего измерителя мощности можно также использовать и высокочастотный вольтметр, например типа ВК7-9, подключенный параллельно нагрузке. Значению мощности 10 Вт соответствует напряжение 22,4 В для нагрузки 50 Ом и 27,4 В — для 75 Ом. Подбором резистора R3 стрелку индикатора устанавливают на последнее деление шкалы. Уменьшая мощность, шкалу градуируют через 1 Вт. Для этой цели можно использовать данные, приведенные в табл. 2.1 и в прил. 3.
По окончании налаживания и градуировки следует обратить внимание на соответствие стрелок, нанесенных на панели у тумблера SA1, направлению падающей волны. Если тумблер установлен в положение стрелки, указывающей направо, то прибор должен регистрировать падающую волну при подключении передатчика слева, а нагрузки — справа. В случае необходимости восстановить это соответствие можно, поменяв местами провода, подпаянные к неподвижным контактам тумблера.
Как видно, описанный прибор применим лишь совместно с маломощным (до 10 Вт) передатчиком. Благодаря этому он реагирует на сравнительно малые уровни мощности и может быть использован не только для контроля качества антенно-фидерного тракта радиостанции. Прибор можно применять для оценки качества согласования между возбудителем и линейным усилителем мощности. Это очень важно, поскольку при плохом межкаскадном согласовании сопротивлений увеличивается уровень нелинейных искажений в выходном сигнале, расширяется полоса излучаемых частот, возрастает интенсивность помех радиовещательному и телевизионному приему.
Рис. 2.9. Принципиальная схема второго варианта измерителя КСВ и проходящей мощности (до 1000 Вт)
На радиостанциях второй и первой категории, особенно коллективных, весьма желательно иметь измеритель КСВ, постоянно включенный в разрыв фидера. Это даст возможность своевременно обнаруживать повреждение в антенне или ошибочное включение антенны другого диапазона.
Принципиальная схема такого варианта измерителя КСВ и проходящей мощности изображена на рис. 2.9. Как видно, он отличается от предыдущего тем, что пределов измерения мощности не один, а два — 100 и 1000 Вт. Высокочастотная часть измерителя такая же. Выбор рода работы осуществляется переключателем. SA1 на три положения и три направления. Резисторы R3 и R5 служат для калибровки на пределе 100 Вт, a R4 и R6 — на пределе 1000 Вт. Калибровку и градуировку шкал удобнее всего производить с помощью поглощающего измерителя мощности.
В конструкции применен трансформатор тока, выполненный На кольцевом сердечнике типоразмера К12Х6Х4,5 из феррита Марки М50ВН-14. Первичная обмотка представляет собой отрезок Центрального проводника коаксиального кабеля длиной 15 мм, Который вместе с изоляцией продет сквозь кольцо. Предварительно по окружности кольца равномерно в один слой намотана Вторичная обмотка — 30 витков провода ПЭВ-2 0,25. Концы первичной обмотки запаяны на печатные проводники шириной '0 мм на плате, которая связывает коаксиальные разъемы XS1 и XS2.
Конденсаторы С1 и СЗ могут быть типа КПК, КПВМ, КТ2-19. Диоды могут быть как германиевые, так и кремниевые, например КД522А.
Налаживание этого измерителя КСВ по сравнению с первым вариантом особенностей не имеет. Отличие заключается лишь в уровнях мощности, с которыми придется работать. Следует соблюдать осторожность и во избежание ожога токами высокой частоты не прикасаться к токонесущим проводникам прибора.
В заключение необходимо напомнить, что при приближении грозы антенну от радиостанции следует отключать и заземлять. Были случаи, когда из-за наводок, вызванных близкими грозовыми разрядами, выходили из строя диоды в измерителе КСВ.
Автор: Скрыпник В. Приборы для контроля и налаживания радиолюбительской аппаратуры. М. Патриот. 1990 г.
