Продолжая тему "Измеритель мощности" и "Конструкция послевыходного дня" я, сам того не ожидая, поднял фантомный вопрос - КСВ метр и измеритель мощности. И вопрос не такой простой как кажется. Сегодня, когда прилавки магазинов завалены измерителями КСВ самых разнообразных форматов никому в голову не придёт "въезжать" в вопросы их устройства, тем более настолько чтобы сделать такой самому. Наверное правильно - оставим сложные вопросы специалистам, не аматорам. Для практической деятельности вполне достаточно одного, не самого дорогого, устройства, которые, впрочем, могут быть и не по карману рядовому жителю Украины. Но для того, чтобы "срисовать" устройство и схему - вполне достаточно подержать его в руках :-)
Откуда вопрос возник? А от нашего же аматорства. Многие считаю вполне достаточным встроенный в трансивер КСВ-метр, многие понимают, что этого мало, и ищут другие, но, как правило, довольствуются теми схемами, что предлагает интернет. А уж мы знаем что не всему что написано на заборе можно верить. В подавляющем большинстве случаев это схемы "показометров", которые и рефлектометрами то назвать язык не поворачивается, не говоря уже про слово "чего-то там метр". Ранее, по бедности, эти приборы были вообще с одним стрелочным прибором, который переключался тумблером и значение КСВ надо было вычислять в уме. Потом появились приборы с двумя встречными стрелками для одной шкалы и стало очень хорошо видно соотношение падающей и отражённой волны. А раз так, то стало возможным отградуировать шкалы в единицах мощности и КСВ. Так устроены лучшие из них
Пикантность ситуации в том, что когда мы говорим "измеритель мощности", то имеем в виду физический смысл этого - измеряется напряжение и ток в антенне после чего умножением одного на другое получаем мощность. Но 99,9% радиолюбительских приборов устроены совсем не так. И даже лучшие из них "калибруются". Это когда показания стрелочных приборов за уши (потенциометрами) подтягивается к краю шкалы. Или минимуму в случае волны отражённой. Эмпирически предполагается, что раз сопротивление антенны 50 Ом и КСВ=1, то мощность можно посчитать по закону Ома - квадрат напряжения, делённый на сопротивление. А где взять напряжение? Да один раз померять на нагрузке (резисторе) в 50 Ом, а потом отградуировать шкалу 20-200-2000 ватт и пользоваться себе в удовольствие.
В общем виде с проводника между двумя разъёмами служащего телом для протекания тока в антенну либо через емкостные ответвители, либо через трансформаторы тока снимаются противофазные величины. Чаще токов. Пропуская эти токи через известные сопротивления получают напряжение. Далее танцы с бубном и в результате арифметических вычислений появляется и КСВ и даже мощность в нагрузке. Но как только мы заглянем вовнутрь прибора, а заглядывать будем в Daiwa CN101L (потому что стоит у меня на столе), то увидим там много-премного деталей и подстроечные резисторы в том числе. Дак ото -ж! Сколько накрутим, столько и вольт будет :-)
Но практика показывает что более-менее серьёзные модели со вполне достаточной для радиолюбителей точностью таки показывают и КСВ и мощность. Если разбить процесс на две части, то прибор состоит из измерителя (снифера, на схеме COUPLER) и устройства отображения (или вычисления и отображения в нашем случае. Устройство отображения мы уже сделали в предыдущем материале, теперь для него нужен достоверный считыватель значений тока (напряжения). Я не вижу решения лучше чем скопировать измерительную часть у этого прибора и модифицировать его для уже упомянутого автоматического делителя напряжения на Ардуино.
Для того чтобы было все понятно когда дойдём до сложных понятий, хочу поговорить о том как эти приборы развивались. Тем, кто описываемое хорошо знает, рекомендую переходить сразу к заключительной части. Антенны не меняют каждый день, поэтому для настройки П-контура передатчика обычно хватает индикатора тока в антенну. У меня был тепловой амперметр показаниям которого я очень доверял :-) Все, скорее всего, помнят, а может даже и делали, очень популярную версию индикатора тока в антенне от Ротхаммеля. Я точно делал. И именно потому что было понятно как делать и что получим в результате. Добавив в схему переключатель мы получили возможность дифференцировано видеть ток туда и обратно, сравнить их. С этого момента индикатор тока превратился в индикатор КСВ
Правда я сразу оценил преимущества двух стрелок (сравнивать легко), поэтому под оплётку пропускал два проводника, делал два выпрямителя и потенциометр сдвоенный.... Соответственно было две измерительных головки. Но всё это по прежнему оставалось индикатором уже хотя бы потому что проводники под оплёткой ложились неровно, два выпрямителя имели не одинаковые характеристики, да и погрешность микроамперметров в индикаторах от магнитофона тоже не добавляли уверенности в точности результата. Всё усугублялось тем, что результат получался после математических вычислений, алгоритм которых (и эффект больших чисел тоже;-() очень сильно искажал результат. Позже народ повсеместно стал переходить на направленные ответвители по причине стабильности положения протравленных полосок на стеклотекстолите относительно центрального проводника, мизерной индуктивности и меньшей зависимостью от частоты. В интернете до сих пор масса вариантов для переноса на фольгированный стеклотекстолит.
Мне помнилось, что среди недостатков его были нелинейная АЧХ, низкая чувствительность и слишком разная (по отношению к коаксиальному кабелю до и после неоднородность, что попросту приводит к тому что фидер разбивается на участки с различными свойствами. Для проверки упомянутого я сделал такую измерительную головку и протестировал её. При включении в разрыв (между антенной и КВС метром моего радио) КСВ ухудшился в среднем до 1,6-1,9 и кроме этого всё упомянутое выше подтвердилось. На 1,8 мгц напряжение "прямой" -1,2 вольта, обратной 0,4, практически граница возможного для ГД507, на 20-ке обратной я уже не видел, прямая 0,5 вольта, выше по частоте вообще ничего. Правда измерял я тестером за 150 гривен. Класс точности огурца. Ни в одном из упомянутых девайсов не было попытки измерить напряжение или ток, только сравнение прямой и обратной волны, поэтому нагрузочных сопротивлений или чего-нибудь для измерения тока нет нигде, просто индикаторы которые показывают относительную разницу. А в Одессе говорят эти две разницы могут быть большими....
Но не всё было так безнадёжно. В начале 90-х я привёз себе "почти" измерительный прибор от OscerBlock именем SWR200B. Уже тогда он измерял от 160 до 2 метров, до 2-х киловатт с точностью до 5% на нагрузках 50 и 75 Ом. За счёт чего и для чего?
Просто добротный коаксиальный ответвитель, прецизионные измерительные сопротивления, высококачественный сдвоенный потенциометр и прилагаемая таблица которая корректирует неравномерность частотной характеристики. На фото видно как нужно выставить потенциометры в зависимости от частотного диапазона и диапазона мощности (в соответствии с таблицей).
А теперь вопрос второй: для чего. Ведь уже поминалось, что антенны каждый день не меняют, передатчик как правило, тоже. Но и передатчиков может быть два. Или даже три, как у меня, например. И параметры антенн изменяются в зависимости от погоды, например мокрый снег, туман, дождь... Или, упаси боже, вообще обрыв. Или замыкание. Одним словом хочется видеть не только то, что антенна работает, но и замечать изменения, если они будут.
В третьей статье я еще раз помяну все эти проблемы которые будут мешать точности измерений уже даже в компьютеризированном приборе и о попытках их нивелировать, а пока предлагаю признать возможность измерения и КСВ и мощности. Причём в следующей статье я буду рассказывать как с помощью Ардуино и математики я попытаюсь получить на экране подводимую от передатчика мощность и мощность которую излучает антенна.
В попытке добиться приемлимой точности и хорошей линейности при детектировании народ помалу стал обращаться к мостовым схемам измерения. Самая простая с использованием в плечах 50-ти омных сопротивлений. Точность отличная, широкополосность замечательная. Одна проблема - проходящая мощность зависит от мощности опорных резисторов :-( Чуть превысил мощность и твои опорные резисторы сгорели. А где же их взять, 200-ваттные то :-( ? И работает только как измерительный прибор. Работать в ним в эфире (как оперативный контроль) нельзя из-за большого проходного сопротивления. И еще будучи подключенным к реальной антенне сильно подвержен наводкам со стороны как раз антенны.
С появлением доступных качественных ферросплавов появилась возможность строить трансформаторы тока с достаточно линейной частотной характеристикой. Пропуская эти токи (прямой и обратный) через резисторы (мощность которых может быть в N раз (N - коэффициент трансформации тока) меньшей проходящей через прибор мощности, получаем напряжения в N раз меньше напряжения на антенне. Дальше всё просто: есть напряжение и ток, вот и вычмсляем мощность. Да, всё еще останутся погрешности измерений связанные с нелинейностью детекторов, цепей передачи напряжения, ВЧ развязки, неточности калибровки пределов измерений (при переключении градаций мощности), но уже гораздо ближе к радиолюбителю.
Ведь сделать коаксиальный ответвитель как показанный выше в приборе SWR-200B в домашних условиях почти невозможно. А вот трансформаторы тока - легко. Ниже схема и и фотография детекторного отсека КСВ-метра Daiwa CN101L ( смотри пост ранее ;)
Резисторы выбраны разные с учётом того, что отражённая волна преодолевает еще и омическое сопротивление кабеля от антенны до прибора. (с учётом нижнего резистора делителя). В вашем исполнении выглядеть это может так
Ну что ж, посмотрим что выйдет из повторения Daiwa CN101L. Одно дело посмотреть как оно сделано, другое - сделать самому. Засучив рукава беру в руки инструмент и пол дня обрабатываю фольгированный стеклотекстолит. Время на рисование и травление печатной платы нет, вернее жалко, режу по живому из головы. Может некрасиво, зато быстро. Поскольку нужно на КВ, с SMD элементами не заморачиваюсь
Больше всего проблем было с отсутствием проходных конденсаторов. Спасибо товарищам по работе, дали старый телевизионный селектор каналов и фен, чтобы аккуратно выпаять. Спасибо Виктор Викторович, спасибо Геннадий Константинович! Побегал, попаял. Через два часа черновик для испытаний готов. Сначала проверяю просто в разрыв между фирменной Daiwa и антенной. Ого! Прямая до 10 вольт, обратная до полувольта в зависимости от КСВ в реальной антенне. Пробовал на всех, что есть: на 160 - Inv L, 80-40-30 - диполя, 20-15-10 по три элемента гексоидр. Показалось что неравномерно. Конечно же, без соответсттвующей экранировки и кривом тестере не очень красиво.
Решил посмотреть что получилось на антенном анализаторе. В нагрузке безиндукционный резистор 50 Ом 20 ватт, смотрю до 30 мгц, потому что анализатор старый и простой - АА330.
И правда. КСВ от 1 до 2, терпимо, а вот сопротивление до 100 Ом. Отмотал 5 витков с трансформаторов тока (изначально было 25, чтобы трансформировать ток от 5 ампер до 200 мА) Так потому что хотел получить максимальное напряжение на опорных резисторах в 10 вольт - удвоенное максимальное напряжение на входах АЦП Ардуино. Ну говорили же про два поддиапазона мощностей! На десятке (и предположительно на 144) картинка улучшилась, но зато стал заметен резонансный "горб" в районе 22 мегагерц. Поскольку феррит не тестировал, доверился цвету маркировки, решил всё-таки определить хотя бы примерно магнитную проницаемость. Не открою Америки, есть онлайн калькулятор Coil32. Мотаю на кольце много витков (до заполнения, потому что точность определения будет выше), измеряю индуктивность.
В окне калькулятора ввожу измеренную индуктивность, размеры кольца, "рассчитать". Ву а ля!
Многовато будет. Беда. Надо раза в два меньше. Но других пока нет. Заказал в интернете T68-6, жёлтеньких, но пока приедут, умру от нетерпения :-) Короче на неделе перемотаю трансформаторы на другие кольца и тогда на 50 омах будет так, как сейчас получилось на 100! Результат вполне приличный. А если смотреть на картинку для сопротивления в 100 Ом так вообще просто замечательный. Как в учебнике. Короче схема с двумя трансформаторами работает отлично. По крайней мере у меня заработала. Без особой надежды на успех (из-за магнитной проницаемости колец) пробую на 144. Завал частотной характеристики очевиден, но КСВ (соотношение) скорее всего покажет честно. Прямая больше 3-х вольт, обратной глазом не видно. Но Ардуино посчитает.