EQUIPMENT
 
MY QTH
 
ANTENNAS
 
HOME BREW
 
SOFTWARE
 
HAM PRACTICE
 
HAM NEWS
 
LINKS
 
OLD RADIO COLLECTIONS
 
FOR SALE / SEARCH
 
PHOTO GALLERY
 
GUEST BOOK
 
NEW - НОВО на САЙТА
 
 
 

KSW

КСВ метъра и необходимостта от него

       Всеки който се занимава с радиостанции се нуждае от някакъв измерител на антенната функционалност. Обикновено за състоянието на антената съдим по измерения коефициент на стоящи вълни (КСВ) във фидерната линия. КСВ = 1 говори за отсъствие на стоящи вълни и за идеално съгласуване на антената с фидерната линия. Колкото стойността на КСВ е по-голяма, толкова е по-голяма степента на несъгласуваност.

       Приемливите стойности за КСВ са от 1 до 3. До какво води високия КСВ?

      1. До загуби във фидерната линия. Антената не излъчва цялата подадена от предавателя мощност. Например, както се вижда от таблицата, при КСВ = 3, само 75% от подадената мощност се излъчва от антената, останалите 25% се  преобразуват в топлина във фидерната линия. При големи мощности и тънки фидерни линии, при висок КСВ има опасност от тяхната повреда.    


 КСВ       1.0  1.1   1.2  1.3  1.4  1.5  1.6  1.7  1.8  1.9  2.0  2.5   3.0  3.5  4.0  5.0

 6.0  

10.0
 Ротр,%  0    0.23  0.83 1.70 2.77 4.00 5.32 6.72 8.16 9.63 11.1 18.4 25.0 30.8 36.0 44.4  51.0  66.9
 Ризл,%  100  99.8 99.2 98.3 97.2 96.0 94.7 93.3 91.8 90.4 89.9 81.6 75.0 69.2 64.0 55.6  49.0

33.1

      
       2. При наличието на стоящи вълни (КСВ>1) се проявява така наречената обратна (отразена) вълна. Отразената енергия се връща обратно към предавателя, както по жилото, така и по оплетката на коаксиалните фидерни линии, което води от своя страна до нежелано излъчване на фидера. Върналата се обратно до предавателя отразена вълна води до смущения във формиращите сигналите стъпала на предавателя (микрофони, микрофонни усилватели, маломощни усилватели и драйвери) и от там до "грачещ" телеграфен или хъркащ телефонен сигнал.

       3. Наличието във фидера на токове и напрежения с различна амплитуда и фаза в права и обратна посока, води до появата и излъчването на комбинационни интерферентни честоти, които са причината за излъчване на сигнал с по-широка честотна лента от допустимата, до смущения в радио и телевизионни приемници, в телефонните инсталации, в усилвателните аудио уредби и много често до нетърпимост от страна на съседите.

       Тези негативни проявления на несъгласуваната антенно-фидерната система налагат контролирането на КСВ и всеки радиолюбител следва да разполага с поне един КСВ метър. На пазара има голямо разнообразие на КСВ-метри - за КВ, за УКВ, комбинирани с ватметри, по-прости и прецизни. Стойността им варира от 15 $ до 200 $, но обикновените, със средно качество - около 40-60 $. КСВ-метъра е сравнително прост уред и може да се изработи и в домашни условия. 
 


       КСВ-метърът се състои от две части - измерителна и индикаторна (Фиг.1). Съществува голямо разнообразие от схемни решения, както в измерителната, така и в индикаторната част. Във всички случаи измерването се свежда до трансформиране на течащите в права и обратна посока токове във фидерната линия във съответни право и обратно напрежения. 
       Измерителната част на КСВ-метъра е неговата същност. Най-важният му параметър е неговото вълново съпротивление. То трябва да съответсвува на вълновото съпротивление на фидера, в противен случай ще се получи разсъгласуване и невярно измерване.
        Обикновено измерителната и индикаторната части са интегрирани в един уред. Съществуват варианти при които измервателната част е оформена отделно като датчик, който може директно да бъде свързан в точките на захранване на антената, а индикаторната част е свързана към него с обикновени проводници и може да бъде изнесена на голямо разстояние (в радио шака).
                                      Фиг.1

         Измервателната част може да бъде оформена като насочени отклонители с предавателна линия или токов трансформатор или резистивен ВЧ мост.
        Насоченият отклонител (Фиг.2) представлява част от фидерна линия с определено вълново съпротивление. Между централния проводник и екрана на фидерната линия се монтира успоредно парче проводник, представляващо измервателна линия, единия край на която е натоварена с резистора R, а към другия край е свързан диоден детектор и микроамперметър. Формата на сечението на фидерната линия (Фиг.3) може да бъде различно - кръгло, квадратно, правоъгълно (плоска линия).




Фиг. 2


Фиг. 3


 Фиг.4

         Измерителите с кръгло сечение са сравнително трудни за изпълнение, изискват стругарска и фрезова обработка на корпуса. Сравнително лесно, в домашни условия, може да се направи насочен отклонител за КСВ метър от парче коаксиален кабел. Такъв КСВ метър има достатъчно добра чувствителност и точност за любителски цели в обхвата на късите вълни
.
         Изработва се от парче коаксиален кабел с дължина около 150 мм и с нужното вълново съпротивление, например RG-213 за 50 ома или RG-6 за 75 ома. С остър нож се отстранява външната полиетиленова обвивка. Внимателно оплетката се събира към средата, като по този начин се увеличава нейния диаметър. Промушва се между оплетката и изолацията на кабела парче тънък изолиран проводник и оплетката отново се разтяга по дължина. В двата края оплетката се  овива плътно с бандажна лента и измерителят е готов. Остава да се монтират и останалите  детайлите (Фиг.4) в подходяща кутия. За да се получи по-точен КСВ метър е необходимо да се  подберат еднакви резистори и диоди. 
        Тъй като на пазара трудно се намират 75 омови КСВ метри, с тази технология можем бързо да си направим такъв, в случай, че ползуваме 75 омов коаксиален кабел в качеството на фидер.


          В любителски условия сравнително лесно се правят насочени повторители с квадратно сечение (Фиг.5). В качеството на вътрешен проводник на коаксиалната линия може да се използува парче от телескопична антена от транзисторен приемник, с диаметър 5-6 мм. За външен проводник може да се използува с П-образен улей от калайдисана ламарина (фиг.5b), а още по лесно от три ленти от фолиран стъклотекстолит, запоени по вътрешните  ръбове (фиг.5а). Размерите d и D могат да се определят от номограмата, посочена на фиг. 4. Дължината на фидерната линия може да варира от 150 до 300 мм и се подбира в зависимост от минималната честота на която ще се ползува КСВ метъра. В качеството на измерителна линия се използува прав твърд проводник, с диаметър 2.5-3 мм, който е разположен на около 6 мм от централния проводник. Могат да се използуват и два измерителни линии. Много важно е измервателните линии да са точно успоредни и еднакво отдалечени от централния проводник.
                                                                                                                                      Фиг.5

        Поддържането на централния проводник и измервателните линии се осъществява от изолационните трупчета. За да се гарантира успоредност, отворите за централния проводник и измервателните линии в трупчетата се пробиват заедно.   Трупчетата се изработват от полиетилен, полиамид или стъклотекстолит.
        На фиг.6 е показано примерно изпълнение на КСВ метър с две измерителни линии.

        


 Фиг.6

При по-старателно изпълнение, по тази технология, дори и в любителски условия, може да се изработи много точен КСВ метър, който може да се използува в честотния диапазон от 1.5 до 200 MHz, .


Фиг.7

Схемите на свързване на измервателите на КСВ с една и две измервателни линии са показани на фиг. 7.    Резисторите трябва да бъдат безиндуктивни. За точни показания, местата на диодите се уточняват при настройката.             
        Плоската фидерна линия с кръгъл централен проводник (фиг.3) се използува за направата на насочен отклонител за измерване на КСВ в VHF и UHF обхватите. На фиг.8 и 9 е показана примерна конструкция на УКВ КСВ метър, пригоден за работа от 100 до 600 MHz.




Фиг.8


Фиг.9


Фиг.10

Друга разновидност на плоските фидерни линии са плоските лентови линии (Strip line, Microstrip line), които са моного подходящи за изработване на насочени отклонители за VHF и UHF обхватите.
Те също се оформят по схемните решения, посочени на фиг.7, като проводящата линия (лента) трябва да има вълново съпротивление, равно на това на измерваната фидерна линия (50, 75 ома).
В любителски условия плоски линии се произвеждат от фолиран стъклотекстолит (фиг.10). Методите за конструиране и използуване на плоски лентови линии за насочени отклонители и КСВ метри можете да намерите тук
Напоследък, за късовълновите обхвати, все по-вече се използуват КСВ метри, използуващи насочени отклонители с феритни токови трансформатори. Съществува голяма разнообразие от схемни решения. Обикновено антенния ток се измерва чрез токов трансформатор, а антенното напрежение чрез капацитивен или резистивен делител, а внякои случаи и чрез напрежителен трансформатор.


                                                                                 Фиг.11

      На фиг.11 са показана най-често използуваните схеми на такива измерители на КСВ.
     Насоченият отклонител е съставен от парче проходен проводник N1 и нанизан върху него феритен пръстен, съдържащ няколко навивки от тънък проводник (Фиг.11а).
     Най-важната част на КСВ метъра е токовият трансформатор. Коефициентът на трансформация K = N1/N2, където N1 и N2, са броя на първичната и вторичната намотки. Протичащият през N1 антенен ток , ще предизвика протичането във веригата на вторичната намотка ток , който е К пъти по-малък от Iа. Токът ще предизвика появата на напрежение върху резисторите R1-1 и R1-2,   Uт = Iт * (R1-1+ R1-2) .
      От линията N1, с помощта на капацитивните делители С3,С4,С3,С4а, се взема част от антенното напрежение и към  диодните детектори се подава напрежение . Това напрежение, при наличието на активен товар, равен на вълновото съпротивление на КСВ метъра, трябва да бъде Uд = Uт/2.  При това положение върху R1-1 ще се отложи напрежение Uпр = Uт/2 + Uд, а върху резистора R1-2 - Uобр = Uт/2 - Uд. При изменение на стойностите на товара, съответно се променят тока и напрежението в линията и от там Uпр и Uобр.
      На фиг.11 b е показан по-опростен вариант, при който се използува само един капацитивен делител, но това налага въвеждането на резистора R2 за да се затвори правотоковата верига на диодния детектор. 
      Тороидалният трансформатор трябва да се навива с изолирана жица (най-добре ПЕЛКЕ 0.3) и намотката да заема около половината от пръстена. Кондензаторът С4 от капацитивния делител трябва да бъде керамичен и с възможно най-къси краища. Резисторите R1-1 и R1-2 трябва да бъдат безиндуктивни и с еднаква стойност. Всеки един от тях може да бъде съставен от два резистора с двойно по-голяма стойност, включени паралелно. По този начин отчасти се компенсира индуктивността на краищата им. 
      Друга разновидност е показана на фиг.11с, където се използува само един товарен резистор R1 и един капацитивен делител, но  
трансформатора е изпълнен с бифилярна намотка и напрежението от делителя Uд се подава в средната точка на намотката. 
      Първичната намотка на трансформатора може да се изпълни и с парче коаксиален кабел (фиг.11d), като по този начин се постига точно вълново съпротивление на КСВ метъра, което е желателно при по-високите честоти и от друга страна се елиминира капацитивната връзка между N1 и N2. Ширмовката се замъсява само в единия си край, както е показано на фигурата.
        За феритния токов трансформатор могат да се използуват пръстени с външен диаметър D=10-20 mm и магнитна проницаемост µ = 50 - 500. Обикновено вторичната намотка съдържа около 20 навивки. Индуктивността на вторичната намотка на трансформатора следва да бъде не по-голяма от 200 µН, като най-добра честотна равномерност се получава при индуктивност 40-60 µН. Намирането на оптималния брой навивки за N2 става на базата на оптималната индуктивност и магнитната проницаемост на феритния пръстен.
  
         При тези схеми на измерители, за сметка на простотата, се получава широколентово измерване на антенния ток и честотно зависимо измерване на напрежението.  Капацитивния делител, шунтиран от R2 e честотно зависим.


Фиг.12

         На фиг.12 е показан КСВ измерител, публикуван в ARRL Antenna book, който е предназначен за измерване на КСВ в широк честотен диапазон, с много добра равномерност.
         Схемата представлява насочен отклонител с две линии от коаксиален кабел и феритни трансформатори.  Трансформаторът Т1 е токов и взема информация за протичащия антенен ток в първата линията по индуктивен път и напрежението породено от вторичния ток се подава директно към втората линия. Трансформаторът Т2 е напрежителен, взема директно напрежение от първата линия, което индуктира вторично напрежение във втората линия. Така върху втората линия се подават по индиректен път протичащите напрежение и ток в първата линия (антенния фидер). По този начин се постига широколентово измерване както на тока, така и на напрежението във фидерната линия.


         Преимуществото на КСВ-метрите с насочен отклонител е това, че те могат да бъдат включени постоянно във фидерната линия на радиостанцията и да се използуват при пълно натоварване с мощност на антенно-фидерната система. При нормална работа, включени в режим измерване на правата вълна, те се използуват като индикатор на излъчената мощност. С едно превключване, без да се изключва радиостанцията, може да се провери КСВ.
       Недостатък на този тип КСВ-метри е ниската им чувствителност при ниски честоти и при ниски нива на токовете, протичащите в антенно-фидерната система. 
       Измерването на КСВ  при по-големи мощности е неточно, поради което за измерване на резонанса и съпротивлението на антените, следва да се работи с ниски нива на сигнала (1-2W) и най-добре е да се използуват ВЧ мостови резистивни индикатори на КСВ.


Фиг.13

        На фиг.13 е показана схемата на резистивен ВЧ мост, предназначен за измерване на КСВ. Мостът е съставен от резисторите R1, R2, R3 и Za (импеданса на измерваната антена). За да е балансиран моста, резисторите трябва да имат съпротивление приблизително равно на вълновото съпротивление на фидерната линия и да бъдат еднакви. Мощността на всеки един от тях трябва да бъде равна на 1/4 от подаваната мощност, т.е. при 2W резистори, на входа ТХ може да се подава 8W мощност. Ако искаме да увеличим мощността, всеки резистор трябва да бъде съставен от паралелно свързани 2 или 3 резистора, със съпротивление съответно 100 и 150 ома. Резисторите трябва да бъдат безиндуктивни и с възможно най-къси краища. Паралелното им свързване спомага за намаляване на паразитната им индуктивност.
        Останалите елементи - кондензатори и диоди, също трябва да са с възможно най-къси краища. За малки мощности и измервания във VHF и UHF обхватите, успешно могат да се използуват SMD елементи.  


 Фиг.14       

        Голямо разнообразие има в изпълнението на индикаторната част. Най-простото, евтино, компактно, и най-често използувано решение е показано на фиг.14а. Недостатъкът му е, че при всяко измерване е необходимо да се калибрира. Това става, като превключвателя S се поставя в положение КАЛ и с потенциометър Р се постига максимално отклонение на стрелката на уреда. След това превключвателя се поставя в положение КСВ и без да се променя настройката на Р, се отчита стойността на КСВ. Ако се изследва някаква антена за да се установи нейната резонансна честота, се налага да се обходи някакъв честотен диапазон, при което се променя мощността, което налага калибриране. Макар, че не е сложна, многократното изпълнение на тази операция  е доста досадно. Значително по-оперативна е схемата, посочена на фиг.14b, при която едновременно се отчитат и правата вълна и КСВ.


        Тези схеми са енергонезависими, но изискват използуването на чувствителни електромагнитни амперметри (50 - 100 µА). Ако напреженията Uпр и  Uобр се подадат на правотоков усилвател, то въпроса с индикацията може да бъде решен с по-нечувствителни амперметри (0.5 - 1 mA). Такова решение е показано на фиг. 15. Може да се реализира и двуканален индикатор, с два уреда, за да се избегне операцията "калибриране".
        Стрелковите микроамперметри могат да бъдат заменени със светодиодни "стълбици", управлявани от LM3914 или A277D, но в този случай не може да се отчита точната стойност на КСВ.
         Съществуват и множество конструкции на индикатори, използуващи микропроцесори, които автоматично отчитат КСВ на LED или LCD дисплей.

                                    Фиг.15


     

       Игор Гончаренко - DL2QK  предлага интересна балансова схема (фиг.16) за отчитане на КСВ. Характерното за тази схема, че електромагнитната  системка не е измерителна, а индикаторно, т.е. с нулево положение на стрелката в средата на скалата. Потенциометърът се върти докато стрелката на индикатора попадне в нулевото си положение. Разбира се, че за да бъде отчетен КСВ, в този случай се разграфява склата на потенциометъра, което е много по лесно, отколкото скалата на измерителна система и поради което индикатора може да бъде с малки размери. 
      Асен - LZ1APM използува такава схема и дава много добри отзиви за нея. 

Фиг.16


 Фиг. 17     

Автоматично отчитане на КСВ от 1W до киловати, без да е необходимо никакво калибровка и превключване предлага DD2JI. Както се вижда от схемата (фиг.17), тя съдържа само два MOSFET транзистора от серията BF900 и един операционен усилвател LM324. Тази схема изисква само една първоначална настройка посредством тример-потенциометъра R6, след което уреда се използува без да са необходими абсолютно никакви настроики по него. Тази схема е много удобна за вграждане в антенен тюнер и работа в състезания с бързо преминаване на различни обхвати.


Фиг.18      
    
     Важен момент в изработката на КСВ метър в любителски условия е подборът на използуваните части, първоначалната настройка и разграфяването на скалата. Особено внимание трябва да се обърне на диодите. За да бъде чувствителен измерителя при малки мощности, следва да се използуват ВЧ германиеви точкови диоди. Диодите трябва да имат еднаква волт-амперна характеристика. С помощта на схемата на фиг.18, може да се подбират диоди. Ако диодите са еднакви, микроамперметъра трябва да показва нула, при всяко положение на потенциометъра.
                                                                                     
         
  След като бъде събран КСВ-метъра, за неговото първоначално настройване е необходим изкуствен товар със съпротивление, отговарящо на вълновото съпротивление на КСВ метъра. За настройката се ползува предавател с мощност от 5 до 100 W. Първоначално се проверява дали двата измерителни клона са еднакви. За целта превключвателя се установява в положение КАЛ. и стрелката на микроамперметъра  се установява на някакво положение. КСВ-метъра се свързва обратно и превключвателя се поставя в положение КСВ. При същата подадена мощност и положение на потенциометъра, уреда трябва да покаже същото отклонение. По този начин може да се провери КСВ метъра при различни преминаващи през него мощности. Ако това условие не е спазено, следва да се търсят причините за асиметрия (диоди, резистори, положение и дължина на измерителните линии, краища на трансформатора).  
            Следващият момент е балансирането на схемата. КСВ-метъра се свързва към предавателя и товара. 
           Ако измерителя е насочен отклонител  с линии, превключвателя се поставя в положение КАЛ и с потенциометъра се установява максимално отклонение на индикатора. Без да се променят настройките, КСВ-метъра се включва обратно, а превключвателя се поставя в положение КСВ. Индикаторът следва да показва същото отклонение. Ако това условие не е изпълнено, променя се мястото на присъединяване на измерващия диод към съответната измерителна линия.
        
Ако измервателя е от трансформаторен тип, с капацитивните делители се търси баланс в права посока по максимум, и в обратна - по минимум показания на индикатора. При измервател с един капацитивен делител, настройката се прави само по минимум показания на обратната вълна. Ако все пак не успеете да симетрирате схемата, можете между измерителя и индикатора да вмъкнете по един променлив резистор-тример от порядъка на 1-2 К, с които да изравните токовете в двата клона.
          След като КСВ-метъра е балансиран, може да се пристъпи към градуирането на скалата. Много пъти съм чувал, някой да търси фабричен КСВ-метър за да си калибрира изработеният от него КСВ-метър. Не, че този подход е неправилен, но е доста труден за изпълнение, защото е необходимо на изхода да се използува променлив товар, така, че да бъдат имитирани различни по стойност КСВ.

           Известно е, че:                             КСВ = (Uпр + Uобр) / (Uпр - Uобр)   
където: Uпр винаги е равно на максималната стойност на оригиналната скала (1; 10 или 100)
            Uобр e отчетената от скалата стойност, която е между 0 и макс. показание (например 0.5; 5.0 или 50)

           Лесно можем да изчислим стойностите на които трябва да бъде разграфена скалата за КСВ

 Smax =1.0

  0

 0.1 

 0.2 

 0.3 

 0.4 

 0.5 

 0.6 

 0.7 

 0.8 

 0.9 

 Smax = 10

 0 

 2

 3

 4

 6

 7

 9

 10

 Smax = 100

  0

10 

 20 

 30 

 40 

 50 

 60 

 70 

 80 

 90 

100 

 КСВ 

1.0 

1.2 

1.5 

1.9 

2.3 

5.7 

10 

 

 








Mail to LZ2ZK
Все права защищены ©. 2009
Сайт создан компанией Big Apple