Вопрос увеличения дальности действия радиосвязи возник с момента изобретения радио в конце 19 века. Было установлено, что чем больше мощность передатчика, чувствительность приёмника и эффективность антенно-фидерного устройства (АФУ), тем больше дальность связи.
Процессы, происходящие в радиотехнике, невозможно увидеть или оценить наощупь, поэтому были изобретены специальные средства измерений.
Чтобы сориентировать читателя в вопросах измерений в радиотрактах и используемом для этого оборудовании, мы оценили возможности современных измерительных приборов, используемых профессионалами и радиолюбителями.
Время чтения: 15 минут
Немного теории
АФУ состоит из антенны и фидера (линии передачи энергии от передатчика к антенне или от антенны к приёмнику).
Известны несколько типов линий передач: двух или четырёхпроводные воздушные, коаксиальные, полосковые и волноводные.
Эффективность АФУ оценивают с помощью коэффициента полезного действия (кпд) и чем он больше, тем лучше.
Повысить эффективность пассивных проволочных антенн и фидеров можно, изготавливая их из материалов с малыми потерями. Но для получения максимального кпд линии передачи энергии этого недостаточно и вот почему.
В любой линии имеются потери энергии двух видов:
- на затухание (они определяются качеством фидеров и измеряются в дБ/м);
- на рассогласование фидера и антенны с одной стороны и фидера и передатчика с другой.
Если первый вид потерь зависит только от длины соединительной линии, то минимизировать последний реально путём обеспечения оптимального режима её работы.
В фидере существуют падающая (прямая) и отражённая (обратная) волна. Первая распространяется от аппаратуры к нагрузке, а вторая отражается от антенны (или любой неоднородности фидерного тракта). Она распространяется в обратном направлении.
Чем меньше отражённая волна по сравнению с падающей, тем больше кпд фидера. В идеале отражённая волна должна отсутствовать.
Для достижения этого необходимо, чтобы:
- выходное сопротивление аппаратуры, волновое сопротивление фидера и входное сопротивление антенны были одинаковы, т.е. согласованы;
- сопротивление передатчика и антенны были чисто активны, т.е. их реактивная составляющая равна 0.
При отсутствии согласования возможен отказ активного элемента выходного каскада (лампы, транзистора или микросхемы). Следствие-сложный ремонт.
Таким образом, даже если в трансивере имеется защита от неисправности антенны, соотношение между упомянутыми мощностями нужно контролировать во время связи. Кроме того, такой контроль позволит вовремя обнаружить пропажу антенны.
Измерители КСВ и их особенности
КСВ (коэффициент стоячей волны или по-английски SWR-standing wave ratio) характеризует степень согласования АФУ с приёмопередатчиком.
При идеальном согласовании этот параметр равен 1, а при полном рассогласовании стремится к бесконечности. В первом случае вся подведённая к АФУ энергия излучается, а во втором отражается в сторону передатчика. При разработке и эксплуатации АФУ необходимо стремиться к минимальным значениям рассматриваемого параметра.
Для его измерения используют специальные приборы-КСВ метры. Они включаются в разрыв фидера между приёмопередатчиком и антенной.
Рассматриваемые приборы классифицируют по диапазону рабочих частот, величине проходящей мощности, типу линии передачи, способу представления результатов измерений, волновому сопротивлению и типу источника питания.
Виды линий передачи были рассмотрены выше.
Результаты тестов могут быть представлены с помощью:
- стрелочных приборов;
- отдельных светодиодных индикаторов и линеек из них;
- цифровых дисплеев;
- комбинации перечисленных средств.
Волновое сопротивление различных типов фидеров имеет стандартное значение из ряда 300, 75 или 50 Ом.
Схема КСВ метра состоит из направленного ответвителя, определяющего основные метрологические характеристики устройства, и измерительного блока.
Направленный ответвитель служит для разделения прямой и отражённой волн.
Он изготавливается на основе отрезков линий передачи (коаксиальных, полосковых, волноводных) или трансформаторов, которых используются тороидальные, трубчатые или кольцевые ферритовые магнитопроводы с высоким коэффициентом индуктивности. В настоящее время второй вариант широко применяется и в профессиональных, и в любительских измерителях КСВ.
Самодельные КСВ измерители
Исторически так сложилось, что в России более популярны любительские приборы рассматриваемого класса. Это объясняется тем, что в СССР отсутствовали товары для радиолюбителей и энтузиастам всё приходилось делать своими руками из доступных радиодеталей.
Сейчас ситуация изменилась и купить можно всё что угодно. Но любители поработать головой и руками остались, поэтому сообщения о результатах их экспериментов в рассматриваемой сфере продолжают поступать.
Основная разница между схемами любительских КСВ метров заключается в особенностях исполнения направленных ответвителей и принципах построения блоков индикации.
К достоинствам любительских вариантов можно отнести относительную простоту изготовления и дешевизну. Самые простые устройства работают без источников питания и отличаются исключительной надёжностью.
Недостатков значительно больше:
- КСВ метр, созданный своими руками, является грубым индикатором;
- Перед началом работы многие приборы нуждаются в калибровке;
- Самоделки не содержат средств частотной компенсации;
- Измерители КСВ ручной работы громоздки, что не позволяет использовать их для испытания антенн носимых радиосредств при непосредственном подключении к радиостанциям;
- Большинство приборов не позволяют одновременно контролировать необходимые параметры: мощность и КСВ, поэтому требуется несколько измерений и вычисления, что неудобно.
Примеры готовых решений
В настоящее время промышленностью выпускается ряд измерителей для разных частотных диапазонов.
Они отличаются:
- широким диапазоном рабочих частот и мощностей;
- автоматизацией (не нужно проводить расчёты, калибровки и т.д.);
- одновременным отображением нескольких измеряемых величин;
- гарантированной точностью;
- небольшой величиной вносимых в тракт передачи потерь;
- дополнительным функционалом;
- удобными масса-габаритными характеристиками.
Все они измеряют минимум необходимых величин: мощности падающей, отражённой волн, а также КСВ. Устройства имеют одинаковые волновые сопротивления 50 Ом, но разные типы радиочастотных разъёмов. Малые габариты, вес и продуманное конструктивное исполнение делает использование измерителей удобным как в стационарных, так и в полевых условиях.
Информация о рассматриваемых приборах приведена в следующих таблицах.
Характеристики измерителей с диапазоном 1.6-60 МГц
| Параметр | Модель | ||
| WATU-130 | NISSEI RX-103 | CQV-SWR120 | |
| Диапазон частот, МГц | 1.8-50 | 1.6-60 | 1.8-54 |
| Диапазон (точность) измерения КСВ | 1-99.99 (±5) | - (±15) | 1-99.99 (-) |
| Диапазон мощностей, Вт | 0.5-120 | 1-2000 | 0.5-120 |
| Потери, дБ | - | 0.1 | - |
| Тип радиочастотного соединителя | SL16 | SO-239M | SL16 |
| Индикатор | OLED | стрелочный | LCD |
| Габариты, мм | 87,5 х 63 х 38 | 140 х 84 х 122 | 88 х 63 х 38 |
| Вес, кг | 0.185 | 0.78 | 0.195 |
LCD - жидкокристаллический.
OLED - органический на жидких кристаллах.
Остановимся на особенностях этих устройствах подробнее.
Его отличает лучшая точность измерений в своём классе.
WATU-130 позволяет тестировать режим работы фидера совместно с передающими устройствами, излучающими сигналы с частотной, амплитудной модуляцией и амплитудной телеграфией. Оно компактно и функционально.
Этот оригинальный аппарат выгодно отличается от других наибольшей подведённой мощностью в 2кВт, поэтому он необходим для лиц, работающих с передатчиками средней мощности.
В изделии применён двухстрелочный индикатор нестандартной конструкции. Переключение пределов измерения осуществляется вручную.
Особенность измерителя-существенная зависимость погрешности результатов тестирования от входной мощности. В таблице приведено худшее значение этого параметра.
На передней панели прибора находится дисплей, отображающий результаты тестирования АФУ. Кроме основных величин, индицируется кпд фидера и напряжение аккумулятора.
Имеется светодиодная и звуковая индикация аварийного КСВ и включённого режима заряда.
По своим возможностям это устройство очень похоже на WATU-130.
Характеристики оборудования с диапазоном 80-999 МГц
| Параметр | Модель | |||
| SURECOM SW-102 | NISSEI RS-50 | SURECOM SW-33 | REDOT RD106P | |
| Диапазон частот, МГц | 125-525 | 125-525 | 125-525 | 80-999 |
| Диапазон (точность) измерения КСВ | 1-19.9 (±5) | -(±5) | 1-19.9 (-) | 1-19.9 (±10) |
| Диапазон мощностей, Вт | 0.5 -120 | 0.5 -120 | до 100 | 0.5 -120 |
| Потери, дБ | 0.25 | 0.3 | 0.25 | - |
| Тип радиочастотного соединителя | SL16 | SO-239M | SMA Female | SL16 |
| Индикатор | LED | LCD | LED | LCD |
| Габариты, мм | 76 х 77 х 35 | 70 х 78 х 30 | 25 х 25 х 60 | 95 х 35 х 26 |
| Вес, кг | 0.22 | 0.18 | 0.16 | 0.12 |
LED-светодиодный.
LCD-жидкокристаллический.
Это устройство содержит встроенный частотомер. Его чувствительность около 0.5Вт.
Дополнительно к основным параметрам, дисплей индицирует:
- заряд встроенного аккумулятора;
- частоту входного сигнала и кпд соединительной линии;
- превышение допустимого уровня сигнала на входе.
В SURECOM SW-102-R использовано русскоязычное меню.
Вносимые изделием потери находятся на уровне лучших образцов данного класса. Это, наряду с высокой точностью, позволяет использовать его для решения профессиональных задач.
Этот несложный аппарат измеряет минимальный набор необходимых характеристик фидерного тракта.
Питание NISSEI RS-50 обеспечивается от съёмных источников типоразмера ААА, что является очевидным плюсом: можно использовать обычные соляные батарейки или аккумуляторы. В остальных приборах, из числа рассматриваемых, это сделать нельзя, поскольку в них аккумуляторы встроены внутрь корпуса.
Устройство вносит несколько большие (по сравнению с другими аппаратами) потери в исследуемый тракт.
Конструктивная особенность этого КСВ метра-редко встречающиеся соединители SMA Female, поэтому для его подключения к большинству АФУ придётся использовать переходные разъёмы.
По сравнению с другими, этот прибор отличается наличием двух дисплеев и меньшей измеряемой мощность.
Устройство вносит несколько большие (по сравнению с другими аппаратами) потери в исследуемый тракт.
Это самый широкополосный измеритель из числа рассмотренных.
По точности модель уступает другим, но существенно превосходит их по полосе рабочих частот, что является весомым преимуществом.
REDOT RD106P комплектуется двумя переходными радиочастотными соединителями.
Все рассмотренные устройства работают от аккумуляторов, за исключением NISSEI RX-103. Оно работает без источника питания, но для подсветки индикатора нужен внешний источник 13.8 В, который в состав комплекта не входит.
Производители некоторых приборов (например SURECOM SW-102) рекомендуют применять их не только в традиционной схеме включения, но и для диагностики и настройки антенн при их непосредственном соединении с трансиверами.
Такой метод даёт большую погрешность измерений, т.к. корпус измерителя сопоставим по размерам с радиостанцией и антенной. Он работает как противовес в антенной системе и вносит значительную ёмкость в антенный контур. При этом смещается резонансная частота излучателя и изменяется его кпд. Поэтому результаты экспериментов будут отличаться от реальности.
В таких случаях используют другие методы, которые в этой статье не рассматриваются.
Среди сравниваемых образцов нет экземпляров с волновым сопротивлением 75 Ом, хотя такие радиосредства и фидеры выпускаются. Для теста этих трактов можно применить прибор из числа рассмотренных, но тогда придётся рассчитывать КСВ в неоднородных линиях. КСВ метр, подключённый к кабелю с волновым сопротивлением, отличным от аналогичного параметра фидера это неоднородность, которая изменяет входной импеданс линии. При этом результаты измерений искажаются, что учитывается в расчётах.
Другой путь решения проблемы-применение трансформаторов импеданса 50 Ом в 75, но это редкие аксессуары.
Выбирать измеритель рекомендуется с учётом диапазона частот, вносимых потерь, типа фидера, мощности, чувствительности и функционала.
Какой КСВ метр выбрать, каждый решает для себя, исходя из целей и условий его использования и бюджета.
