Що вимірює КСВ-метр?

Сьогодні КСВ-метри є практично на будь-який аматорської радіостанції - вбудовані в фірмову апаратуру, самостійні фірмові прилади або саморобні. результати їх
роботи (КСВ антенно-фідерного тракту) широко обговорюються радіоаматорами.

Як відомо, коефіцієнт стоячої хвилі в фідері однозначно визначається вхідним імпедансом антени і хвильовим опором фідера. Ця характеристика антенно-фідерного тракту не залежить ні від рівня потужності, ні від вихідного опору передавача. На практиці його доводиться вимірювати на деякому віддаленні від антени - найчастіше безпосередньо у приймачі-передавачі. Відомо, що фідер трансформує вхідний імпеданс антени в деякі його значення, які визначаються довжиною фідера. Але при цьому в будь-якому перетині фідера вони такі, що відповідне їм значення КСВ не змінюється. Іншими словами, він на відміну від імпедансу, наведеного до дальнього від антени кінця фідера, не залежить від довжини фідера, тому вимірювати КСВ можна і безпосередньо в антени, і на деякій відстані від неї (наприклад, у трансивера).

У радіоаматорських колах ходить чимало легенд про «напівхвильових повторителях», нібито поліпшують КСВ. Фідер з електричної довжиною в половину робочої довжини хвилі (або в їх ціле число) дійсно є «повторителем» - імпеданс на далекому від антени його кінці буде дорівнює вхідному импедансу антени. Єдина користь від цього ефекту - можливість дистанційно виміряти вхідний імпеданс антени. Як уже зазначалося, на значення КСВ (тобто на енергетичні співвідношення в антенно фидерном тракті) це не впливає.

Насправді при віддаленому від точки підключення фідера антени вимірі КСВ реєстроване його значення завжди дещо відрізняється від істинного. Ці відмінності пояснюються втратами в фідері. Вони строго детерміновані і можуть тільки «поліпшити» реєстроване значення КСВ. Однак це ефект часто на практиці буває незначним, якщо використовується кабель з малими погонними втратами і довжина самого фідера порівняно невелика.

Якщо вхідний імпеданс антени не є чисто активним і рівним хвильовому опору фідера, в ньому встановлюються стоячі хвилі, які розподілені по фідера і складаються з чергуються мінімумів і максимумів ВЧ напруги.

На рис. 1 показано розподіл напруги в лінії при чисто активному навантаженні, дещо більшою хвильового опору фідера. При наявності в навантаженні реактивності розподіл напруги і струму зміщується вліво або вправо по осі ^ в залежності від характеру навантаження. Період повторення мінімумів і максимумів по довжині лінії визначається робочою довжиною хвилі (в коаксіальному фідері - з урахуванням коефіцієнта укорочення). Їх характеристикою і є значення КСВ - відношення максимального та мінімального напруги в цій самій стоячій хвилі, т. Е. КСВ = Umax / Umin.

Безпосередньо значення цих напруг визначають тільки за допомогою вимірювальних ліній, які в аматорській практиці не застосовують (в діапазоні коротких хвиль - і в професійній теж) Причина тому проста: щоб мати можливість виміряти зміни цієї напруги по довжині лінії, її довжина повинна бути помітно більше, ніж чверть хвилі. Іншими словами, навіть для самого високочастотного діапазону 28 МГц вона повинна бути вже кілька метрів і відповідно ще більше для низькочастотних діапазонів.
З цієї причини і були розроблені малогабаритні датчики прямий і зворотної хвиль в фідері ( «спрямовані відгалужувачі»), на основі яких і виготовляють сучасні вимірювачі КСВ в діапазонах коротких хвиль і в низькочастотному ділянці УКХ діапазону (приблизно до 500 МГц). Вони вимірюють високочастотну напругу і струми (прямий і зворотний) в конкретній точці фідера, а на підставі вже цих вимірів і обчислюється відповідний їм КСВ. Математика дозволяє обчислити його точно за цими даними - з цієї точки зору метод абсолютно чесний. Проблема полягає в похибки датчиків як таких.

З фізики роботи таких датчиків вони повинні вимірювати струм і напруга в одній і тій же точці фідера. Існує кілька варіантів виконання датчиків - схема одного з найпоширеніших варіантів приведена на рис. 2.

Вони повинні бути виконані так, щоб при навантаженні вимірювального вузла еквівалентом антени (резистивной безиндукціонность навантаженням з опором, рівним хвильовому опору фідера) напруга на датчику, яке знімається з ємнісного дільника на конденсаторах С1 і С2, і напруга на датчику струму, яке знімається з половин вторинної обмотки трансформатора Т1, були рівні по амплітуді і зрушені по фазі точно на 180 ° або 0 ° відповідно. Причому ці співвідношення повинні зберігатися у всій смузі частот, на яку розрахований даний вимірювач КСВ. Далі ці два ВЧ напруги або підсумовуються (реєстрація прямий хвилі), або віднімаються (реєстрація зворотної хвилі).
Першим джерелом похибок при цьому методі реєстрації КСВ є те, що датчики, особливо в саморобних конструкціях, не забезпечують названі вище співвідношення між двома напругами в усій смузі частот. Як результат, відбувається «розбаланс системи» - проникнення ВЧ напруги з каналу, обробляє інформацію про прямий хвилі, в канал, який робить це для зворотної хвилі, і навпаки. Ступінь розв'язки цих двох каналів прийнято характеризувати коефіцієнтом спрямованості приладу. Навіть у начебто хороших приладів, призначених для радіоаматорів, і тим більше у саморобних, він рідко перевищує 20 ... 25 дБ.

Це означає, що не можна довіряти свідченням подібного «вимірювача КСВ» при визначенні невеликих значень КСВ. Причому в залежності від характеру навантаження в точці вимірювання (а вона залежить від довжини фідера!) Відхилення від істинного значення можуть бути в ту чи іншу сторону. Так, при коефіцієнті спрямованості приладу 20 дБ значенням КСВ = 2 можуть відповідати показання приладу від 1,5 до 2,5. Ось чому один з методів перевірки подібних приладів - вимір КСВ, що не рівного 1 при довжинах фідера, що відрізняються на чверть робочої довжини хвилі. Якщо будуть отримані різні значення КСВ, це лише говорить про те, що у конкретного КСВ-метра недостатній коефіцієнт спрямованості ...
Саме цей ефект і породив, мабуть, легенду про вплив довжини фідера на КСВ.

Ще один момент - це не зовсім «точковий» характер вимірювань в таких приладах (точки знімання інформації про напругу і струм не збігаються).

Вплив цього ефекту менш значуще. Інше джерело похибок - падіння ефективності випрямлення діодів датчиків при малих ВЧ напружених. Ефект цей відомий більшості радіоаматорів. Він призводить до «поліпшення» КСВ при його малих значеннях. З цієї причини в КСВ-метрах практично ніколи не використовують кремнієві діоди, у яких зона неефективного випрямлення набагато більше, ніж у германієвих або у діодів Шотки. Наявність цього ефекту в конкретному приладі легко перевіряється зміною рівня потужності, при якому проводяться вимірювання. Якщо КСВ починає «зростати» при збільшенні потужності (мова йде про його малих значеннях), значить діод, відповідальний за реєстрацію зворотної хвилі, явно занижує відповідне їй значення напруги.

При ВЧ напрузі на випрямлячі датчика менше 1 В (ефективне значення) лінійність вольтметра, в тому числі і виконаного з використанням германієвих діодів, порушується. Цей ефект можна мінімізувати, виробляючи градуювання шкали КСВ-метра не розрахунковим шляхом (як це часто роблять), а за реальними значеннями КСВ навантаження.

Ну і, нарешті, не можна не згадати струм, що протікає по зовнішньої оболонці фідера. Якщо не вжито відповідних заходів, він може бути помітним і впливати на показання приладу. У його відсутності обов'язково треба переконатися при вимірах КСВ реальних антен.

Всі ці проблеми присутні і в приладах заводського виготовлення, але особливо вони загострюються в саморобних конструкціях. Так, в подібних пристроях не останню роль може грати навіть недостатня екранування всередині блоку датчиків прямий і зворотної хвиль.

Що стосується приладів заводського виготовлення, то для ілюстрації їх реальних характеристик можна навести дані з огляду, опублікованого в [7]. У лабораторії ARRL були перевірені п'ять вимірювачів потужності і КСВ різних фірм. Ціна - від 100 до 170 доларів США. Чотири приладу використовували двохстрілочні індикатори прямого і зворотного (відображеної) потужності, які дозволяли відразу зчитувати значення КСВ по об'єднаної шкалою приладу. Практично всі прилади мали помітну похибка вимірювання потужності (до 10 ... 15%) і помітну нерівномірність її індикації по частоті (в смузі частот 2 ... 28 МГц). Тобто можна очікувати, що похибка відліку КСВ буде вище наведених значень. Більш того, не всі прилади, будучи підключеними до еквівалента антени, показували КСВ = 1. Один з них (не самий дешевий) навіть показав 1,25 на частоті 28 МГц.
Іншими словами, треба бути акуратним при перевірці саморобних КСВ-метрів за приладами, які випускаються для радіоаматорів. І в світлі сказаного зовсім смішно звучать заяви деяких радіоаматорів, які нерідко можна почути в ефірі або прочитати в радіоаматорських статтях в Інтернеті або в журналах, що у них КСВ, наприклад, 1,25 ... Та й доцільність введення в подібні прилади цифрового відліку значень КСВ видається не такою вже доцільною.

Борис СТЕПАНОВ

Що ще почитати по темі: