Шумовой мост для настройки антенны. Метод "холодной" настройки антенны Измерение импеданса антенны
Шумовой мост используется для измерения и тестирования параметров антенн, линий связи, определения характеристик резонансных цепей и электрической длины фидера. Шумовой мост, как следует из его названия, является устройством мостового типа. Источник шума генерирует шум в диапазоне от 1 до 30 МГц. С применением высокочастотных элементов этот диапазон расширяется, и при необходимости можно настраивать антенны диапазона 145 МГц.
Шумовой мост работает совместно с радиоприемником, который используется для детектирования сигнала. Подойдет также любой трансивер.
Принципиальная схема прибора приведена выше. Источником шума является стабилитрон VD2. Здесь следует отметить, что некоторые экземпляры стабилитронов недостаточно «шумят», и следует выбрать наиболее подходящий. Генерируемый стабилитроном шумовой сигнал усиливается широкополосным усилителем на транзисторах VT2, VT3. Число усилительных каскадов может быть уменьшено, если используемый приемник имеет достаточную чувствительность. Далее сигнал подается на трансформатор Т1. Он намотан на тороидальном ферритовом кольце 600 НН диаметром 16…20 мм одновременно тремя скрученными проводами ПЭЛШО диаметром 0,3…0,5 мм с намотанными 6 витками.
Регулируемое плечо моста составляют переменные резистор R14 и конденсатор С12. Измеряемое плечо - конденсаторы С10, С11 и подключаемая антенна с неизвестным импедансом. В измерительную диагональ подключается приемник в качестве индикатора. Когда мост разбалансирован, в приемнике слышен мощный равномерный шум. По мере настройки моста шум становится все тише и тише. «Мертвая тишина» свидетельствует о точной балансировке.
Следует отметить, что измерение происходит на частоте настройки приемника.
Размещение деталей:
Прибор конструктивно выполнен в корпусе размером 110x100x35 мм. На передней панели располагаются переменные резисторы R2 и R14, переменные конденсаторы С11 и С12 и выключатель напряжения питания.
Сбоку размещены разъемы для подключения радиоприемника и антенны. Питание прибора осуществляется от внутренней батареи или аккумулятора. Ток потребления - не более 40 мА.
Переменные резистор R14 и конденсатор С12 необходимо снабдить шкалами.
Настройка, балансировка и калибровка
Подключаем радиоприемник с отключенной системой АРУ к соответствующему разъему. Конденсатор С12 устанавливаем в среднее положение. Вращая резистор R2, следует убедиться, что генерируемый шум присутствует на входе приемника на всех диапазонах. К разъему «Антенна» подключаем безындукционные резисторы типа МЛТ или ОМЛТ, предварительно измерив их номиналы цифровым авометром. При подключении сопротивлений добиваемся вращением R14 резкого уменьшения уровня шума в приемнике.
Подбором конденсатора С12 минимизируем уровень шума и делаем отметки на шкале R14 в соответствии с подключенным образцовым резистором. Таким образом производим калибровку прибора вплоть до отметки 330 Ом.
Калибровка шкалы С12 несколько сложнее. Для этого поочередно подключаем к разъему «Антенна» параллельно соединенные резистор 100 Ом и емкость (индуктивность) величиной 20.. 70 пФ (0,2…1,2 мкГн). Добиваемся баланса моста установкой R14 на отметке 100 Ом шкалы и минимизацией уровня шума вращением С12 в обе стороны от положения «0». При наличии RC-цепочки ставим знак «-» на шкале, а при наличии RL-цепочки - знак «+». Вместо индуктивности можно присоединить конденсатор 100 .7000 пф, но последовательно с резистором 100 Ом.
Измерение импеданса антенны
R14 устанавливаем в положение, соответствующие импедансу кабеля - это для большинства случаев 50 или 75 Ом. Конденсатор С12 устанавливаем в среднее положение. Приемник настраиваем на ожидаемую резонансную частоту антенны. Включаем мост, выставляем некоторый уровень шумового сигнала. С помощью R14 настраиваемся на минимальный уровень шума, и с помощью С12 дополнительно понижаем шум. Эти операции проводим несколько раз, так как регуляторы влияют друг на друга. Настроенная в резонанс антенна должна иметь нулевое реактивное сопротивление, а активное сопротивление должно соответствовать волновому сопротивлению применяемого кабеля. В реальных антеннах сопротивления, как активное, так и реактивное, могут существенно отличаться от расчетных.
Определение резонансной частоты
Приемник настраивается на ожидаемую резонансную частоту. Переменный резистор R14 устанавливается на сопротивление 75 или 50 Ом.
Конденсатор С12 устанавливается в нулевое положение, а контрольный приемник перестраивается по частоте до получения минимального шумового сигнала.
На рис.1 приведена схема ВЧ-моста, разработанная на основе конструкции UA9AA .
Рис.1
Как правило, навесной монтаж, применяемый при изготовлении моста, ограничивает диапазон рабочих частот подобных устройств значениями 140...150 МГц. Чтобы обеспечить работу в диапазоне 430 МГц, прибор целесообразно изготовить на двустороннем фольгированном текстолите. Один из удачных вариантов монтажа показан на рис.2 и 3.
Рис.2
На верхней стороне платы (рис.2) расположены два безындукционных резистора R1, R2 с компенсационными конденсаторами С4, С5. На нижней стороне (рис.3) размещаются остальные детали моста. Монтаж выполнен на "пятачках".
Рис.3
Расстояния между "пятачками" определяются размерами используемых деталей. Кружки, обозначенные на рисунках штриховыми линиями, соединены между собой через отверстия в плате.
При изготовлении моста особое внимание следует уделить качеству используемых деталей. Конденсаторы С1, С2 - керамические, безвыводные, типа К10-42, К10-52 или аналогичные. Опорный конденсатор С3 - КДО-2. Подстроечные конденсаторы С4, С5-типа КТ4-21, КТ4-25; остальные конденсаторы - КМ, КЦ. Резисторы R1, R2 должны быть типа МОН, С2-10, С2-33 мощностью 0,5 Вт и иметь одинаковое сопротивление в пределах 20...150 Ом. Если используются резисторы типа МОН, то выводы у них откусываются до основания, которое зачищается и залуживается, а затем припаивается к нужному "пятачку". Резистор R3 - типа СП4-1, СП2-36, безындукционный, с графитовой дорожкой. Этот резистор крепится на боковой стенке из фольгированного текстолита, однако фольга в месте его крепления удаляется. Корпус резистора не соединяется с общим проводом, иначе мост не удастся сбалансировать. Ручка, укрепляемая на оси резистора, должна быть изготовлена из изоляционного материала. Кроме резистора R3, на боковых стенках крепятся разъемы СР-50. Места соединения (стыки) между боковыми стенками и основной платой тщательно пропаиваются.
Мощность сигнала от генератора должна быть около 1 Вт. В качестве генератора могут использоваться, например, IC-706MK2G, варакторный утроитель и т.д.
При проверке балансировки ВЧ-моста в диапазонах VHF и UHF используются только безындукционные резисторы. Точной настройке компенсационных конденсаторов (при одном и том же сопротивлении нагрузки) соответствует неизменный баланс на нескольких диапазонах (например, 7...430 МГц). Если не удастся подобрать достаточное количество безындукционных резисторов для градуировки моста, промежуточные значения шкалы прибора можно отградуировать на НЧ-диапазонах, используя распространенные резисторы, например, типа МЛТ или МТ.
Для измерения реактивности нагрузки потребуется заменить конденсатор С5 переменным (с воздушным диэлектриком и максимальной емкостью около 20 пФ), однако верхний частотный предел измерений ограничен диапазоном 144 МГц, т.к. не удается полностью компенсировать емкость монтажа.
Если в приборе использовать дроссели индуктивностью 200 мкГн, частотный диапазон моста составит 0,1...200 МГц.
Предлагаемая конструкция имеет очень хорошую повторяемость, в отличие от устройств, выполненных с применением навесного монтажа.
Литература
- Ю.Селевко (UA9AA). Прибор для настройки антенн. Радиолюбитель, 1991, N5, С.32...34.
Мост №1
С этим же несколько лет назад столкнулся и я, настраивая антенну YAGI-DL6WU-mod на 23см. Изготовив несколько различных конструкций КСВ-метров (с петлями связи, мостовые …) на этот диапазон, я убеждался, что все они более или менее «врут». Это в основном проявлялось в искажении показаний при низких КСВ. Так, при подключении к такому измерителю вместо антенны образцовой нагрузки с промаркированным КСВ=1.05, - они редко «показывали» КСВ меньше 1,3...1,5.
Зато с антенной легко можно было добиться значений КСВ=1.0, что было ошибкой, ибо означало, что импеданс антенны, в данном случае, просто «удобен» для балансировки схемы... Из всех, опробованных мной устройств, более-менее хорошо заработала конструкция И.Нечаева, опубликованная в ж. «РАДИО»-12/2003г. - «Мостовой измеритель КСВ», и то, -только после того, как была удалена нижняя фольга платы, и добавлена небольшая конструктивная емкость в одно из плеч моста.
До этого я уже заметил, что самодельные КСВ-метры, собранные по схеме ВЧ-моста, лучше чем другие справляются со своими обязанностями на СВЧ-диапазонах. Применение SMD-компонентов и печатного монтажа для их изготовления, казалось-бы — идеальное решение, но индуктивности и ёмкости печатных дорожек, точнее — их малейшее отличие в плечах моста, на СВЧ приводит к разбалансу и требует мер по их компенсации, что усложняет изготовление и настройку таких мостов в домашних условиях.
Исходя из этого впоследствии и был изготовлен мой первый «правильный» СВЧ-мост на диапазон 23см, все детали которого «висят» в воздухе и закреплены на выводах трех «N»-разъемов, которые, в свою очередь, просто спаяны между собой торцами. Четвертой «стенкой» служит кусочек жести (0,5мм), с установленными на ней проходным конденсатором и припаянной к торцам разъемов. Конструкция, таким образом, не требует изготовления корпуса (см.рис.1), очень проста, а вся сборка может занять 2...3 часа. Малые размеры измерителя позволяют подключать его через короткий (и качественный!) ВЧ-переходник непосредственно к антенне и проверять КСВ непосредственно на её зажимах, не внося заметных влияний.
Принцип измерения КСВ прост: Подаем на мост такую мощность, чтобы на его входе она была в пределах 0,3....3Вт, при отключенной Zx. Ручкой «Чувствительность»(Бл.Изм.) устанавливаем стрелку на последние деление (100мкА). Затем подключаем исследуемую нагрузку (Zx) и считываем показания КСВ.
P.S. Здесь дотошный (и грамотный) читатель скажет: «Э-э-э, вот тут ты врешь!» И будет прав! Действительно, когда Zx отключена, источник сигнала (трансивер) «видит» входное сопротивление моста около 100ом, а когда Zx подключена — около 50ом. Это изменяет уровень ВЧ-напряжения на входе моста и результаты измерения искажаются.
Однако, на практике это почти не заметно, так как во-первых, мы соединяем трансивер со входом моста через кабель, имеющий затухание, и выполняющий, соответственно, роль аттенюатора «улучшающего» КСВ. Так, трансиверы на 1296МГц обычно имеют Рвых. около 10Вт, и, если соединить его с мостом через кабель типа RG-58 (или РК-50-2-11) длинной около 10м, то потери будут около 10дб и на мост придет около 1Вт. КСВ с таким кабелем в точке подключения к трансиверу будет близок к 1.0 независимо от того, подключена Zx или отключена.
Кроме того тонкий кабель (диам. 4...5мм) удобен при измерении КСВ на «зажимах антенны», т.к. не оказывает серьезной механической нагрузки на антенну. Но, как показала проверка с образцовыми нагрузками (с КСВ: 1.05/1.4/2.0), - более короткие кабели тоже не приводят к большим ошибкам в результатах измерений.
Таблица №1
Практические результаты измерений с мостом №1 и калиброванными нагрузками на диапазоне 1296МГц при разной входной мощности
P(мощность) | |||||||||
КСВ(эталонные) | |||||||||
Показания КСВ с мостом №1 | |||||||||
Например, таблица 1 составлена при подключении моста к трансиверу «TS-790S» через отрезок кабеля с затуханием около 6дб.
Мой TS-790S на диапазоне 1296МГц имеет минимальную мощность 1,2Вт,а максимальную -около 12Вт, поэтому подключение его к мосту через кабель с таким затуханием обеспечивает весь диапазон мощностей, который с удовольствием «кушает» мост. Подавать на мост мощность менее 0,3Вт нежелательно, так как может привести к занижению показаний («улучшению» реального КСВ), а выше 3Вт - чревато перегревом и выходом из строя резисторов R1…R4.
О деталях:
N-разъёмы - импортные, под печатный монтаж с фланцами 17,5 х 17,5мм. Торцы фланцев зачищены напильником до меди. Центральные проводники обкушены и торчат на длину 2…3мм (фторопласт обрезан под основание и удалён);R1…R4 - ОМЛТ-0,25Вт-100Ом. Выводы укорочены до 2…3мм;
C1, C2 - керамические, NPO, выводы укорочены до длин, необходимых на соединений;
D1 - BAT-62-03W. Шотки (0,4pF/40v/0.43v). Куплен в «RFmicrowave.it» (0,3Евро/шт.);
Zo -образцовая нагрузка 50Ом с N-разъёмом (DC-6GHz, 2W). Куплена в «RFmicrowave.it» (COD:«TC-N-04»; 9,8Евро/шт.)
Рис. 2. Схема ВЧ-моста для диапазона 1296МГц.
Добавление по мосту диапазона 1296МГц.
Для начинающих, - калибровка стрелочного прибора.
Аккуратно вскрываем прибор, чтобы был доступ к шкале (или составляем такую шкалу в виде таблицы). Маркируем шкалу значениями КСВ в соответствии с формулой:
КСВ=(A+B)/(A-B),
где
А - показания всей шкалы (когда Zx отключена),например:100мка.
B - показания КСВ (когда Zx подключена).
Итак, при шкале прибора 100мкА получится:
КСВ=1,0 → 0мкА;
КСВ=1,2 → 9,1мкА;
КСВ=1,5 → 20мкА;
КСВ=2,0 → 33,3мкА;
КСВ=2,5 → 42,9мкА;
КСВ=3,0 → 50мкА;
КСВ=5,0 → 66,7мкА.
Смело наносим эти значения на шкалу прибора. Желательно в измерительный блок установить прибор с большой шкалой - это облегчает считывание показаний при настройке антенны,- на улице, например.
P.S. Думаю что описанный мост работоспособен и на других ВЧ-диапазонах, но такие проверки я не проводил, т.к. измерителей на метровый и дециметровый диапазоны достаточно. Буду рад любой информации.
Мост №2
Мост№2 «вырос» из первого. «...А не рискнуть ли мне изготовить подобный мост для диапазонов 5,7 и 10ГГц??» - как-то подумалось мне. Результат на рис.4 и приведенной схеме (Рис.№3).
Утверждать, что данный измеритель такой же правильный как и предыдущий я не могу, так как, во-первых - у меня нет в наличии калиброванных SMA-нагрузок на эти частоты, а во-вторых - данная конструкция слишком «смела», чтобы претендовать на это, и создана скорее как эксперимент. Но то, что с накрученной в качестве Zx - SMA-нагрузкой, (-такой же, как применена в качестве Zo), стрелка измерителя устанавливается на значения КСВ не более 1,1 — это факт!
К тому-же, с помощью данного моста проверялись и настраивались зонды моих самодельных облучателей с контррефлекторами на обоих диапазонах. Динамика изменения КСВ четко видна, а не это-ли часто главное условие?.. Буду рад дополнительным сведениям и результатам экспериментов.
О деталях: С1,С2,С3 — 1пФ, «0806», NPO
R1...R4 — 100 Ом, «1206», 0.25Вт
D1 — BAT15-03W (0,3pF/4v/0,23v), здесь, наверное, можно было бы применить и BAT62-03W, но я решил поставить более высокочастотный.
Zo — нагрузка 50Ом, SMA (DC-18Ghz), 1W — куплена в «Rfmicrowave.it» (COD:«TC-SMA-11») 12,5Евро/шт.
Рис. 3. Схема ВЧ-моста для диапазонов 5.7 и 10ГГц
Для мостов №1 и №2 используется один Блок Измерения, поэтому замена мостов производиться с помощью разъемных соединителей (DB-9).
Как видно из фото (рис.№4), SMA-разъемы спаяны не торцами, а несколько ближе, - для обеспечения минимальных расстояний, необходимых для установки элементов. Поэтому аккуратность пайки здесь должна быть выше.
Придирчивый читатель скажет, что монтировать "таким образом" SMD-компоненты нельзя,- разрушаться при деформации! … Знаю, что нельзя..-но уж очень хочется!... По крайней мере,- раз 100!! уже перекручивал разъемы,- пока ничего не отвалилось!
Но соблюдать осторожность здесь, конечно, нужно, особенно — в недопущении боковых нагрузок на SMA-разъемы. R5 и R6 установлены с меньшими номиналами, чем в мосте №1. Это сделано для уменьшения нижней границы мощности при измерениях, потому что СВЧ-трансвертеры DB6NT обычно имеют около 200мВт на выходе, плюс -потери в соединительном кабеле.
С1-уменьшает входной КСВ измерителя.
R5 и R6-соединены со схемой кусочками тонкого медного провода (- жилки от МГТФ).
Рис. 5. Общий вид блока измерения.
Большое спасибо Сергею, RA3WND, за помощь в оформлении данной статьи, а Дмитрию, RA3AQ
- за прекрасный сайт!!! Желаю успехов и 73! Николай UA3DJG
.
