Схем вимірників КСВ на феритових кільцях досить багато, теорія добре викладена в статті UT1MA. але ні в одній статті я не знайшов розрахунку як кількості витків на кільці, так і чіткої відповіді яке ферритові кільце треба застосувати. У цій статті спробую пояснити роботу вимірювача, особливо трансформатора струму, і приведу його розрахунок.
Як відомо, щоб однозначно визначити КСВ в фідері вистачає знати хвильовий опір фідера і комплексне опір в будь-якій точці його розрізу. Хвильовий опір зазвичай нам відомо, а визначити комплексний опір можна шляхом вимірювання в одній точці розрізу фідера напруги, струму і кута між ними. Напруга виміряти просто, ток можна виміряти за допомогою токового трансформатора, на виході якого отримуємо напругу, яка залежить від струму.
У цій схемі вимірювача немає нічого нового, але щоб він показував правду в широкому діапазоні частот, на деякі деталі звернемо особливу увагу.
Струм вимірюється струмовим трансформатором. Для простоти будемо вважати, що втрат в феритових кільцях немає. Токовий трансформатор можна розглядати як трансформатор напруги з деякими нюансами. Первинною обмоткою є провід, просунути через отвір кільця. Вторинна обмотка навантажена на опір R '= R1 + R2. Трансформоване опір на первинну обмотку буде
Наприклад, якщо кількість витків вторинної обмотки w = 20 і R '= 100 # 8486 ;, то R' '= 100/20 2 = 0,25 # 8486 ;. Таке активний опір для ВЧ струму буде в первинній обмотці. При протіканні ВЧ струму на неї буде падати напруга U '= I * R' '. Якщо, припустимо, тече струм 2А, на висновках первинної обмотки буде напруга U '= 2 * 0,25 = 0,5V. Далі все розраховуємо як для трансформатора напруги, тобто напруга на крайніх висновках вторинної обмотки в даному випадку буде UR '= 0,5 * 20 = 10V.
З урахуванням сказаного, напруга на резисторі R 'буде
Де Р - потужність ТХ, R - опір навантаження, на яке налаштовується вимірювач.
Величина напруги на висновках вторинної обмотки і її фаза має велике значення для отримання достовірних вимірювань. Для отримання максимальної смуги трансформатора, як по амплітуді, так і по фазі, вторинна обмотка повинна мати хвильовий опір близьке до R '/ 2. Її зручно робити близько 50 # 8486; шляхом скручування проводів обмотки між собою. Напр. можна намотати вторинну обмотку двома скрученими між собою проводами в лакової ізоляцією діаметром 0,2 мм. близько 4 скручування в 1 см. R1 і R2 в такому випадку будуть по 51 (47 - 56) # 8486 ;. Резистори R1 і R2 повинні однакові і включені як в схемі. При використанні одного сумарного резистора R ', підключеного між крайніми висновками трансформатора, спостерігається завал на високих частотах. При такому виконанні трансформатора і навантажувального резистора корекція на високочастотних діапазонах не потрібно. Хвильовий опір вторинної обмотки трансформатора струму 50 # 8486; ні як не пов'язане з хвильовим опором фідера, на який налаштовується вимірювач. Просто зручно реалізувати лінію з таким хвильовим опором для намотування вторинної обмотки.
Індуктивність обмотки повинна бути близько
де fmin - мінімальна частота вимірювача КСВ. Якщо мінімальна частота 1,8 МГц, індуктивність обмотки повинна бути близько 90μH. Тільки в такому випадку отримаємо хороші амплітудні і фазові характеристики трансформатора струму в найбільшому діапазоні потрібних частот.
Отже, ми вже однозначно визначили індуктивність обмотки і опір її навантаження R '. Залишилося розібратися яке кільце застосувати і скільки треба намотати витків вторинної обмотки. Напруга на навантажувальними резисторами, як видно з раніше наведеної формули, обернено пропорційно кількості витків. З цього випливає, що витків повинно бути небагато, щоб мати достатньо велику напругу для забезпечення меншою нелінійності при невеликих КСВ через прямого напруги діодів. Але це напруга обмежується максимальним зворотною напругою діодів і потужністю навантажувальних резисторів. Якщо потужність резисторів в принципі не проблема, з зворотним напругою діодів треба рахуватися. При перевищенні цієї напруги через них починає текти значний зворотний струм, який спотворює показання вимірювального приладу. Тому напруга вторинної обмотки при максимальній потужності роботи не повинна перевищувати цього значення. Приблизно визначити оптимальну кількість витків вторинної обмотки можна за допомогою формули
де UDmax - максимальне зворотне напруга діода. Діоди повинні мати мінімальну ємність в закритому стані. Слід застосовувати високочастотні германієві діоди або діоди з бар'єром Шотткі з найбільшим максимальним зворотним і мінімальним прямим напругою. Дуже добре підійшли б детекторні діоди ВАТ62, але їх я бачив тільки в довіднику. Кремнієві діоди мають порівняно велику пряму напругу, тому їх застосовувати для детектування ВЧ напруги в цьому випадку небажано.
Маючи потрібну індуктивність і число витків, можна розрахувати індуктивність одного витка АL трансформатора, який будемо використовувати в якості трансформатора струму.
Розмір сердечника вибирається так, щоб помістилося необхідне число витків в один шар. Знаючи розмір і AL. нескладно підібрати потрібну проникність ферритового кільця. Матеріал, з якого зроблений сердечник, не має значення.
Потужність навантажувального резистора R 'має бути не менше
Щоб схема була збалансована, напруга, що отримується з дільника С1 і С2, повинна дорівнювати U '/ 2. Фаза напруги на крайніх висновках вторинної обмотки буде відрізняться на 180 °. Тому при КСВ = 1 сумарне напруга щодо землі при її додаванні в одному плечі буде в два рази більше, в іншому дорівнює нулю. Якщо опір навантаження не таке, на якому було збалансований вимірювач КСВ, співвідношення напруга / струм і (або) фаза між напругою і струмом не співпадатиме, балансу схеми не отримаємо, що покаже вимірювач. Збалансувати вимірювач в принципі можна на будь-яку, але тільки активне навантаження. Так як корекції фази у вимірювачі не передбачено, збалансувати його при комплексній навантаженні не вийде.
Напруга в вимірюваної точці ділиться дільником С1 і С2. Щоб він не вносив значний реактивний опір, загальна його ємність повинна бути якомога менше, але, з іншого боку, на самій низькій частоті його реактивний опір має бути невелике, щоб не було значних фазових спотворень. Для вимірювача на КВ діапазони ємність конденсатора С1 доцільно брати 5-10pF, він повинен бути розрахований на напругу не менше 250V. Для більшої точності приладу його можна зробити з двох конденсаторів, один з яких підключається до вхідного роз'ємом, інший до вихідного, як показано статті UT1MA. Построечний конденсатор C3 призн а значен для балансування вимірювача. На ньому, як і на С2, напруга невелика, годиться керамічний конденсатор з межами регулювання 8-30pF. Можна построечний конденсатор застосувати і з більшим діапазоном регулювання, тоді не буде потрібно підбір конденсатора С2, що іноді трапляється. При обраному С1 можна розрахувати С2 за формулою
У цій формулі не враховується монтажна ємність між обмотками трансформатора струму, а також С3, але зазвичай точності розрахунку вистачає. Якщо при балансуванню не вистачає межі регулювання ємності С3, міняємо С2 з більшою або меншою ємністю.
При використанні однотактний детекторів паралельно С2 підключається резистор близько 100k # 8486 ;. Він може значно зрушити фазу на низькочастотному діапазоні, де реактивний опір подільника максимальне, що може зажадати корекції на НЧ діапазонах. Тому бажано детектори робити з подвоєнням напруги. така схема не вимагає такого резистора. Екранувати первинну обмотку від вторинної не треба, ємність між первинною і вторинною обмотками входить в ємність С1. Навпаки, чим більше ця ємність, тим краще, так як напруга треба вимірювати в тій же точці, де вимірюємо струм.
Монтаж датчика симетричний, треба намагатися його зробити компактним. Висновки усіх деталей ВЧ частини повинні бути гранично короткі. Відстань між роз'ємами мінімальне. Провід, що з'єднує роз'єми і проходить крізь трансформатор струму, монтажний з ізоляцією, товщина його підбирається так, щоб кільце з обмоткою на ньому рухалося з працею. У разі застосування одного конденсатора С1, передавач до вимірника КСВ слід підключати з боку ємнісного дільника, тоді вимірювач не буде "бачити" вноситься ним реактивне опір подільника напруги. Воно велике, але на високочастотних діапазонах помітно. Схему самого вимірювального приладу не малював, вона стандартна.
Не робіть розрахунки в ручну, довіртеся лічилці нижче. Це спростить розрахунок. ALopt повинен не сильно відрізняться від AL. Лічилочка правіше допоможе розрахувати AL конкретного ферритового кільця. Дані треба ввести в рожеві осередки, при натисканні сірої кнопки ми бачимо результат розрахунку. Для прикладу введений реальний розрахунок вимірювача КСВ для потужності ТХ 500W і хвильового опору кабелю Zk = 50 # 8486 ;. Застосовані діоди Д311, у яких максимальне зворотне напруга 30V.
де Rp - опір активного навантаження, Cp - ємність конденсатора, підключеного паралельно активному навантаженні, Zk - хвильовий опір кабелю, на який налаштований вимірювач, F - частота, на якій вимірюється КСВ.
При подовженні кабелю між вимірником КСВ і навантаженням через втрати в кабелі показання вимірювача КСВ дещо зменшуються. Це особливо важливо при налаштуванні антен УКВ, де загасання в кабелі значні. Якщо антена підключена через довгий, велике загасання має кабель, при вимірюванні КСВ у передавача можемо отримати хороші свідчення КСВ, хоча антена може бути погано узгоджена з фідером. Звичайно, такий фідер бажано міняти на більш якісний, але для отримання достовірних свідчень бажано вимірювати КСВ у антени, а не у передавача. Якщо КСВ при збільшенні довжини кабелю збільшується, то це показує швидше за все не на несправність даного вимірника, а на те, що, як часто трапляється з дипольними антенами, симетрична антена живиться несиметричним кабелем і (або) ВЧ напруга з антени наводиться на кабель, в внаслідок цього обплетення кабелю випромінює, тобто кабель працює і як антена. У такому випадку при зміні довжини кабелю змінюється і параметри антени, тим самим і її вхідний опір, що змінює КСВ. Але це вже ненормальна робота антени, швидше за все сусіди, які дивляться TV, це теж помітять. Слід зазначити, що від КСВ випромінювання кабелем не залежить. Можна мати КСВ = 1, але кабель буде випромінювати, а може бути КСВ = 10, а кабель не буде випромінювати. Тут, в основному, справа тільки в симетрії, а не в КСВ.
Наступний калькулятор допоможе порахувати втрати в фідері, в якому КСВ> 1, і потужність, що досягає навантаження. Загасання в фідері при КСВ = 1 можна взяти з графіка на конкретній частоті. У ньому загасання дається для довжини фідера 30,48 метрів, але його нескладно перерахувати на застосовувану довжину. Ці параметри приблизні, вони дещо змінюються в залежності від виробника і можуть сильно погіршаться при поганій (рідкісної) оплетке, старінні кабелю, при попаданні вологи в оплетку і її окисленні і т.д. Приклад наведено для 50 метрів кабелю RG213, який при КСВ = 1 на 30MHz має згасання 1,2 * 50 / 30,48 = 1,97dB. КСВ в кабелі дорівнює 2.
Загасання в фідері при КСВ = 1:
Потужність на вході фідера:
Додаткове загасання через КСВ:
Загасання в фідері при заданому КСВ:
Потужність в навантаженні при КСВ = 1:
Потужність в навантаженні при заданому КСВ:
Як бачимо, додаткові втрати в кабелі через КСВ = 2 в даному випадку зовсім не великі.