Во время моих экспериментов на УКВ и нижних СВЧ диапазонах, я столкнулся с проблемой точного измерения КСВ. Коммерческие КСВ-метры редко доступны для этих диапазонов и либо недостаточно точны, либо слишком дороги. И решил я сделать мой собственный КСВ-метр. Но какой тип? Из моих предыдущих экспериментов с направленными ответвителями, я пришел к выводу, что планарные направленники не слишком подходят для этого применения.
Они имеют много недостатков и их конструкция довольно сложна. Таким образом, попивая старопраменское, решил я, други мои, поискать в других местах. Идея КСВ-метра, который я собираюсь описать в этой статье, стянута у Пола G7EYT. Смотрите ссылку [Л.1].
ОБЩАЯ КОНЦЕПЦИЯ
Принципиальная схема КСВ-метра показана на Рис. 1. Можно видеть, что КСВ-метр состоит из трех основных частей: направленный ответвитель, два детектора и блок отображения. Направленный ответвитель используется для оделения части мощности от падающей и отраженной волны. Детекторы преобразуют эту высокочастотную энергию в постоянный ток, который отображается в блоке отображения. Все эти части описаны далее. Последующие разделы демонстрируют мою конструкцию КСВ-метра.
Направленный ответвитель:
Направленный ответвитель сделан из двух отрезков полужесткого коаксиального кабеля с наружный диаметром 3.5 мм. Оба кабеля имеют продольные проточки, пропиленные в экранирующем проводнике, так что внутренние проводники открыты. Эти зазоры имеют 60 мм в длину и 1 мм в ширину (Paul использует проточку 30x2mm [Л.1]. Но его направленный ответвитель используется для ISM диапазона, так что, он половинной длины.) Обе линии сжаты и спаяны вместе таким образом, что зазоры перекрываются.
Это обеспечивает связь между двумя линиями, сохраняя при этом характеристический импеданс линий практически без изменений. Также, коаксиальная концепция обеспечивает низкое излучение, хорошую передачу между разъёмами и собственно направленным ответвителем и , таким образом, обеспечит низкие вносимые потери и низкий входной и выходной коэффициенты отражения.
Детекторы:
Детекторы также следуют концепции Павла [Л.1]. Единственное отличие состоит в типе используемых детекторных диодов. Можно сказать, что могут быть использованы практически любые СВЧ диоды Шоттки с низким напряжением барьера. Я использовал какой-то неизвестный тип из какого то связного прибора. Вы можете использовать корпус с двумя диодами (как у меня), два диода в разных корпусах или даже один диод, но у него чувствительность будет похуже. Можно прикинуть по-грубому, что чувствительность однодиодного выпрямителя будет на 6дБ хуже (половина напряжения), чем в случае двухдиодного выпрямителя, что довольно ощутимо.
Кроме прочего, оба детектора должны использовать один и тот же тип детекторных диодов (полностью идентичные), чтобы обеспечить достоверность измерения.
Блок отображения:
В моей конструкции я использовал широкораспространённую концепцию двух стрелочных измерителей с потенциометром для подстройки чувствительности. Измеритель, подключенный к детектору #1, показывает проходящую мощность, а измеритель, подключенный к детектору #2, показывает мощность отраженного сигнала. Если мы устанавливаем потенциометр так, чтобы измеритель проходящей мощности отклонился на полную шкалу, то второй измеритель (отраженная мощность) покажет нам непосредственно значение КСВ (второй прибор должен быть откалиброван для КСВ).
ИЗГОТОВЛЕНИЕ НАПРАВЛЕННОГО ОТВЕТВИТЕЛЯ
Направленный ответвитель выглядит простым, но его изготовление не так легко и однозначно. Я попытаюсь описать здесь некоторые советы и рекомендации. Единственным подходящим типом кабеля для этого устройства является «полужесткий » коаксиальный кабель в медной трубке (semirigid). Общедоступный более гибкий коаксиальный кабель (semiflexible) с пелетеной и лужёной внешней обкладкой, не подходит. Ибо, непросто будет его точить.
Прежде всего, вы должны подготовить обе части полужесткого кабеля. Отрезать куски кабеля на соответствующую длину (60 мм для участка связи + необходимую участок под разъёмы) и подготовить все четыре конца для пайки разъёмов.
Не паять разъёмы прямо сейчас, они будут охлаждать куски кабеля во время спайки кабелей в месте проточки.
Выровнять оба куска кабеля, отмерить 60 мм в середине для промежутков и подогнуть все концы. Довольно рискованно подгибать кабели после проточки - вы можете их легко деформировать.
Затем спаяйте линии в середине (если вы используете алюминиевые коаксиалы, то применить паяльный флюс для алюминия), потом зажать все в тиски и проточить зазоры в середине. (чотта не догнал, как он себе представляет спаяные кабели точить).
Размеры проточек должны быть приблизительно 60x1mm, но по опыту моих измерений, это не строгое требование. Длина проточки должна быть от 50 до 70 мм, если вы хотите использовать диапазон от 144 до 1296MHz.
Ширина зазоров также не сильно критична. Если сделаете более широкие проточки, то внутренние проводники будут находиться на меньшем расстоянии друг от друга и получите более сильный коэффициент связи. Тогда КСВ-метр будет иметь бОльшую чувствительность и будет работать с более слабыми сигналами.
Небольшая окантовка по краям зазоров не влияет на конечные параметры.
После того, как обе щели проточены, можете спаять линии вместе. Позаботьтесь о хорошем перекрытии на участке проточки! Когда все собрано, припаять разъёмы.
Моя конструкция направленного ответвителя показана на рисунке 2.
ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТЕКТОРОВ
Как было сказано, я использовал SMA папу для связанной линии. А сами детекторы установлены на SMA мамы с фланцем. Таким путём вы можете легко снимать детекторы с направленного ответвителя и делать какие-либо измерения, если соответствующие приборы доступны (полагаю, там is-if опечатка).
Компоненты детектора непосредственно припаяны на корпусе соединительного устройства, без какой-либо печатной платы. Таким образом, все паразитные параметры сведены к минимуму, и мы можем предположить, что детектор будет также нормально работать на более высоких частотах. Я использовал 0603 чип резисторы и конденсаторы. (Я думаю, Павел [Л.1] использует компонеты размера 0805.) У меня значения такие:
C1, C3, C5, C7: 100pF; С2, С4, С6, С8: 560pF; R 1, R 2, R 3, R 4: 100; R 5, R 6, R 7, R 8: 10k; переменник R9, R10: 22k / линейный / стерео.
Как я уже говорил ранее, я использовал какие попало неизвестные диоды Шоттки. Я так полагаю, что диоды типа BAT-15 будут работать точно также. Детектор показан на Рис 3.
МОДИФИКАЦИЯ СТАРОГО КСВ-МЕТРА
Я упаковал весь КСВ-метр в корпус от старого неиспользуемого покупного КСВ-метр. Да просто поиспользовал корпус вместе с двумя стрелочными индикаторами, которые были откалиброваны в SWR. Мой вариант показан на рисунках 4 и 5.
ИЗМЕРЕННЫЕ ПАРАМЕТРЫ
Графики коэффициента связи ( полезная связь между основной линией и ответвителем, это график s31 на Рис. 1) и изоляции ( паразитная связь между основной линией и ответвителем - это график s41 на Рис. 1) показаны на Рис. 6 и 7. Желательно, чтобы рзница между изоляцией и коэффициентом связи (это показатель направленность) была как можно больше, потому что это значение определяет нижний предел КСВ, который прибор способен измерять без существенных ошибок. Как видно из графиков, Рис. 6 и 7, значения направленности на любительских диапазонах будут:
26,5 дБ на 144 Мгц; 24,6 дБ на 432 Мгц; 19,4 дБ на 1296 МГц.
Поскольку полезный сигнал, детектируемый на связанной линии, должна быть сильнее, чем сигнал от паразитной связи (неидеальность направленника), то можно ожидать, что нижний предел коэффициента отражения, отображаемый без значительной погрешности, будет находиться примерно в пределах:
-20,5 дБ на 144 Мгц; -18,6 дБ на 432 МГц ; -13,4 дБ на 1296 Мгц
Это означает следующие (минимальные ) показатели КСВ:
1,21 на 144 Мгц; 1,27 на 432 Мгц; 1,54 на 1296 Мгц.
До таких величин КСВ прибор будет показывать более-менее достоверно, но для меньших значений КСВ ошибка становится неприемлемой. ( когда сильно хорошо, то привирает.) На частотах выше 1,5 ГГц направленность становится слишком низкой, поэтому этот КСВ-метр не должен использоваться для частот выше 1.5ГГц. Если хотите использовать КСВ-метр на более высоких частотах, необходимо сделать направленный ответвитель с участком связи покороче (ну и, само собой, пересчитать детектор).
Положим, сопротивление стрелочного прибора находиться в диапазоне от 400 до 1000 Ом (вся шкала при 100uA ), тогда напряжение порядка 60 мВ отклонит стрелку на всю шкалу. На основании Таблицы 1, такое напряжение получим от сигнала мощностью -10dBm. Если далее принять во внимание Рис.6, то можем сделать вывод, что КСВ-метр должен быть способен полноценно работать с проходной можностью начиная с величин:
35 дБм (~ 3 Вт) на 144 Мгц; 25 дБм(~ 0,3 Вт) на 432 Мгц; 22 дБм (~ 0,15 Вт) на 1296 МГц.
На деле, нижний порог повыше будет, например на 432 MГц начинает показывать с 1 Ватта (вместо 0.3 расчётных).
Что касается верхнего предела измеряемой мощности, то это определяется обратным напряжением диода, используемого в детекторах. Предположим, это значение будет 4V (пример для BAT-15), и если принять в рассмотрение таблицу 1, можно сделать вывод, что детектор может выдержать можность на входе примерно до 22dBm. Пересчитав эти 22dBm ко входу направленного ответвителя, получим (проходную):
66dBm (~ 4kW) на 144MHz, 57dBm (~500W) на 432 МГц и 54dBm (~ 250W) на 1296MHz.
Но сомнительно, что остальная часть КСВ-метра будет способна выдержать такую мощность (4кВт).
Обратите внимание, что все представленные расчеты являются только грубой оценкой. Дальнейшие измерения показывают, что вносимые потери КСВ-метра значительно ниже 0,2dB для частот до 1,8GHz и коэффициент отражения (направленника) лучше, чем -25 дБ для частот до 2 ГГц. Остальные результаты измерений можно найти по ссылке [Л.2].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной статье описана конструкция простого КСВ-метра, который подходит для использования в основном УКВ и СВЧ частотах. По приведенным промерам видно, что этого КСВ-метра вполне достаточно для любительских целей. Желаю удачи всем, кто решил этот КСВ-метр повторить.
73, Хонза OK1TIC
ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
[1] www.frars.org.uk/cgi-bin/render.pl?pageid=1085 [2] www.radioamater.cz или http://ok1tic.nagano.cz
Комментарии: "От себя добавлю - лучше не ставить два детектора на один направленник, если делаете измерительный прибор. Не поленитесь сделать два направленника - один для падающей , другой для отраженной. "
