Простые средства вч-измерений. Шумовой мост для настройки антенн Измерение импеданса антенны

Простой метод согласования КВ антенн в «холодном» режиме.
В настоящее настройка и согласование антенн проводится в основном с использованием КСВ-метров, когда на антенну подается довольно большая ВЧ мощность. При этом антенна ее излучает, а так как при настройке приходится несколько раз перестраивать передатчик в пределах диапазона работы антенны, создаются значительные помехи другим радиостанциям.

Между тем, есть еще один метод настройки антенн - с помощью ВЧ моста, он описан в известном всем справочнике Ротхаммеля. Но и в этом случае для работы моста требуется значительная мощность, которая может обеспечить достаточный ток в плечах моста.
Однако, если несколько модернизировать мост, то можно для настройки обойтись сигналом обычного ВЧ генератора сигналов, с напряжением на выходе 0,5 - 1 вольт. Но для этого необходимо, чтобы ВЧ сигнал был модулирован низкочастотным сигналом 400 -1000 гц, а ещу лучше чтобы генератор работал в режиме видеомодуляции импульсами такой частоты.
Такие режимы есть практически во всех современных генераторах сигналов.
Схема подключения для настройки антенны на нужную частоту и согласования ее с коаксиальным кабелем 50 ом приведена на рисунке. ВЧ генератор ставится в режим видеомодуляции или АМ с коэффициентом модуляции 100% и подключается к гнезду Х1, антенна - желательно сначала непосредственно - подключается к гнезду Х2. В гнезда ХТ подключаются головные телефоны.
Затем генератор настраивается на частоту работы антенны. Если при этом в наушниках слышится НЧ сигнал частоты модуляции генератора, значит, на данной частоте антенна имеет входное сопротивление, отличное от активного 50 ом. Перестраивая генератор по частоте в ту и другую сторону от установленной, добиваемся пропадания сигнала в наушниках. Это и будет частота, на которой входное сопротивление активное и равно 50 ом.
В зависимости от того, в какую сторону и насколько отличается эта частота от нужной, изменяем геометрические размеры антенны или данные согласующих элементов, и вновь проверяем частоту баланса моста. Добившись баланса на необходимой частоте, подключаем к антенне фидер 50 ом, и производим аналогичную проверку антенно - фидерного тракта полностью.
При исправном фидере и правильно проведенной настройке, после подключения фидера разницы в измерениях с фидером или без не наблюдается, а подключение КСВ метра показывает КСВ равный 1, или близкий к нему.
Данный метод испытан при настройки антенн до диапазана 14 мгц, настраивались как проволочные антенны на 160 и 80 метров, так и 4 элементная антенна на диапазон 20 метров.
Во всех случаях удавалось быстро и точно произвести настройку.

Шумовой мост используется для измерения и тестирования параметров антенн, линий связи, определения характеристик резонансных цепей и электрической длины фидера. Шумовой мост, как следует из его названия, является устройством мостового типа. Источник шума генерирует шум в диапазоне от 1 до 30 МГц. С применением высокочастотных элементов этот диапазон расширяется, и при необходимости можно настраивать антенны диапазона 145 МГц.

Шумовой мост работает совместно с радиоприемником, который используется для детектирования сигнала. Подойдет также любой трансивер.

Принципиальная схема прибора приведена выше. Источником шума является стабилитрон VD2. Здесь следует отметить, что некоторые экземпляры стабилитронов недостаточно «шумят», и следует выбрать наиболее подходящий. Генерируемый стабилитроном шумовой сигнал усиливается широкополосным усилителем на транзисторах VT2, VT3. Число усилительных каскадов может быть уменьшено, если используемый приемник имеет достаточную чувствительность. Далее сигнал подается на трансформатор Т1. Он намотан на тороидальном ферритовом кольце 600 НН диаметром 16…20 мм одновременно тремя скрученными проводами ПЭЛШО диаметром 0,3…0,5 мм с намотанными 6 витками.

Регулируемое плечо моста составляют переменные резистор R14 и конденсатор С12. Измеряемое плечо - конденсаторы С10, С11 и подключаемая антенна с неизвестным импедансом. В измерительную диагональ подключается приемник в качестве индикатора. Когда мост разбалансирован, в приемнике слышен мощный равномерный шум. По мере настройки моста шум становится все тише и тише. «Мертвая тишина» свидетельствует о точной балансировке.

Следует отметить, что измерение происходит на частоте настройки приемника.

Размещение деталей:

Прибор конструктивно выполнен в корпусе размером 110x100x35 мм. На передней панели располагаются переменные резисторы R2 и R14, переменные конденсаторы С11 и С12 и выключатель напряжения питания.
Сбоку размещены разъемы для подключения радиоприемника и антенны. Питание прибора осуществляется от внутренней батареи или аккумулятора. Ток потребления - не более 40 мА.

Переменные резистор R14 и конденсатор С12 необходимо снабдить шкалами.

Настройка, балансировка и калибровка

Подключаем радиоприемник с отключенной системой АРУ к соответствующему разъему. Конденсатор С12 устанавливаем в среднее положение. Вращая резистор R2, следует убедиться, что генерируемый шум присутствует на входе приемника на всех диапазонах. К разъему «Антенна» подключаем безындукционные резисторы типа МЛТ или ОМЛТ, предварительно измерив их номиналы цифровым авометром. При подключении сопротивлений добиваемся вращением R14 резкого уменьшения уровня шума в приемнике.

Подбором конденсатора С12 минимизируем уровень шума и делаем отметки на шкале R14 в соответствии с подключенным образцовым резистором. Таким образом производим калибровку прибора вплоть до отметки 330 Ом.

Калибровка шкалы С12 несколько сложнее. Для этого поочередно подключаем к разъему «Антенна» параллельно соединенные резистор 100 Ом и емкость (индуктивность) величиной 20.. 70 пФ (0,2…1,2 мкГн). Добиваемся баланса моста установкой R14 на отметке 100 Ом шкалы и минимизацией уровня шума вращением С12 в обе стороны от положения «0». При наличии RC-цепочки ставим знак «-» на шкале, а при наличии RL-цепочки - знак «+». Вместо индуктивности можно присоединить конденсатор 100 .7000 пф, но последовательно с резистором 100 Ом.

Измерение импеданса антенны

R14 устанавливаем в положение, соответствующие импедансу кабеля - это для большинства случаев 50 или 75 Ом. Конденсатор С12 устанавливаем в среднее положение. Приемник настраиваем на ожидаемую резонансную частоту антенны. Включаем мост, выставляем некоторый уровень шумового сигнала. С помощью R14 настраиваемся на минимальный уровень шума, и с помощью С12 дополнительно понижаем шум. Эти операции проводим несколько раз, так как регуляторы влияют друг на друга. Настроенная в резонанс антенна должна иметь нулевое реактивное сопротивление, а активное сопротивление должно соответствовать волновому сопротивлению применяемого кабеля. В реальных антеннах сопротивления, как активное, так и реактивное, могут существенно отличаться от расчетных.

Определение резонансной частоты

Приемник настраивается на ожидаемую резонансную частоту. Переменный резистор R14 устанавливается на сопротивление 75 или 50 Ом.
Конденсатор С12 устанавливается в нулевое положение, а контрольный приемник перестраивается по частоте до получения минимального шумового сигнала.

Этот мост не градуируется, не требует графиков частотных поправок, фиксированного уровня ВЧ и калибровки. КСВ определяется подбором вместо измеряемой нагрузки одного из эталонов из магазина эталонов шагом 10% до того же или близкого к нему показания (в моем случае - до того же уровня на экране Х1-50). При такой методике отсчет не зависит от частоты и от фактического (а не измеренного самим КСВ метром) прямого уровня сигнала. Мост не предназначен для измерения КСВ выше 4. На УКВ это не требуется. Обязательна только полная электрическая и конструктивная симметрия моста. Мост имеет заземленные разьемы и для нагрузки и для эталона,что весьма удобно и обеспечивает симметрию на частотах до 3000 МГц. Частотный диапазон ограничен только свойствами резисторов. Выше 1500 МГц лучше использовать СМD резисторы. Мост симметричен, поэтому не имеет значения, какой разьем использовать для эталона, какой для исследуемой нагрузки. Разьемы моста должны быть комплиментарны разьемам используемых сменных эталонных нагрузок. Какие либо переходники неизвестного качества между мостом и эталоном или подстроечные крутики в мосту и эталонах недопустимы.

Мост питается от усилителя мощности прибора Х1-50 в обход АРА (автом.регулятора амплитуды). За счет этого амплитуда ВЧ увеличена с 0,1 до 0,2...0,3 вольта. В один (любой) из разьемов Р вставляется эталон, в другой - исследуемая нагрузка (разьем с кабелем от нее). Сигнал разбаланса моста через предв. усилитель постоянного тока на ОУ подан на вход УВО. На частотах ниже 600 мгц остаточный разбаланс моста по КСВ не более 1.1, выше-не более 1,15. Широкополосность моста достигнута за счет симметрии и расположения эталона и нагрузки в заземленных плечах.
Мост выполнен в латунном корпусе 25х25х60 мм. Разьемы типа СР 50 или СР 75 пропаяны всей поверхностью к корпусу. Резисторы моста R1 и R3 МЛТ 1 вт могут быть от 50 до 75 ом, но их надо подобрать одинаковыми до 1%. Диоды типа Д18 и емкости 560 пф также желательно подобрать парами. Резисторы R2 и R4 МЛТ 0,25 одного номинала от 68к до 300к.

ЭТАЛОННЫЕ НАГРУЗКИ ДЛЯ МОСТА

Для работы с мостом я использую сменные эталонные нагрузки от 25 до 1000 ом из кабельных разьемов СР 50 или СР 75 для кабеля 7 мм (старые советские разьемы), из которых изьяты пружинные шайбы, короны и детали обжима кабеля. На их месте стоят резисторы МЛТ 2 вт с точностью 1%. С одной стороны вывод резистора укорочен и впаян в центральный стержень разьема, другой вывод откушен, шляпка зачищена от краски и облужена. Задняя гайка разьема завернута до входа в нее шляпки резистора на 3 мм и спаяна с ней. Резисторы подбираются из двухваттных МЛТ равного или меньшего номинала и подгоняются алмазным надфилем с пом. ЖКИ тестера типа М-838 до нужного сопротивления. У такой нагрузки можно рассчитывать на КСВ не хуже 1.1 на 145 и 436 МГц и 1.2 на 1296 МГц.

По тому же принципу можно сделать индикаторы на другие диапазоны частот. Для этого периметр петлевого вибратора должен быть около 1 длины волны на средней частоте диапазона. Двухсторонний фольгированный стеклотекстолит работает как емкость для выпрямленного ВЧ сигнала. На диапазонах ниже по частоте ее надо увеличить с помощью 2х дополнительных сосредоточенных керамических малогабаритных емкостей в 50...200 пф.

НАГРУЗКИ 50 и 75 ом для настройки и контроля УМ УКВ

Необходимы и при настройке выходных каскадов трансивера на передачу и для быстрого контроля мощности. В заводских поглотителях мощности УКВ 10..100 вт обычно применяются большие трубчатые резисторы 50 и 75 ом из которых можно сделать нагрузки для УМ с рассеиваемой мощностью в два- три раза больше, чем в поглотителях. Поглотители мощности обычно выполнены в виде конуса, в основании которого ВЧ разьем, внешняя поверхность ребристая для рассеивания тепла, а внутренняя несколько криволинейна. Резистор расположен по оси конуса и ближний к разьему торец жестко соединен с центральным штырьком, а противоположный с вершиной конуса. За счет постепенного сужения конуса по мере удаления от горячего конца образуется коаксиал с уменьшающимся к холодному концу волновым сопротивлением в той же мере, что и остающееся до холодного конца сопротивление резистора, что обеспечивает режим бегущих волн, в том числе и на частотах, где длина резистора относительно длин волн достаточно велика, обычно до частот в единицы гигагерц.
На рисунке пример конструкции нагрузки из резистора 120х24 мм и разьема СР 50(75)-167 для толстых кабелей. Резисторы 75х14 мм хорошо стыкуются с разьемами типа СР 50-33.

Коническая часть должна переходить в цилиндричскую за 5...10 мм до металлизированого кольца на резисторе. Центральный штырек разьема соединен пайкой с конусом через стержень, диаметр которого должен быть для нагрузок 50 ом в 3.5 раза, а для нагрузок 75 ом- 6.5 раз меньше внутреннего диаметра хвостовой части разьема. Заливка полиэтиленом, кроме фиксации втулки разьема нужна и для обеспечения этих волновых сопротивлений. Даже при не очень аккуратном изготовлении нагрузки имеют КСВ менее 1.15 до 150 мгц, не более 1.25 на 200 мгц и не более 1.5 на 250 мгц и далее рост до КСВ 2...3. Если вместо конуса стоит просто толстый провод, то рост КСВ начинается с частоты 30...40 мгц. За счет лучшего, чем в поглотителе мощности, охлаждения нагрузки могут рассеивать мощность в 1.3...1.5 раза больше, а при интенсивном обдуве в 2 раза, предположительно и больше. Во время работы с нагрузкой не забывайте, что в отличие от поглотителей часть мощности излучается нагрузкой, как антенной и дальний от разьема"горячий"конец на ощупь будет действительно горяч от воздействия ВЧ. С помощью миниатюрной лампочки можно оценивать и сравнивать отдаваемую мощность. Ее наличие или отсутствие на КСВ нагрузки практически не влияет.
Если более жестко зафиксировать (изолятором) точку контакта лампочки, то можно методом сравнения яркости свечения с такой же лампочкой, на которую подается регулируемое напряжение, после калибровки с помощью измерителя мощности измерять мощность с точностью 10% при уровнях 20...100% от максимально рассеиваемого (ниже- нет свечения лампочки).

МАЛОМОЩНЫЕ НАГРУЗКИ

Нагрузки для контроля мощности в единицы Ватт можно сделать по типу эталонных нагрузок для моста, повысив рассеиваемую мощность в 1.5...2 раза, если торец в торец припаять второй резистор. Здесь вместо родной гайки поставить воронку из жести с отверстием под шляпку резистора. Юбку воронки припаять к корпусу разьема. Здесь нужны резисторы 24+24 Ом для нагрузки 50 Ом или 36+39 ом для нагрузки 75 Ом. КСВ немного больше.
Вместо воронки можно припаять две полоски медной фольги шириной 5...8 мм,а между местом спайки двух резисторов и корпусом разьема миниатюрную лампочку СМН 20 ма 6 в. Получится нагрузка для быстрого контроля мощности от 1 до 15 вт с КСВ не более 1,2 на 145 и 1,4 на 436. Нижний резистор здесь взять 27 или 39 ом,верхний 24 или 39 ом соответственно. При навыке можно определять мощность +- 20...40%. При свечении лампочки ее сопротивление гораздо больше резистора и не шунтирует его.
Нагрузки из разьемов меньшего диаметра лучше делать из одноваттных резисторов 24+24 ом или 24+24+24 ом соотв. В общем случае КСВ будет минимальным, если стремиться к конструкции в виде одного или спаянных шляпками резисторов и конического экрана над ними в виде конуса диаметром от 2.3 для 50 ом и 3.6 для 75 ом у горячего конца и сходящемуся до диаметра шляпки резистора у холодного конца, где 2,3 и 3,6-отношение диаметра конуса к диаметру проводящего слоя резистора.

Об источниках ВЧ для КСВ метров

КСВ, который регистрирует КСВ метр, это отношение Uмакс / Uмин. в линии или иначе, Uпад.+Uотраж. / Uпад.-Uотраж. Если мы зондируем нагрузку (антенну) сигналом с частотой, на которой она согласована с волновым сопротивлением линии, отраженные волны отсутствуют и КСВ = 1. Зондируя антенну сигналом с частотой далеко вне ее диапазона частот, мы получим почти полное отражение сигнала от нее. Уровень отраженного сигнала выражается в виде коэффициента отражения Ко или, чаще, в виде КСВ = 1+Ко / 1-Ко. Что и фиксирует наш КСВ метр на этой частоте. Если мы зондируем антенну одновременно двумя сигналами, один с рабочей частотой, другой с частотой вне диапазона частот антенны, первый будет поглощен нагрузкой (антенной), второй отразится от неё, что тоже зарегистрирует КСВ метр в виде КСВ антенны > 1, т. е с погрешностью на измеряемой частоте. Отсюда следует, что зондирующий сигнал должен быть синусоидальным, т. е. не содержащим гармоник вообще или с уровнем ниже, чем допустимая погрешность КСВ метра. Такой сигнал можно получить или от добротного LC генератора или путем преобразования в синусоиду прямоугольного сигнала (нечто обратное обработке аналогового звукового сигнала в цифровой).

В таблице справа показан уровень основной частоты и гармоник до пятой в сигнале прямоугольной формы. В лучшем случае, при соотношении 50 /50, он составляет лишь 0,637. Остальные частоты, интегрированные в уровень 0,363, будут почти полностью отражены антенной, в результате КСВ метр покажет 1+0,363 / 1-0,363 = 2,14 вместо 1.0. (Практически, из за неполного отражения и затухания в кабеле, немного меньше).
При выборе схем источников зондирующего ВЧ сигнала для КСВ метра или готовых изделий надо учитывать, что точность измерений при наличии гармоник в сигнале падает. А готовые изделия с необработанным, прямоугольным сигналом (есть и такие), годятся лишь для измерения КСВ частотонезависимых нагрузок типа резисторов (с чем гораздо успешнее справляется любой обычный тестер), которые одинаково хорошо поглощают все частоты. Истинное значение КСВ они покажут только на таких нагрузках. Всё сказанное относится к КСВ метрам любого типа, мостовым, на направленных ответвителях, на токовых трансформаторах.
Есть и обратный способ, шумоподобный сигнал подается и на зондирование и на селективный приемник, но прямой сигнал сбалансирован мостом в ноль и приемник реагирует только на отраженный и отфильтрованный им (например см. журнал "Радио" 1978 г. № 6 стр. 19). Но и здесь та же фильтрация сигнала, но после зогдирования, селективным приемником.

Шумовой мост, как следует из его названия, является устройством мостового типа. Источник шума генерирует шум в диапазоне от 1 до 30 МГц. С применением высокочастотных элементов этот диапазон расширяется, и при необходимости можно настраивать антенны диапазона 145 МГц. Шумовой мост работает совместно с радиоприемником, который используется для детектирования сигнала. Подойдет также любой трансивер.

Принципиальная схема прибора приведена на рис.1. Источником шума является стабилитрон VD2. Здесь следует отметить, что некоторые экземпляры стабилитронов недостаточно "шумят", и следует выбрать наиболее подходящий. Генерируемый стабилитроном шумовой сигнал усиливается широкополосным усилителем на транзисторах VT2, VT3.

Число усилительных каскадов может быть уменьшено, если используемый приемник имеет достаточную чувствительность. Далее сигнал подается на трансформатор Т1. Он намотан на тороидальном ферритовом кольце 600 НН диаметром 16...20 мм одновременно тремя скрученными проводами ПЭЛШО диаметром 0,3...0,5 мм; число витков -6.

Регулируемое плечо моста составляют переменные резистор R14 и конденсатор С12. Измеряемое плечо - конденсаторы С10, СИ и подключаемая антенна с неизвестным импедансом. В измерительную диагональ подключается приемник в качестве индикатора. Когда мост разбалансирован, в приемнике слышен мощный равномерный шум. По мере настройки моста шум становится все тише и тише. "Мертвая тишина" свидетельствует о точной балансировке. Следует отметить, что измерение происходит на частоте настройки приемника. Печатная плата и размещение деталей на ней приведены на рис.2.

Прибор конструктивно выполнен в корпусе размером 110х100х35 мм. На передней панели располагаются переменные резисторы R2 и R14, переменные конденсаторы С11 и С12 и выключатель напряжения питания. Сбоку - разъемы для подключения радиоприемника и антенны. Питание прибора осуществляется от внутренней батареи типа"Крона"или аккумулятора. Ток потребления - не более 40 мА.
Переменные резистор R14 и конденсатор С12 необходимо снабдить шкалами.

Настройка, балансировка и калибровка

Подключаем радиоприемник с отключенной системой АРУ к соответствующему разъему. Конденсатор С12 устанавливаем в среднее положение. Вращая резистор R2, следует убедиться, что генерируемый шум присутствует на входе приемника на всех диапазонах. К разъему "Антенна" подключаем безындукционные резисторы типа МЛТ или ОМЛТ, предварительно измерив их номиналы цифровым авометром. При подключении сопротивлений добиваемся вращением R14 резкого уменьшения уровня шума в приемнике.

Подбором конденсатора С12 минимизируем уровень шума и делаем отметки на шкале R14 в соответствии с подключенным образцовым резистором. Таким образом производим калибровку прибора вплоть до отметки 330 Ом.

Калибровка шкалы С12 несколько сложнее. Для этого поочередно подключаем к разъему "Антенна" параллельно соединенные резистор 100 Ом и емкость (индуктивность) величиной 20...70 пф (0,2...1,2 мкГн). Добиваемся баланса моста установкой R14 на отметке 100 Ом шкалы и минимизацией уровня шума вращением С 12 в обе стороны от положения "О". При наличии RC-цепочки ставим знак"-" на шкале, а при наличии RL-цепочки - знак "+". Вместо индуктивности можно присоединить конденсатор 100...7000 пф, но последовательно с резистором 100 Ом.

Измерение импеданса антенны

R14 устанавливаем в положение, соответствующие импедансу кабеля - это для большинства случаев 50 или 75 Ом. Конденсатор С12 устанавливаем в среднее положение. Приемник настраиваем на ожидаемую резонансную частоту антенны. Включаем мост, выставляем некоторый уровень шумового сигнала. С помощью R14 настраиваемся на минимальный уровень шума, и с помощью С12 дополнительно понижаем шум. Эти операции проводим несколько раз, так как регуляторы влияют друг на друга. Настроенная в резонанс антенна должна иметь нулевое реактивное сопротивление, а активное сопротивление должно соответствовать волновому сопротивлению применяемого кабеля. В реальных антеннах сопротивления, как активное, так и реактивное, могут существенно отличаться от расчетных.

Определение резонансной частоты

Приемник настраивается на ожидаемую резонансную частоту. Переменный резистор R14 устанавливается на сопротивление 75 или 50 Ом.

Конденсатор С12 устанавливается в нулевое положение, а контрольный приемник перестраивается по частоте до получения минимального шумового сигнала.