Измеритель КСВ

Непосредственно подключить антенну можно лишь к портативной радиостанции. Во всех остальных случаях антенна подключается к приемопередатчику с помощью высокочастотного фидера. Назначение фидера — передать с минимально возможными потерями сигнал от передатчика в антенну при передаче и от антенны к приемнику при приеме. Для того, чтобы максимум мощности сигнала был передан от передатчика в антенну, необходимо согласование выходного сопротивления передатчика, волнового сопротивления фидера и сопротивления антенны. Вся Си-Би аппаратура разрабатывается и выпускается с выходным сопротивлением 50 Ом. Поэтому, для обеспечения согласования, в Си-Би технике в качестве фидера используется коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом. Если в качестве фидера используется не стандартный коаксиальный кабель, а какой-либо суррогат или кабель с другим волновым сопротивлением, то эффективность работы Си-Би аппаратуры упадет. В отдельных случаях применение нестандартного кабеля может даже привести к выходу аппаратуры из строя. Конструктивно коаксиальный кабель состоит из центральной жилы, внутреннего изолятора, внешней оплетки и внешнего изолирующего слоя. Часто при покупке кабеля неизвестна ни его марка, ни его волновое сопротивление. Тем не менее с помощью простых измерений можно установить волновое сопротивление. Для этого нужно удалить защитную изоляцию и оплетку и измерить диаметр центральной жилы и внешний диаметр внутренней изоляции. Значение волнового сопротивления коаксиального кабеля со сплошной полиэтиленовой изоляцией можно вычислить по формуле:

W=91*Lg(D/d), где W — волновое сопротивление кабеля, Ом;

D —диаметр внутренней изоляции, мм;

d — диаметр центральной жилы, мм.

Практически, наиболее широко распространены кабели с волновым сопротивлением 50 Ом (у которых отношение D/d находится в пределах от 3,3 до 3,7) и кабели с волновым сопротивлением 75 Ом (у которых отношение D/d находится в пределах от 6,5 до 6,9). Кабели с волновым сопротивлением 75 Ом обычно применяются в телевизионной и видео технике. Волновое сопротивление коаксиальных кабелей не изменяется при прокладке его вблизи других кабелей, по металлическим крышам и т. д. Однако при прокладке кабеля необходимо обеспечить целостность его внешней защитной оболочки и не допускать изгибов с малым радиусом. Конец кабеля, подключенный к антенне, должен быть защищен от попадания влаги внутрь кабеля.

Степень согласования оценивают с помощью коэффициента стоячей волны (КСВ). Если линия и нагрузка согласованы, то КСВ=1, если волновое сопротивление линии и сопротивление нагрузки различаются, то КСВ>1. При этом в линии образуются максимумы и минимумы тока и напряжения. Коэффициент стоячей волны определяется как отношение максимального значения тока или напряжения к минимальному:

KCB=Umax/Umin или KCB=lmax/lmin

Если сопротивление нагрузки больше сопротивления линии (Zн>Zл), KCB=Zн/Zл. Если сопротивление нагрузки меньше сопротивления линии (Zн<Zл), KCB=Zл/Zн. Измеритель КСВ позволяет измерить напряжение падающей и отраженной волны.Схема измерителя приведена на рис. 1.

Рис. 1

Основу измерителя составляет измерительная линия L1. Для ее изготовления необходимо использовать кусок 50-омного коаксиального кабеля длиной около 150 мм. С кабеля удаляется внешняя защитная оболочка. Затем оплетка сдвигается с концов к середине. Между оплеткой кабеля и полиэтиленовой изоляцией центральной жилы протягивается провод МГТФ 0,15. После этого следует снова надеть оплетку и растянуть ее на изоляции центральной жилы. Затем оплетка фиксируется на концах нитками. Длина внешних отрезков провода МГТФ до переключателя должна быть минимальной.

Принцип действия измерителя КСВ очень прост. Он включается в разрыв линии передачи, причем расположение коаксиальных разъемов Х1, Х2 не имеет значения, так как прибор электрически симметричен. Резистор R1 устанавливают в среднее положение. При работающем передатчике потенциометр R2 регулируют так, чтобы в положении переключателя "падающая волна" индикатор давал полное отклонение. Затем переключатель устанавливают в положение "отраженная волна" и производят измерение напряжения отраженной волны Uo. По полученному результату определяют значение КСВ по формуле:

KCB=(100+Uo)/(100-Uo)

Можно проградуировать шкалу прибора непосредственно в единицах КСВ. При отношении напряжений прямой и отраженной волны 100:0; 100:20: 100:40; 100:60; 100:80 КСВ составляет соответственно 1,0; 1,5; 2.3; 3,0; 5,7. Коэффициент полезного действия линии передачи связан с КСВ. На многих приборах имеется шкала, показывающая потери в зависимости от КСВ. Если такой шкалы нет- то можно воспользоваться следующей таблицей:

Даже при идеальном согласовании фидера с обеих сторон мощность сигнала в антенне меньше мощности сигнала, вырабатываемого передатчиком. Это связано с тем, что при прохождении сигнала по кабелю уменьшается его уровень, происходит затухание сигнала. Для характеристики кабелей разных марок используется удельное затухание. Удельным затуханием принято называть такое затухание, которое испытывает сигнал заданной частоты, проходя по кабелю длиной 1 м. Удельное затухание измеряется в децибелах на метр (дБ/м) и приводится в справочных данных на каждый тип кабеля. Для уменьшения затухания используется внутренний изолятор с минимальными потерями. Наименьшими потерями обладает воздух, поэтому в наиболее высококачественных коаксиальных кабелях в качестве изолятора центральной жилы используется пористый полиэтилен или другой изолятор с несплошным заполнением. В кабелях с такой изоляцией центральной жилы уменьшается (становится ближе к 1) и коэффициент укорочения.

Дополнительное уменьшение потерь достигается серебрением проводников коаксиального кабеля. Параметры некоторых типов коаксиальных кабелей приведены в Приложении. Затухание сигнала в линии заданной длины определяется по формуле:

К=В*L, где К — коэффициент ослабления;

В — удельное затухание;

L — длина линии.

При проведении измерений КСВ необходимо учитывать, что затухание сигнала в кабеле приводит к погрешности измерений. Это объясняется тем, что и падающая и отраженная волны испытывают затухание. В этом случае КСВ можно рассчитать по формуле:

КСВ=(Uпрям+Uотр.К)/(Uпря-Uотр.К), где КСВ — коэффициент стоячей волны;

Uпрям — измеренное напряжение падающей волны;

Uoтp — измеренное напряжение отраженной волны;

К — коэффициент ослабления отраженной волны.

Коэффициент ослабления рассчитывается по формуле:

K=B*2*L

В этой формуле коэффициент 2 учитывает тот факт, что сигнал испытывает ослабление при передаче от трансивера к антенне и на обратном пути. Так как при использовании кабеля РК50-7-15 удельное затухание на частотах Си-Би составляет 0,04 дБ/м, то при длине кабеля 40 м отраженный сигнал будет испытывать затухание 40*2*0,04=3,2 дБ. Это приведет к тому, что при реальном значении КСВ, равном 2,0, прибор покажет только 1,5; при реальном значении 3,0 прибор покажет около 2,0. В литературе [18] Описан панорамный КСВ-метр, позволяющий наглядно контролировать процесс настройки антенны, а в [19] описано согласующее устройство, объединенное с КСВ-метром.