Во время моих экспериментов на УКВ и нижних СВЧ диапазонах, я столкнулся с проблемой точного измерения КСВ. Коммерческие КСВ-метры редко доступны для этих диапазонов и либо недостаточно точны, либо слишком дороги. И решил я сделать мой собственный КСВ-метр. Но какой тип? Из моих предыдущих экспериментов с направленными ответвителями, я пришел к выводу, что планарные направленники не слишком подходят для этого применения.
Они имеют много недостатков и их конструкция довольно сложна. Таким образом, попивая старопраменское, решил я, други мои, поискать в других местах. Идея КСВ-метра, который я собираюсь описать в этой статье, стянута у Пола G7EYT. Смотрите ссылку [Л.1].
ОБЩАЯ КОНЦЕПЦИЯ
Принципиальная схема КСВ-метра показана на Рис. 1. Можно видеть, что КСВ-метр состоит из трех основных частей: направленный ответвитель, два детектора и блок отображения.
Направленный ответвитель используется для оделения части мощности от падающей и отраженной волны.
Детекторы преобразуют эту высокочастотную энергию в постоянный ток, который отображается в блоке отображения. Все эти части описаны далее. Последующие разделы демонстрируют мою конструкцию КСВ-метра.
Направленный ответвитель сделан из двух отрезков полужесткого коаксиального кабеля с наружный диаметром 3.5 мм. Оба кабеля имеют продольные проточки, пропиленные в
экранирующем проводнике, так что внутренние проводники открыты.
Эти зазоры имеют 60 мм в длину и 1 мм в ширину (Paul использует проточку 30x2mm [Л.1]. Но его направленный ответвитель используется для ISM диапазона, так что, он половинной длины.) Обе линии сжаты и спаяны вместе таким образом, что зазоры перекрываются.
Это обеспечивает связь между двумя линиями, сохраняя при этом характеристический импеданс линий практически без изменений.
Также, коаксиальная концепция обеспечивает низкое излучение, хорошую передачу между разъёмами и собственно направленным ответвителем и, таким образом, обеспечит низкие вносимые потери и низкий входной и выходной коэффициенты отражения.
Детекторы также следуют концепции Павла [Л.1].
Единственное отличие состоит в типе используемых детекторных диодов. Можно сказать, что могут быть использованы практически любые СВЧ диоды Шоттки с низким напряжением барьера. Я использовал какой-то неизвестный тип из какого то связного прибора. Вы можете использовать корпус с двумя диодами (как у меня), два диода в разных корпусах или даже один диод, но у него чувствительность будет похуже.
Можно прикинуть по-грубому, что чувствительность однодиодного выпрямителя будет на 6дБ хуже (половина напряжения), чем в случае двухдиодного выпрямителя, что довольно ощутимо.
Кроме прочего, оба детектора должны использовать один и тот же тип детекторных диодов (полностью идентичные), чтобы обеспечить достоверность измерения.
Блок отображения :
В моей конструкции я использовал широкораспространённую концепцию двух стрелочных измерителей с потенциометром для подстройки чувствительности.
Измеритель, подключенный к детектору #1, показывает проходящую мощность, а измеритель, подключенный к детектору #2, показывает мощность отраженного сигнала. Если мы устанавливаем потенциометр так, чтобы измеритель проходящей мощности отклонился на полную шкалу, то второй измеритель (отраженная мощность) покажет нам непосредственно значение КСВ (второй прибор должен быть откалиброван для КСВ).
ИЗГОТОВЛЕНИЕ НАПРАВЛЕННОГО ОТВЕТВИТЕЛЯ
Направленный ответвитель выглядит простым, но его изготовление не так легко и однозначно. Я попытаюсь описать здесь некоторые советы и рекомендации.Единственным подходящим типом кабеля для этого устройства является «полужесткий » коаксиальный кабель в медной трубке (semirigid).
Общедоступный более гибкий коаксиальный кабель (semiflexible) с пелетеной и лужёной внешней обкладкой, не подходит. Ибо, непросто будет его точить.
Прежде всего, вы должны подготовить обе части полужесткого кабеля. Отрезать куски кабеля на соответствующую длину (60 мм для участка связи + необходимую участок под разъёмы) и подготовить все четыре конца для пайки разъёмов.
Не паять разъёмы прямо сейчас, они будут охлаждать куски кабеля во время спайки кабелей в месте проточки.
Выровнять оба куска кабеля, отмерить 60 мм в середине для промежутков и подогнуть все концы. Довольно рискованно подгибать кабели после проточки - вы можете их легко
деформировать.
Затем спаяйте линии в середине (если вы используете алюминиевые коаксиалы, то применить паяльный флюс для алюминия), потом зажать все в тиски и проточить зазоры в середине. (чотта не догнал, как он себе представляет спаяные кабели точить).
Размеры проточек должны быть приблизительно 60x1mm, но по опыту моих измерений, это не строгое требование. Длина проточки должна быть от 50 до 70 мм, если вы хотите использовать диапазон от 144 до 1296MHz.
Ширина зазоров также не сильно критична. Если сделаете более широкие проточки, то внутренние проводники будут находиться на меньшем расстоянии друг от друга и получите более сильный коэффициент связи. Тогда КСВ-метр будет иметь бОльшую чувствительность и будет работать с более слабыми сигналами.
Небольшая окантовка по краям зазоров не влияет на конечные параметры.
После того, как обе щели проточены, можете спаять линии вместе. Позаботьтесь о хорошем перекрытии на участке проточки! Когда все собрано, припаять разъёмы.
Моя конструкция направленного ответвителя показана на рисунке 2.
ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТЕКТОРОВ
Как было сказано, я использовал SMA папу для связанной линии. А сами детекторы установлены на SMA мамы с фланцем. Таким путём вы можете легко снимать детекторы снаправленного ответвителя и делать какие-либо измерения, если соответствующие приборы доступны (полагаю, там is-if опечатка).
C1, C3, C5, C7: 100pF;
С2, С4, С6, С8: 560pF;
R 1, R 2, R 3, R 4: 100;
R 5, R 6, R 7, R 8: 10k;
переменник R9, R10: 22k / линейный / стерео.
Как я уже говорил ранее, я использовал какие попало неизвестные диоды Шоттки. Я так полагаю, что диоды типа BAT-15 будут работать точно также. Детектор показан на Рис 3.
МОДИФИКАЦИЯ СТАРОГО КСВ-МЕТРА
Я упаковал весь КСВ-метр в корпус от старого неиспользуемого покупного КСВ-метр. Да просто поиспользовал корпус вместе с двумя стрелочными индикаторами, которые былиоткалиброваны в SWR. Мой вариант показан на рисунках 4 и 5.
ИЗМЕРЕННЫЕ ПАРАМЕТРЫ
26,5 дБ на 144 Мгц;
24,6 дБ на 432 Мгц;
19,4 дБ на 1296 МГц.
20,5 дБ на 144 Мгц;
-18,6 дБ на 432 МГц;
-13,4 дБ на 1296 Мгц
Это означает следующие (минимальные) показатели КСВ:
1,21 на 144 Мгц;
1,27 на 432 Мгц;
1,54 на 1296 Мгц.
До таких величин КСВ прибор будет показывать более-менее достоверно, но для меньших значений КСВ ошибка становится неприемлемой. (когда сильно хорошо, то привирает.)
На частотах выше 1,5 ГГц направленность становится слишком низкой, поэтому этот КСВ-метр не должен использоваться для частот выше 1.5ГГц. Если хотите использовать КСВ-метр на более высоких частотах, необходимо сделать направленный ответвитель с участком связи покороче (ну и, само собой, пересчитать детектор).
Положим, сопротивление стрелочного прибора находиться в диапазоне от 400 до 1000 Ом (вся шкала при 100uA), тогда напряжение порядка 60 мВ отклонит стрелку на всю шкалу.
На основании Таблицы 1, такое напряжение получим от сигнала мощностью -10dBm. Если далее принять во внимание Рис.6, то можем сделать вывод, что КСВ-метр
должен быть способен полноценно работать с проходной можностью начиная с величин:
35 дБм (~ 3 Вт) на 144 Мгц;
25 дБм(~ 0,3 Вт) на 432 Мгц;
22 дБм (~ 0,15 Вт) на 1296 МГц.
На деле, нижний порог повыше будет, например на 432 MГц начинает показывать с 1 Ватта (вместо 0.3 расчётных).
Что касается верхнего предела измеряемой мощности, то это определяется обратным напряжением диода, используемого в детекторах. Предположим, это значение будет 4V (пример для BAT-15), и если принять в рассмотрение таблицу 1, можно сделать вывод, что детектор может выдержать можность на входе примерно до 22dBm. Пересчитав эти 22dBm ко входу направленного ответвителя, получим (проходную):
66dBm (~ 4kW) на 144MHz,
57dBm (~500W) на 432 МГц и
54dBm (~ 250W) на 1296MHz.
Но сомнительно, что остальная часть КСВ-метра будет способна выдержать такую мощность (4кВт).
Обратите внимание, что все представленные расчеты являются только грубой оценкой. Дальнейшие измерения показывают, что вносимые потери КСВ-метра значительно ниже
0,2dB для частот до 1,8GHz и коэффициент отражения (направленника) лучше, чем -25 дБ для частот до 2 ГГц. Остальные результаты измерений можно найти по ссылке [Л.2].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной статье описана конструкция простого КСВ-метра, который подходит для использования в основном УКВ и СВЧ частотах. По приведенным промерам видно, что этого
КСВ-метра вполне достаточно для любительских целей. Желаю удачи всем, кто решил этот КСВ-метр повторить.
73, Хонза OK1TIC
ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
Www.frars.org.uk/cgi-bin/render.pl?pageid=1085
www.radioamater.cz или http://ok1tic.nagano.cz
Взаимодействие факторов.
Экологические факторы обычно действуют совместно, т.е. в комплексе. Все организмы существуют при одновременном воздействии на них множества различных факторов окружающей среды – (освещенности, температуры, влажности, концентрации питательных веществ и пр.). Некоторые факторы не ограничивают развитие организмов, т.к. их значения находятся в области оптимума, другие факторы тормозят или ограничивают развитие, поскольку их значения находятся в области пессимума.
В общем виде взаимодействие различных факторов, влияющих на один и тот же организм или группу организмов, может сводиться либо к суммированию эффектов их влияния (аддитивность), либо к обоюдному усилению их взаимодействия (синергизм). Возможно также взаимное ослабление эффектов влияния факторов на организмы (антагонизм). Таким образом, одни факторы могут усиливать или смягчать действие других факторов.
Направленный ответвитель обеспечивает направленное ответвление малой части мощности высокочастотных колебаний, распространяющихся от генератора по основному тракту, к измерительной и индикаторной аппаратуре.
Направленный ответвитель состоит из двух отрезков линии (основной и вспомогательной), электрически связанных между собой. Основной отрезок включается последовательно в линию передачи высокочастотной энергии, поэтому его волновое сопротивление должно быть равно волновому сопротивлению передающего тракта. Небольшая часть передаваемой по тракту мощности посредством элементов связи ответвляется во вспомогательный отрезок линии, к выходу которого подсоединяется измерительная или индикаторная аппаратура.
Принцип работы устройства рассмотрим на примере простейшего волноводного направленного ответвителя с двумя отверстиями связи, схема которого приведена на рис. 1.
Энергия поступает в плечо 1 основной линии. Каждое из отверстий возбуждает в связанной линии по две волны, одна из которых поступает в плечо 3, а вторая - в плечо 4. В плече 4 волны от двух отверстий складываются в фазе, так как общая длина пути, проходимого этими волнами от плеча 1 до плеча 4, одинакова. В плечо 3 волны приходят в противофазе, так как путь волны из плеча 1 в плечо 3 через отверстие 1 короче пути волны, проходящей из плеча 1 в плечо 3 через отверстие 2, на ( - длина волны в волноводе). Почти вся ответвляющаяся энергия поступает в плечо 4, а в плече 3 амплитуда суммарной волны практически равна нулю. Большая часть энергии из плеча 1 пройдет в плечо 2 к нагрузке.
Направленные ответвители характеризуются следующими параметрами: переходным ослаблением, направленностью, коэффициентом стоячей волны, диапазоном частот, допустимой мощностью рассеивания.
Переходным ослаблением или связью называют отношение мощности ответвленной волны во вспомогательной линии к мощности прямой волны , распространяющейся в основной линии в том же направлении. Это отношение измеряется при чисто бегущей волне в линиях и выражается в децибелах:
Мощности в плечах направленного ответвителя.
Существует другая формула для определения переходного ослабления :
Результаты расчетов "С" по формулам и очень близки.
Переходное ослабление зависит от количества и размеров отверстий связи.
Направленностью ответвителя называется отношение мощности волны, распространяющейся во вспомогательной линии в обратном направлении, к мощности волны, распространяющейся в этой же линии в прямом направлении, и также выражается в децибелах :
Величина КСВ направленного ответвителя определяется при условии, что основная линия нагружена на согласованную нагрузку.
Диапазон частот направленного ответвителя зависит от заданных пределов направленности и, как показывают расчеты и экспериментальные данные, расширяется с увеличением числа элементов связи.
Допустимая мощность рассеивания направленным ответвителем определяется поглощающим сопротивлением вспомогательной линии (плечо 3 рис.2).
На рис. 2 изображен волноводный направленный ответвитель, который исследуется в данной работе. Связь между основным и вспомогательным волноводами осуществляется через три отверстия в общей узкой стенке волноводов, в плечо 3 помещена поглощающая нагрузка.
Направленные ответвители могут использоваться для:
¾ контроля проходящей по тракту мощности;
¾ измерения КСВ (путем измерения мощностей, пропорциональных падающей и отраженной мощностей в основном тракте);
¾ работы в смесителях СВЧ супергетеродинных приемников и т.д.
Направленный ответвитель – прибор, состоящий из двух отрезков радиоволноводов.
В устройстве часть энергии электромагнитной волны, которая распространялась в основном радиоволноводе, благодаря элементам связи ответвляется во вспомогательный радиоволновод, затем движется в одном определенном направлении. В случае перемены направления распространения волны в основном радиоволноводе во вспомогательном радиоволноводе направление распространения ответвленной волны изменится на обратное. Во вспомогательном радиоволноводе направленное распространение происходит благодаря интерференции возбужденных в нем волн, при сложении которых в одном направлении происходит их взаимное погашение и образование результирующей волны – при разном направлении. Шлейфы – отверстия в смежных стенках радиоволноводов, служащие элементами связи между радиоволноводами направленного ответвителя.
Коаксиальный направленный ответвитель представляет собой прибор, который выполняет функцию ответвления части энергии, движущейся по фидеру, ответвление происходит в нескольких направлениях. При одном направлении распространения электромагнитной волны сигнал на выходе ответвителя U отв = U ф / K и где U ф является напряжением на фидере, K u – коэффициент деления ответвителя. В противоположном направлении распространения U отв = 0. Главным недостатком практически всех разновидностей направленного ответвителя считается их относительная узкополосность, поэтому в измерителях КСВ устанавливается регулировка чувствительности.
Волноводно-коаксиальный направленный ответвитель, разработанный на основе скрещенных волноводов, в основном с крестообразными отверстиями связи. В одно из плеч вторичного волновода устанавливается согласованная нагрузка, в другое плечо включаются измеритель мощности или детекторная головка, в результате образуется довольно громоздкая и тяжелая конструкция. Для уменьшения конструкции вторичную коаксиальную линию устанавливают непосредственно в волновод параллельно продольной оси волновода, при этом линия возбуждается поперечными элементами магнитного поля волны в волноводе, ответвитель становится противонаправленным. Величина направленности зависит от изменения микрополосковой линии на коаксиал разъема и коаксиал нагрузки. Направленный ответвитель такого типа действует на электромагнитной связи с поперечными элементами полей Е и Н в волноводе, что приводит при смещении проводника от центра к уменьшению коэффициента связи по косинусоидальному закону. При наличии двух ответвителей в одном сечении получается малогабаритный рефлектометр.
В аппаратуре СВЧ, 30 МГц – 300 ГГц, используется для суммирования и деления энергии волн, а также для установления направления волн, их мощности, фаз и т. д.
Направленный ответвитель используется и в приборе разделения телевизионных сигналов, принимаемых одной антенной, для маломощных приемопередатчиков, в сумматорах и смесителях. Устройства этого типа отличаются хорошей повторяемостью и высоким качеством принимаемого сигнала.
Новый интересный документ на сайтеПолная версия - http://сайт/index.php?act=categories&CODE=article&article=3595
ПРЕДИСЛОВИЕ
Во время моих экспериментов на УКВ и нижних СВЧ диапазонах, я столкнулся с проблемой
точного измерения КСВ. Коммерческие КСВ-метры редко доступны для этих диапазонов и либо
недостаточно точны, либо слишком дороги. И решил я сделать мой собственный КСВ-метр.
Но какой тип? Из моих предыдущих экспериментов с направленными ответвителями, я пришел
к выводу, что планарные направленники не слишком подходят для этого применения.
Они имеют много недостатков и их конструкция довольно сложна. Таким образом, попивая
старопраменское, решил я, други мои, поискать в других местах.
Идея КСВ-метра, который я собираюсь описать в этой статье, стянута у Пола G7EYT. Смотрите
ссылку [Л.1].
ОБЩАЯ КОНЦЕПЦИЯ
Принципиальная схема КСВ-метра показанана Рис. 1. Можно видеть, что КСВ-метр состоит из
трех основных частей: направленный ответвитель, два детектора и блок отображения.
Направленный ответвитель используется для оделения части мощности от падающей и
отраженной волны.
Детекторы преобразуют эту высокочастотную энергию в постоянный ток, который отображается
в блоке отображения. Все эти части описаны далее. Последующие разделы демонстрируют мою
конструкцию КСВ-метра.
Направленный ответвитель:
Направленный ответвитель сделан из двух отрезков полужесткого коаксиального кабеля с
наружный диаметром 3.5 мм. Оба кабеля имеют продольные проточки, пропиленные в
экранирующем проводнике, так что внутренние проводники открыты.
Эти зазоры имеют 60 мм в длину и 1 мм в ширину (Paul использует проточку 30x2mm
[Л.1]. Но его направленный ответвитель используется для ISM диапазона, такчто, он половинной
длины.) Обе линии сжаты и спаяны вместе таким образом, что зазоры перекрываются.
Это обеспечивает связь между двумя линиями, сохраняя при этом характеристический импеданс
линий практически без изменений.
Также, коаксиальная концепция обеспечивает низкое излучение, хорошую передачу между
разъёмами и собственно направленным ответвителем и, таким образом, обеспечит низкие
вносимые потери и низкий входной и выходной коэффициенты отражения.
Детекторы:
Детекторы также следуют концепции Павла [Л.1].
Единственное отличие состоит в типе используемых детекторных диодов. Можно сказать, что
могут быть использованы практически любые СВЧ диоды Шоттки с низким напряжением
барьера. Я использовал какой-то неизвестный тип из какого то связного прибора. Вы можете
использовать корпус с двумя диодами (как у меня), два диода в разных корпусах или даже один
диод, но у него чувствительность будет похуже
Можно прикинуть по-грубому, что чувствительность однодиодного выпрямителя будет на 6дБ
хуже (половина напряжения), чем в случае двухдиодного выпрямителя, что довольно ощутимо.
Кроме прочего, оба детектора должны использовать один и тот же тип детекторных диодов
(полностью идентичные), чтобы обеспечить достоверность измерения.
Блок отображения:
В моей конструкции я использовал широкораспространённую концепцию двух стрелочных
измерителей с потенциометром для подстройки чувствительности.
Измеритель, подключенный к детектору #1, показывает проходящую мощность, а измеритель,
подключенный к детектору #2, показывает мощность отраженного сигнала. Если мы
устанавливаем потенциометр так, чтобы измеритель проходящей мощности отклонился на
полную шкалу, то второй измеритель (отраженная мощность) покажет нам непосредственно
значение КСВ (второй прибор должен быть откалиброван для КСВ).
ИЗГОТОВЛЕНИЕ НАПРАВЛЕННОГО ОТВЕТВИТЕЛЯ
Направленный ответвитель выглядит простым, но его изготовление не так легко и
однозначно. Я попытаюсь описать здесь некоторые советы и рекомендации.
Единственным подходящим типом кабеля для этого устройства является «полужесткий »
коаксиальный кабель в медной трубке (semirigid).
Общедоступный более гибкий коаксиальный кабель (semiflexible) с пелетеной и лужёной
внешней обкладкой, не подходит. Ибо, непросто будет его точить.
Прежде всего, вы должны подготовить обе части полужесткого кабеля. Отрезать куски кабеля на
соответствующую длину (60 мм для участка связи + необходимую участок под разъёмы) и
подготовить все четыре конца для пайки разъёмов.
Не паять разъёмы прямо сейчас, они будут охлаждать куски кабеля во время спайки кабелей в
месте проточки.
Выровнять оба куска кабеля, отмерить 60 мм в середине для промежутков и подогнуть все
концы. Довольно рискованно подгибать кабели после проточки - вы можете их легко
деформировать.
Затем спаяйте линии в середине (если вы используете алюминиевые коаксиалы, то применить
паяльный флюс для алюминия), потом зажать все в тиски и проточить зазоры в середине.
(чотта не догнал, как он себе представляет спаяные кабели точить).
Размеры проточек должны быть приблизительно 60x1mm, но по опыту моих измерений, это не
строгое требование. Длина проточки должна быть от 50 до 70 мм, если вы хотите использовать
диапазон от 144 до 1296MHz.
Ширина зазоров также не сильно критична. Если сделаете более широкие проточки, то
внутренние проводники будут находиться на меньшем расстоянии друг от друга и получите
более сильный коэффициент связи. Тогда КСВ-метр будет иметь бОльшую чувствительность и
будет работать с более слабыми сигналами.
Небольшая окантовка по краям зазоров не влияет на конечные параметры.
После того, как обе щели проточены, можете спаять линии вместе. Позаботьтесь о хорошем
перекрытии на участке проточки! Когда все собрано, припаять разъёмы.
Моя конструкция направленного ответвителя показана на рисунке 2.