Простой КСВ-метр

Если на выходе линии передачи подключен импеданс, отличающийся от ее волнового сопротивления, часть падающей на нагрузку сигнальной волны отразится обратно. Эта отраженная волна складывается с падающей, и результативная амплитуда в любой точке  является алгебраической суммой  амплитуд двух волн. Узлы и пучности не движутся относительно линии передачи,  т.е. стационарны. Такие волны называются стоячими.

Важным  параметром линии передачи, подсоединенной к антенне, является коэффициент стоячей волны. Коэффициент стоячей волны (КСВ) определяется отношением ее  максимальной  и минимальной амплитуд. Когда сопротивление нагрузки равно волновому сопротивлению линии передачи, падающая  волна полностью поглощается в нагрузке и отраженная и стоячая волны отсутствуют. В этом случае система является идеальной, ее коэффициент стоячей волны равен 1.

Существует несколько методов измерения КСВ, по  напряжению, по току и  по мощности. Наиболее  точно работает прибор в котором измеряется мощность падающей и отраженной волны  на согласованной нагрузке, но он относится к разряду сложных и дорогих приборов. Простейший рефлектометр рассмотрен в справочнике "Антенны"  автор К.Ротхаммель. Он изготовлен из отрезка гибкого коаксиального кабеля и  в диапазоне коротких волн  дает вполне точные  результаты измерений.  Некоторые практические  рекомендации  по изготовлению данного  рефлектометра. Автор  приводит длину  коаксиального  кабеля 14 см, что явно недостаточно для измерения малых мощностей, ниже 100 Ватт.

Для измерения  малых мощностей  потребуется  очень чувствительный микроамперметр и хорошая экранировка. Не  указан  диаметр провода во вторичном проводнике и его волновое  сопротивление относительно  экрана. Рефлектометр  или  направленный  ответвитель конструктивно может быть  коаксиальным, полосковым  или воздушным на связанных  линиях, симметричный  и несимметричный. Напряжение высокой  частоты наведенное  на вторичный проводник (петлю связи) зависит  от степени связи между проводниками и от длины этих проводников, и достигает  максимального значения  при длине проводников 0,25лямбдаl. Величина степени  связи  выражается в  В и  выбирается такой, чтобы вторичный проводник  не вызывал  большого изменения  в волновом сопротивлении основной  линии. Так как радиолюбители  работают  в  большой  полосе  частот  от 1 до 30 МГц, то даже на частоте  30 МГц четвертьволновой  рефлектометр имел  бы очень большую  длину. Поэтому  длину рефлектометра  рассчитывают исходя из наименьшей измеряемой мощности.

В нашем примере, мы рассмотрим рефлектометр с длиной кабеля 300 мм. При изготовлении применялся кабель  РК-75-7-11. Диаметр кабеля по наружной оболочке 9,5 мм, диаметр по изоляции  7,3 мм, диаметр внутренней  жилы 1,13 мм ( одножильный ). Вторичный про­водник  провод МГТФ 1 х 0,2 многожильный  диаметр по  изоляции 0,87 мм, диаметр проводника  без изоляции  0,6 мм.  В принципе, диаметр  провода вторичного проводника не критичен  при условии, если  есть  возможность  после  изготовления  измерить волновое сопротивление вторичной линии, так  как нагрузочный  резистор во вторичной линии  должен быть равен волновому сопротивлению этой линии.

В  противной  случае  во вторичной  несогласованной линии сигнал придя с произвольной фазой от нагрузки внесет погрешность при измерении как прямой, так и падающей волны. В нашем случае диаметр вторичного проводника подобран так, что волновое  сопротивление вторичного  проводника  равняется  75 Ом.  Нагрузочный резистор  без индукционный 75 Ом 2 вт. Проведенные измерения пока­зали КСВ рефлектора в основной линии на согласованной нагрузке 75 Ом, в  полосе частот  1-50 МГц равен 1,01. КСВ в линии связи (вторичной линии) изменяется от 1,02 на частоте 1 МГц, до 1,17 на частоте 50 МГц. Измерения проводились в лаборатории прибором Р4-37. Измеритель комплексных коэффициентов передачи.

Связь между  связанными  линиями, составила  на  частотах:

При мощности передатчика 100 Вт. напряжение в фидере питания составляет 87 вольт, при нагрузке 75 Ом. Значит, при измерении прямой волны напряжение на вторичной  (измеряемой)  линии, после выпрямителя составит,  при связи - 39 d В на частоте 29 мГц. 0,97 в,  и при связи - 62 dВ. в диапазоне 1,8 кГц, 0,07 в. При КСВ = 1 обратная (или отраженная) волна будет в 10 раз меньше.

При изготовлении рефлектометра особое внимание уделить распайке экрана кабеля к разъему. На краях кабеля делается бандаж тонкой залуженной медной проволокой 0,15 мм, на длину 5 мм виток к витку. От края кабеля к разъему симметрично по кругу припаять 3-4 полоски медной фольги. Вторичная линия выводится из под оплетки кабеля  (с одной и с другой стороны) на расстоянии 10 мм от края кабеля. По всей длине кабеля хорошо прижать оплетку обмотав ее изоляционной полихлорвиниловой лентой.
При монтаже кабеля, изгибы должны быть плавными (максимальным радиксом). Если есть возможность, по краям кабеля поставить кабельные разъемы СР-75-155 ПВ. Улучшается согласование и экранировка тракта.

Для измерения КСВ. при малой мощности (например между трансивером и усилителем) лучше применить рефлектометр в полосковом исполнении, с большей электрической длиной и большей связью между линиями. Так как диэлектрическая проницаемость стеклотекстолита больше чем у полиэтилена, то рефлектометр на полосках, выполненный на стеклотекстолите будет иметь большую электрическую длину, чем на РК - кабеле при тех же линейных размерах, а так же можно рассчитать необходимую степень связи между линиями. Ширина полоски зависит от заданной степени связи между линиями» толщины применяемого материала и его диэлектрической проницаемости.

На рис.1 приведена принципиальная схема рефлектометра в полосковом исполнении. Для измерения падающей или отраженной волны необходимо переключить соответствующий микропереключатель. Измерительный прибор тестер или осциллограф подключают к измерительному выходу Х 3 экранированным кабелем.

Несимметричные связанные линии довольно трудно рассчитывать, поэтому  приводятся конкретные  размеры скорректированные  после измерений и проверки. Направленный ответвитель  был изготовлен из  двухстороннего фольгированного стеклотекстолита толщина 2 мм. Полосковые линии лучше вырезать  самодельным резаком  при травлении и  нанесении краски  в  домашних  условиях  довольно трудно точно  выдержать линейные  размеры, как  между  полосками, так и по всей длине линий Необходимой точности можно  добиться вырезая линии самодельным резаком, изготовленным из ножовочного полотна используя  ниже описанное простое приспособление.

Приспособление состоит из столика, двух металлических линеек упоров и четырех  струбцин. В качестве столика используется прямоугольный лист алюминия  320 х 120 мм. толщиной 3 : 5 мм. Смотрите рисунок 3.

Положить заготовку фольгированного стеклотекстолита на столик и прижать его к столику двумя струбцинами  через линейку. На заготовке предварительно начертить карандашом примерное расположение  полосковых линий, положить вторую линейку на крайнюю линию  полоска и между  линейками (с двух сторон) положить два набора концевых мер. Концевые  меры, в каждом наборе, подобраны по размерам таким образом, чтобы  прорезав первую линию и убрав по одной пластинке из каждого набора, мы передвинули вторую линейку на заданный размер полосковой линии W и прорезаем вторую линию и так далее. Таким образом мы очень точно можем прорезать 4 линии. Если нет возможности  достать концевые  меры,  можно  изготовить самодельные упоры из прямоугольных пластинок белой жести. По два упора для каждого линейного размера. Придется делать 6 упоров по 3 типоразмера.
Для удобства работы пластинки согнуть, как  показано на рисунке.

Упоры  подогнать в размер, притирая их на мелкой наждачной бумаге контролируя размер штангельциркулем. Зазор (расстояние) между двумя полосками 0,5 мм) необходимо взять резаки такой  же толщины, чтобы сразу получить необходимый размер зазора. Ширина полосков  для 50 омного рефлектометра W = 3,25 мм, для 75 омно­го W = 1,3 мм. Связь  междe полосками на 30 мГц составит для 50 омного – 29,5 dB, для 75 омного - 17 dВ. Фольгу  вокруг полосков убрать скальпелем. Высокочастотные разъемы СР-50 припаять к корпусу. Корпус пропаять по всей  длине сплошным швом без разрывов, с двух сторон каждой платы. После изготовления корпуса и распайки деталей, корпус со всех сторон покрыть нитролаком или клеем Бф-2, если клей густой добавить немного спирта.  Прорезать дорожки без нажима, острым резаком, за несколько приемов, чтобы края  полосок были ровными и без  заусениц. Аккуратно  прорезать дорожки можно используя два резака. Режущая часть резака (кромка лезвия) затачивая под небольшим углом, в одном резаке делают левый скос, в другом  правый. Медь  нанесенная на  стеклотекстолит прорезается  первым резаком не  по всей ширине, (имеется в  виду ширина режущей части резака, т.е. толщина ножовочного полотна из которого сделан резак), а примерно  половину ширины  прорезаемой дорожки.

Вторым резаком прорезают вторую половину дорожки. При таком методе, края прорезаемой дорожки получаются ровными и без заусенец. В процессе работы необходимо несколько раз  подтачивать режущую кромку лезвия резака. Пока режется медь, лезвие не тупится, но попадая на стеклотекстолит кромка лезвия быстро тупится, как на образиве. Стараться прорезать только медь не углубляясь глубоко в стеклотекстолит. Экран перегородку из белой жести, припаять к стеклотекстолиту с шагом пайки 10 : 15 мм. Высота  перегородки не критична примерно 20 мм. Длина полоска вторичной линии 290 мм.  Улучшить параметры этого рефлектометра  можно положив ( наклеив)  полоску стеклотекстолита поверх  двух полосковых линий, предварительно сняв фольгу с двух  сторон этой полоски. Толщина этой пластинки не  критична 1,5 : 3 мм. Размер  20 х 290 мм. При  такой  кор­рекции выравниваются четные и нечетные модели длин волн, а так же компенсируется реактивность. Улучшается КСВ основной и вторичной линий. Сверху  корпус можно  закрыть запаяв  стеклотекстолитовую или из белой жести крышку.

Глубина корпуса, выбрана  с большим  запасом крышку можно утопить на глубину 5 мм, при этом, это ни каким образом не изменяет параметры направленного ответвителя. Таким  рефлектометром удобно настраивать антенны мобильных станций в диапазоне 27 мГц имеющими не большую выходною мощность.