Панорамный измеритель КСВ
В ходе создания узлов коротковолнового трансивера на современной элементной базе авторами были разработаны схема и алгоритм работы панорамного антенного анализатора. В настоящей статье мы знакомим читателя с одним из способов измерения параметров антенн и расчетными формулами, которые также могут быть использованы для анализа любых других высокочастотных цепей.При проверке и настройке антенно-фидерных систем, безусловно, важнейшим является измерение коэффициента стоячей волны (КСВ). Обычно, этот параметр определяется на заданной частоте, а частотная характеристика антенны строится рядом последовательных замеров. И конечно же, для оперативной работы этот способ мало пригоден.
В отличие от аппаратуры для «домашнего» использования, профессиональное оборудование компаний Agilent Technologies [1], Hewlett-Packard [2], Rohde&Schwarz [3] и других предлагает, кроме прочих сервисных возможностей, непосредственный, панорамный вывод на экран графика значения КСВ антенны в зависимости от частоты.
Применение современной элементной базы, такой как микросхемы Direct Digital Synthesizers (DDS) в качестве генераторов высокочастотных сигналов, специализированных измерителей, микроконтроллеров и жидкокристаллических дисплеев, позволяет создавать несложные панорамные измерители КСВ и других параметров антенны, используя схемотехнические решения, которые отличаются от традиционных.
Чаще всего в аппаратуре коротких и ультракоротких волн для измерения КСВ используются схемы с направленным ответвителем. Именно они встроены в большинство современных трансиверов, «антенных тюнеров» и просто «КСВ-метров». Позволяя контролировать значение КСВ в процессе работы передатчика, эти схемы, однако, не лишены недостатков. Прежде всего, это относится к довольно узкому частотному диапазону ответвителя, что не позволяет строить на его базе широкополосные, с перекрытием по частоте в сотни и тысячи раз, приборы.
С этой точки зрения, гораздо больший интерес представляет мостовая схема измерения КСВ (рис. 1). При этом на резистивный мост (в точку f) подается сигнал с заданной частотой, и замеряется разность напряжений в точках a и b, а также напряжение в точке b относительно общего провода (точки g). Далее при помощи несложных вычислений определяется КСВ:
Вычисления можно провести предварительно и затем нанести значения КСВ на нелинейную шкалу стрелочного измерительного прибора.
При всей простоте этой схемы, непосредственное измерение разности напряжений a-b представляет определенные трудности: простым диодным детекторам для сохранения чувствительности и линейности прибора необходимо чрезмерное повышение уровня измерительного сигнала. Более сложные схемы требуют применения дифференциальных усилителей с точно заданным коэффициентом усиления, а также прочих дополнительных элементов, усложняя конструкцию измерителя и ухудшая его частотную характеристику.
Кроме предложенного выше способа, для определения КСВ можно измерять отношение амплитуд сигналов в точках a и b (Ua/Ub), а также фазовый сдвиг между ними (α). Готовое решение предлагает компания Analog Devices [4]. Микросхема AD8302 (рис. 2) состоит из двух идентичных логарифмических усилителей, измеряющих амплитуды сигналов на ее входах, одна из которых затем вычитается из другой. При этом выходное напряжение сумматора имеет логарифмическую зависимость от отношения амплитуд. Фазовый детектор формирует напряжение, пропорциональное разности фаз измеряемых сигналов.
Схема подключения микросхемы AD8302 к измерительному мосту приведена на рис. 3. На мост подается переменное напряжение с максимальным действующем значением 0,22 В от генератора с перестраиваемой частотой. Выходы Ua/Ub и α подключаются к вольтметрам (или аналогово-цифровым преобразователям микроконтроллера). Напряжение +1,8 В может быть использовано как опорное для улучшения точности измерений.
Для этой схемы, способ вычисления КСВ, а также других параметров антенны проиллюстрирован диаграммой (рис. 4). Здесь точки a, b, f и g имеют соответствия в схеме на рис. 1, отрезки bg, af, bf соответствуют напряжениям на резисторах моста, а отрезок ag – напряжению на исследуемой антенне Rx. Примем за единицу напряжения на резисторах моста R2 и R3 (отрезки fb и bg). В этом случае, длина отрезка ag будет соответствовать измеренному отношению Ua/Ub, а угол между отрезками ag и bg – углу α. Длина отрезка ab будет равна коэффициенту отражения ρ, определяющему КСВ:
Кроме того, из диаграммы определяются коэффициенты, необходимые для вычисления импеданса антенны на заданной частоте, Z = R+jX:
Приведенный выше способ вычисления импеданса антенны не определяет знак его реактивной составляющей. При необходимости это можно сделать, например, подключая к точкам a или b моста известную реактивность (например, конденсатор небольшой емкости) и следя за напряжением на выходе α измерителя.
Структурная схема панорамного измерителя КСВ на базе микросхемы AD8302 приведена на рис. 5. Микроконтроллер ATMEGA32 [5] управляет частотой DDS AD9851. Выходной сигнал генератора после усиления подается на измерительный мост. Высокочастотные сигналы Ua и Ub с плеч моста обрабатываются измерителем, выходы которого подключены к встроенным в микроконтроллер аналого-цифровым преобразователям. Результат измерений выводится на жидкокристаллический дисплей. Клавиатура позволяет оперативно задавать диапазон панорамного обзора (в пределах 100 кГц – 60 МГц) и переключать режимы измерений. В режиме определения импеданса антенны на дисплее отображаются значения его активной и реактивной составляющей, а также соответствующие последней значения емкости или индуктивности на заданной частоте.
Рис. 6 и 7 (графики КСВ в зависимости от частоты) показывают, насколько легко выявляются ошибки в настройке трехдиапазонной (7, 14, 21 МГц) антенны.
При подключении прибора к компьютеру появляются дополнительные возможности: к примеру, результаты измерений можно записать в файл на диске и просмотреть позже, сравнивая графики до и после подстройки антенны.
Олег Ефимов, UT5UBB
Николай Федосеев, UT2UZ
Денис Нечитайлов, UU9JDR
Риг Эксперт Украина
1. Agilent Technologies – www.agilent.com
2. Hewlett-Packard – www.hp.com
3. Rohde&Schwarz – www.rsd.de
4. Analog Devices – www.analog.com
5. Atmel Corporation – www.atmel.com