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).
Сегодня КСВ-метры есть практически на любой любительской радиостанции - встроенные в фирменную аппаратуру, самостоятельные фирменные приборы или самодельные. Результаты их
работы (КСВ антенно-фидерного тракта) широко обсуждаются радиолюбителями.
Как известно, коэффициент стоячей волны в фидере однозначно определяется входным импедансом антенны и волновым сопротивлением фидера. Эта характеристика антенно-фидерного тракта не зависит ни от уровня мощности, ни от выходного сопротивления передатчика. На практике его приходится измерять на некотором удалении от антенны - чаще всего непосредственно у трансивера. Известно, что фидер трансформирует входной импеданс антенны в некоторые его значения, которые определяются длиной фидера. Но при этом в любом сечении фидера они такие, что соответствующее им значение КСВ не изменяется. Другими словами, он в отличие от импеданса, приведённого к дальнему от антенны концу фидера, не зависит от длины фидера, поэтому измерять КСВ можно и непосредственно у антенны, и на некотором удалении от неё (например, у трансивера).
В радиолюбительских кругах ходит немало легенд о «полуволновых повторителях», якобы улучшающих КСВ. Фидер с электрической длиной в половину рабочей длины волны (или в их целое число) действительно является «повторителем» - импеданс на дальнем от антенны его конце будет равен входному импедансу антенны. Единственная польза от этого эффекта - возможность дистанционно измерить входной импеданс антенны. Как уже отмечалось, на значение КСВ (т.е. на энергетические соотношения в антенно- фидерном тракте) это не влияет.
На самом деле при удалённом от точки подключения фидера к антенне измерении КСВ регистрируемое его значение всегда несколько отличается от истинного. Эти отличия объясняются потерями в фидере. Они строго детерминированы и могут только «улучшить» регистрируемое значение КСВ. Однако это эффект часто на практике бывает незначительным, если используется кабель с малыми погонными потерями и длина самого фидера сравнительно небольшая.
Если входной импеданс антенны не является чисто активным и равным волновому сопротивлению фидера, в нём устанавливаются стоячие волны, которые распределены по фидеру и состоят из чередующихся минимумов и максимумов ВЧ напряжения.
На рис. 1 показано распределение напряжения в линии при чисто активной нагрузке, несколько большей волнового сопротивления фидера. При наличии в нагрузке реактивности распределение напряжения и тока смещается влево или вправо по оси ^ в зависимости от характера нагрузки. Период повторения минимумов и максимумов по длине линии определяется рабочей длиной волны (в коаксиальном фидере - с учётом коэффициента укорочения). Их характеристикой и является значение КСВ - отношение максимального и минимального напряжения в этой самой стоячей волне, т. е. КСВ = Umax/Umin.
Напрямую значения этих напряжений определяют только с помощью измерительных линий, которые в любительской практике не применяют (в диапазоне коротких волн - и в профессиональной тоже) Причина тому простая: чтобы иметь возможность измерить изменения этого напряжения по длине линии, её длина должна быть заметно больше, чем четверть волны. Иными словами, даже для самого высокочастотного диапазона 28 МГц она должна быть уже несколько метров и соответственно ещё больше для низкочастотных диапазонов.
По этой причине и были разработаны малогабаритные датчики прямой и обратной волн в фидере («направленные ответвители»), на основе которых и изготавливают современные измерители КСВ в диапазонах коротких волн и в низкочастотном участке УКВ диапазона (примерно до 500 МГц). Они измеряют высокочастотное напряжение и токи (прямой и обратный) в конкретной точке фидера, а на основании уже этих измерений и вычисляется соответствующий им КСВ. Математика позволяет вычислить его точно по этим данным - с этой точки зрения метод абсолютно честный. Проблема состоит в погрешности датчиков как таковых.
По физике работы таких датчиков они должны измерять ток и напряжение в одной и той же точке фидера. Существует несколько вариантов исполнения датчиков - схема одного из самых распространённых вариантов приведена на рис. 2.
Они должны быть выполнены так, чтобы при нагрузке измерительного узла эквивалентом антенны (резистивной безындукционной нагрузкой с сопротивлением, равным волновому сопротивлению фидера) напряжение на датчике, которое снимается с ёмкостного делителя на конденсаторах С1 и С2, и напряжение на датчике тока, которое снимается с половин вторичной обмотки трансформатора Т1, были равны по амплитуде и сдвинуты по фазе точно на 180° или 0° соответственно. Причём эти соотношения должны сохраняться во всей полосе частот, на которую рассчитан данный измеритель КСВ. Далее эти два ВЧ напряжения либо суммируются (регистрация прямой волны), либо вычитаются (регистрация обратной волны).
Первым источником погрешностей при этом методе регистрации КСВ является то, что датчики, особенно в самодельных конструкциях, не обеспечивают названные выше соотношения между двумя напряжениями во всей полосе частот. Как результат, происходит «разбаланс системы» - проникание ВЧ напряжения из канала, обрабатывающего информацию о прямой волне, в канал, делающий это для обратной волны, и наоборот. Степень развязки этих двух каналов принято характеризовать коэффициентом направленности прибора. Даже у вроде бы хороших приборов, предназначенных для радиолюбителей, и тем более у самодельных, он редко превышает 20…25 дБ.
Это означает, что нельзя доверять показаниям подобного «измерителя КСВ» при определении небольших значений КСВ. Причём в зависимости от характера нагрузки в точке измерения (а она зависит от длины фидера!) отклонения от истинного значения могут быть в ту или иную сторону. Так, при коэффициенте направленности прибора 20 дБ значению КСВ=2 могут соответствовать показания прибора от 1,5 до 2,5. Вот почему один из методов проверки подобных приборов - измерение КСВ, не равного 1 при длинах фидера, отличающихся на четверть рабочей длины волны. Если будут получены различные значения КСВ, это лишь говорит о том, что у конкретного КСВ-метра недостаточный коэффициент направленности…
Именно этот эффект и породил, по-видимому, легенду о влиянии длины фидера на КСВ.
Ещё один момент - это не совсем «точечный» характер измерений в таких приборах (точки съёма информации о напряжении и токе не совпадают).
Влияние этого эффекта менее значимо. Другой источник погрешностей - падение эффективности выпрямления диодов датчиков при малых ВЧ напряжениях. Эффект этот известен большинству радиолюбителей. Он приводит к «улучшению» КСВ при его малых значениях. По этой причине в КСВ-метрах практически никогда не используют кремниевые диоды, у которых зона неэффективного выпрямления гораздо больше, чем у германиевых или у диодов Шотки. Наличие этого эффекта в конкретном приборе легко проверяется изменением уровня мощности, при котором производятся измерения. Если КСВ начинает «возрастать» при увеличении мощности (речь идёт о его малых значениях), значит диод, ответственный за регистрацию обратной волны, явно занижает соответствующее ей значение напряжения.
При ВЧ напряжении на выпрямителе датчика меньше 1 В (эффективное значение) линейность вольтметра, в том числе и выполненного с использованием германиевых диодов, нарушается. Этот эффект можно минимизировать, производя градуировку шкалы КСВ-метра не расчётным путём (как это часто делают), а по реальным значениям КСВ нагрузки.
Ну и, наконец, нельзя не упомянуть ток, протекающий по внешней оплётке фидера. Если не приняты соответствующие меры, он может быть заметным и влиять на показания прибора. В его отсутствии обязательно надо убедиться при измерениях КСВ реальных антенн.
Все эти проблемы присутствуют и в приборах заводского изготовления, но особенно они обостряются в самодельных конструкциях. Так, в подобных устройствах не последнюю роль может играть даже недостаточная экранировка внутри блока датчиков прямой и обратной волн.
Что касается приборов заводского изготовления, то для иллюстрации их реальных характеристик можно привести данные из обзора, опубликованного в . В лаборатории ARRL были проверены пять измерителей мощности и КСВ разных фирм. Цена - от 100 до 170 долларов США. Четыре прибора использовали двухстрелочные индикаторы прямой и обратной (отражённой) мощности, позволявшие сразу считывать значение КСВ по объединённой шкале прибора. Практически все приборы имели заметную погрешность измерения мощности (до 10…15%) и заметную неравномерность её индикации по частоте (в полосе частот 2…28 МГц). То есть можно ожидать, что погрешность отсчёта КСВ будет выше приведённых значений. Более того, не все приборы, будучи подключёнными к эквиваленту антенны, показывали КСВ=1. Один из них (не самый дешёвый) даже показал 1,25 на частоте 28 МГц.
Иными словами, надо быть аккуратным при проверке самодельных КСВ-метров по приборам, которые выпускаются для радиолюбителей. И в свете сказанного совсем смешно звучат заявления некоторых радиолюбителей, которые нередко можно услышать в эфире или прочитать в радиолюбительских статьях в Интернете или в журналах, что у них КСВ, к примеру, 1,25… Да и целесообразность введения в подобные приборы цифрового отсчёта значений КСВ представляется не такой уж целесообразной.
Борис СТЕПАНОВ
Коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН, VSWR)
Коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН, VSWR)
В современном мире электронная техника развивается семимильными шагами. Каждый день появляется что-то новое, и это не только небольшие улучшения уже существующих моделей, но и результаты применения инновационных технологий, позволяющих в разы улучшить характеристики.
Не отстает от электронной техники и приборостроительная отрасль - ведь чтобы разработать и выпустить на рынок новые устройства, их необходимо тщательно протестировать, как на этапе проектирования и разработки, так и на этапе производства. Появляются новая измерительная техника и новые методы измерения, а, следовательно – новые термины и понятия.
Для тех, кто часто сталкивается с непонятными сокращениями, аббревиатурами и терминами и хотел бы глубже понимать их значения, и предназначена эта рубрика.
Коэффициент стоячей волны по напряжению – это отношение наибольшего вдоль линии значения амплитуды напряжения к наименьшему.
Коэффициент стоячей волны по напряжению вычисляется по формуле:
,
где U 1 и U 2 - амплитуды падающей и отражённой волн соответственно.
В идеальном случае КСВН = 1, это означает, что отраженная волна отсутствует. При появлении отраженной волны возрастает в прямой зависимости от степени рассогласования тракта и нагрузки. Допустимые значения КСВН на рабочей частоте или в полосе частот для различных устройств регламентируются в технических условиях и ГОСТах. Обычно приемлемые значения коэффициента лежат в пределах от 1,1 до 2,0.
Измеряют КСВН, например, с помощью включённых в тракт в противоположном направлении двух направленных ответвителей. В космической технике КСВН измеряется встроенными в волноводные тракты датчиками КСВ. Современные анализаторы цепей также имеют встроенные датчики КСВН.
При проведении измерений КСВН необходимо учитывать, что затухание сигнала в кабеле приводит к погрешности измерений. Это объясняется тем, что как падающая, так и отраженная волны испытывают затухание. В таких случая КСВН рассчитывается следующим образом:
,
где К - коэффициент ослабления отраженной волны, который вычисляется следующим образом: K = 2BL,
здесь В - удельное затухание, дБ/м;
L - длина кабеля, м;
а множитель 2 учитывает тот факт, что сигнал испытывает ослабление при передаче от источника СВЧ сигнала к антенне и на обратном пути.
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
|
|
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 |
|
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.
|
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 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. Измерители КСВ и мощности
SX
-20 и
SX
-40 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 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». 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 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. 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. 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. 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. 
Публикации
|
