Шумовой мост для настройки антенны. Прибор для настройки kb антенн Ксв метры мосты для настройки антенн
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
.
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.
При разработке этого измерительного прибора ставилась цель изготовить портативную простую конструкцию, обладающую достаточной точностью для практической настройки разнообразных KB антенн и имеющую автономное питание.
Прибор позволяет производить следующие измерения:
1. Определять резонансную частоту антенной системы а также резонансные частоты элементов в нее входящих (вибратора, директоров. рефлектора) в диапазоне 31...2.5 МГц.
2. Измерять активную составляющую входного сопротивления антенны в пределах от 0 до 5000м.
3. Измерять реактивные составляющие входного сопротивления антенны.
4. Судить о КСВ антенны, имея в виду отношение волнового сопротивления фидеры.о входному сопротивлению антенны.
5. Определять нужную длину фазосдвигающих линий с волновым сопротивлением этих линий до 500 Ом, а также коэффициенты укорочения коаксиальных кабелей и линий.
Определение всех параметров, кроме реактивного сопротивления, производится путем непосредственного считывания со шкал прибора. Величина реактивной составляющей высчитывается по общеизвестным формулам.
Прибор состоит из двух частей: высокочастотного моста и диапазонного генератора, объединенных в одну законченную конструкцию.
ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ МОСТ
Схема, изображенная на рис. 1, представляет собой классическую схему измерительного моста на сопротивлениях (в одном из плеч этого моста находится переменное сопротивление R1 с проградуированной шкалой). Имеется также-переменный конденсатор С1 емкостью 160 пф с проградуирован-ной шкалой, который с помощью двух закорачивающих перемычек может подключаться либо параллельно к переменному сопротивлению, либо к входу моста, что позволяет сбалансировать его при наличии комплексного сопротивления. По величине емкости переменного конденсатора можно вычислить величину реактивной составляющей нагрузки.
Мост балансируется с помощью микроамперметра на 50 мкА, который включается в диагональ. Для регулировки чувствительности служит переменное сопротивление R5, кроме того. с помощью тумблера SA1 параллельно микроамперметру РА1 включается шунтирующее сопротивление R6, загрубляющее чувствительность индикатора.
Монтаж высокочастотной части моста ведется максимально короткими отрезками голого луженого провода диаметром 1,5мм (см. фото)
ДИАПАЗОННЫЙ ГЕНЕРАТОР
Диапазонный генератор (рис. 2) перекрывает диапазон частот от 2,5 до 31 МГц.
Диапазонный генератор состоит из задающего генератора, собранного по схеме емкостной трехточки на транзисторе КП302А. С помощью переключателя контуры включаются в цепь затвора. Весь диапазон генератора разбит на пять поддиапазонов с целью получения четкой градуировки шкалы. Следующий каскад на транзисторе КП302А является истоковым повторителем и служит для согласования с оконечным каскадом генератора, собранного на транзисторе КТ606А.
В коллекторную цепь этого каскада включен широкополосный трансформатор на ферритовом кольце, с обмотки связи которого высокочастотное напряжение подается непосредственно на мост.
Для надежной работы моста напряжение на обмотке связи должно быть 1..Д В. Нагрузка обмотки составляет 100 Ом, хотя баланс моста достигается и при меньших напряжениях.
КОНСТРУКЦИЯ И ДЕТАЛИ.
Сопротивление R2 и R3 типа МЛТ необходимо подобрать с точностью до 1%. Переменный конденсатор С1 - с воздушным диэлектриком максимальной емкостью 160пф.Триммеры С2 и СЗ- тоже с воздушным диэлектриком.
Дроссели Др1 и Др2 - трехсекционные на керамическом основании. Можно применить любые дроссели с индуктивностью 1 ...2,5 мГ. Необходимо, чтобы они имели минимальную собственную емкость и не имели реэонансов в диапазоне частот генератора.
Микроамперметр РА1 - типа М4205. В диапазонном генераторе применен переменный конденсатор С1 емкостью 50 пф с воздушным диэлектриком, снабженный верньером.
Трансформатор Тр1 намотан тремя проводами по 9 витков в каждой секции на кольце ВЧ50 диаметром 14 мм.
Наладку прибора необходимо начать с генератора, имеющего минимум гармоник, так как наличие их ведет к ошибкам при измерениях.
Необходимо тщательно подобрать с помощью конденсаторов СЗ и С4 связь контура с транзистором VT1, а также подобрать режимы работы этого транзистора и VT2 и VT3.
После наладки диапазонного генератора приступают к наладке высокочастотного моста. Для этого к входу моста X1 подключают постоянное сопротивление 100..150 Ом, гнезда А-В и С- D при этом должны быть разомкнуты. Частота генератора может быть установлена любой, например, 15 МГц. Затем переменным сопротивлением R1 балансируют мост при максимальной чувствительности индикатора. Показания индикатора при этом могут отличаться от нуля. Затем, вращая триммер СЗ, добиваются точного баланса моста. При правильном монтаже и одинаковой величине сопротивлений R2 и R3 стрелка индикатора должна быть на нуле. Допустимы толь о весьма незначительные отклонения. Этой операцией нейтрализуется емкость
переменного сопротивления и емкость монтажа противоположных плеч моста. После этого вставляются перемычки А - В и С - D. а конденсатор С1 устанавливается в положение минимальной емкости. Не трогая сопротивления R1, триммером С2 снова добиваемся балансировки моста - на шкале конденсатора С1 отмечаем нулевую точку. Этой операцией нейтрализуется начальная емкость конденсатора С1. От нулевой точки градуируем шкалу конденсатора С1 через каждые 10 пф. На этом наладка завершается.
ПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИБОРОМ.
Для измерения резонансных частот антенной системы и ее элементов, а также входного сопротивления, прибор подключается непосредственно к входу антенны коротким отрезком коаксиального кабеля. Если это затруднительно - полуволновым (для настраиваемого диапазона) отрезком кабеля.
Такая длина соединительного кабеля необходима, поскольку полуволновая линия передает параметры нагрузки без трансформации.
Для определения резонансной частоты антенны и ее входного сопротивления устанавливаем величину переменного сопротивления R1 равную приблизительно величине волнового сопротивления применяемого филера и, меняя частоту диапазонного генератора. находим частоту на которой индикатор покажет резкое уменьшение показаний.
Затем, изменяя величину сопротивления R1 и емкости С1. а также корректируя частоту генератора. добиваемся полной балансировки моста. Если мост сбалансировался при нулевом положении конденсатора С1, то это означает, что антенна на данной частоте имеет чисто активное входное сопротивление, которое считывается со шкалы сопротивления R I. Если же для баланса потребовалось изменение конденсатора С1, то это означает, что нагрузка имеет реактивную составляющую тем большую, чем большую емкость пришлось вводить при балансировке.
Если мост сбалансировался при соединении перемычками гнезд А-В и С- D, то это означает, что реактивная составляющая имеет емкостной характер. А если при соединении гнезд А - С и В - D - то индуктивный характер.
Резонансные частоты директоров и рефлектора измеряются аналогичным образом, но при этом нужно в широких пределах менять величину сопротивления R1 для нахождения резонансной частоты. Балансировка на этой частоте может быть не столь резкой. как при определении резонансной частоты антенны. Кроме того нужно иметь в виду. что при настройке антенн типа HB9CV. имеющих ям элемента, будут четко выражены три частоты: короткого элемента - с частотой выше рабочей, длинного элемента - с частотой ниже рабочей и резко выраженная рабочая частота антенны.
Кроме рабочей частоты антенны и ее основных элементов, возможно появление резонансных частот бума, оттяжек и т.п.
Для определения коэффициента укорочения коаксиальных кабелей и линий используется свойство полуволновой линии передавать величину нагрузки без трансформации. Поэтому берем отрезок кабеля или линии и закорачиваем накоротко один из концов. Другой конец включаем к входу моста, установив при этом на "0" сопротивление R1 и конденсатор С1. Найдя резонансную частоту, при которой мост сбалансируется, будем иметь в виду, что для этой частоты данная линия имеет электрическую длину в половину волны. Затем, пересчитав частоту генератора в длину волны, находим искомую половину волны. Измерив геометрическую длину отрезка кабеля или линии и вычислив ее отношение к данной полуволне получим коэффициент укорочения.
Генераторы стандартных сигналов (ГСС) обеспечивают на нагрузке 50 Ом напряжение 1…2 В, что явно недостаточно для работы с мостовыми измерителями сопротивления антенн. Для того чтобы использовать обычные мостовые измерители сопротивлений без их переделки, необходимо использовать широкополосный усилитель мощности. Схема такого усилителя приведена на рисунке.
Широкополосный усилитель обеспечивает не менее 1 Вт выходной мощности при работе совместно с ГСС в диапазоне частот от 1 до 30 МГц. Если уменьшить напряжение питания до 12 В и использовать номиналы деталей, приведенные в скобках, то выходная мощность усилителя падает до 600 мВт, что достаточно для работы со многими типами измерительных мостов. При сборке усилителя из исправных деталей и выставлении указанного на схеме тока коллектора, усилитель сразу работоспособен и не нуждается в наладке. Усилитель удобно собрать навесным монтажом.
Трансформатор Т1 выполнен на кольцевом магнитопроводе с размерами К7х4х2 из феррита проницаемостью 400…600. Обмотки содержат по 12 витков провода типа ПЭЛ-2-0,35, намотанных скруткой - одна скрутка на один сантиметр. Ферритовое кольцо можно использовать и больших размеров. Усилитель можно собрать в корпусе из фольгированного стеклотекстолита. Транзистор VT1 установлен на радиаторе. На корпус усилителя выводятся высокочастотные гнезда входа-выхода и выводы питания усилителя.
Иногда бывает неудобно использовать ГСС совместно с усилителем мощности Это могут быть случаи проведения измерений в полевых условиях; с ГСС, питаемым от батарей, и т.п В этом случае можно использовать мост с усилителем высокочастотного напряжения разбаланса.
Схема такого моста следующая:
Отличие ее от других схем мостовых измерителей в том, что высокочастотное напряжение детектируется и измеряется не сразу, а через трансформатор Т1 подается на вход транзисторного двухкаскадного усилителя и затем уже детектируется Это позволяет обойтись при настройке антенн уровнями ВЧ-напряжения, выдаваемого генератором стандартных сигналов Усилитель может быть собран на любых высокочастотных транзисторах типа КТ315, КТ312. АЧХ усилителя линейны до 40 МГц. Трансформатор Т1 содержит по 22 витка провода ПЭЛ-0,1 в каждой обмотке. Обмотки расположены симметрично на обеих половинках кольца размерами К10x7x4 проницаемостью 400…600
Калибровка прибора заключается в отметке на лимбе переменного резистора R2 сопротивления нагрузки Это лучше сделать, используя цифровой омметр. Показания лимба при балансировке моста и будут соответствовать сопротивлению измеряемой антенны.
Мостовой измеритель собран в корпусе из фольгированного стеклотекстолита Его монтаж должен быть максимально компактным и жестким Лимб переменного резистора для повышения точности измерений должен иметь максимально возможные размеры.
Измерительный мост высокой частоты представляет собой обычный мост Уитстона и может использоваться для определения степени согласованности антенны с линией передачи. Эта схема известна под многими названиями (например, «антенноскоп» и т. д.), но в основе ее всегда лежит принципиальная схема, изображенная на рис. 14-15.
По мостовой схеме протекают токи высокой частоты, поэтому все резисторы, используемые в ней, должны представлять чисто активные сопротивления для частоты возбуждения. Резисторы R 1 и R 2 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: R 1 = R 2 ; R 1: R 2 =1:1; R 3 = = R 4 ; R 3: R 4 = 1: 1.
Если вместо резистора R 4 включить испытываемый образец, сопротивление которого требуется определить, а в качестве R 3 использовать отградуированное переменное сопротивление, то нулевое показание измерителя разбаланса моста будет достигнуто при значении переменного сопротивления, равном активному сопротивлению испытываемого образца. Таким образом можно непосредственно измерить сопротивление излучения или входное сопротивление антенны. При этом следует помнить, что входное сопротивление антенны чисто активно только в случае, когда антенна настроена, поэтому частота измерений всегда должна соответствовать резонансной частоте антенны. Кроме того, мостовая схема может использоваться для измерения волнового сопротивления линий передачи и их коэффициентов укорочения.
На рис. 14-16 показана схема высокочастотного измерительного моста, предназначенного для антенных измерений, предложенная американским радиолюбителем W 2AEF (так называемый «антенноскоп»).
Резисторы R 1 и R 2 обычно выбираются равными 150-250 ом ,и абсолютная их величина не играет особой роли, важно только, чтобы сопротивление резисторов R 1 и R 2 , а также емкости конденсаторов С 1 и С 2 были равны друг другу. В качестве переменного сопротивления следует использовать только безындуктивные объемные переменные резисторы и нив 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, и при балансе моста оно должно быть равным с сопротивлением испытываемого образца (антенны, линии передачи). Дополнительное сопротивление R Ш 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 германиевый диод.
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 которых, как показано на рис. 14-16, помещаются отдельные элементы схемы прибора. Одна из точек моста заземляется, и, следовательно, мост несимметричен относительно земли. Поэтому мост наиболее подходит для измерения на несимметричных (коаксиальных) линиях передачи. В случае, 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 как в диапазоне коротких, так и ультракоротких волн, и граница его применимости в диапазоне УКВ в основном зависит от конструкции и отдельных схемных элементов прибора.
В качестве измерительного генератора, возбуждающего измерительный мост, вполне достаточно использовать гетеродинный измеритель резонанса. Следует иметь в виду, что высокочастотная мощность, поступающая на измерительный мост, не должна превышать 1 вт, и мощность, равная 0,2 вт, вполне достаточна для нормальной работы измерительного моста. Ввод высокочастотной энергии осуществляется с помощью катушки связи, имеющей 1-3 витка, степень связи которой с катушкой контура гетеродинного измерителя резонанса регулируется так, чтобы при отключенном испытываемом 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 безындукционного резистора, имеющего точно известное сопротивление. Переменное сопротивление, при котором достигается баланс измерительной схемы, должно 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 2 м его еще можно добиться, тщательно выполнив конструкцию моста, то в диапазоне 70 см рассмотренный измерительный мост совершенно неприменим.
После проверки работоспособности измерительного моста его можно использовать для практических измерений.
На рис. 14-17 изображена конструкция антенноскопа, предложенная W 2AEF.
Определение входного сопротивления антенны
Измерительное гнездо 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, изменяют 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 Я/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.
Определение коэффициента укорочения высокочастотной линии передачи
Точная длина λ/2 отрезка линии также может быть определена с помощью антенноскопа.
Достаточно длинный свободно подвешенный отрезок линии на одном конце замыкается, а другим концом подключается к измерительному гнезду моста. Переменное сопротивление устанавливается в нулевое положение. Затем медленно изменяют частоту гетеродинного измерителя резонанса, начиная с низких частот, и переходят к более высоким частотам, до тех пор пока не достигается баланс моста. Для этой частоты электрическая длина точно равна λ/2. После этого несложно определить коэффициент укорочения линии. Например, для отрезка коаксиального кабеля длиной 3,30 м при частоте измерений 30 Мгц (10 м ) достигается первый баланс моста; отсюда λ/2 равно 5,00 м . Определяем коэффициент укорочения: $$k=\frac{геометрическая длина}{эектрическая длина}=\frac{3,30}{5,00}=0,66.$$
Так как баланс моста имеет место не только при электрической длине линии, равной λ/2, но и при длинах, кратных ей, то следует найти второй баланс моста, который должен быть при частоте 60 Мгц. Длина линии для этой частоты равна 1λ. Полезно помнить, что коэффициент укорочения коаксиальных кабелей равен приблизительно 0,65, ленточных кабелей - 0.82 и двухпроводных линий с воздушной изоляцией - приблизительно 0,95. Так как измерение коэффициента укорочения с помощью антенноскопа несложно, то следует конструировать все схемы трансформаторов, используя методику измерения коэффициента укорочения, описанную выше.
Антенноскоп можно также использовать для проверки точности размеров λ/2 линии. Для этого к одному концу линии подключается резистор с сопротивлением меньше 500 ом , а другой конец линии подключается к измерительному гнезду моста; при этом переменное сопротивление (в случае, если линия имеет электрическую длину, в точности равную λ/2) равняется сопротивлению, подключенному к другому концу линии.
С помощью антенноскопа может быть определена также точная электрическая длина λ/4 линии. Для этого свободный конец линии не замыкается, и, изменяя частоту гетеродинного измерителя резонанса таким же образом, как было описано выше, определяют самую низкую частоту, при которой (при нулевом положении переменного сопротивления) достигается первый баланс мостовой схемы. Для этой частоты электрическая длина линии точно равна λ/4. После этого можно определить трансформирующие свойства λ/4 линии и рассчитать ее волновое сопротивление. Например, к концу четвертьволновой линии подключается резистор сопротивлением 100 ом .Изменяя переменное сопротивление, добиваются баланса моста при сопротивлении Z M = 36 ом . После подстановки в формулу $Z_{тр}=\sqrt{Z_{M}\cdot{Z}}$ получаем: $Z_{тр}=\sqrt{36\cdot{100}}=\sqrt{3600}=60 ом$. Таким образом, как мы видели, антенноскоп, несмотря на свою простоту, позволяет решить почти все задачи, связанные с согласованием линии передачи с антенной.
