Коэффициент стоячей волны по напряжению (ксвн, vswr). Все о коэффициенте стоячей волны Измерение ксв

Возвратные потери, коэффициент отражения и коэффициент стоячей волны служат для оценки согласованности/совпадения комплексных сопротивлений (электрических импедансов) источника, нагрузки и линии передачи. Рассмотрим физический смысл данных параметров и их взаимосвязь.

Определения

Возвратные потери (обратные потери, return loss) - это потери мощности в сигнале, возвращенном/отраженном от неоднородности в линии передачи или оптоволокне. Данная величина, как правило, выражается в децибелах (дБ):

RL дБ - возвратные потери в децибелах;
P пад - падающая мощность;
P отр - отраженная мощность.

Коэффициент отражения по напряжению, Γ - отношение комплексных амплитуд напряжений отраженной и падающей волн.

\[Γ = { U_{отр} \over U_{пад} }\]

Коэффициент отражения определяется комплексными сопротивлениями нагрузки Z нагр и источника Z ист:

\[Γ = { {Z_{нагр} - Z_{ист}} \over { Z_{нагр} + Z_{ист} } }\]

Обратите внимание, что отрицательный коэффициент отражения означает, что отраженная волна сдвигается по фазе на 180°.

Коэффициент стоячей волны (КСВ, КСВН, коэффициент стоячей волны по напряжению, SWR, VSWR) - отношение наибольшего значения амплитуды напряжения стоячей волны к наименьшему.

\[КСВ = { U_{ст.волн.max} \over U_{ст.волн.min} }\]

Поскольку неравномерность распределения амплитуды стоячей волны вдоль линии обусловлена интерференцией («сложением и вычитанием») падающей и отраженной волн, то наибольшее значение амплитуды U ст.волн.max волны вдоль линии (то есть значение амплитуды в пучности) составляет:

U пад + U отр

а наименьшее значение амплитуды (то есть значение амплитуды в узле) составляет

U пад - U отр

Следовательно

\[КСВ = { {U_{пад} + U_{отр}} \over {U_{пад} - U_{отр}} }\]

Взаимосвязь между КСВ, возвратными потерями и коэффициентом отражения

С помощью подстановки в формулы, приведенные ниже, и их простого преобразования можно получить следующее:

\[Γ = { {КСВ-1} \over {КСВ+1} }\]

\[КСВ = { {1+Γ} \over {1-Γ} }\]

\[Γ = 10^{{-RL} \over 20}\]

\[КСВ = { {1 + 10^{{-RL} \over 20}} \over {1 - 10^{{-RL} \over 20}} } \]

Таблица преобразования значений КСВ, возвратных потерь и коэффициента отражения

Коэффициент отражения \|Γ\| в %	Возвратные потери, дБ	Коэффициент стоячей волны
100,0000	0	∞
89,1251	1	17,3910
79,4328	2	8,7242
70,7946	3	5,8480
63,0957	4	4,4194
56,2341	5	3,5698
50,1187	6	3,0095
44,6684	7	2,6146
39,8107	8	2,3229
35,4813	9	2,0999
31,6228	10	1,9250
28,1838	11	1,7849
25,1189	12	1,6709
22,3872	13	1,5769
19,9526	14	1,4985
17,7828	15	1,4326
15,8489	16	1,3767
14,1254	17	1,3290
12,5893	18	1,2880
11,2202	19	1,2528
10,0000	20	1,2222
8,9125	21	1,1957
7,9433	22	1,1726
7,0795	23	1,1524
6,3096	24	1,1347
5,6234	25	1,1192
5,0119	26	1,1055
4,4668	27	1,0935
3,9811	28	1,0829
3,5481	29	1,0736
3,1623	30	1,0653
2,8184	31	1,0580
2,5119	32	1,0515
2,2387	33	1,0458
1,9953	34	1,0407
1,7783	35	1,0362
1,5849	36	1,0322
1,4125	37	1,0287
1,2589	38	1,0255
1,1220	39	1,0227
1,0000	40	1,0202
0,8913	41	1,0180
0,7943	42	1,0160
0,7079	43	1,0143
0,6310	44	1,0127
0,5623	45	1,0113
0,5012	46	1,0101

Почти каждый пользователь радиостанции или трансивера сталкивается с необходимостью оптимального согласования антенно-фидерного устройства и передатчика. Эта проблема актуальна для тех, кто пользуется «стационарными» радиостанциями (в том числе для радиообмена в гражданском диапазоне 27 МГц), так и для тех, кто использует автомобильные АМ и ЧМ трансиверы. Для увеличения зоны действия портативной (носимой) радиостанции подключают соответствующую внешнюю антенну. Решение этой проблемы важно для тех, кто уже имеет или собирается приобрести и зарегистрировать радиостанцию, ведет ативный и эффективный (на дальние расстояния) радиообмен. Для этого и необходим КСВ-метр.

КСВ-метр – это измеритель коэффициента стоячей волны. Автор в своей лаборатории имеет два промышленных измерителей КСВ – SWR-430 Optim (вариант SWR-121) и SX-40 (вариант SX-40). Об общих принципах настройки антенного хозяйства с помощью КСВ-метров хорошо описано в .

КСВ-метр SWR-430
КСВ-метр SWR-430, внешний вид которого показан на фото 1 , измеряет КСВ в линиях питания (фидерных линиях) антенного хозяйства гражданского диапазона 27 МГц (диапазон частот измерений 24…30 МГц) и является необходимым устройством для качественной настройки антенн. Это, в свою очередь, обеспечивает качественную работу приемо-передающих устройств. Поскольку любая антенна настраивается «под передатчик», именно от резонанса антенного хозяйства и передающего тракта конкретной радиостанции зависит эффективность и дальность работы конкретного радиокорреспондента.

Прибор SWR-430 помимо КСВ может измерять выходную мощность передатчика радиостанции. Шкала стрелочного индикатора (фото 1 ) в устройстве только одна, функции измерения КСВ и мощности передатчика переключаются на передней панели полосковым переключателем.

Погрешность устройства не более 5%, импеданс 50 Ом. Устройство годится для измерения проходной мощности до 100 Вт, что вполне удовлетворяет запросам радиолюбителей, поскольку большинство современных трансиверов имеют максимальную мощность до 100 Вт, кроме того, в России по требованиям Роскомнадзора работать с мощностью выше этого значения могут только специалисты.
Диапазон градуировки стрелочного индикатора 1…1:3. Это прибор небольшой точности измерения, однако с его помощью можно настроить антенну простым способом, что, безусловно, лучше, чем полное отсутствие приборов настройки антенного хозяйства.
Замечу, что аналогичные по характеристикам устройства SWR-420 Optim и SWR-121 могут изменять только КСВ без возможности измерения мощности.

Измерители КСВ и мощности SX -20 и SX -40
Измерители КСВ и мощности SX-20 и SX-40 (см. фото 1 ) представляет собой устройство с двумя функциями: позволяет измерить мощность и КСВ в диапазоне 140..525 МГц.

На передней панели прибора установлен переключатель максимальной мощности 15/150 Вт. Причем минимальная измеряемая мощность всего 1 Вт, что позволяет настраивать антенное хозяйство портативных радиостанций в режиме «LOW», не опасаясь выхода из строя выходного каскада при любом из возможных значений входного сопротивления антенны.

КСВ-метр модели SX-20 предназначен для измерения мощности и КСВ в диапазоне 1,8…200 МГц. Он имеет переключатель максимальной измеряемой мощности 30/300 Вт.

У обоих устройств волновое сопротивление (импеданс) 50 Ом (для подключения к кабелю с волновым сопротивлением 50 Ом), подключаемый с помощью разъема UHF. Минимальная мощность радиостанции 2 Вт.

Самодельный КСВ-метр
Те радиолюбители, кто редко ремонтирует и настраивает радиостанции, пользуются для настройки и согласования трансиверов и АФУ услугами «выездных специалистов», что сегодня обходится весьма дорого, как и любые работы в сфере обслуживания и ремонта. Хотя специалисты для настройки и согласования пользуются все теми же измерителями КСВ. Так не проще ли собрать его самому? Для тех, кто готов сам собрать измеритель КСВ и научиться пользоваться им, предлагаю следующие рекомендации.

Для согласования выхода передатчика с фидером используется специальное согласующее устройство, а антенна согласуется с кабелем, как, правило, изменением длины антенны.

Принципиальная электрическая схема самодельного измерителя КСВ с согласующим устройством показана на рис.1 .

Согласующее устройство состоит из двух конденсаторов переменной емкости С1 и С2 с воздушным диэлектриком (например, КПЕ-4…50, 1КЛМВ-1) и бескаркасной катушки индуктивности L1. Она содержит 8 витков медного провода без изоляции диаметром 2,2 мм с диаметром намотки25 мм и длиной 22 мм. Индуктивность такой катушки составит 1,2 мкГн. Настройка согласования производится конденсаторами С1 и С2. Показания считывают по шкале миллиамперметра ИП. КСВ-метр при настройке устанавливается между согласующим устройством и фидерной линией.

Измеритель КСВ показывает, насколько близко к режиму бегущей волны (отсутствие отраженного сигнала от нагрузки) находится система «радиостанция-фидер-антенна».
Согласующее устройство измерителя подключают к гнезду антенны передатчика с помощью отрезка кабеля (длиной более 1 м) с волновым сопротивлением 50 Ом, например, РК-50 или аналогичного.

Измерительная часть КСВ-метра конструктивно выполнена из отрезка того же кабеля длиной 160 мм с удаленной внешней изоляций. Этот отрезок кабеля после всех подготовительных работ загибают подковой. Экран провода соединяют с «общим проводом» передатчика. Конструкция и внешний вид окончательно оформленного отрезка кабеля показан на рис.2 .

Внутреннюю жилу кабеля (2) подсоединяют соответственно одним концом к согласующему устройству (конденсатор С2), а другим – к фидеру антенны. Внутри экранирующего провода КСВ-метра (отрезка кабеля длиной 160 мм с удаленной изоляцией – 1) аккуратно с помощью иголки прокладывают гибкий изолированный провод типа МГТФ-0,8 (3) и от его середины выводят отвод для подключения резистора R1. Концы внутреннего провода МГТФ-0,8 (может быть применен любой аналогичный провод МГТФ-1, МГТФ-2) пропаивают к германиевым диодам VD1, VD2.

О деталях
Резистор R1 мощностью 2 Вт с сопротивлением в приделах 30…150 Ом. Переменный резистор R2 типа СПО-1. В качестве диодов VD1, VD2 использует «старые» германиевые диоды из серий Д2, Д9, Д220, Д311 с любым буквенным индексом.
Измерительный прибор любой градуированный, с током полного отклонения 1 мА. Переключатель SB1 типа тумблер, например МТS-1. Корпус для устройства измерителя КСВ может быть выбран любым подходящим, экранированным.

Внешний вид готового устройства может быть таким (например, как в авторском варианте), как показано на фото 2 .

Перед включением радиостанции и согласующего устройства проводят необходимые подготовительные работы: подключают антенно-фидерное устройство, устанавливают переключатель SB1 в положение «ПР» (в левое по схеме положение), а движок переменного резистора R2 устанавливают в среднее положение.

После подачи питания на радиостанцию и включения в ее режим «передача», перемещением движка переменного резистора R2 добиваются максимального отклонения стрелки миллиамперметра вправо, к примеру, до цифры «10» (если эта цифра является максимальной градуированной величиной на шкале). После этого переводят переключатель SB1 в положение «ОБР» и фиксируют новое показание по шкале прибора (заметно меньше предыдущего), что соответствует значению обратной волны.

По формуле КСВ=(П пр + П обр) / (П пр – П обр) находят значение КСВ, где П пр – показание прибора в режиме прямой волны (переключатель SB1в левом по схеме положении).

П обр – показание прибора при обратной волне. Например, П пр =10, П обр =2, тогда КСВ = (10 + 2) /(10 — 2)=1,5.
Потери на отражение волны в цепи «передатчик-фидер-антенна» зависят от величины КСВ и приведены в таблице .

Для оптимального согласования желательно иметь КСВ в пределах 1,1…1,5, в этом случае потери на отражение волны составят 5…12%, что вполне допустимо.
Перед началом настройки антенны желательно убедиться в правильности показаний имеющегося КСВ-метра иметь «контрольную» антенну, которой может быть штатная антенна от переносной радиостанции или даже самодельный четверть-волновый (1/4) «штырь».

В своих запасах хорошо иметь два КСВ-метра, рассчитанных для работы с фидерами, имеющими волновое сопротивление и 50 и 75 Ом, и, конечно, несколько «образцов» используемых кабелей.

Сравнительные измерения (сравнительная эффективность) сводятся к определению уровня напряженности поля, и тогда, снять диаграмму направленности антенны, но такие возможности имеются не у всех радиолюбителей.
Согласование антенного хозяйства с помощью рассмотренного самодельного прибора сводится к тому, что при условии постоянной длины штыря антенны, изменением емкости конденсаторов С1 и С2 согласующего устройства, а также изменением емкости подстроечного конденсатора в основании антенны добиваются необходимых значений КСВ.

Если штырь антенны, а в некоторых моделях и его «противовес», конструктивно имеют возможность регулировки длины, то э то является дополнительной возможностью настройки всей системы согласования.
таким простым методом можно воспользоваться для настройки радиолюбительских УКВ-трансиверов и даже автомобильных радиостанций, работающий в гражданском диапазоне частот, с выходной мощностью 0,5…15 Вт и укомплектованных простыми конструкциями антенн.

При монтаже и настройке систем радиосвязи часто измеряют некую не всем и не совсем ясную величину называемую КСВ. Что же это за характеристика, помимо спектра частот указываемая в характеристиках антенн?
Отвечаем:
Коэффициент стоячей волны (КСВ), коэффициент бегущей волны (КБВ), обратные потери это - термины, характеризующие степень согласования радиочастотного тракта.
В высокочастотных линиях передачи соответствие сопротивления источника сигнала волновому сопротивлению линии определяет условия прохождения сигнала. При равенстве этих сопротивлений в линии возникает режим бегущей волны, при котором вся мощность источника сигнала передается в нагрузку.

Измеренное на постоянном токе тестером сопротивление кабеля покажет либо холостой ход либо короткое замыкание в зависимости оттого, что подключено к другому концу кабеля, а волновое сопротивление коаксиального кабеля, определяется соотношением диаметров внутреннего и внешнего проводников кабеля и характеристиками изолятора между ними. Волновое сопротивление это сопротивление, которое оказывает линия бегущей волне высокочастотного сигнала. Волновое сопротивление постоянно вдоль линии и не зависит от её длины. Для радиочастот волновое сопротивление линии считают неизменным и чисто активным. Оно приблизительно равно:
где L и С распределенные емкость и индуктивность линии;

Где: D – диаметр внешнего проводника, d – диаметр внутреннего проводника, - диэлектрическая проницаемость изолятора.
При расчете радиочастотных кабелей стремятся получить оптимальную конструкцию, обеспечивающую высокие электрические характеристики при наименьшем расходе материалов.
При использовании меди для внутреннего и внешнего проводников радиочастотного кабеля справедливы соотношения:
минимальное затухание в кабеле достигается при отношении диаметров

максимальная электрическая прочность достигается при:

максимум передаваемой мощности при:

исходя из этих соотношений, выбраны волновые сопротивления радиочастотных кабелей, выпускаемых промышленностью.
Точность и стабильность параметров кабеля зависят от точности изготовления диаметров внутреннего и внешнего проводников и стабильности параметров диэлектрика.
В идеально согласованной линии отражение отсутствует. Когда сопротивление нагрузки равно волновому сопротивлению линии передачи, падающая волна полностью поглощается в нагрузке, отраженная и стоячая волны отсутствуют. Такой режим называется режимом бегущей волны.
При коротком замыкании или холостом ходе линии на конце линии, падающая волна полностью отражается обратно. Отраженная волна складывается с падающей, и результирующая амплитуда в любом сечении линии является суммой амплитуд падающей и отраженной волн. Максимум напряжения называется пучностью, минимум напряжения узлом напряжения. Узлы и пучности не движутся относительно линии передачи. Такой режим называется режимом стоячей волны.
Если на выходе линии передачи подключена произвольная нагрузка, только часть падающей волны отражается обратно. В зависимости от степени рассогласования возрастает отраженная волна. В линии одновременно устанавливаются стоячая и бегущая волны. Это режим смешанных или комбинированных волн.
Коэффициент стоячей волны (КСВ) это безразмерная величина, характеризующая соотношение падающей и отраженной волн в линии, то есть степень приближения к режиму бегущей волны:
; как видно по определению, КСВ может меняться от 1 до бесконечности;
КСВ меняется пропорционально соотношению сопротивления нагрузки к волновому сопротивлению линии :

Коэффициент бегущей волны это величина обратная КСВ:
КБВ= может меняться от 0 до 1;

Обратные потери (return loss) - это отношение мощностей падающей и отраженной волн, выраженное в децибелах.

или наоборот:
Обратные потери удобно использовать при оценке эффективности фидерного тракта, когда потери кабеля, выражаемые в дБ/м можно просто просуммировать с обратными потерями.
Величина потерь на рассогласование зависит от КСВ:
в разах или в децибелах.
Передаваемая энергия при несогласованной нагрузкевсегда меньше, чем при согласованной. Передатчик, работающий на несогласованную нагрузку, не отдает в линию всю ту мощность, которую бы отдавал в согласованную. Фактически, это не потери в линии, а снижение мощности, отдаваемой в линию передатчиком. Насколько влияет КСВ на снижение, видно из таблицы:

	Мощность попадающая в нагрузку	Обратные потери RL

Важно понимать, что:

КСВ одинаков в любом сечении линии и не может регулироваться изменением длины линии. Если показания измерителя КСВ при перемещении по линии существенно различаются, это может указывать на антенный эффект фидера, вызываемый током, текущим по внешней стороне оплетки коаксиального кабеля, и/или на плохую конструкцию измерителя, но не на то, что КСВ изменяется вдоль линии.
Отраженная мощность не попадает обратно в передатчик не нагревает и не повреждает его. Повреждения могут быть вызваны работой выходного каскада передатчика на рассогласованную нагрузку. Выход из передатчика, поскольку на его выходе могут в неблагоприятном случае сложиться напряжение выходного сигнала и отражённая волна, может произойти из-за превышения максимального допустимого напряжения полупроводникового перехода.
Высокий КСВ в коаксиальном фидере, вызванный значительным рассогласованием характеристического сопротивления линии и входного сопротивления антенны, сам по себе не вызывает появления ВЧ тока на внешней поверхности оплетки кабеля и излучения фидерной линии.

Измеряют КСВ, например, с помощью двух направленных ответвителей, включённых в тракт в противоположных направлениях или измерительного мостового рефлектометра, что позволяет получить сигналы пропорциональные падающему и отраженному сигналу.

Для измерения КСВ могут использоваться различные приборы. Сложные приборы имеют в своем составе генератор качающейся частоты, позволяющий увидеть панорамную картину КСВ. Простые приборы состоят из ответвителей и индикатора, а источник сигнала используется внешний, например, радиостанция.

Например, двухблочный РК2-47 за счет широкополосного мостового рефлектометра обеспечивал измерение в диапазоне 0,5-1250MГц.

Р4-11 служил для измерения КСВН, фазы коэффициента отражения, модуля и фазы коэффициента передачи в диапазоне 1-1250МГц.
Импортные приборы для измерения КСВ ставшие классическими от Bird и Telewave:

Или попроще и подешевле:

Популярны простые и недорогие панорамные измерители от AEA:

Измерение КСВ может проводиться как в конкретной точке спектра, так и в панораме. В этом случае на экране анализатора могут быть выведены значения КСВ в указанном спектре, что удобно для настройки конкретной антенны и исключает промах при обрезке антенны.
К большинству системных анализаторов существуют control head - рефлектометрические мосты, позволяющие с высокой точностью измерять КСВ в частотной точке или в панораме:

Практическое измерение заключается в подключении измерителя к разъёму испытуемого устройства или в разрыв тракта при использовании прибора проходного типа. Значение КСВ зависит от многих факторов:

Перегибов, дефектов, неоднородностей, спаек в кабелях.
Качества разделки кабеля в радиочастотных соединителях.
Наличия переходных соединителей
Попадания влаги в кабели.

При измерении КСВ антенны через фидер с потерями, испытательный сигнал в линии затухает и фидер внесет погрешность, соответствующую потерям в нем. И падающая, и отраженная волны испытывают затухание. В таких случаях КСВН рассчитывается:
где k - коэффициент ослабления отраженной волны, который вычисляется: k=2BL ; В - удельное затухание, дБ/м; L - длина кабеля, м, при этом
множитель 2 учитывает, что сигнал ослабляется дважды - на пути к антенне и на пути от антенны к источнику, на обратном пути.
Например, используя кабель с удельным затуханием 0,04 дБ/м, ослабление сигнала на длине фидера 40 метров составит 1,6 дБ в каждую сторону, всего 3,2 дБ. Значит, вместо действительного значения КСВ=2,0 прибор покажет 1,38; при КСВ=3,00 прибор покажет около 2,08.

Например, если Вы проверяете фидерный тракт с потерями 3дБ, антенну с КСВ 1,9 и используете передатчик мощностью 10 Вт как источник сигнала для проходного измерителя, то падающая мощность, измеренная прибором составит 10Вт. Поданный сигнал ослабится фидером в 2 раза, от антенны отразится 0,9 пришедшего сигнала и, наконец, отраженный сигнал на пути к прибору ослабится ещё в 2 раза. Прибор честно покажет соотношение падающего и отраженного сигналов падающая мощность 10Вт и отраженная 0,25Вт. КСВ получится 1,37 вместо 1,9.

Если будет использоваться прибор с встроенным генератором, то мощности этого генератора может оказаться недостаточной, чтобы на детекторе отраженной волны создать нужное напряжение и Вы увидите шумовую дорожку.

В общем случае, усилия, затрачиваемые на снижение КСВ ниже 2:1 в любой коаксиальной линии не дают результата с точки зрения увеличения эффективности излучения антенны, и целесообразны в тех случаях, если схема защиты передатчика срабатывает, например, при КСВ>1,5 или расстраиваются частотнозависимые цепи, подключенные к фидеру.

Наша компания предлагает широкий спектр измерительного оборудования различных производителей вкратце рассмотрим их:
MFJ
MFJ-259 – достаточно простой в эксплуатации прибор для комплексного измерения параметров систем работающих в диапазоне от 1 до 170 МГц.

КСВ-метр MFJ-259 очень компактный, его можно использовать как с внешним источником питания низкого напряжения, так и с внутренним комплектом батарей типа АА.

MFJ-269
КСВ-метр MFJ-269 компактным комбинированным прибор с автономным питанием.
Индикация режимов работы осуществляется на жидкокристаллическом дисплее, а результатов измерений - на ЖКД и стрелочных приборах, расположенных на лицевой панели.
MFJ-269 позволяет производить большое количество дополнительных антенных измерений: РЧ импеданса, потерь в кабелях и их электрических длин до места обрыва или короткого замыкания.

Технические характеристики
Диапазон частот, МГц
Измеряемые характеристики	электрическую длину (в футах или градусах); потери в фидерных линиях (дБ); ёмкость (пФ); импеданс или значение Z (ом); фазовый угол импеданса (в градусах); индуктивность (мкГн); реактивное сопротивление или Х (ом); активное сопротивление или R (ом); резонансную частоту (МГц); обратные потери (дБ); частоту сигнала (МГц); КСВ (Zo программируется).
	200х100х65 мм

Диапазон рабочих частот КСВ-метра разбит на поддиапазоны:1,8…4 МГц, 27…70 МГц, 415…470 МГц, 4,0…10 МГц, 70…114 МГц, 10…27 МГц, 114…170 МГц

Измерители КСВ и Мощности Comet
Серия измерителей мощности и КСВ Comet представлена тремя моделями:CMX-200 (Измеритель КСВ и мощности, 1,8-200 МГц, 30/300/3 кВт), CMX-1(Измеритель КСВ и мощности, 1,8-60 МГц, 30/300/3 кВт) и, представляющий наибольший интерес, CMX2300 T (Измеритель КСВ и мощности, 1,8-60/140-525 МГц, 30/300/3 кВт, 20/50/200 Вт)
CMX2300 T
Измеритель мощности и КСВ CMX-2300 состоит из двух независимых систем диапазона 1.8-200МГц и диапазона 140-525 МГц с возможностью одновременного измерения этих диапазонов. Проходная структура прибора и, как следствие, невысокая потеря мощности позволяет проводить измерения в течении длительного времени.

Технические характеристики
	Диапазон М1	Диапазон М2
Частотный диапазон	1.8 - 200 МГц	140 - 525 МГц
Площадь измерения мощности	0 - 3КВт (HF), 0 - 1КВт (VHF)
Диапазон измерения мощности
Погрешность измерения мощности	±10% (всей шкалы)
Область измерения КСВ	от 1 до бесконечности
Сопротивление
Остаточный КСВ	1.2 и менее
Вносимое затухание	0.2 дБ или менее
Минимальная мощность для измерений КСВ	Приблизительно 6Вт.
	М-образный
Питание для ламп подсветки	11 - 15В постоянного тока, приблизительно 450 мА
Габариты (данные в скобках с учетом выступов)	250(Ш) х 93 (98) (В) х 110 (135) (Г)
	Приблизительно 1540 г.

Измерители мощности и КСВ Nissen
Зачастую для работы на объекте не требуется сложный и дающий полную картинку, а скорее функциональный и простой в использовании прибор. Именно такими «Рабочими лошадками» и является серия измерителей мощности и КСВ Nissen.
Простая проходная структура и высокое предельное значение мощности до 200 Вт совместно с частотным спектром 1,6-525МГц делают приборы Nissen весьма ценным подспорьем там где необходима не комплексная характеристика линии а быстрота и точность измерения.
NISSEI TX-502
Характерным представителем серии измерителей Nissen может послужить Nissen TX-502. Измерение прямых и обратных потерь, измерение КСВ, стрелочная панель с явно видимой градуировкой. Максимум функционала при лаконичном исполнении. И при этом в процессе настройки антенн этого зачастую вполне хватает для быстрого и оперативного развертывания системы связи и наладки канала.

Прибор для измерения качества согласования фидера с антенной (КСВ-метр) является непременной составной частью любительской радиостанции. Насколько достоверную информацию о состоянии антенного хозяйства дает такой прибор? Практика показывает, что далеко не все КСВ-метры заводского изготовления обеспечивают высокую точность измерений. В еще большей степени это справедливо, когда речь идет о самодельных конструкциях. В предлагаемой вниманию читателей статье рассматривается КСВ-метр с токовым трансформатором. Приборы такого типа получили широкое распространение как у профессионалов, так и у радиолюбителей. В статье дана теория его работы и проанализированы факторы, влияющие на точность измерений. Завершает ее описание двух несложных практических конструкций КСВ-метров, характеристики которых удовлетворят самого взыскательного радиолюбителя.

Немного теории

Если подключенная к передатчику однородная соединительная линия (фидер) с волновым сопротивлением Zо нагружена на сопротивление Zн≠Zо, то в ней возникают как падающая, так и отраженная волна. Коэффициент отражения г (reflection) в общем виде определяют как отношение амплитуды отраженной от нагрузки волны к амплитуде падающей. Коэффициенты отражения по току г, и по напряжению ru равны отношению соответствующих величин в отраженной и падающих волнах. Фаза отраженного тока (по отношению к падающему) зависит от соотношения между Zн и Zо. Если Zн>Zо, то отраженный ток будет противофазен падающему, а если Zн

Величину коэффициента отражения r определяют по формуле

где Rн и Хн - соответственно активная и реактивная составляющие нагрузочного сопротивления При чисто активной нагрузке Хн = 0 формула упрощается до r=(Rн-Zо)/(Rн+Zо). Например, если кабель с волновым сопротивлением 50 Ом нагружен резистором сопротивлением 75 Ом, то коэффициент отражения будет r = (75-50)/(75+50) = 0,2.

На рис. 1 ,а показано распределение напряжения Uл и тока Iл вдоль линии именно для этого случая (потери в линии не учитываются). Масштаб по оси ординат для тока принят в Zо раз больше - при этом у обоих графиков будет одинаковый размер по вертикали. Пунктирная линия - графики напряжения Uло и тока Iло в случае, когда Rн=Zо. Для примера взят участок линии длиной λ. При большей ее длине картина будет циклично повторяться через каждые 0,5λ. В тех точках линии, где фазы падающей и отраженной совпадают, напряжение максимально и равно Uл max -= Uло(1 + r) = Uло(1 + 0,2) = 1,2Uлo, а в тех, где фазы противоположны, - минимально и равно Uл min = Uло(1 - 0,2) = = 0,8Uло. По определению КСВ = Uл max/ /Uл min=1l2Uло/0I8Uло=1I5.

Формулы для расчета КСВ и r можно записать и так: КСВ = (1+r)/(1-r) и r = = (КСВ-1)/(КСВ+1). Отметим важный момент - сумма максимального и минимального напряжений Uл max + Uл min = Uло(1 + r) + Uло(1 - r) = 2Uno, а их разность Uл max - Uл min = 2Uлo. По полученным значениям можно рассчитать мощность падающей волны Рпад = Uло2/Zo и мощность отраженной волны Pотр = = (rUло)2/Zo. В нашем случае (для КСВ = 1,5 и r = 0,2) мощность отраженной волны составит всего 4 % от мощности падающей.

Определение КСВ по измерениям распределения напряжения вдоль участка линии в поисках значений Uл max и Uл min широко применялось в прошлом

не только на открытых воздушных линиях, но и в коаксиальных фидерах (преимущественно на УКВ). Для этого использовался измерительный участок фидера, имеющий длинную продольную щель, вдоль которой перемещалась тележка с вставленным в нее зондом - головкой ВЧ вольтметра.

КСВ можно определить, измеряя ток Iл в одном из проводов линии на участке длиной менее 0,5λ. Определив максимальное и минимальное значения, рассчитывают КСВ = Imax/Imin. Для измерения тока применяют преобразователь ток-напряжение в виде токового трансформатора (TT) с нагрузочным резистором, напряжение на котором пропорционально и синфазно измеряемому току. Отметим интересный факт - при определенных параметрах TT на его выходе можно получить напряжение, равное напряжению на линии (между проводниками), т.е. Uтл = IлZo.

На рис. 1,б приведены совместно график изменения Uл вдоль линии и график изменения Uтл. Графики имеют одинаковые амплитуду и форму, но сдвинуты один относительно другого на 0.25Х. Анализ этих кривых показывает, что можно определить г (или КСВ) при одновременном измерении величин Uл и UТЛ в любом месте линии. В местах расположения максимумов и минимумов обеих кривых (точки 1 и 2) это очевидно: отношение этих величин Uл/Uтл (или Uтл/Uл) равно КСВ, сумма равна 2Uло, а разность - 2rUлo. В промежуточных точках Uл и Uтл сдвинуты по фазе, и их нужно складывать уже как векторы, однако приведенные выше соотношения сохраняются, так как отраженная волна напряжения всегда обратна по фазе отраженной волне тока, а rUлo = rUтлo.

Следовательно, прибор, содержащий вольтметр, калиброванный преобразователь ток-напряжение и схему сложения-вычитания, позволит определить такие параметры линии, как r или КСВ, а также Рпад и Ротр при включении его в любом месте линии.

Первые сведения об устройствах такого рода относятся к 1943 г и воспроизведены в . Первые известные автору практические устройства были описаны в . Вариант схемы, взятый за основу, показан на рис. 2. Устройство содержало:

датчик напряжения - емкостный делитель на С1 и С2 с выходным напряжением Uc, значительно меньшим, чем напряжение на линии Uл. Отношение р = Uc/Uл называется коэффициентом связи;
токовый трансформатор Т1, намотанный на карбонильном кольцевом магнитопроводе. Его первичная обмотка имела один виток в виде проводника, проходящего по центру кольца, вторичная - n витков, нагрузка по вторичной обмотке - резистор R1, выходное напряжение - 2Uт. Вторичную обмотку можно выполнить из двух отдельных обмоток с напряжением Uт каждая и со своим нагрузочным резистором, однако конструктивно удобнее сделать одну обмотку с отводом от середины;
детекторы на диодах VD1 и VD2, переключатель SA1 и вольтметр на микроамперметре РА1 с добавочными резисторами.

Вторичная обмотка трансформатора Т1 включена таким образом, что при подключении передатчика к левому по схеме разъему, а нагрузки - к правому, на диод VD1 поступает суммарное напряжение Uc + UT, а на диод VD2 - разностное. При подключении к выходу КСВ-метра резистивной эталонной нагрузки с сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии, отраженная волна отсутствует и, следовательно, ВЧ напряжение на VD2 может быть нулевым. Это достигается в процессе балансировки прибора уравниванием напряжений UT и Uc с помощью подстроечного конденсатора С1. Как было показано выше, после такой настройки величина разностного напряжения (при Zн≠Zо) будет пропорциональна коэффициенту отражения г. Измерения с реальной нагрузкой производят так. Сначала в показанном на схеме положении переключателя SA1 ("Падающая волна") калибровочным переменным резистором R3 выставляют стрелку прибора на последнее деление шкалы (например, 100 мкА). Затем переключатель SA1 переводят в нижнее по схеме положение ("Отраженная волна") и отсчитывают значение г. Применительно к случаю с RH = 75 Ом прибор должен показать 20 мкА, что соответствует r = 0,2. Величину КСВ определяют по приведенной выше формуле - КСВ = (1 +0,2)/ /(1-0,2) = 1,5 или КСВ = (100+20)/ /(100-20) = 1,5. В этом примере детектор предполагается линейным - в действительности необходимо вводить поправку, учитывающую его нелинейность. При соответствующей калибровке прибор может быть использован для измерения падающей и отраженной мощностей.

Точность КСВ-метра как измерительного прибора зависит от ряда факторов, в первую очередь от точности балансировки прибора в положении SA1 "Отраженная волна" при Rн = Zo. Идеальной балансировке соответствуют напряжения Uс и Uт, равные по величине и строго противоположные по фазе, т. е. их разность (алгебраическая сумма) равна нулю. В реальной конструкции несбалансированный остаток Uост есть всегда. Рассмотрим на примере, как это отражается на конечном результате измерений. Допустим, что при балансировке получились напряжения Uс = 0,5 В и Uт = 0,45 В (т. е. разбаланс 0,05 В, что вполне реально). При нагрузке Rн = 75 Ом в 50-омной линии реально имеем КСВ = 75/50 = 1,5 и r = 0,2, а величина отраженной волны, пересчитанная к внутриприборным уровням, составит rUc= 0,2x0,5 = 0,1 В и rUт = 0,2x0,45 = 0,09 В.

Вновь обратимся к рис. 1,б, кривые на котором приведены для КСВ = 1,5 (кривые Uл и Uтл для линии будут в нашем случае соответствовать Uс и Uт). В точке 1 Uс max = 0,5 + 0,1 =0,6 В, Uт min = 0,45 - 0,09 = 0,36 В и КСВ = 0,6/0,36 = 1,67. В точке 2UTmax = 0,45 + 0,09 = 0,54 В, Ucmin = 0,5 - 0,1 = 0.4 и КСВ = 0,54/0,4 = 1,35. Из этого несложного расчета видно, что в зависимости от места включения такого КСВ-метра в линию с реальным КСВ=1,5 или при изменении длины линии между прибором и нагрузкой могут быть считаны разные значения КСВ - от 1,35 до 1,67!

Что может привести к неточной балансировке?

1. Наличие напряжения отсечки германиевого диода (в нашем случае VD2), при котором он перестает проводить, - примерно 0,05 В. Поэтому при UOCT < 0,05 В прибор РА1 покажет "ноль" и можно допустить ошибку в балансировке. Относительная неточность значительно уменьшится, если поднять в несколько раз напряжения Uc и соответственно UT. Например, при Uc = 2 В и UT = 1,95 В (Uост = 0,05 В) пределы изменения КСВ для приведенного выше примера будут уже только от 1,46 до 1,54.

2. Наличие частотной зависимости напряжений Uc или UT. При этом точная балансировка может быть достигнута не во всем диапазоне рабочих частот. Разберем на примере одну из возможных причин. Допустим, в приборе использован конденсатор делителя С2 емкостью 150 пФ с проволочными выводами диаметром 0,5 мм и длиной по 10 мм каждый. Измеренная индуктивность проволоки такого диаметра длиной 20 мм оказалась равной L = = 0,03 мкГн. На верхней рабочей частоте f = 30 МГц сопротивление конденсатора будет Хс = 1 /2πfС = -j35,4 Ом, суммарное реактивное сопротивление выводов XL = 22πfL = j5,7 Ом. В результате сопротивление нижнего плеча делителя уменьшится до значения -j35,4 + j5f7 = -j29,7 Ом (оно соответствует конденсатору емкостью 177 пФ). В то же время на частотах от 7 МГц и ниже влияние выводов ничтожно. Отсюда вывод - в нижнем плече делителя следует применять безындуктивные конденсаторы с минимальными выводами (например, опорные или проходные) и включение нескольких конденсаторов параллельно. Выводы "верхнего" конденсатора С1 практически не влияют на ситуацию, так как Xс у верхнего конденсатора в несколько десятков раз больше, чем у нижнего. Получить равномерную балансировку во всей рабочей полосе частот можно с помощью оригинального решения, о котором речь пойдет при описании практических конструкций.

3.2. Индуктивное сопротивление вторичной обмотки Т1 на нижних частотах рабочего диапазона (~1,8 МГц) может ощутимо шунтировать R1, что приведет к уменьшению UT и его фазовому сдвигу.

3.3. Сопротивление R2 - часть детекторной цепи. Так как по схеме оно шунтирует С2, на нижних частотах коэффициент деления может получить частотную и фазовую зависимости.

3.4. В схеме рис. 2 детекторы на VD1 или VD2 в открытом состоянии шунтируют своим входным сопротивлением RBX нижнее плечо емкостного делителя на С2, т.е RBX действует так же, как и R2. Влияние RBX незначительно при (R3+R2) более 40 кОм, что требует применения чувствительного индикатора РА1 с током полного отклонения не более 100 мкА и ВЧ напряжения на VD1 не менее 4 В.

3.5. Входной и выходной разъемы КСВ-метра обычно разнесены на 30...100 мм. На частоте 30 МГц разница фаз напряжений на разъемах составит α= [(0,03... 0,1)/10]360°- 1... 3,5°. Как это может отразиться на работе, продемонстрировано на рис. 3,а и рис. 3,б. Разница схем на этих рисунках только в том, что конденсатор С1 подключен к разным разъемам (Т1 в обоих случаях находится на середине проводника между разъемами).

В первом случае некомпенсированный остаток можно уменьшить, если скорректировать фазу UOCT с помощью небольшого параллельно включенного конденсатора Ск, а во втором - включением последовательно с R1 небольшой индуктивности Lк в виде проволочной петли. Такой способ нередко применяется как в самодельных, так и "фирменных" КСВ-метрах, но делать это не следует. Чтобы убедиться в этом, достаточно повернуть прибор так, чтобы входной разъем стал выходным. При этом компенсация, которая помогала до поворота, станет вредной - Uoct существенно увеличится. При работе на реальной линии с несогласованной нагрузкой, в зависимости от длины линии, прибор может попасть в такое место на линии, где введенная коррекция "улучшит" реальный КСВ или, наоборот, "ухудшит" его. В любом случае будет неправильный отсчет. Рекомендация - располагать разъемы по возможности ближе друг к другу и использовать оригинальное схемное решение, приведенное ниже.

Для иллюстрации того, как сильно могут повлиять рассмотренные выше причины на достоверность показаний КСВ-метра, на рис. 4 показаны результаты проверки двух приборов заводского изготовления . Проверка заключалась в том, что несогласованная нагрузка с расчетным КСВ = 2,25 устанавливалась на конце линии, состоящей из ряда последовательно соединенных отрезков кабеля с Zо = 50 Ом длиной каждый по λ/8.

В процессе измерений полная длина линии изменялась от λ/8 до 5/8λ. Проверялись два прибора: недорогой BRAND X (кривая 2) и одна из лучших моделей - BIRD 43 (кривая 3). Кривая 1 показывает истинный КСВ. Как говорится, комментарии излишни.

На рис. 5 приведен график зависимости ошибки измерений от величины коэффициента направленности D (directivity) КСВ-метра . Аналогичные графики для КБВ = 1/КСВ приведены в . Применительно к конструкции рис. 2 этот коэффициент равен отношению напряжений ВЧ на диодах VD1 и VD2 при подключении к выходу КСВ-метра нагрузки Rн = Zо D = 20lg(2Uо/Uост). Таким образом, чем лучше удалось сбалансировать схему (чем меньше Uост), тем выше D. Можно также использовать показания индикатора РА1 - D = 20 х х lg(Iпад/Iотр). однако это значение D будет менее точным из-за нелинейности диодов.

На графике по горизонтальной оси отложены реальные значения КСВ, а на вертикальной - измеренные с учетом ошибки в зависимости от величины D КСВ-метра. Пунктиром показан пример - реальный КСВ = 2, прибор с D = 20 дБ даст показания 1,5 или 2,5, а при D = 40 дБ - соответственно 1,9 или 2,1.

Как следует из литературных данных , КСВ-метр по схеме рис. 2 имеет D - 20 дБ. Это значит, что без существенной коррекции он не может применяться для точных измерений.

Вторая по важности причина неправильных показаний КСВ-метра связана с нелинейностью вольт-амперной характеристики детекторных диодов. Это приводит к зависимости показаний от уровня подаваемой мощности, особенно в начальной части шкалы индикатора РА1. В фирменных КСВ-метрах нередко на индикаторе делают две шкалы - для малого и большого уровней мощности.

Трансформатор тока Т1 является важной частью КСВ-метра. Основные его характеристики такие же, как и у более привычного трансформатора напряжения: число витков первичной обмотки n1 и вторичной n2, коэффициент трансформации к = n2/n1, ток вторичной обмотки I2 = l1/к. Отличие состоит в том, что ток через первичную обмотку определяется внешней цепью (в нашем случае это ток в фидере) и не зависит от сопротивления нагрузки вторичной обмотки R1, поэтому ток l2 также не зависит от величины сопротивления резистора R1. Например, если по фидеру Zo = 50 Ом передается мощность Р = 100 Вт, ток I1 = √P/Zo = 1,41 А и при к = 20 ток вторичной обмотки будет l2 = I1/к - 0,07 А. Напряжение на выводах вторичной обмотки будет определяться величиной R1: 2UT= l2 х R1 и при R1 = 68 Ом составит 2UT = 4,8 В. Выделяемая на резисторе мощность Р = (2UT)2/R1 = 0,34 Вт. Обратим внимание на особенность токового трансформатора - чем меньше витков во вторичной обмотке, тем больше будет напряжение на ее выводах (при одном и том же R1). Самый тяжелый режим для токового трансформатора - режим холостого хода (R1 = ∞), при этом напряжение на его выходе резко возрастает, магнитопровод насыщается и разогревается настолько, что может разрушиться.

В большинстве случаев в первичной обмотке используют один виток. Этот виток может иметь разные формы, как показано на рис. 6,а и рис. 6,б (они равноценны), а вот обмотка по рис. 6,в - это уже два витка.

Отдельный вопрос - применение соединенного с корпусом экрана в виде трубки между центральным проводом и вторичной обмоткой. С одной стороны, экран устраняет емкостную связь между обмотками, чем несколько улучшает балансировку разностного сигнала; с другой - в экране возникают вихревые токи, также влияющие на балансировку. Практика показала, что с экраном и без него можно получить примерно одинаковые результаты. Если экран все же используется, длину его следует сделать минимальной, примерно равной ширине примененного магнитопроводом, и соединить с корпусом широким коротким проводником. "Заземление" экрана следует делать на среднюю линию, равноудаленную от обоих разъемов. Для экрана можно использовать латунную трубку диаметром 4 мм от телескопических антенн.

Для КСВ-метров на проходящую мощность до 1 кВт подойдут ферритовые кольцевые магнитопроводы размерами К12x6x4 и даже К10x6x3. Практика показала, что оптимальное число витков п2 = 20. При индуктивности вторичной обмотки 40...60 мкГн получается наибольшая частотная равномерность (допустимая величина - до 200 мкГн). Возможно использование магнитопроводов с проницаемостью от 200 до 1000, при этом желательно выбрать типоразмер, который обеспечит оптимальную индуктивность обмотки.

Можно использовать магнитопроводы и с меньшей проницаемостью, если применить большие типоразмеры, увеличить число витков и/или уменьшить сопротивление R1. Если проницаемость имеющихся магнитопроводов неизвестна, при наличии измерителя индуктивности ее можно определить. Для этого следует намотать десять витков на неизвестном магнитопроводе (витком считается каждое пересечение проводом внутреннего отверстия сердечника), измерить индуктивность катушки L (мкГн) и подставить это значение в формулу μ = 2,5 LDср/S , где Dср - средний диаметр магнитопровода в см; S - сечение сердечника в см 2 (пример - у К10x6x3 Dcp = 0,8 см и S = 0,2x0,3 = 0,06 см 2).

Если μ магнитопровода известна, индуктивность обмотки из n витков можно рассчитать: L = μn 2 S/250Dcp.

Применимость магнитопроводов на уровень мощности 1 кВт и более можно проверить и при 100 Вт в фидере. Для этого следует временно установить резистор R1, величиной в 4 раза большей, соответственно напряжение Uт также вырастет в 4 раза, а это эквивалентно возрастанию проходящей мощности в 16 раз. Разогрев магнитопровода можно проверить наощупь (мощность на временном резисторе R1 также вырастет в 4 раза). В реальных условиях мощность на резисторе R1 возрастает пропорционально росту мощности в фидере.

КСВ-метры UT1МА

Две конструкции КСВ-метра UT1MA, о которых пойдет речь ниже, имеют практически одинаковую схему, но разное исполнение. В первом варианте (КМА - 01) высокочастотный датчик и индикаторная часть раздельные. Датчик имеет входной и выходной коаксиальные разъемы и может быть установлен в любом месте фидерного тракта. Он соединен с индикатором трехпроводным кабелем любой длины. Во втором варианте (КМА - 02) оба узла размещены в одном корпусе.

Схема КСВ - метра приведена на рис. 7 и отличается она от базовой схемы рис. 2 наличием трех цепей коррекции.

Рассмотрим эти отличия.

Верхнее плечо емкостного делителя С1 выполнено из двух одинаковых постоянных конденсаторов С1 = С1" + С1", подключенных соответственно к входному и выходному разъемам. Как отмечалось в первой части статьи, фазы напряжений на этих разъемах несколько различаются, и при таком включении фаза Uc усредняется и сближается с фазой UT. Это улучшает балансировку прибора.
За счет введения катушки L1 сопротивление верхнего плеча емкостного делителя становится частотно-зависимым, что позволяет выровнять балансировку на верхнем краю рабочего диапазона (21...30 МГц).
Подбором резистора R2 (т. е. постоянной времени цепочки R2C2) можно компенсировать разбалансировку, вызванную спадом напряжения UT и его фазовым сдвигом на нижнем краю диапазона (1,8...3,5 МГц).

Кроме того, балансировка осуществляется подстроечным конденсатором, включенным в нижнее плечо делителя. Это упрощает монтаж и позволяет применить маломощный малогабаритный подстроечный конденсатор.

В конструкции предусмотрена возможность измерения мощности падающей и отраженной волн. Для этого переключателем SA2 в цепь индикатора вместо переменного калибровочного резистора R4 вводится подстроечный резистор R5, которым устанавливается нужный предел измеряемой мощности.

Применение оптимальной коррекции и рациональная конструкция прибора позволили получить коэффициент направленности D в пределах 35...45 дБ в полосе частот 1,8...30 МГц.

В КСВ - метрах применены следующие детали.

Вторичная обмотка трансформатора Т1 содержит 2 x 10 витков (намотка в 2 провода) проводом 0,35 ПЭВ, размещенных равномерно на феррито-вом кольце К12 x 6 x 4 проницаемостью около 400 (измеренная индуктивность ~ 90 мкГн).

Резистор R1 - 68 Ом МЛТ, желательно без винтовой канавки на теле резистора. При проходящей мощности менее 250 Вт достаточно установить резистор с мощностью рассеивания 1 Вт, при мощности 500 Вт - 2 Вт. При мощности 1 кВт резистор R1 можно составить из двух параллельно включенных резисторов сопротивлением 130 Ом и мощностью 2 Вт каждый. Впрочем, если КС В - метр проектируется под высокий уровень мощности, есть смысл увеличить в два раза число витков вторичной обмотки Т1 (до 2 x 20 витков). Это позволит в 4 раза уменьшить требуемую мощность рассеивания резистора R1 (при этом конденсатор С2 должен иметь вдвое большую емкость).

Емкость каждого из конденсаторов С Г и С1" может быть в пределах 2,4...3 пФ (КТ, КТК, КД на рабочее напряжение 500 В при Р ≥ 1 кВт и 200...250 В при меньшей мощности). Конденсаторы С2 - на любое напряжение (КТК или другие безындуктивные, один или 2 - 3 параллельно), конденсатор C3 - малогабаритный подстроечный с пределами изменения емкости 3...20 пФ (КПК - М, КТ - 4). Требуемая емкость конденсатора С2 зависит от суммарной величины емкости верхнего плеча емкостного делителя, в которую входит помимо конденсаторов С" + С1" еще и емкость С0 ~ 1 пФ между вторичной обмоткой трансформатора Т1 и центральным проводником. Общая емкость нижнего плеча - С2 плюс C3 при R1 = 68 Ом должна быть примерно в 30 раз больше емкости верхнего. Диоды VD1 и VD2 - Д311, конденсаторы С4, С5 и С6 - емкостью 0,0033... 0,01 мкФ (КМ или другие высокочастотные), индикатор РА1 - М2003 с током полного отклонения 100 мкА, переменный резистор R4 - 150 кОм СП - 4 - 2м, подстроечный резистор R4 - 150 кОм. Резистор R3 имеет сопротивление 10 кОм - он предохраняет индикатор от возможной перегрузки.

Величину корректирующей индуктивности L1 можно определить так. При балансировке прибора (без L1) надо отметить положения ротора подстроеч-ного конденсатора C3 на частотах 14 и 29 МГц, затем выпаять его и измерить емкость в обоих отмеченных положениях. Допустим, для верхней частоты емкость оказалась меньше на 5 пФ, а общая емкость нижнего плеча делителя - около 130 пФ, т. е. разница составляет 5/130 или около 4 %. Следовательно, для частотного выравнивания нужно на частоте 29 МГц уменьшить сопротивление верхнего плеча также на ~ 4 %. К примеру, при С1 + С0 = 5 пФ емкостное сопротивление Хс = 1/2πfС - j1100 Ом, соответственно, Xc - j44 Ом и L1 = XL1 / 2πf = = 0,24мкГн.

В авторских приборах катушка L1 имела 8...9 витков проводом ПЭЛШО 0,29. Внутренний диаметр катушки - 5 мм, намотка плотная с последующей пропиткой клеем БФ - 2. Окончательное число витков уточняется после ее установки на место. Первоначально производят балансировку на частоте 14 МГц, затем устанавливают частоту 29 МГц и подбирают такое число витков катушки L1, при котором схема балансируется на обеих частотах при одном и том же положении подстроечника C3.

После достижения хорошей балансировки на средних и верхних частотах устанавливают частоту 1,8 МГц, на место резистора R2 временно впаивают переменный резистор сопротивлением 15...20 кОм и находят значение, при котором UOCT минимально. Значение сопротивления резистора R2 зависит от индуктивности вторичной обмотки Т1 и лежит в пределах 5...20 кОм для ее индуктивности 40...200 мкГн (большие значения сопротивления для большей индуктивности).

В радиолюбительских условиях наиболее часто в индикаторе КСВ-метра используют микроамперметр с линейной шкалой и отсчет ведут по формуле КСВ = (Iпад + Iотр) / (Iпад -Iотр), где I в микроамперах - показания индикатора в режимах "падающая" и "отраженная" соответственно. При этом не учитывается ошибка из-за нелинейности начального участка ВАХ диодов. Проверка с помощью нагрузок разной величины на частоте 7 МГц показала, что при мощности около 100 Вт показания индикатора были в среднем на одно деление (1 мкА) меньше реальных значений, при 25 Вт - меньше на 2,5...3 мкА, а при 10 Вт - на 4 мкА. Отсюда простая рекомендация: для 100-ваттного варианта - заранее сместить начальное (нулевое) положение стрелки прибора на одно деление вверх, а при использовании 10 Вт (например, при настройке антенны) прибавлять к отсчету по шкале е положении "отраженная" еще 4 мкА. Пример - отсчеты "падающая/отраженная" соответственно 100/16 мкА, а правильный КСВ будет (100 + 20) / (100 - 20) = 1,5. При значительной мощности - 500 Вт и более - в указанной коррекции нет необходимости.

Следует заметить, что все типы любительских КСВ-метров (на токовом трансформаторе, мостовые, на направленных ответвителях) дают значения коэффициента отражения r, а величину КСВ затем приходится вычислять. Между тем именно r является основным показателем степени согласования, а КСВ - это показатель производный. Подтверждением сказанного может быть тот факт, что в электросвязи степень согласования характеризуется затуханием несогласованности (тот же r, только в децибелах). В дорогих фирменных приборах также предусмотрен отсчет r под названием return loss (обратные потери).

Что будет, если в качестве детекторов применить кремниевые диоды? Если у германиевого диода при комнатной температуре напряжение отсечки, при котором ток через диод всего 0,2...0,3 мкА, составляет около 0,045 В, то у кремниевого уже 0,3 В. Следовательно, чтобы сохранить точность отсчета при переходе на кремниевые диоды, необходимо более чем в 6 раз поднять уровни напряжений Uc и UT (!). В эксперименте, при замене диодов Д311 на КД522 при Р = 100 Вт, нагрузке Zн = 75 Ом и тех же Uc и UT, получились цифры: до замены- 100/19 и КСВ=1,48, после замены - 100/12 и расчетный КСВ=1,27. Применение схемы удвоения на диодах КД522 дало еще худший результат - 100/11 и расчетный КСВ = 1,25.

Корпус датчика в раздельном варианте может быть изготовлен из меди, алюминия или спаян из пластинок двусторонне фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5...2 мм. Эскиз такой конструкции приведен на рис. 8,а.

Корпус состоит из двух отсеков, в одном друг напротив друга расположены ВЧ разъемы (СР - 50 или SO - 239 с фланцами размерами 25x25 мм), перемычка из провода диаметром 1,4 мм в полиэтиленовой изоляции диаметром 4,8 мм (от кабеля РК50 - 4), токовый трансформатор Т1, конденсаторы емкостного делителя и компенсационная катушка L1, в другом - резисторы R1, R2, диоды, подстроечный и блокировочные конденсаторы и малогабаритный НЧ разъем. Выводы Т1 минимальной длины. Точка соединения конденсаторов С1" и С1" с катушкой L1 "висит в воздухе", а точка соединения конденсаторов С4 и С5 среднего вывода разъема ХЗ соединена с корпусом прибора.

Перегородки 2, 3 и 5 имеют одинаковые размеры. В перегородке 2 отверстий нет, а в перегородке 5 отверстие делают под конкретный НЧ разъем, через который будет подключаться индикаторный блок. В средней перемычке 3 (рис. 8,б) вокруг трех отверстий с обеих сторон выбирают фольгу, а в отверстия устанавливают три проходных проводника (например, латунные винты М2 и МЗ). Эскизы боковин 1 и 4 приведены на рис. 8,в. Пунктирными линиями показаны места соединения перед пайкой, которая для большей прочности и обеспечения электрического контакта производится с обеих сторон.

Для настройки и проверки КСВ - метра необходим образцовый нагрузочный резистор 50 Ом (эквивалент антенны) мощностью 50...100 Вт. Одна из возможных радиолюбительских конструкций показана на рис. 11. В ней используется распространенный резистор ТВО сопротивлением 51 Ом и мощностью рассеивания 60 Вт (прямоугольник размерами 45 x 25 x 180 мм).

Внутри керамического корпуса резистора находится длинный цилиндрический канал, заполненный резистивным веществом. Резистор должен быть плотно прижат к днищу алюминиевого кожуха. Это улучшает отвод тепла и создает распределенную емкость, улучшающую широко-полосность. С помощью дополнительных резисторов с мощностью рассеивания 2 Вт входное сопротивление нагрузки устанавливают в пределах 49,9...50,1 Ом. С небольшим корректирующим конденсатором на входе (~ 10 пФ) удается на базе этого резистора получить нагрузку с КСВ не хуже 1,05 в полосе частот до 30 МГц. Отличные нагрузки получаются из специальных малогабаритных резисторов типа Р1 - 3 номиналом 49,9 Ом, выдерживающих значительную мощность при использовании внешнего радиатора.

Были проведены сравнительные испытания КСВ-метров разных фирм и приборов, описанных в этой статье. Проверка заключалась в том, что к передатчику с выходной мощностью около 100 Вт через испытуемый 50-омный КСВ - метр подключалась несогласованная нагрузка 75 Ом (эквивалент антенны на мощность 100 Вт заводского изготовления) и производилось два измерения. Одно - при подключении коротким кабелем РК50 длиной 10 см, другое - через кабель РК50 длиной ~ 0,25λ. Чем меньше разброс показаний, тем достовернее прибор.

При частоте 29 МГц получены следующие значения КСВ:

DRAKE WH - 7......1,46/1,54
DIAMOND SX - 100......1,3/1,7
ALAN KW - 220......1,3/1,7
ROGER RSM-600......1,35/1,65
UT1MA......1,44/1,5

С нагрузкой 50 Ом при любой длине кабелей все приборы "дружно" показывали КСВ < 1,1.

Причину большого разброса показаний RSM - 600 удалось выяснить при его исследовании. В этом приборе в качестве датчика напряжения используется не емкостный делитель, а понижающий трансформатор напряжения с фиксированным коэффициентом трансформации. Это снимает "проблемы" емкостного делителя, но снижает надежность прибора при измерении больших мощностей (предельная мощность RSM - 600 - всего 200/400 Вт). В его схеме нет подстроечного элемента, поэтому резистор нагрузки токового трансформатора должен быть высокой точности (хотя бы 50±0,5 Ом), а реально был использован резистор сопротивлением 47,4 Ом. После его замены на резистор 49,9 Ом результаты измерений стали значительно лучше - 1,48/1,58. Возможно, с этой же причиной связан большой разброс показаний приборов SX - 100 и KW - 220.

Измерение при несогласованной нагрузке с помощью дополнительного четвертьволнового 50 - омного кабеля - надежный способ проверки качества КСВ - метра. Отметим три момента:

Для такой проверки можно использовать и нагрузку 50 Ом, если включить параллельно ее входу конденсатор, например, в виде небольшого отрезка разомкнутого на конце коаксиального кабеля. Подключение удобно произвести через коаксиальный тройниковый переход. Опытные данные - с отрезком РК50 длиной 28 см на частоте 29 МГц, такая комбинированная нагрузка имела КСВ - 1,3, а при длине 79 см - КСВ - - 2,5 (любую нагрузку подключать к КСВ - метру только 50 - омным кабелем).
Реальный КСВ в линии примерно соответствует среднему от двух отсчитанных значений (с добавочным четвертьволновым кабелем и без него).
При измерении реального антенно-фидерного устройства могут возникнуть трудности, связанные с затеканием тока на внешнюю поверхность оплетки кабеля. При наличии такого тока изменение длины фидера снизу может привести к изменению этого тока, что приведет к изменению нагрузки фидера и реального КСВ. Уменьшить влияние внешнего тока можно, свернув входящий в помещение фидер в виде бухты из 15...20 витков диаметром 15...20 см (защитный дроссель).

Литература

D. Lechner, P. Finck. Kurzwellen sender. - Berlin: Militarverlag, 1979.
W.B. Bruene- An Inside Pictures of Directional Wattmeters. - QST, April, 1959.
D. DeMaw. In-Line RF Power Metering. - QST, December, 1969.
W. Orr , S. Cowan. The beam antenna handbook. - RAC, USA, 1993.
Бекетов В., Харченко К. Измерения и испытания при конструировании и регулировке радиолюбительских антенн. - М.: Связь, 1971.

Антенна - устройство преобразующее колебания электрического тока в волну электромагнитного поля (радиоволну) и обратно.

Антенны обратимые устройства, то есть как антенна работает на передачу, так она будет работать и на приём, если работает эффективно на приём то будет работать хорошо и на передачу.

Фидер - кабель соединяющий радиостанцию с антенной.
Кабели бывают разного волнового сопротивления и разной конструкции.
Так как в радиостанциях гражданского диапазона выходное/входное сопротивление 50 Ом и несимметричный выход, то нам подходят в качестве фидера коаксиальные кабели с волновым сопротивлением 50 Ом, например: РК 50-3-18 или RG 8 или RG 58.
Не нужно путать волновое сопротивление и омическое. Если тестером померить сопротивление кабеля то тестер покажет 1 Ом, хотя волновое сопротивление у этого кабеля может быть 75Ом.
Волновое сопротивление коаксиального кабеля зависит от соотношения диаметров внутреннего проводника и внешнего проводника (у кабеля с волновым сопротивлением 50 Ом центральная жила толще чем у 75-ти Ом-ного кабеля того же внешнего диаметра).

КСВ - коэффициент стоячей волны, то есть соотношение мощности которая идёт по кабелю до антенны и мощности, которая возвращается по кабелю отражаясь от антенны в связи с тем, что её сопротивление не равно сопротивлению кабеля.
Да, высокочастотное напряжение ходит по проводам не так как постоянный ток, оно может отражаться от нагрузки, если нагрузка или кабель не того волнового сопротивления.
КСВ показывает качество передачи энергии из радиостанции в антенну и обратно, чем меньше КСВ тем лучше согласована радиостанция с фидером и антенной. КСВ не может быть меньше 1.
КСВ не показывает эффективность антенны и на какой частоте она эффективнее работает. Например, КСВ будет 1, если на конце кабеля подключен резистор 50 Ом, но на резистор вас никто не услышит и вы никого на него не услышите.

Как работает антенна?

Переменный ток, как известно, меняет свою полярность с некой частотой. Если речь идёт от 27Мгц, то значит 27 миллионов раз в секунду полярность (+/-) у него меняются местами. Соответственно 27 миллионов раз в секунду электроны в кабеле бегут то слева на право, то справа на лево. Учитывая, что электроны бегают со скоростью света 300 миллионов метров в секунду, то для частоты 27 мегагерц до смены полярности тока они успевают пробежать лишь 11 метров (300/27), а потом возвращаются обратно.
Длина волны - расстояние, которое пробегают электроны до тех пор, пока их потянет обратно сменившейся полярностью источника.
Если к выходу радиостанции мы подключим кусок провода, другой конец которого просто висит в воздухе, то в нём и будут бегать электроны, бегающие электроны создают вокруг проводника магнитное поле, а на его конце электростатический потенциал, которые будут меняться с частотой, на которой работает радиостанция, то есть провод создаст радиоволну.
Минимальное расстояние, которое должны пробегать электроны, что бы шло эффективное преобразование переменного тока в радиоволну и радиоволны в ток равно 1/2 длины волны.
Так как любой источник тока (напряжения) имеет два вывода, то получается минимальная эффективная антенна состоит из двух кусков провода длиной по 1/4 длины волны (1/2 делить на 2), при этом один кусок провода подключен к одному выводу источника (выходу радиостанции), другой в к другому выводу.
Один из проводников называют излучающим и подключают к центральной жиле кабеля, другой "противовесом" и подключают к оплётке кабеля.
* Если расположить 2 куска провода каждый длиной 1/4 длины волны, один над другим, сопротивление такой антенны будет примерно 75 Ом, кроме того, она будет симметричная, то есть напрямую коаксиальным (не симметричным) кабелем её подключать не очень хорошая идея.

Стоп, как же работают тогда укороченные антенны (например 2 метра на 27МГц) и антенны состоящие только из штыря на автомобиле?
Для штыря на машине - штырь это первый кусок провода ("излучатель"), а кузов машины второй провод ("противовес").
В укороченных антеннах часть провода скручена в катушку, то есть для электронов длина штыря равна 1/4 длины волны (2 метра 75 см на 27МГц), а для хозяина штыря всего 2 метра, остаток находится в катушке, которая спрятана от непогоды в основании антенны.

Что будет, если к радиостанции подключить очень короткие или очень длинные провода в качестве антенны?
Как уже говорилось выше, волновое сопротивление выхода/входа радиостанции 50 Ом, соответственно антенна, являющаяся для неё нагрузкой, должна иметь тоже сопротивление 50 Ом.
Провода короче или длиннее 1/4 длины волны будут обладать другим волновым сопротивлением. Если провода короче, то электроны будут успевать добежать до конца провода и хотеть бежать дальше, прежде чем их потянет обратно, соответственно они уткнуться в конец провода, поймут что там обрыв, то есть большое, бесконечное сопротивление и сопротивление всей антенны будет большим, тем больше, чем провод короче. Слишком длинный провод тоже будет работать не правильно, его сопротивление тоже будет выше, чем нужно.
Электрически короткую антенну сделать эффективной невозможно, она всегда проиграет электрической длине 1/4, электрически длинная антенна требует согласования по сопротивлению.
* Разница "электрически короткой" от "физически короткой" в том, что можно скрутить в катушку провод достаточной длины, при этом физически катушка будет не такой длинной. Такая антенна будет достаточно эффективна, но на малом числе каналов и в любом случае проиграет штырю длиной 1/4 длины волны.
Ещё важно понимать, что от того, под каким углом друг к другу находятся проводники антенны, излучатель и противовес, тоже зависит не малое - её направленность (направление её излучения) и её волновое сопротивление.

Так же есть такое явление как коэффициент укорочения антенны, это явление связано с тем, что проводники имеют толщину, а конец проводника ёмкость к окружающему пространству. Чем толще проводник антенны и чем выше частота на которой должна работать антенна, тем больше укорочение. Так же чем толще проводник из которого сделана антенна, тем она широкополоснее (больше каналов перекрывает).

Направленные антенны и поляризация излучения

Антенны бывают:
+ С горизонтальной поляризацией - проводники антенны расположен горизонтально;
+ С вертикальной поляризацией - проводники расположены вертикально.
Если попытаться принимать на антенну с вертикальной поляризацией сигналы передаваемые антенной с горизонтальной поляризацией, то будет проигрыш в 2 раза (3дБ) по сравнению с приёмом на антенну той же поляризации как и передающая.

Кроме того, антенны могут быть:
+ Направленные - когда излучение и приём волн идёт в неком одном или нескольких направлениях.
+ Не направленные (с круговой диаграммой направленности) - когда радиоволны излучаются и принимаются равномерно со всех направлений.

Пример: вертикальный штырь имеет круговую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости, то есть одинаково излучает и принимает радиоволны от источников вокруг себя.

Что такое усиление антенн?

Если речь идёт именно об усилении антенны, а не об усилителе подключенном к антенне и требующим проводов питания, то усиление антенны, это её способность концентрировать радиоволны в некоторой плоскости или направлении, туда, где находятся желаемые для связи корреспонденты.
Например, вертикально расположенные два штыря по 1/4 длинны волны (вертикальный диполь), излучают равномерно по кругу, но это если смотреть сверху на него, а если сбоку, то окажется что часть энергии излучается в землю, а часть в космос. Коэффициент усиления диполя равен 0 dBd. В земле и в космосе для нас нет полезных сигналов, соответственно путём изменения конфигурации диполя (удлинив одну его часть до 5/8 длины волны) можно добиться, что излучение сосредоточится в горизонте, а в космос и в землю будет излучаться мало, усиление такой антенны составит примерно 6 dBd.

Если вам интересно узнать в подробностях как работают антенны, фидеры, увидеть полные формулы, почитайте книгу: К.Ротхаммель Антенны.

Напомним главное:

Длина волны = 300 / частота канала связи

Минимальная длина эффективной антенны = длина волны / 2

Чем толще проводники из которых сделана антенна, тем больший вклад вносит коэффициент укорочения в её длину.

КСВ показывает качество передачи энергии от радиостанции в антенну, но не показывает эффективность антенны.

Теперь на примерах:
300 / 27,175 = 11 метров 3 сантиметра длина волны.
Вся антенна для эффективной работы должна иметь длину 5 метров 51 сантиметр, соответственно штырь будет иметь длину 2 метра 76 сантиметров.
С учётом К_укорочения для штыря из трубки диаметром 20мм длина штыря будет примерно 2 метра 65 сантиметров.

Какие антенны обычно применяют на гражданском диапазоне

Антенна 1/4 ГП ("гэпэшка" или "четвертушка")

Штырь на врезном или магнитном основании, внутри которого установлена удлиняющая катушка, дополняющая его электрическую длину до 1/4. Противовесом является кузов автомобиля, который подключен или напрямую (для врезных антенн) или через ёмкость конденсатора образуемого магнитом основания и поверхностью кузова.

На высокочастотных диапазонах, таких как LPD и PMR обычно применяют гэпэшки или 5/8, даже в автомобиле и в носимом варианте, в базовом варианте применяют коллинеарные антенны (антенные системы из электрически и механически связанных между собой нескольких антенн 1/2 или 5/8, что позволяет достигать К_усиления антенны 10 dbi и более, то есть сжимать излучение в тонкий горизонтальный блин).