Г.Тяпичев «Как построить УКВ радиостанцию». Глава 15.

Глава 15. Немного теории и основы настройки УКВ антенн. 1

Очень коротко об основных понятиях. 1

Настройка УКВ антенн. 6

Настройка многоэлементных антенн «волновой канал». 7

Настройка длинных антенн «волновой канал». 9

Контроль согласования антенн. 10

Специальные приборы.. 11

Рефлектометр УКВ. 11

Пример конструкции рефлектометра. 13

Антенноскоп. 14

Глава 15. Немного теории и основы настройки УКВ антенн

Очень коротко об основных понятиях

Имеется большое количество литературы, посвященной описанию антенных систем различнейших конструкций. Наиболее популярными среди радиолюбителей являются книги [3], [4], [1], [9] и [10]. Кроме того, в журналах «Радиолюбитель» и «Радиомир. КВ и УКВ» постоянно печатаются статьи о новых разработках радиолюбительских антенн для различных диапазонов. Так что заинтересованный читатель всегда может найти массу информации по вопросам конструирования и работы различных антенных систем.

Поэтому я не буду останавливаться на описании вопросов создания и работы популярных антенн, информации по которым вполне достаточно. В книге будут описаны только некоторые специальные антенны, которые, по моему мнению, не достаточно освещены в любительской литературе. В начале этой главы я сделаю для начинающих радиолюбителей краткие описания основных элементов и понятий, имеющих отношение практически к любой радиолюбительской антенной системе. Такими элементами и понятиями являются:

q Полуволновый вибратор;

q Петлевой вибратор;

q Фидер;

q Понятие диаграммы направленности.

Полуволновый вибратор

Излучаемая антенной радиопередатчика электромагнитная энергия характеризуется определенной величиной, называемой частотой колебаний, которая представляет собой количество единичных электромагнитных периодов, возникающих в течение одной секунды. За единицу измерения частоты колебаний принято такое состояние излучаемой электромагнитной энергии, когда за одну секунду возникает только один период колебаний. Такая единица измерения называется Герц (по фамилии известного ученого). Это элементарное понятие известно каждому школьнику, поэтому следует только заметить, что каждой величине колебаний в Герцах соответствует также определенная длина пути (в метрах), которая равна кратчайшему расстоянию в пространстве, которое пройдет волна электромагнитного колебания за один период.

Математическая зависимость между длиной волны электромагнитных колебаний и частотой этих колебаний выражается формулой

λ = C/f,

где λ - длина волны в метрах, С – скорость света в вакууме, равная 300 000 000 м/с (или 300 000 км/с), f – частота в Герцах (или кГц, если С = 300 000 км/с).

Частота колебаний определяется по формуле

f [кГц] = 300 000 [км/с] / λ [м]

И теория и практика антенных систем показали, что наилучшими условиями излучения электромагнитных волн (или приема этих волн) обладают антенны, геометрические размеры которых равны длине волны или составляют половину длины волны, но не менее одной четвертой части от длины волны.

Наибольшее применение в радиолюбительских УКВ антеннах в качестве излучающего элемента приобрел прямолинейный цилиндрический проводник, питаемый генератором электромагнитных колебаний высокой частоты. Длина этого элемента равна половине длины излучаемых им радиоволн, поэтому этот элемент получил название полуволновый вибратор (диполь). На рис. 15.1 изображена схема полуволнового вибратора.

Рис. 15.1. Полуволновый вибратор

Что нужно знать о полуволновом вибраторе:

q Полуволновый вибратор (диполь) может быть либо активным, либо пассивным элементом. Активным вибратор является в том случае, если он соединен одним проводом или системой проводов с основным радиоаппаратом – передатчиком или приемником. При этом говорят, что на вибратор подается питание, т.е. вибратор является запитанным. Пассивные диполи располагаются в непосредственной близости от вибратора активного и служат для формирования диаграммы направленности антенной системы. Непосредственно с передатчиком или приемником пассивные элементы не соединены. Пассивные вибраторы могут быть либо длиннее, либо короче активного вибратора. Более длинный вибратор называют рефлектором, укороченные вибраторы называются директоры. Антенная система, созданная из активного вибратора, рефлектора и нескольких директоров, расположенных параллельно друг другу на одной несущей траверсе, называется волновой канал. В общем случае это будет многоэлементная антенна.

q Полуволновый вибратор может быть запитан с конца, тогда такая антенная система будет иметь большое входное сопротивление и, следовательно, должна запитываться по фидеру, который имеет точно такое же большое волновое сопротивление. Чаще всего поступают таким образом, что между запитывающим фидером и концом полуволнового вибратора устанавливают согласующее устройство. Обычно таким согласующим устройством бывает трансформатор, намотанный на ферритовом кольце или четвертьволновый трансформатор, выполненный из коаксиального кабеля или двухпроводной линии.

q Если стержень полуволнового вибратора распилить точно посередине его длины, то при этом электрические свойства вибратора не изменяются, но появляется возможность запитать этот вибратор по фидеру с малой величиной волнового сопротивления. Определено, что входное сопротивление запитанного посередине полуволнового вибратора равно примерно величине 75 Ом. Близкое к этой величине волновое сопротивление имеет обычный бытовой телевизионный кабель отечественного производства. Западные фирмы производят телевизионные кабели с волновым сопротивлением 60 Ом. Если не придавать большого значения симметрированию антенной системы, то центральная жила кабеля подсоединяется к одной половине вибратора, а оплетка – к другой.

q Важное значение имеет диаметр вибратора, вернее отношение длины излучаемой волны к диаметру вибратора. На частотах УКВ диапазона, где величины длин волн имеют сравнительно небольшие значения, это отношение может оказаться довольно малым, из–за чего может значительно ухудшиться работа антенны, уменьшиться её коэффициент полезного действия (кпд). Чтобы скомпенсировать увеличенный диаметр вибратора, уменьшают длину этого вибратора. Получается так, что чем толще вибратор, тем короче должна быть его длина. Имеется даже понятие коэффициент укорочения длины полуволнового вибратора. Обычно величину коэффициента укорочения определяют по соответствующему графику, но я предлагаю для этих целей использовать таб. 15.1. В верхней строке этой таблицы располагаются величины отношения длины волны к диаметру вибратора, в нижней строке – величины коэффициента укорочения.

Таблица15.1. Коэффициенты укорочения полуволнового вибратора (диполя)

l/d	30	40	50	60	80	100	200	300	400	900	2000	5000
K	0,85	0,87	0,88	0,89	0,90	0,907	0,93	0,94	0,95	0,96	0,97	0,98

Например, вы хотите задействовать в качестве полуволнового вибратора цилиндр диаметром 20 мм, при этом длина волны, при которой будет работать этот вибратор, составляет 700 мм (частота 427 МГц). Полученной величине 700/20 = 350 будет соответствовать коэффициент укорочения 0,945. Следовательно, при определении необходимого размера вибратора сначала следует по приведенной выше формуле определить цифровое значение половины длины рабочей волны, затем эту величину умножить на коэффициент укорочения.

Следует помнить, что антенны, выполненные из тонких проводников, имеют большую величину добротности и хорошо работают только в узком диапазоне частот.

Петлевой вибратор

Два одинаковых петлевых вибратора могут быть размещены на небольшом расстоянии, параллельно друг другу. Если при этом соединить между собой концы этих вибраторов, а нижний вибратор разрезать посередине – получится так называемый петлевой вибратор.

На рис. 15.2 изображены некоторые из вариантов петлевого вибратора.

Рис. 15.2. Петлевой вибратор

Практически простой полуволновый вибратор и петлевой полуволновый вибратор имеют похожие рабочие характеристики. Однако входное сопротивление петлевого вибратора в четыре раза выше, чем у обычного полуволнового, и составляет 300 Ом. Так что при запитывании петлевого вибратора обычным телевизионным коаксиальным кабелем следует применять согласующие трансформаторы.

Конструктивно петлевой вибратор может быть выполнен в различных вариантах. Он может иметь или форму круга, или форму треугольника, или форму квадрата, или какую – то иную форму. В любом из этих вариантов определяющим размером будет размер периметра этого вибратора. Периметр активного петлевого (рамочного) вибратора должен быть равен длине рабочей волны, умноженной на коэффициент укорочения.

Антенны могут состоять из одного активного вибратора и нескольких вибраторов пассивных. Например, антенна «тройной квадрат» состоит из активной рамки, периметр которой равен длине волны, из рефлектора, периметр которого на 5% больше длины волны, и директора, периметр которого примерно на 3% меньше длины волны. Все пассивные вибраторы представляют собой замкнутые контуры и их плоскости располагаются на одной траверсе параллельно плоскости вибратора активного.

Фидер

Одиночный провод, либо система проводов, которыми радиопередатчик соединен с антенной, называется фидер. Фидер их одиночного провода применяется редко, типичный пример – это многодиапазонная антенна VS1AA, так называемая «американка». Была популярна в пятидесятые годы прошлого столетия. Наиболее часто в качестве фидера используется коаксиальный кабель, например, телевизионный. Реже применяется двухпроводный фидер, состоящий из двух параллельных проводов, разделенных между собой изоляционным материалом.

Каждый фидер характеризуется определенной величиной волнового сопротивления. Например, телевизионный коаксиальный кабель имеет волновое сопротивление порядка 75 Ом (отечественный), либо 60 Ом (зарубежный). Волновое сопротивление двухпроводного фидера зависит от расстояния между этими проводами и может иметь величины от 100 до 1000 Ом (и более).

И антенна, и фидер, и передатчик (или приемник) могут иметь различные величины волнового сопротивления. Поэтому нужно всегда помнить о том, что следует антенну согласовывать с фидером, а фидер согласовывать с выходом передатчика (или входом приемника). Вопросы согласования всегда очень важны и им нужно уделять самое большое внимание, иначе вся высокочастотная энергия будет пропадать в фидере.

В радиолюбительской практике применяется, в основном, два способа питания антенн:

q Питание при помощи настроенного фидера, когда длина фидера выбрана таким образом, что на этой длине укладывается целое число полуволн рабочей частоты. Такой вид питания применяется чаще всего на коротковолновых диапазонах.

q Питание при помощи ненастроенного фидера допускает применение фидера произвольной длины, но при этом непременным является условие согласования волнового сопротивления фидера с входным сопротивлением антенны и выходным сопротивлением передатчика (или приемника). Согласование с антенной достигается, как правило, выбором определенных геометрических размеров антенны, при которых её входное сопротивление становится равным (или приблизительно равным) волновому сопротивлению фидера. Согласование фидера с передатчиком достигается различными подстроечными элементами, входящими в состав выходного колебательного контура. Степень согласования передатчика через фидер с антенной определяется прибором, который называется «КСВ-метр». КСВ – это коэффициент стоячей волны, равный отношению наибольшей величины ВЧ тока (или напряжения) в фидере, к его наименьшему значению. В идеальном случае величина ВЧ тока (или напряжения) по всей длине фидера должна быть одинакова, т.е. КСВ = 1. При росте потерь за счет рассогласования величина высокочастотного тока (или напряжения) по длине кабеля изменяется и КСВ может достигать очень больших величин. Это говорит о том, что почти вся вырабатываемая передатчиком энергия теряется в фидере. Наибольшей допустимой величиной может быть КСВ = 2.

q Размеры и настроенного и ненастроенного фидера должны учитывать коэффициент укорочения, зависящий от конструкции фидера и от примененного в этой конструкции диэлектрика. В радиолюбительской практике принято считать, что коэффициент укорочения ленточного кабеля равен 0,8, а для коаксиального кабеля – 0,66. При использовании ненастроенного фидера, длина которого может быть любой, часто применяются для согласующих и симметрирующих устройств куски из того же кабеля, имеющие длину, кратную длине рабочей волны. Вот для точного определения длины каждого из этих кусков следует учитывать коэффициент укорочения.

Диаграмма направленности

Каждая антенна распространяет излучаемую ею энергию в разные стороны не равномерно. Графическое изображение особенностей распространения антенной электромагнитной энергии называется диаграммой направленности. Различают диаграммы направленности антенны в горизонтальной или в вертикальной плоскостях. Если антенна имеет какое – то преимущественное направление для излучения энергии, то вводятся понятия коэффициент усиления и коэффициент направленного действия (к.н.д.) антенны. Понятие «коэффициент направленного действия» применяют тогда, когда говорят о теоретических возможностях антенны, а коэффициент усиления имеет смысл для реально существующей, уже изготовленной антенны. Величина коэффициента усиления антенны всегда меньше величины коэффициента направленного действия. Это соотношение можно выразить формулой

К_ус = (к.н.д.) × (к.п.д.), где

К_ус – коэффициент усиления антенны;

к.н.д. – коэффициент направленного действия антенны;

к.п.д. – коэффициент полезного действия антенны.

Коэффициент полезного действия зависит от неточностей изготовления, согласования, выбора материалов и т.д.

Построение диаграммы направленности антенны рассмотрен подробно далее, в разделе настройки многоэлементных антенн.

Настройка УКВ антенн

Настройка антенн должна обеспечить наиболее эффективное излучение ВЧ энергии в пространство на данной рабочей частоте.

В процессе настройки необходимо:

q установить диапазон рабочих частот Df;

q оценить величину входных сопротивлений излучающей системы Z_а;

q определить степень симметричности антенны;

q измерить диаграмму направленности и т. д.

Для решения этих задач следует определить коэффициент укорочения ВЧ линии или кабеля и градуировку детекторов в некоторых индикаторах и т. д.

Очень сложная задача настройки антенны облегчается тем, что для многих величин достаточно знать лишь их относительное значение. Очень ценным является и то, что большинство ВЧ цепей являются резонансными или их можно сделать таковыми.

Для настройки антенн необходим ряд простых измерительных приборов и устройств: ГИР, мощный экранированный генератор на рабочей частоте, индикаторы поля и т. д. Кроме того, настройку необходимо вести в свободном пространстве для исключения влияния посторонних предметов на диаграмму направленности антенны.

Все вопросы настройки рассматриваются применительно к диапазону 144 Мгц. На рис. 15.3 изображены два варианта полуволнового вибратора.

Рис. 15.3. Схема полуволнового вибратора

Резонансную частоту полуволновых вибраторов можно определить по ГИРу. Для этого точки А и В замыкают накоротко толстым проводником и к этому месту подносят ГИР. Индуктивно связывать ГИР и антенну надо именно здесь, так как в точках А и В у вибратора l/2 возникает пучность тока и связь получается более сильная. На резонансной частоте антенны показания ГИРа резко уменьшаются. Иногда мощность ГИРа может оказаться недостаточной и точность измерения получится приближенной, так как при таком измерении антенна по необходимости бывает близко расположена и к окружающим предметам, и к самому оператору.

Настройка многоэлементных антенн «волновой канал»

Использование многовибраторных антенн типа «волновой канал» требует или полного и точного повторения описанного авторского варианта, или дополнительной проверки и подгонки согласования и усиления. Есть несколько признаков правильной работы направленной антенны:

n диаграмма направленности симметрична относительно механической оси и имеет слабо выраженные боковые лепестки (10…20 дБ) и незначительное обратное излучение (10…20 дБ);

n КСВ в линии питания меньше 2;

n Коэффициент усиления обеспечивается работой всех пассивных элементов.

Основательную проверку параметров новой антенны следует делать на открытом пространстве, так как измерения могут исказить отражения от разных объектов.

Антенну лучше испытывать в качестве приемной, установив ее на расстоянии 10 – 15l от отдельной передающей антенны. Высота обеих антенн должна быть не мене 2 м на диапазоне 432 Мгц и 3 м на 144 Мгц. Мощность передатчика должна быть не менее 3 … 5 вт, так как начальное испытание антенн при малом количестве элементов становится затруднительным.

В качестве индикатора в приемной антенне можно применять кристаллический диод типа Д-2, ДК-И1 или типа ДГ-С2 с микроамперметром ИП1 до 100…200 мкА. Включение измерительной цепи показано на рис. 15.4. Она не должна вносить расстройку в систему самого вибратора. Диод D1 крепится кратчайшим путем, дроссели Др_1, Др₂ имеют диаметр 3 мм, длина намотки 12 мм проводом ПЭШО 0,1.

Рис. 15.4. Схема измерительной цепи

При измерении следует помнить, что характеристика диода нелинейна: малые значения показаний прибора, например от 0 до 40 делений стоградусной шкалы, оказываются заниженными.

Обычно детекторы перед измерением градуируют.

На рис. 15.5 показана схема установки антенны при измерениях.

Рис. 15.5. Схема установки антенны

Для проверки всей измерительной цепи передающую антенну подносят на такое расстояние, чтобы показания прибора равнялись 30…40 делениям. Частоту генератора f₀ изменяют на ±Df до краев рабочего диапазона и на нескольких частотах записывают показания прибора ИП1.

Определяют частоту f_макс, на которой показания ИП1 оказываются наибольшими; она не должна быть выше 0,5…0,6 МГц от значения f₀. Проверяют влияние рефлектора Р, установленного на расчетном расстоянии, а также ближе и дальше него. Показание прибора должно увеличиться на 50…70%. В каждом положении Р снова проверяют частоту f_макс, дающую наибольшие отклонения стрелки прибора. Влияние рефлектора критично лишь в том случае, если он слишком короткий для частоты f₀.

Активный вибратор А и рефлектор Р устанавливают на таком расстоянии, чтобы показания ИП1 было наибольшим при f₀. Обычно это равно 0,15l и выше и в процессе дальнейшей настройки не меняется.

Передающую антенну относят на такое расстояние, чтобы стрелка ИП1 упала до показаний а = 10—16 делений, и снимают (или поворачивают на 90°) рефлектор. Показания прибора а должны составлять несколько делений, удобных для отсчета, а расстояние Д до антенны передатчика должно быть не менее Д = 7…10L₀, где L₀ –общая длина будущей антенны. Если Д<7L₀, то надо повысить или чувствительность индикатора, или мощность передатчика.

После такой предварительной подготовки можно проверить работу всей системы антенны путем последовательного добавления пассивных элементов. Для этого записывают показания прибора а на частоте f₀ от одного вибратора А, устанавливают рефлектор и записывают а₂, Далее устанавливают на свои места (по описанию антенны) последовательно директоры Д₁, Д₂, Д₃ и записывают а₃, а₄, а₅. Все эти показания прибора должны быть возрастающими, т.е. а₂> а₁, а₃> а₂ и т. п. Допустим, а₁= 5°, а₂=10°, а₃= 18°, а₄= 27°, а₅ = 36°. Отсчитывают для а₁—а₅ действительные значения b₁--b₅ тока через индикатор ИП1. Так как они приведены к одному масштабу, то по ним можно правильно судить об усилении, даваемом каждым элементом.

На рис. 15.6 эти значения показаны графически в виде кривой В. Точка 1 соответствует току в одном только вибраторе А, точки 2, 3 и т. д. показывают приращение тока в вибраторе от действия рефлектора, а затем и директоров Д₁, Д₂ и т. д.

Рис. 15.6. Характеристика антенны

Из кривой на рис. 15.6 видно, что влияние первых близких к активному вибратору элементов больше, чем удаленных.

При неправильно подобранных длинах элементов и расстояний между ними у коротких антенн зависимость усиления от числа элементов обычно идет не плавно, а с изломом или даже провалом. Добавление элемента не дает усиления. Такое явление встречается чаще при установке второго или третьего директора и ликвидируется изменением расстояния или длины ближайшего директора или обоих вместе. Иногда подобное явление может появиться и за счет наложения прямой и отраженной волны от антенны передатчика в месте приема. Распознать эти явления можно незначительным приближением или удалением одной из антенн на l/2…³/₄l.

Для измерения диаграммы направленности антенну вращают плавно по азимуту и через каждые 5…10% делают отсчет а прибора. Значение а пересчитывают по заранее рассчитанной градуировочной кривой используемого измерительного диода (т.е. на действительные значения) и по ним уже строят диаграмму. При этом диаграмма получается шире, чем была бы при построении диаграммы только по значениям а.

Узкие диаграммы направленности удобнее строить в прямоугольных координатах. По горизонтальной оси откладывают градусы вправо и влево от главного направления, которому соответствует координата 0°. По вертикали откладывают значения показаний прибора приемного вибратора. Итак, мы получаем растянутую по углам (по горизонтали) кривую с отчетливо видными деталями, например боковыми излучениями или углами нулевого излучения и т. д. Если у главного лепестка провести прямую на высоте 0,707 от наибольшей высоты диаграммы, то расстояние между точками пересечения этой прямой с полученной диаграммой (по шкале углов) даст нам ширину главного лепестка антенны I_н в градусах.

Настройка длинных антенн «волновой канал»

Настройка этих антенн сложнее не только из-за большего числа элементов, но и из-за необходимости испытывать их или в рабочем положении, или в большом свободном от препятствий пространстве. Для повторения какой-либо антенны «волновой канал» необходимо выдержать не механическую, а электрическую длину или настройку директоров. Всякие изменения, вносимые по необходимости в повторяемую конструкцию антенны, могут изменить настройку директоров и резко ухудшить ее свойства. Поэтому изготовление длинных антенн для спутниковой связи нужно выполнять с исключительной осторожностью.

Надежным способом проверки длинных антенн является снятие полной диаграммы ее направленности и оценка по величине бокового излучения свойств антенны.

Если настройка директоров не изменилась в повторенной конструкции, то число боковых лепестков будет не более двух-трех, а их величина в диаграмме не больше чем на 10…12 дБ под уровнем главного лепестка диаграммы. Такая диаграмма показана на рис. 15.7.

Рис. 15.7. Диаграмма хорошей антенны

Случайные удлинения директоров за счет уменьшения диаметров, изменения крепления и т. д. вызывают понижение усиления в главном лепестке и увеличение его в боковых направлениях (рис. 15.8).

Рис. 15.8. У антенны удлинены директоры

Значительная расстройка элементов или их удлинение полностью нарушает диаграмму (рис. 15.9).

Рис. 15.9. Все элементы значительно расстроены

Диаграммы на рис. 15.7, 15.8 и 15.9 показывают простой и надежный способ проверки длинных антенн. Частоту колебаний, подводимых к антенне, постепенно повышают и в пределах поворота от 0 до 180° всякий раз отмечают значения и характер максимумов боковых лепестков. Та частота f_m, при которой впервые резко повышается амплитуда какого-либо бокового лепестка по сравнению с главным лепестком, ограничивает верхний рабочий предел частот антенны. Наивыгоднейшая рабочая частота f₀ антенны будет несколько ниже f_m.

Если частота f₀ лежит в невыгодном участке или на краю диапазонов 144…146 или 430…435 Мгц, то всю систему директоров длинной антенны надо укоротить, если f_m> f₀, или удлинить, если f_m< f₀. О том, насколько надо изменить длину элементов, можно судить по результатам анализа диаграмм. Практически увеличение длины директора в длинном «волновом канале» на один процент, т. е. на 1 см для 145 Мгц и 0,35 см для 435 Мгц, имеет существенное значение для работы антенны на УКВ.

Можно сказать, что снятие частотной характеристики и одновременно диаграммы направленности является самым показательным и наиболее доступным испытанием всех антенн «волновой канал».

Контроль согласования антенн

От степени согласования входного сопротивления Z_a любой антенны с волновым сопротивлением r питающей ВЧ линии (кабеля) зависит действительный уровень излученной и используемой ВЧ мощности передатчика.

Оценивать согласование можно путем сопоставления значения тока I_A в линии питания, нагруженной антенной, с током I_S, который должен быть в согласованной линии. Если ток I_A = I_S, то к антенне подводится вся мощность за вычетом потерь в кабеле.

Для оценки необходимо знать действительную ВЧ мощность, которую может отдать выходной каскад. Ее можно измерить резонансным индикатором мощности (РИМ), например, методом сравнения яркости свечения лампочек, питаемых ВЧ током, и постоянным током от вспомогательной цепи. Точность такого измерения мощности – порядка 10%. Поскольку такой прибор имеется не у каждого радиолюбителя, то обычно для ориентировочного определения излучаемой мощности приходится использовать обычную лампочку накаливания. В этом случае очень важно, чтобы величина сопротивления этой лампочки хотя бы приблизительно равнялась волновому сопротивлению примененного антенного фидера. Можно использовать формулу закона Ома

R = V² / P, где R – определяемое сопротивление, V – рабочее напряжение лампочки, P – мощность лампочки.

Оценку согласования можно сделать по величине изменений показаний ВЧ индикатора напряжения или тока, включаемого в разных местах линий питания.

Непрерывный контроль согласования в настоящее время делают с помощью рефлекторметров или КСВ-метров различных конструкций.

Специальные приборы

Рефлектометр УКВ

На рис. 15.10 показана схема прибора, называемого рефлектометр. Прибор служит для согласования передатчика с фидером антенны и для согласования фидера с антенной.

Рис. 15.10. Схема рефлектометра

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 С1 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, а 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 КСВ 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 а1. Затем измеряют напряжение от отраженной волны (диод со стороны антенны), показания прибора в этом случае обозначим как а2.

Коэффициент отражения (потеря мощности) определяется отношением:

_____

P = Uотр/Uпад = √а1/a2 ,

где Uотр и Uпад—значения напряжений, на которые реагирует рефлектометр;

а1 и а2 – отклонения стрелки по шкале прибора.

Зная коэффициент отражения P, можно определить и КСВ в измеряемой линии:

КСВ =(1 + Р)/ (1-Р)

Рассмотрим пример. Например, при измерении параметров антенны получено а1 = 20, а2 = 5, какой будет КСВ и потеря мощности?

___

Р = √5/20 = 0,5,

Следовательно,

КСВ =(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 а1, а2, первое число должно быть больше второго. Если удастся, например, перемещением рефлектора в антенне «волновой канал» добиться того, что а2 будет в 10 раз меньше а1 при незначительном изменении усиления антенны, то дальнейшего уменьшения отраженной волны надо уже добиваться согласующим трансформатором Т или изменением диаметров и расстояний у сложных петлевых вибраторов.

Соотношения а2/а1 = 10, ←15, ←20 соответствуют КСВ = 1,93, 1,7, 1,57 и потеря мощности Рn = 10%, 8%, 5%. Следовательно, приемлемым надо считать соотношение а2/а1 = 10, так как более высокие соотношения требуют точности и от самого рефлектометра.

Точность измерения при помощи рефлектометра оценивается соотношением а2/а1 без нагрузки. В этом случае вся мощность падающей волны должна отразиться обратно, т.е. а2 = а1 или а2/а1 = 1. Отклонение от 1, выраженное в процентах, можно считать погрешностью β прибора.

В описываемой ниже конструкции β = 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. 15.11 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.

Рис. 15.11. Рефлектометр

Прибор состоит из отрезка линии с квадратным экраном 1 и 2, измерительной платы 3, на которой укреплены два диода 6, два конденсатора 7 и резистор 8. Также к плате 3 крепится измерительная линия 9. На корпусе экрана 1 (с торцов) 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. 15.11 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. 15.12 показан разрез линии с экраном квадратной формы, необходимый для некоторых разъяснений.

Рис. 15.12. Разрез линии с квадратным экраном

Величина волнового сопротивления подобной линии, имеющей в качестве диэлектрика воздух, выражается математической формулой

Z₀ = 59,952 × ln(1,0787 × b/d) Ом.

Эта формула дает очень точные результаты для величины d/b ≤ 0,65 (это соответствует величине Z₀ = 30 Ом).

Привожу некоторые величины d/b, соответствующие определенным Z₀.

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 Ø 4мм, вставлены в трубку и припаяны. В торцах удлинителей просверлены отверстия Ø 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 М3, 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 фольгированного 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…3мм.

В рефлектометре могут быть применены любые СВЧ диоды (например, Д408, ДК-И, ДК-И1М, германиевые 1Д507), конденсаторы емкостью 1000…10000пФ, 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. 15.13.

Рис. 15.13. Основная схема высокочастотного моста.

По мостовой схеме протекают токи высокой частоты, поэтому все резисторы, используемые в ней, должны представлять чистоактивные сопротивления для частоты возбуждения. Резисторы R1 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: R1 = 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. 15.14 показана схема высокочастотного измерительного моста, предназначенного для антенных измерений, предложенная американским радиолюбителем W2AEF (так называемый «антенноскоп»).

Рис. 15.14. Схема антенноскопа.

Резисторы R1 и R2 обычно выбираются равными 150…250 Ом, а абсолютная их величина не играет особой роли, важно только, чтобы сопротивление резисторов R1 и R2, а также емкости конденсаторов С1 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 Rш 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. 15.14, 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_изм измерительного 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 λ/2 или длину, кратную этой длине (2·λ/2; 3·λ/2; 4·λ/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. 15.15.

Рис. 15.15. Схема измерителя активных сопротивлений

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 R_изм попеременно вставляются постоянные резисторы с известной величиной сопротивления, затем поворотом оси R1 находят положение, в котором шумы на выходе радиоприемника резко уменьшаются. Это положение и будет соответствовать сопротивлению измеряемого резистора.

Измерения проводятся аналогично измерениям предыдущим прибором.