Как сделать ксв метр своими руками

Простой КСВ-метр (ВЧ мост).

Кому утомительно читать мои лирические отступления и пояснение для новичков, могут переходить сразу к картинкам и схемам. Лирика выделена курсивом, важное жирным шрифтом, жирным курсивом для новичков.
В статье возможно содержатся ошибки и не точности, но таково мое понимание и я могу ошибаться.

После приобретения рации, и сляпанной наспех антенне, задумался, ну не может же у меня антенна сразу взять и настроится. Надо КСВ померить. А померить то нечем…
Когда-то давно, лет 10 назад, вещал я на 100 м в АМ с бандитами-хулиганами, радио-пиратами )))
Жил я в частном доме, и «натянуть веревку» между 9-ти этажками не мог, из-за отсутствия таковых вообще. А что нужно для антенны на 100м диапазон? Правильно, подвес антенны на высоту 1/4L волны (25 м, слишком много…). Каких «веревок» я только не вешал, на соседские сараи, выше 5-7 метров я «прыгнуть» не мог, и антенна только грела землю и окружающее пространство. Передатчики были ламповые, и настройку антенны проводил по резонансу контуров на неонках в выходном каскаде, и что бы аноды не плавились, настраивал по току отдачи в антенну.
Пока не поставил хорошую мачту, и не установил Inverted-V, толку не было. В общем, есть такая поговорка «лучшая лампочка, это хорошо настроенная антенна».
К чему это я? А к тому, что без приборов, настроить передатчик и антенну достаточно трудно.
Так как приборов не было, а о приборах ИЧХ, АЧХ, ГКЧ, ГСС я только читал из умных книжек, и приобрести было тогда для меня их невозможно, приходилось делать пробники и тестеры самостоятельно. Вот об одном из них я и расскажу.
Немного теории, как я ее понимаю, кратко на словах, без углубления.
Радиоволны от передатчика передаются по кабелю (фидер, не важно какой) в нагрузку. Нагрузка, это наша антенна. Если волновое сопротивление выхода передатчика, фидера и антенны равны, то КСВ=1, и вся энергия почти без потерь передается в антенну.
Теперь еще один немаловажный фактор, резонанс. В 2х словах, это совпадение величин индуктивного и емкостного сопротивления на определенной частоте. На частоте выше резонансной, индуктивное сопротивление растет, а емкостное падает и наоборот при понижении частоты. Работу на гармониках рассматривать не будем. Соответственно, на резонансной частоте мы получаем максимальное сопротивление антенны, максимальное излучение сигнала в пространство. И вот такая задача у нас стоит, что бы все эти сопротивления были согласованы и равны допустим 50 Ом.
Если мы согласовали передатчик и фидер (мы точно знаем, что выход рации 50 Ом и знаем, что кабель 50 Ом), то нужно подогнать сопротивление антенны к 50 Ом.
Что же происходит, когда КСВ у нас большое (допустим 4 или 5) и чем это чревато.
Волны от передатчика, проходят к нагрузке, но не поглощаются ей (нагрузкой=антенной), а отражаются и приходят обратно в передатчик. Так происходит обычно при обрыве в антенне или КЗ. Напряжение растет на выходе передатчика, и выходной каскад сгорает. На лампах плавятся аноды…
Подробнее можно почитать статью с формулами здесь

Теперь как его измерить, этот КСВ.
Я знаю 2 принципиально разных способа.

1й способ.
Измерение с помощь трансформаторов тока непосредственно на фидере.

Почитать можно здесь и здесь, все остальное вариации на ту же тему.

И 2й способ, измерение с помощью ВЧ моста, он предназначен для настройки на небольшой мощности 0,5-10Вт.

Приведу здесь оригинальную схему, а ниже дополню своими комментариями и ссылками на похожие схемы и реализации. Ну и мою реализацию этого прибора.

Плата делалась методом вырезания пятачков.

Измерение на нагрузке

Измерение на антенне

Начну из далека, в книжке «Юный радиолюбитель» Борисов В. Г. публиковалась схема RLC измерителя, с помощью этого примитивного прибора на НЧ можно было с высокой точностью измерять резисторы, катушки и конденсаторы. Принцип его в том, что, заменив одно плечо моста на неизвестное сопротивление (активное или реактивное), можно вычислить неизвестное сопротивление.
На рисунке ниже видно, что R1 и R2 образуют делитель напряжения. R3 и R4 образуют 2й делитель напряжения. И между точками A и B напряжение будет равно нулю! Если R4 заменить на неизвестное сопротивление не равно 50 Ом, то напряжения на делителе изменится, и между точками AB возникнет разность потенциалов, и что бы вернуть баланс, нужно изменить R3, чтобы оно стало равным R4, и тогда между A и B напряжение снова станет равно нулю. Измерив R3, мы узнаем, чему равно R4! Если изменять R4, то, когда оно станет равным R3, в точках АВ тоже станет ноль.

Вы уже догадались, что если включить вместо R4 антенну, а вместо батареи включить передатчик, то можно либо измерить ее сопротивление, либо подстроить антенну под нужное сопротивление, для согласования с фидером.

Оказывается, точность у этого моста обалденная, мне удалось добиться точности балансировки 0,01V на постоянном токе! На ВЧ влияют емкости и внешние наводки.
Теперь о том, какие резисторы выбрать и как подогнать мост, если резисторы с разбросом.
Резисторы моста МЛТ-2, номиналом 100 Ом, включенные по 2 штуки в параллель. Что бы увеличить сопротивление резистора (а они у меня получились, судя по омметру 48-49 Ом), нужно слегка, без фанатизма поцарапать его надфилем, измерить, еще поцарапать, при необходимости повторить.

Повторюсь, настраивал на постоянном токе, с точностью до 0,01V по мультиметру.

Ну а вот пример на УКВ и СВЧ диапазон (сделано не мной), попробую сделать что то типа такого, а-ля антеноскоп.

Всем 73! Хорошей связи без помех!

Эквивалент нагрузки для калибровки КСВ-метра своими руками

Имея в личном арсенале прибор для измерения направления ветра, температуры этого самого ветра и цвета этого ветра, а именно КСВ-метр Midland 23-505 очень лохматых годов, что дает мне веру в действительно качественную сборку на правильном заводе, а не в подвале криворукими индейцо-китайцами.

А также имеется шило в одном месте, которое, в принципе то, и не дает покоя ни рукам, ни голове, ни этому самому месту в поиске приключений.))
Уж очень мне хотелось узнать насколько точно сей прибор показывает мне значения КСВ при настройке радиостанций. Да я возил его на поверку в профильный сервисный центр, да они бились об стену в конвульсиях и убеждали меня, что прибор показывает исключительно точные значения. И конечно оснований не доверять конторе у меня нет, НО! Доверяй и проверяй!))

Начались долгие мучительные поиски информации! Бороздил просторы интернета денно и ночно! Изучив, всю историю татаро-монгольского ига, решил пойти на поиски подходящего сопротивления, чтоб использовать его в качестве эквивалента нагрузки. И вот оно чудо! Нашел! Совсем такой небольшой булыжник безиндукционный на 50 ОМ (правда в реальности китайский мультиметр показывает 54, ну да ладно) и на 20 Вт мощности, как и требовалось на всех си-би форумах. Припаял к нему разъем PL259. В итоге получил вот это:

Дальше поиск повл в сторону медной хрени для экранирования данной конструкции. Чистую медь у нас сейчас найти не так уж и легко, нашел бронзу БрБ2. Думаю, не так уж это страшно. Поскольку трубку найти — проблема еще похлеще, чем найти медь, пришлось ограничиться листом толшиной 0.3 мм. Свернул в трубочку и пропаял стык.

Выточили два доннышка (одно с отверстием в центре) тоже из БрБ2, только на этот раз уже круг

Ну и весь этот лего-набор был пропаян вдоль-поперек и подиагонали большим паяльником аля ТОПОР.)) Ну тут собственно и особо рассказывать нечего: Сопротивление в разъем, разъем в доннышко, доннышко на трубку, второе доннышко тоже на трубку и все — Готово мастер! Что готово? Сломал! )))

Часть вторая — испытание:

После плотного и сытного обеда, поехал тестировать недавно собранную нагрузку.
проверял по технологии описанной тут: ark34.ru/forum/23-48-1

1. Проверка запаса по каналу измерения прямого сигнала FWD — выполнено успешно! Тест пройден
2. Проверка по каналу измерения отраженного сигнала REF. При подключенном нагрузочном сопротивлении прибор показывает значение КСВ 1.1 Учитывая, что сопротивление у меня не 50 а 54 Ом, погрешность прибора, наличие злых факторов из космоса, а также отсутствие свободного времени в больших объемах, решил что прогноз погоды и направление ветра мой КСВ-метр показывает более-менее точно. Работать, точнее производить примерное согласование антенны и радиостанции очень даже возможно.
3. Мощность станции в канале 15D АМ, при подключенном сопротивлении составляет 6 Вт (опять же, учитывая что оно не 50 а 54 Ом — то и показания мощности будут с небольшой погрешностью). При повышении сетки до F мощность растет примерно до 8 Вт, в сетке А — 5 Вт
Ну вот как-то так)))

Записки программиста

Существует несколько схем для измерения КСВ и мощности на КВ. Наиболее популярной является мост Брюне (Bruene bridge) и его модификации. Вы найдете эту схему в большинстве КВ трансиверов, усилителей, антенных тюнеров и КСВ/ваттметров.

Схема описана в статье An Inside Picture of Directional Wattmeters [PDF] за авторством Warren B. Bruene, WØTTK, опубликованной в журнале QST за апрель 1959-го года. В радиолюбительской литературе можно найти много вариаций данной схемы. Мне приглянулась иллюстрация из книги W1FB’s Antenna Notebook:

Схема КСВ/ваттметра по схеме Брюне

Схема та же, что в оригинальной статье, но с указанием конкретных номиналов компонентов, способа изготовления устройства и его настройки. T1 представляет собой 35 витков тонкого эмалированного провода на кольце T68-2. В это кольцо продевается отрезок коаксиального кабеля. Оплетка кабеля заземляется с одного конца. Такая конструкция работает, как повышающий трансформатор, где жила кабеля является одном витком первичной обмотки, а 35 витков провода — вторичной обмоткой. Оплетка кабеля тоже является обмоткой трансформатора, но не используется в этой роли. Она нужна для экранирования жилы кабеля, чтобы сигнал не наводился на окружающие компоненты.

Принцип работы схемы доступно объяснен Брюне:

Направленный ответвитель способен измерять либо прямую, либо отраженную часть сигнала, благодаря тому, что в отраженном сигнале напряжение и ток находятся в противофазе, тогда как в прямом сигнале они синфазны. Небольшое напряжение, полученное из тока в линии, складывается с образцом напряжения на линии. Если два образца имеют верное отношение амплитуд, отраженные компоненты гасят друг друга. В итоге сумма соответствует только прямому сигналу. Если же сдвинуть фазу измеряемого тока на 180°, гасить друг друга будут прямые компоненты, а сумма соответствовать отраженному сигналу.

Напряжение на линии измеряется емкостными делителями C1-C3 и C2-C4. Ток берется с T1 и переводится в напряжение с помощью D1-C3 и D2-C4, по тому же принципу, как ранее мы это делали в индикаторе напряженности поля. От того, с какой стороны T1 берется ток, зависит составит сдвиг фазы 0° или 180°. За регулировку амплитуды отвечают С1 и C2.

В моем исполнении устройство получилось таким:

Самодельный КСВ/ваттметр

Вид с обратной стороны:

Внутренности самодельного КСВ/ваттметра

Здесь использована советская измерительная головка М4248 производства 1989-го года на 100 мА. На Avito такие продают по цене ~2$/шт. Диодов 1N914, слюдяных конденсаторов (на схеме S.M. означает silver mica) и катушек индуктивности на 500 мкГн не нашлось. Вместо них использованы диоды 1N4148, керамические NP0 конденсаторы и катушки на 560 мкГн. Подстроечные конденсаторы C1 и C2 были использованы на 2-7 пФ, Murata TZ03Z070E169. Чем меньше минимальная емкость этих конденсаторов, тем лучше. Вместо резисторов на 10 Ом были использованы два резистора 22 Ом 1%, соединенных параллельно. В книге W1FB’s Antenna Notebook сообщается, что резисторы должны быть на 0.5 Вт и подобраны по одинаковому сопротивлению. Брюне пишет, что подойдут резисторы номиналом от 10 до 50 Ом. Цепь должна быть выполнена симметрично, все соединения должны быть как можно короче.

Настройка осуществляется на 14 МГц при мощности 50 Вт. Порядок настройки:

Подключаем трансивер к J1, эквивалент нагрузки к J2;
S1 ставим в положение FWD, R1 выкручиваем в минимальную чувствительность;
Подаем несущую и регулируем R1 так, чтобы измерительная головка показывала полную шкалу. Если чувствительности не хватает, ее следует увеличить, подкрутив C2;
Переключаем S1 в положение REF. Подаем несущую. Подстраиваем С1, чтобы стрелка ушла в ноль;
Меняем трансивер и эквивалент нагрузки местами. Трансивер подключаем к J2, а эквивалент нагрузки к J1;
Переключаем S1 в положение FWD. Подаем несущую. Подстраиваем C2, чтобы стрелка ушла в ноль;
Переключаем S1 в положение REF. Подаем несущую. Подстраиваем C1 так, чтобы измерительная головка показывала полную шкалу;
Повторяем шаги 1-7 до тех пор, пока процесс не сойдется. C1 и С2 не должны нуждаться в настройке ни на одном из шагов;
Примите поздравления, мост сбалансирован!

Проверка осуществляется так:

Подключаем трансивер к J1, эквивалент нагрузки к J2;
Мощность трансивера выставляем в 50 Вт;
Регулируем R1 так, чтобы прибор показывал полную шкалу в положении FWD на 14 МГц;
Меняем диапазоны. Для каждого диапазона прибор должен показывать полную шкалу в положении FWD и ноль в положении REF. Допускается погрешность в ± одно деление. R1 не должен нуждаться в настройке при смене диапазона;
Заменяем эквивалент нагрузки на 25 или 100 Ом. Подаем несущую для каждого из диапазонов. В положении REF прибор должен показывать примерно 1/3 шкалы;
Повторяем шаги 3-5 для мощности 35 Вт и 100 Вт;
Проверка пройдена!

Нагрузка на 25 или 100 Ом соответствует случаю КСВ 2. Спрашивается, почему в этом случае прибор показывает именно 1/3 шкалы? Ответ содержится в статье Брюне. Дело в том, что шкала не линейная, а квадратичная. Если на шкале 100 делений и R1 отрегулирован так, что полная шкала соответствует 50 Вт, отраженные 5 Вт покажут:

>>> from math import sqrt
>>> 100*sqrt(5/50)
31.622776601683793

… примерно 1/3 шкалы. Здесь 5 Вт — это 10% мощности, что по определению:

>>> Pf = 50
>>> Pr = 5
>>> SWR = (1+sqrt(Pr/Pf))/(1-sqrt(Pr/Pf))
>>> SWR
1.924950591148529

… соответствует примерно КСВ 2. Из аналогичных расчетов получаем, что половина шкалы соответствует КСВ 3. Легко запомнить — если в положении REF прибор показывает половину шкалы или меньше, значит можно работать. Имея разборную измерительную головку, можно даже нарисовать шкалу с мощностью и КСВ.

Работа прибора почти не зависит от частоты, что очень хорошо. Но она зависит от мощности. Настроить схему так, чтобы она одинаково хорошо работала от 5 до 100 Вт, не представляется возможным. Брюне поясняет, что причина заключается в нелинейной вольт-амперной характеристике диодов. Это ограничение можно обойти, сделав схему переключаемой, либо применив микроконтроллер с АЦП. Также оно не вызывает проблем, если вы делаете КСВ-метр для трансивера или усилителя на фиксированную мощность.

Вы можете прислать свой комментарий мне на почту, или воспользоваться комментариями в Telegram-группе.