Самодельный КСВ/ваттметр по схеме Брюне

24 марта 2021

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:

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

Проверка осуществляется так:

  1. Подключаем трансивер к J1, эквивалент нагрузки к J2;
  2. Мощность трансивера выставляем в 50 Вт;
  3. Регулируем R1 так, чтобы прибор показывал полную шкалу в положении FWD на 14 МГц;
  4. 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;
  5. Заменяем эквивалент нагрузки на 25 или 100 Ом. Подаем несущую для каждого из диапазонов. В положении REF прибор должен показывать примерно 1/3 шкалы;
  6. Повторяем шаги 3-5 для мощности 35 Вт и 100 Вт;
  7. 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. Легко запомнить — если в положении REF стрелка на нуле, имеем КСВ 1, а если ~1/3 шкалы, то КСВ 2. Со всем что между этими двумя крайностями можно работать. Если измерительная головка разборная, 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.

Дополнение: Самодельный КСВ/ваттметр по схеме Стоктона

Метки: , , .