Две конструкции КСВ-метра UT1MA, о которых пойдет речь ниже, имеют практически одинаковую схему, но разное исполнение и обеспечивают хорошую точность измерений во всей полосе частот KB диапазона. В первом варианте (КМА - 01) высокочастотный датчик и индикаторная часть раздельные. Датчик имеет входной и выходной коаксиальные разъемы и может быть установлен в любом месте фидерного тракта. Он соединен с индикатором трехпроводным кабелем любой длины. Во втором варианте (КМА - 02) оба узла размещены в одном корпусе.

 
Схема КСВ - метра приведена на рис. 7 и отличается она от базовой схемы рис. 2 наличием трех цепей коррекции. Рассмотрим эти отличия.

Верхнее плечо емкостного делителя С1 выполнено из двух одинаковых постоянных конденсаторов С1 = С1' + С1", подключенных соответственно к входному и выходному разъемам. Как отмечалось в первой части статьи, фазы напряжений на этих разъемах несколько различаются, и при таком включении фаза Uc усредняется и сближается с фазой UT. Это улучшает балансировку прибора.
За счет введения катушки L1 сопротивление верхнего плеча емкостного делителя становится частотно-зависимым, что позволяет выровнять балансировку на верхнем краю рабочего диапазона (21...30 МГц).
Подбором резистора R2 (т. е. постоянной времени цепочки R2C2) можно компенсировать разбалансировку, вызванную спадом напряжения UT и его фазовым сдвигом на нижнем краю диапазона (1,8...3,5 МГц).
Кроме того, балансировка осуществляется подстроечным конденсатором, включенным в нижнее плечо делителя. Это упрощает монтаж и позволяет применить маломощный малогабаритный подстроечный конденсатор.

В конструкции предусмотрена возможность измерения мощности падающей и отраженной волн. Для этого переключателем SA2 в цепь индикатора вместо переменного калибровочного резистора R4 вводится подстроечный резистор R5, которым устанавливается нужный предел измеряемой мощности.

Применение оптимальной коррекции и рациональная конструкция прибора позволили получить коэффициент направленности D в пределах 35...45 дБ в полосе частот 1,8...30 МГц.

В КСВ - метрах применены следующие детали.

Вторичная обмотка трансформатора Т1 содержит 2 x 10 витков (намотка в 2 провода) проводом 0,35 ПЭВ, размещенных равномерно на феррито-вом кольце К12 x 6 x 4 проницаемостью около 400 (измеренная индуктивность ~ 90 мкГн).

Резистор R1 — 68 Ом МЛТ, желательно без винтовой канавки на теле резистора. При проходящей мощности менее 250 Вт достаточно установить резистор с мощностью рассеивания 1 Вт, при мощности 500 Вт — 2 Вт. При мощности 1 кВт резистор R1 можно составить из двух параллельно включенных резисторов сопротивлением 130 Ом и мощностью 2 Вт каждый. Впрочем, если КС В - метр проектируется под высокий уровень мощности, есть смысл увеличить в два раза число витков вторичной обмотки Т1 (до 2 x 20 витков). Это позволит в 4 раза уменьшить требуемую мощность рассеивания резистора R1 (при этом конденсатор С2 должен иметь вдвое большую емкость).

Емкость каждого из конденсаторов С Г и С1" может быть в пределах 2,4...3 пФ (КТ, КТК, КД на рабочее напряжение 500 В при Р ? 1 кВт и 200...250 В при меньшей мощности). Конденсаторы С2 — на любое напряжение (КТК или другие безындуктивные, один или 2 — 3 параллельно), конденсатор СЗ - малогабаритный подстроечный с пределами изменения емкости 3...20 пФ (КПК - М, КТ - 4). Требуемая емкость конденсатора С2 зависит от суммарной величины емкости верхнего плеча емкостного делителя, в которую входит помимо конденсаторов С' + С1" еще и емкость С0 ~ 1 пФ между вторичной обмоткой трансформатора Т1 и центральным проводником. Общая емкость нижнего плеча — С2 плюс СЗ при R1 = 68 Ом должна быть примерно в 30 раз больше емкости верхнего. Диоды VD1 и VD2 — Д311, конденсаторы С4, С5 и С6 — емкостью 0,0033... 0,01 мкФ (КМ или другие высокочастотные), индикатор РА1 — М2003 с током полного отклонения 100 мкА, переменный резистор R4 — 150 кОм СП - 4 - 2м, подстроечный резистор R4 — 150 кОм. Резистор R3 имеет сопротивление 10 кОм — он предохраняет индикатор от возможной перегрузки.

Величину корректирующей индуктивности L1 можно определить так. При балансировке прибора (без L1 ) надо отметить положения ротора подстроеч-ного конденсатора СЗ на частотах 14 и 29 МГц, затем выпаять его и измерить емкость в обоих отмеченных положениях. Допустим, для верхней частоты емкость оказалась меньше на 5 пФ, а общая емкость нижнего плеча делителя — около 130 пФ, т. е. разница составляет 5/130 или около 4 %. Следовательно, для частотного выравнивания нужно на частоте 29 МГц уменьшить сопротивление верхнего плеча также на ~ 4 %. К примеру, при С1 + С0 = 5 пФ емкостное сопротивление Хс = 1/2?fС ? j1100 Ом, соответственно, Xc ? j44 Ом и L1 = XL1 / 2?f = = 0,24мкГн.

В авторских приборах катушка L1 имела 8...9 витков проводом ПЭЛШО 0,29. Внутренний диаметр катушки — 5 мм, намотка плотная с последующей пропиткой клеем БФ - 2. Окончательное число витков уточняется после ее установки на место. Первоначально производят балансировку на частоте 14 МГц, затем устанавливают частоту 29 МГц и подбирают такое число витков катушки L1, при котором схема балансируется на обеих частотах при одном и том же положении подстроечника СЗ.

После достижения хорошей балансировки на средних и верхних частотах устанавливают частоту 1,8 МГц, на место резистора R2 временно впаивают переменный резистор сопротивлением 15...20 кОм и находят значение, при котором UOCT минимально. Значение сопротивления резистора R2 зависит от индуктивности вторичной обмотки Т1 и лежит в пределах 5...20 кОм для ее индуктивности 40...200 мкГн (большие значения сопротивления для большей индуктивности).

В радиолюбительских условиях наиболее часто в индикаторе КСВ-метра используют микроамперметр с линейной шкалой и отсчет ведут по формуле КСВ = (Iпад + Iотр) / (Iпад -Iотр), где I в микроамперах — показания индикатора в режимах "падающая" и "отраженная" соответственно. При этом не учитывается ошибка из-за нелинейности начального участка ВАХ диодов. Проверка с помощью нагрузок разной величины на частоте 7 МГц показала, что при мощности около 100 Вт показания индикатора были в среднем на одно деление (1 мкА) меньше реальных значений, при 25 Вт — меньше на 2,5...3 мкА, а при 10 Вт — на 4 мкА. Отсюда простая рекомендация: для 100-ваттного варианта — заранее сместить начальное (нулевое) положение стрелки прибора на одно деление вверх, а при использовании 10 Вт (например, при настройке антенны) прибавлять к отсчету по шкале е положении "отраженная" еще 4 мкА. Пример — отсчеты "падающая/отраженная" соответственно 100/16 мкА, а правильный КСВ будет (100 + 20) / (100 - 20) = 1,5. При значительной мощности — 500 Вт и более — в указанной коррекции нет необходимости.

Следует заметить, что все типы любительских КСВ-метров (на токовом трансформаторе, мостовые, на направленных ответвителях) дают значения коэффициента отражения r, а величину КСВ затем приходится вычислять. Между тем именно r является основным показателем степени согласования, а КСВ — это показатель производный. Подтверждением сказанного может быть тот факт, что в электросвязи степень согласования характеризуется затуханием несогласованности (тот же r, только в децибелах). В дорогих фирменных приборах также предусмотрен отсчет r под названием return loss (обратные потери).

Это замечание сделано для того, чтобы подчеркнуть следующий факт. В любительских условиях достаточно сложно изготовить шкалу индикатора в величинах КСВ, а вот r можно отсчитывать непосредственно по линейной шкале.

Что будет, если в качестве детекторов применить кремниевые диоды? Если у германиевого диода при комнатной температуре напряжение отсечки, при котором ток через диод всего 0,2...0,3 мкА, составляет около 0,045 В, то у кремниевого уже 0,3 В. Следовательно, чтобы сохранить точность отсчета при переходе на кремниевые диоды, необходимо более чем в 6 раз поднять уровни напряжений Uc и UT (!). В эксперименте, при замене диодов Д311 на КД522 при Р = 100 Вт, нагрузке Zн = 75 Ом и тех же Uc и UT, получились цифры: до замены— 100/19 и КСВ=1,48, после замены — 100/12 и расчетный КСВ=1,27. Применение схемы удвоения на диодах КД522 дало еще худший результат — 100/11 и расчетный КСВ = 1,25.

Корпус датчика в раздельном варианте может быть изготовлен из меди, алюминия или спаян из пластинок двусторонне фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5...2 мм. Эскиз такой конструкции приведен на рис. 8,а. Корпус состоит из двух отсеков, в одном друг напротив друга расположены ВЧ разъемы (СР - 50 или SO - 239 с фланцами размерами 25x25 мм ), перемычка из провода диаметром 1,4 мм в полиэтиленовой изоляции диаметром 4,8 мм (от кабеля РК50 - 4), токовый трансформатор Т1, конденсаторы емкостного делителя и компенсационная катушка L1, в другом — резисторы R1, R2, диоды, подстроечный и блокировочные конденсаторы и малогабаритный НЧ разъем. Выводы Т1 минимальной длины. Точка соединения конденсаторов С1' и С1" с катушкой L1 "висит в воздухе", а точка соединения конденсаторов С4 и С5 среднего вывода разъема ХЗ соединена с корпусом прибора.

 

Перегородки 2, 3 и 5 имеют одинаковые размеры. В перегородке 2 отверстий нет, а в перегородке 5 отверстие делают под конкретный НЧ разъем, через который будет подключаться индикаторный блок. В средней перемычке 3 (рис. 8,б) вокруг трех отверстий с обеих сторон выбирают фольгу, а в отверстия устанавливают три проходных проводника (например, латунные винты М2 и МЗ). Эскизы боковин 1 и 4 приведены на рис. 8,в. Пунктирными линиями показаны места соединения перед пайкой, которая для большей прочности и обеспечения электрического контакта производится с обеих сторон.

Конструкция индикаторного блока без особенностей и здесь не рассматривается.

 

ВЧ датчик второго варианта КСВ - метра монтируется на съемной задней стенке (медь, алюминий, латунь) металлического корпуса КСВ-метра (рис. 9). В отличие от первого варианта все детали (кроме Т1 и разъемов XW1 и XW2) смонтированы на печатной плате (рис. 10), туда же припаян НЧ разъем типа межблочных телевизионных. Конденсаторы С1' и С1" одним выводом припаяны к контактной площадке на печатной плате, а другими концами — к ВЧ разъемам. Элементы С2, СЗ и L1 расположены со стороны фольги. Ограничивающий резистор R3 перенесен на плату (R3' и R3" показаны на схеме пунктиром). Диоды VD1 и VD2 установлены вертикально. Плата крепится к панели между ВЧ разъемами с помощью небольших напаяных уголков из меди толщиной 0,5...1 мм (место пайки показано на рис. 10 пунктиром). Датчик желательно накрыть экраном. Конструкция индикатора — без особенностей.

Для настройки и проверки КСВ - мет-ра необходим образцовый нагрузочный резистор 50 Ом (эквивалент антенны) мощностью 50...100 Вт. Одна из возможных радиолюбительских конструкций показана на рис. 11. В ней используется распространенный резистор ТВО сопротивлением 51 Ом и мощностью рассеивания 60 Вт (прямоугольник размерами 45 x 25 x 180 мм).

 

Внутри керамического корпуса резистора находится длинный цилиндрический канал, заполненный резистивным веществом. Резистор должен быть плотно прижат к днищу алюминиевого кожуха. Это улучшает отвод тепла и создает распределенную емкость, улучшающую широко-полосность. С помощью дополнительных резисторов с мощностью рассеивания 2 Вт входное сопротивление нагрузки устанавливают в пределах 49,9...50,1 Ом. С небольшим корректирующим конденсатором на входе (~ 10 пФ) удается на базе этого резистора получить нагрузку с КСВ не хуже 1,05 в полосе частот до 30 МГц. Отличные нагрузки получаются из специальных малогабаритных резисторов типа Р1 - 3 номиналом 49,9 Ом, выдерживающих значительную мощность при использовании внешнего радиатора.

Были проведены сравнительные испытания КСВ-метров разных фирм и приборов, описанных в этой статье. Проверка заключалась в том, что к передатчику с выходной мощностью около 100 Вт через испытуемый 50-омный КСВ - метр подключалась несогласованная нагрузка 75 Ом (эквивалент антенны на мощность 100 Вт заводского изготовления) и производилось два измерения. Одно — при подключении коротким кабелем РК50 длиной 10 см, другое — через кабель РК50 длиной ~ 0,25?. Чем меньше разброс показаний, тем достовернее прибор.

При частоте 29 МГц получены следующие значения КСВ:

DRAKE WH - 7.................1,46/1,54
DIAMOND SX - 100..........1,3/1,7
ALAN KW - 220.............1,3/1,7
ROGER RSM-600.........1,35/1,65
UT1MA..........................1,44/1,5

С нагрузкой 50 Ом при любой длине кабелей все приборы "дружно" показывали КСВ < 1,1.

Причину большого разброса показаний RSM - 600 удалось выяснить при его исследовании. В этом приборе в качестве датчика напряжения используется не емкостный делитель, а понижающий трансформатор напряжения с фиксированным коэффициентом трансформации. Это снимает "проблемы" емкостного делителя, но снижает надежность прибора при измерении больших мощностей (предельная мощность RSM - 600 — всего 200/400 Вт). В его схеме нет подстроечного элемента, поэтому резистор нагрузки токового трансформатора должен быть высокой точности (хотя бы 50±0,5 Ом), а реально был использован резистор сопротивлением 47,4 Ом. После его замены на резистор 49,9 Ом результаты измерений стали значительно лучше — 1,48/1,58. Возможно, с этой же причиной связан большой разброс показаний приборов SX - 100 и KW - 220.

Измерение при несогласованной нагрузке с помощью дополнительного четвертьволнового 50 - омного кабеля — надежный способ проверки качества КСВ - метра. Отметим три момента:

Для такой проверки можно использовать и нагрузку 50 Ом, если включить параллельно ее входу конденсатор, например, в виде небольшого отрезка разомкнутого на конце коаксиального кабеля. Подключение удобно произвести через коаксиальный тройниковый переход. Опытные данные — с отрезком РК50 длиной 28 см на частоте 29 МГц, такая комбинированная нагрузка имела КСВ ? 1,3, а при длине 79 см — КСВ ? ? 2,5 (любую нагрузку подключать к КСВ - метру только 50 - омным кабелем).
Реальный КСВ в линии примерно соответствует среднему от двух отсчитанных значений (с добавочным четвертьволновым кабелем и без него).
При измерении реального антенно-фидерного устройства могут возникнуть трудности, связанные с затеканием тока на внешнюю поверхность оплетки кабеля. При наличии такого тока изменение длины фидера снизу может привести к изменению этого тока, что приведет к изменению нагрузки фидера и реального КСВ. Уменьшить влияние внешнего тока можно, свернув входящий в помещение фидер в виде бухты из 15...20 витков диаметром 15...20 см (защитный дроссель).

Эрнест Гуткин (UT1MA),
г. Луганск, Украина