Самодельный КСВ-мост и примеры его использования

2 сентября 2020

КСВ-мостом мы впервые воспользовались в рамках статьи Измеряем КСВ антенны с помощью анализатора спектра. Однако тогда был использован недорогой КСВ-мост с eBay, и ничего не было сказано о том, как он работает. Пришло время заполнить этот пробел.

Примечание: В английском языке КСВ-мост обычно называется return loss bridge или RLB, хотя термин SWR bridge тоже используется. В русском языке термин «мост возвратных потерь» мне не встречался. Обычно говорят «мост КСВ» или «КСВ-мост».

Теория

Схема КСВ-моста приводится во многих источниках, не исключая книг The ARRL Handbook, Solid State Design for the Radio Amateur и Experimental Methods in RF Design. Вот эта схема:

Схема КСВ моста

Напомню, что к порту DUT (device under test) подключается нечто, что мы измеряем — антенна, вход усилителя, и так далее. На порт IN подается сигнал известной частоты. При этом на порт OUT пойдет тем больший сигнал, тем выше возвратные потери на этой частоте. КСВ напрямую вычисляется из возвратных потерь.

Как это работает? В целом, здесь используется принцип измерительного моста, он же мост Уитстона. Допустим, в качестве DUT мы подключили резистор номиналом 50 Ом. Тогда в любой момент времени в точках A и B будет одинаковое напряжение. Значит, тока между A и B не будет, и на OUT мы ничего не увидим. И напротив, чем больше DUT отличается от 50 Ом, тем больший ток пойдет между A и B, что мы сразу увидим на порту OUT.

Если такое объяснение вам не очень понятно, представьте, что L1-L2 — это просто двухпроводная линия с волновым сопротивлением 50 Ом, нагруженная на 50 Ом (порт OUT). То есть, можно мысленно стереть со схемы L1, L2 и OUT, и заменить их на резистор номиналом 50 Ом между точками A и B. Будет ли течь ток через этот резистор зависит от того, как сильно DUT отличается от 50 Ом.

Тогда зачем нужен L1-L2? Почему бы просто не подключать используемый нами измерительный прибор напрямую к точкам A и B? Допустим, что IN — это выход следящего генератора анализатора спектра, а OUT — его вход. В таком сценарии получается, что мы закоротили на землю либо точку A, либо точку B. Ничего не будет работать. У тока совершенно не будет причин течь с точки A на землю, затем с земли в порт OUT, затем из порта OUT в точку B. Собственно, L1-L2 представляет собой балун по току 1:1, который эти причины и создает. Какой бы ток не тек из A на землю, такой же, но противоположный ток потечет из OUT в точку B.

Практика

В моем исполнении КСВ-мост получился таким:

Самодельный КСВ-мост

Я использовал углеродистые пленочные (carbon film) резисторы номиналом 51 Ом. Такие резисторы обладают низкой паразитной индуктивностью. Также подойдут металлопленочные (metal film) и металлооксидные (metal oxide) резисторы. Проволочные (wire wound) резисторы не будут работать, поскольку на ВЧ они превращаются в катушки индуктивности.

Намотка на ферритовом кольце FT37-43 выполнена проводом ПЭВТЛ-2 диаметром 0.3 мм. ПЭВТЛ расшифровывается, как провод эмалированный высокопрочный теплостойкий лудящийся. То есть, изоляция снимается с него при помощи паяльника, что очень удобно. Два провода были зафиксированы в тисках с одного конца, и в шуруповерте со второго. Нажимаем на «курок» шуруповерта, и провода скручиваются. В итоге получается двухпроводная линия с волновым сопротивлением, близким к 50 Ом. Это легко проверить при помощи антенного анализатора и еще одного углеродистого резистора 51 Ом.

Само собой разумеется, все соединения должны быть как можно короче.

Измерим с помощью КСВ-моста эквивалент нагрузки:

Возвратные потери эквивалента нагрузки

Я использовал неплохой эквивалент нагрузки из комплекта NanoVNA с КСВ < 1.1 на частотах до 650 МГц. Однако с этим мостом уже на 160 МГц мы получаем возвратные потери 24 дБ, которые соответствуют КСВ 1.13. Другими словами, такой мост можно использовать на КВ на УКВ диапазоне 2 метра, притом на последнем не стоит ожидать абсолютной точности. На более высоких частотах пользоваться им не стоит.

А так выглядит график трапового диполя на 20 и 40 метров:

Возвратные потери трапового диполя

Зеленая линия проходит на уровне 10 дБ, что соответствует КСВ 1.92. Выглядит похожим на правду. То, что антенна подстроена под телеграфные участки — это так и задумано. Резонанс на 40 метрах заметно уже, поскольку на этом диапазоне трапы работают, как удлиняющие катушки. Это полностью соответствует теории. Небольшие расхождения по сравнению с ранее полученными показаниями антенного анализатора вполне ожидаемы. Тогда измерения проводились через коаксиальный кабель существенно меньшей длины.

Само собой разумеется, вместо анализатора спектра с тем же успехом можно использовать генератор сигналов с осциллографом, или RTL-SDR с генератором шума. Это менее удобные варианты, но совершенно рабочие.

Заключение

Стоит отметить, что такой КСВ-мост может быть использован и в качестве делителя/сумматора 6 дБ. В этом режиме DUT используется, как суммирующий порт. Получается сразу три полезных устройства в одной схеме.

Постоянные читатели этого блога вспомнят статью про индикатор напряженности поля. Приведенная в ней схема может быть использована для измерения уровня сигнала с порта OUT. Остается только подать на IN сигнал с генератора переменной частоты, предварительно отфильтровав нужную гармонику, и получится аналоговый КСВ-метр. Конечно, потребуются приложить немного усилий, чтобы нормально его откалибровать. Но в целом, всеми необходимыми знаниями для такого проекта мы уже обладаем.

Метки: , , .