Схемотехника - УКВ аппаратура_антенны_окончание. - Трансиверы и радиостанции - Радиосвязь

АЗБУКА УКВ-АППАРАТУРЫ

Статья 12. Немного теории и основы

настройки УКВ антенн. (окончание)

Специальные приборы Рефлектометp

На рис. 12.10 показана схема прибора, называемого рефлектометр. Прибор служит для согласования передатчика с фидером антенны и для согласования фидера с антенной.

Прибор представляет собой отрезок коаксиальной линии, под экраном которого размещаются две измерительных линии L1 и L2. Позиция 1 на схеме обозначает экранирующую цилиндрическую поверхность линии, позиция 2 - центральная жила линии. Измерительные точки 3, 4 и 5 служат для подключения вольтметра постоянного напряжения, включенного в положение для измерения малых величин напряжения.

При прохождении по коаксиальной линии электромагнитной энергии, в линиях L1 и L2 возникает электрический ток, который детектируется диодами VD1 и VD2, присутствующие в нем импульсы сглаживаются конденсаторами C1 и С2.

Принцип действия прибора основан на том, что в передающейся от передатчика к антенне волновой электромагнитной энергии присутствует одновременно два вида волны - волна прямая, идущая от передатчика к антенне и волна обратная, которая представляет собой часть энергии, отраженной от антенны. Величина отраженной волны зависит от согласования волнового сопротивления фидера с входным сопротивлением антенны. При полном согласовании отраженная волна отсутствует, чем хуже это согласование, тем большая часть энергии отражается от несогласованной с фидером антенны и возвращается в выходной контур передатчика.

Если предположить, что передатчик находится слева, т.е. со стороны диода VD1, то в таком случае величина напряжения U1 будет характеризовать волну прямую, a U2- волну отраженную.

Соотношения прямой и отраженной волн характеризует специально созданный коэффициент, называемый коэффициентом стоячей волны - КСВ.

Применение рефлектометра

Основное назначение прибора - измерение коэффициента стоячей волны (КСВ), определение потери мощности и контроль согласования.

Для измерения KCB прибор включают между выходом передатчика и кабелем антенны. Сначала измеряют величину напряжения от прямой (падающей) волны (ПВ), т.е. напряжение от диода, расположенного со стороны генератора. При этом связь с передатчиком подбирают такой, чтобы получить удобный отсчет по шкале прибора a1. Затем измеряют напряжение от отраженной волны (диод со стороны антенны), показания прибора в этом случае обозначим как а2.

Коэффициент отражения (потеря мощности) определяется отношением:

, где Uотр и Uпад-:значения напряжений, на которые реагирует рефлектометр; a1 и а2 - отклонения стрелки по шкале прибора.

Зная коэффициент отражения Р, можно определить и KCB в измеряемой линии: KCB = (1 + P) / (1 - P)

Рассмотрим пример.

Например, при измерении параметров антенны получено a1 = 20, а2 = 5, какой будет KCB и потеря мощности?

Следовательно, KCB =(1+0,5)/(1-0,5) = 3,0.

Такие подсчеты нужны лишь в том случае, если по каким-либо соображениям нельзя добиться согласования и узнать мощность, которую действительно излучает антенна с учетом всех потерь. Однако чаще всего рефлектометр сначала используют как индикатор рассогласования, сопоставляя al , а2, первое число должно быть больше второго. Если удастся, например, перемещением рефлектора в антенне «волновой канал» добиться того, что a2 будет в 10 раз меньше a1 при незначительном изменении усиления антенны, то дальнейшего уменьшения отраженной волны надо уже добиваться согласующим трансформатором T или изменением диаметров и расстояний у сложных петлевых вибраторов.

Соотношения a2/a1=10, 15, 20 соответствуют KCB - 1,93, 1,7, 1,57 и потеря мощности Pn = 10%, 8%, 5%. Следовательно, приемлемым надо считать соотношение a2/a1 = 10, так как более высокие соотношения требуют точности и от самого рефлектометра.

Точность измерения при помощи рефлектометра оценивается соотношением a2/a1 без нагрузки. В этом случае вся мощность падающей волны должна отразиться обратно, т.е. а2 = al или a2/a1 = 1. Отклонение от 1, выраженное в процентах, можно считать погрешностью Кп прибора.

В описываемой ниже конструкции Кп = 1,3% на 400 МГц, 1,6% на 600 МГц, 2,2% на 900 МГц. Уменьшить погрешность на желаемом узком участке диапазона можно подбором длины линий связи L1 и L2 и величиной сопротивления нагрузки R1. Например, для диапазона 120...450 МГц меньшую погрешность дает длина L1 = L2 = 19мм, при R1= 160...170 Ом, при этом получим Pn = 5…6%.

Пример конструкции рефлектометра

На рис. 12.11 показан один из возможных вариантов конструкции УКВ рефлектометра, созданного на основе линии с квадратным экраном, который способен работать в диапазоне 100...600 МГц.

КСВ, вносимый самим прибором в линию передачи, порядка 1,1...1,13 в указанном диапазоне частот. Применять прибор можно и на более высоких частотах, но при этом погрешность измерений возрастет. Прибор состоит из отрезка линии с квадратным экраном 1 и 2, измерительной платы 3, на которой укреплены два диода б, два конденсатора 7 и резистор 8. Также к плате 3 крепится измерительная линия 9. На корпусе экрана 1 (с торцoв) крепятся два ВЧ разъема 4, к выводам которых припаивается внутренний проводник линии 2. с направленным ответвителем, состоящем из линий.

Крышка 5 крепится к корпусу 1 винтами (на рис. 12.11 винты не показаны).

Размеры корпуса 1, представляющего собой экран линии, и диаметр внутреннего проводника линии 2 зависят от выбранной величины волнового сопротивления линии. На рис. 12.12 показан разрез линии с экраном квадратной формы, необходимый для некоторых разъяснений.

Величина волнового сопротивления подобной линии, имеющей в качестве диэлектрика воздух, выражается математической формулой Z₀ = 59,952 * ln(l,0787 * b/d) Ом.

Эта формула дает очень точные результаты для величины d/b < 0,65 (это соответствует величине Zo = 30 Ом).

Привожу некоторые величины d/b, соответствующие определенным Z_0.

Для волнового сопротивления 60 Ом (Z₀ = 60) величина d/b = 0,4,

Для волнового сопротивления 65 Ом (Z₀ = 65) величина d/b - 0,37,

Для волнового сопротивления 70 Ом (Z₀ - 70) величина d/b = 0,34,

Для волнового сопротивления 75 Ом (Z₀ = 75) величина d/b = 0,31.

В данном случае волновое сопротивление линии 75 Ом (d/b = 0,31) диаметр внутреннего проводника линии принят равным 6мм (имелась в наличии медная трубка такого диаметра), при этом внутренний размер экрана b = d/0,31 = 6 ; 0,31 = 20мм.

Внутренний проводник линии 2 сделан из куска латунной трубки диаметром 6,0 мм длиной 160 мм, удлиненной с обоих концов ступенчатыми переходами длиной по 14,6мм и диаметром 4мм. Эти удлинители выполнены из медной проволоки 0 4мм, вставлены в трубку и припаяны. В торцах удлинителей просверлены отверстия 0 2мм, в которые впаивается отрезок медной проволоки такого же диаметра, необходимый для крепления сложного внутреннего проводника к ВЧ разъемам. Такая сложная конструкция внутреннего проводника необходима для перехода от линии большого размера к кабелю без заметного ухудшения согласования.

Разъемы крепятся четырьмя винтами МЗ, соединение их с внутренним проводником 2 делают в зависимости от конструкции самого разъема.

К корпусу 1 посредством двух металлических уголков крепится плата 3 из одностороннего фолыированного стеклотекстолита, в которой созданы контактные поверхности для крепления элементов измерительной части рефлектометра - двух диодов 6, двух конденсаторов 7 и резистора 8. Выводы резистора и конденсаторов припаиваются непосредственно к контактным поверхностям платы, диоды крепятся посредством кронштейнов из белой жести. Измерительная линия 10 сделана из провода диаметром 0,6 мм. Длина одной половины линии (от диода до резистора) может быть от 12 до 20мм. Расстояние между измерительной линией и внутренним проводником линии должно быть постоянным по всей длине линии и находиться в пределах 2...Змм.

В рефлектометре могут быть применены любые СВЧ диоды (например, Д408, ДК-И, ДК-И1М, германиевые 1Д507), конденсаторы емкостью 10ОО-10ОООпФ, резистор МЛТ 0,5 сопротивлением 150...200 Ом. резистор желательно подобрать. В качестве измерительного прибора можно использовать любой мультиметр или вольтметр постоянного напряжения.

Антенноскоп

Антенноскоп - так называется радиолюбительский прибор, представляющий собой измерительный мост высокой частоты (обычный мост Уитстона) и может использоваться для определения степени согласованности антенны с линией передачи, измерения величины входного сопротивления антенны и для многих других измерений. В основе прибора лежит принципиальная схема высокочастотного моста, изображенная на рис. 12.13.

По мостовой схеме протекают токи высокой частоты, поэтому все резисторы, используемые в ней, должны представлять чистоактивные сопротивления для частоты возбуждения. Резисторы Rl и R2 подбираются в точности равными друг другу (с точностью 1% или даже больше), а само сопротивление не имеет особого значения. При сделанных допущениях измерительный мост находится в равновесии (нулевое показание измерительного прибора) при следующих соотношениях между резисторами: Rl = R2; R1:R2 - 1:1; R3 - R4; R3:R4 = 1:1.

Если вместо резистора R4 включить испытываемый образец, сопротивление которого требуется определить, а в качестве R3 использовать отградуированное переменное сопротивление, то нулевое показание измерителя разбаланса моста ИП1 будет достигнуто при значении переменного сопротивления, равном активному сопротивлению испытываемого образца. Таким образом можно непосредственно измерить сопротивление антенны. При этом следует помнить, что входное сопротивление антенны чисто активно только в случае, когда антенна настроена, поэтому частота измерений (на входе ВЧ) всегда должна соответствовать резонансной частоте антенны. Кроме того, мостовая схема может использоваться для измерения волнового сопротивления линий передачи и их коэффициентов укорочения.

На рис. 12.14 показана схема высокочастотного измерительного моста, предназначенного для антенных измерений, предложенная американским радиолюбителем W2AEF (так называемый «антенноскоп»).

Резисторы Rl и R2 обычно выбираются равными 150...250 Ом, а абсолютная их величина не играет особой роли, важно только, чтобы сопротивление резисторов Rl и R2, а также емкости конденсаторов Cl и С2 были равны друг другу. В качестве переменного сопротивления следует использовать только безындуктивные объемные переменные резисторы и ни в коем случае не проволочные потенциометры. Переменное сопротивление обычно 500 Ом, а если измерительный мост используется для измерений только на линиях передачи, изготовленных из коаксиальных кабелей, то 100 Ом, что позволяет более точно производить измерения. Переменное сопротивление градуируется, а при балансе моста оно должно быть равным сопротивлению испытательного образца (антенны, линии передачи). Дополнительное сопротивление Rдоп зависит от внутреннего сопротивления измерительного прибора и требуемой чувствительности измерительной схемы. В качестве измерительного прибора можно использовать магнитоэлектрические миллиамперметры со шкалой 0,2; 0,1 или 0,05 мА. Дополнительное сопротивление следует выбирать по возможности высокоомным, так чтобы подключение измерительного прибора не вызывало значительного разбаланса моста. В качестве выпрямляющего элемента может использоваться любой ВЧ германиевый диод (например, 1Д507).

Проводники мостовой схемы должны быть как можно короче для уменьшения их собственной индуктивности и емкости; при конструировании прибора следует соблюдать симметрию в расположении его деталей. Прибор заключается в кожух, разделенный на три отдельных отсека, в которые, как показано на рис. 12.14, помещаются отдельные элементы схемы прибора. Одна из точек моста заземляется, и, следовательно, мост не симметричен относительно земли. Поэтому мост наиболее подходит для измерения на несимметричных (коаксиальных) линиях передачи. Если требуется использовать мост для измерения на симметричных линиях передачи и антеннах, то необходимо тщательно изолировать его от земли с помощью изолирующей подставки.

Антенноскоп может применяться в диапазоне как коротких, так и ультракоротких волн, и граница его применяемости в диапазонах УКВ в основном зависит от конструкции и отдельных схемных элементов прибора.

В качестве измерительного генератора, возбуждающего измерительный мост, вполне достаточно использовать гетеродинный измеритель резонанса (ГИР). Следует иметь в виду, что высокочастотная мощность, поступающая на измерительный мост, не должна превышать 1Вт, и мощность, равная 0,2Вт, вполне достаточна для нормальной работы измерительного моста. Ввод высокочастотной энергии осуществляется с помощью катушки связи, имеющей 1...3 витка, степень связи с которой контура гетеродинного измерителя резонанса регулируется так, чтобы при отключенном испытательном образце измерительный прибор давал полное отклонение.

Следует учитывать, что при слишком сильной связи градуировка частоты гетеродинного измерителя резонанса несколько смещается. Чтобы не допустить ошибок, рекомендуется прослушивать тон измерительной частоты по точно отградуированному приемнику.

Проверка работоспособности измерительного моста осуществляется подключением к измерительному гнезду безындуктивного резистора, имеющего точно известное сопротивление.

Переменное сопротивление, при котором достигается баланс измерительной схемы, должен точно равняться (если измерительный мост правильно сконструирован) испытываемому сопротивлению. Эта же операция повторяется для нескольких сопротивлений при разных измерительных частотах. При этом выясняется частотный диапазон работы прибора. Вследствие того что схемные элементы измерительного моста в диапазоне УКВ имеют уже комплексный характер, баланс моста становится неточным, и если в диапазоне 145 МГц его еще можно добиться, тщательно выполнив конструкцию моста, то в диапазоне 432 МГц рассмотренный измерительный мост совершенно неприменим.

После проверки работоспособности измерительного моста его можно использовать для практических измерений.

Определение входного сопротивления антенны.

Измерительное гнездо R_m₃_mизмерительного моста непосредственно подключается к зажимам питания антенны. Если резонансная частота антенны была измерена ранее с помощью гетеродинного измерителя резонанса, то мост питается высокочастотным напряжением этой частоты. Изменяя переменное сопротивление, добиваются нулевого показания измерительного прибора; при этом считываемое сопротивление равно входному сопротивлению антенны.

Если же резонансная частота антенны заранее не известна, то частоту, питающую измерительный мост, измеряют до тех пор, пока не получают однозначного баланса измерительного моста. При этом частота, обозначенная на шкале измерительного генератора, равна резонансной частоте антенны, а сопротивление, полученное по шкале переменного сопротивления, равно входному сопротивлению антенны. Изменяя параметры схемы согласования, можно (не изменяя частоты возбуждения высокочастотного измерительного моста) получить заданное входное сопротивление антенны, контролируя его по антенноскопу.

Если проводить измерение непосредственно в точках питания антенны неудобно, то в этом случае между измерительным мостом можно включить линию, имеющую электрическую длину &/2 или длину, кратную этой длине (2*&/2; 3*&/2; 4*&/2; и т.д.) и обладающую любым волновым сопротивлением. Как известно, такая линия трансформирует сопротивление, подключенное к ее входу, в отношении 1:1, и поэтому ее включение не отражается на точности измерения входного сопротивления антенны с помощью высокочастотного измерительного моста.

Еще один прибор

Предлагаю для вашего рассмотрения и опробования еще одну схему прибора для измерения активных сопротивлений. Схема показана на рис. 12.15.

Эта схема отличается от предыдущей более чувствительным индикатором, в качестве которого задействован связной радиоприемник и источником ВЧ энергии, в качестве которого применен генератор шума.

Генератор шума располагается в одном из отсеков корпуса и выполнен на изолированной от корпуса плате. Ни один из проводов ГШ не должен иметь прямого контакта с корпусом! Даже нулевой провод питания.

Сначала следует отградуировать шкалу переменного резистора R1. Для этого в зажимы Rизм попеременно вставляются постоянные резисторы с известной величиной сопротивления, затем поворотом оси R l находят положение, в котором шумы на выходе радиоприемника резко уменьшаются. Это положение и будет соответствовать сопротивлению измеряемого резистора.

Измерения проводятся аналогично измерениям предыдущим прибором.

Тяпичев Г.А.

От составителя :

На этом цикл статей по УКВ аппаратуре заканчивается . Весь материал подготовлен на основе публикаций в журнале " Радиоконструктор " .

Все вопросы и замечания можно оставлять в комментариях или на форуме , создав соответствующую тему.

С наилучшими пожеланиями Vovka

E-mail отправителя *:
Причина:	Такая схема уже есть на сайте Ненужный материал на сайте! Я против размещения этой статьи на сайте. В комментариях спам или нец-ая брань. Требую удаления материала.
Текст сообщения *:
Номер схемы или Url *: