Измеряем КСВ антенны с помощью анализатора спектра

30 декабря 2019

Как мы выяснили в рамках обзора Rigol DSA815-TG, антенный анализатор может быть использован в качестве КСВ-метра. Для этого, помимо анализатора спектра и антенны, нам понадобится направленный ответвитель или КСВ мост. Давайте же разберемся, что это за устройства такие, есть ли между ними разница, и как ими пользоваться.

Направленный ответвитель

Итак, что такое направленный ответвитель (directional coupler)? Для наглядности рассмотрим популярный среди радиолюбителей направленный ответвитель Mini-Circuits ZFDC-20-5+ (даташит [PDF]):

 Направленный ответвитель Mini-Circuits ZFDC-20-5+

Устройство имеет три ВЧ разъема: IN, OUT и CPL. Сигнал между IN и OUT проходит почти без изменений в обе стороны. А вот CPL устроен хитро. На него идет сигнал только от IN, притом со строго определенной аттенюацией, называемой переходным ослаблением (coupling). Для полноты картины стоит сказать, что в обратную сторону, от CPL к IN, сигнал проходит точно так же. Но для нас это сейчас не важно.

Переходное ослабление зависит от модели направленного ответвителя. Для ZFDC-20-5+ оно составляет 19.5±0.5 дБ на частотах до 1000 МГц и 19.5±1 дБ выше 1000 МГц. Теперь понятно, откуда взялось название устройства: направленный ответвитель ответвляет часть передаваемого сигнала, притом исключительно сигнал, идущий в определенном направлении. Из прочих характеристик направленного ответвителя наиболее важными для нас являются волновое сопротивление, а также рабочая частота и рабочая мощность. У ZFDC-20-5+ они составляют 50 Ом, 0.1-2000 МГц и от 0.5 до 2 Вт в зависимости от частоты соответственно. Подробности можно найти в даташите.

Зная принцип работы направленного ответвителя, несложно догадаться, как он может быть использован для измерения КСВ. Если подключить антенну к разъему IN, а на OUT подать сигнал, то через CPL мы сможем измерить, какая часть энергии отразилась. Соответствующая величина измеряется в децибелах и называется возвратными потерями или обратными потерями (return loss). Зная возвратные потери, можно вычислить КСВ.

КСВ мост

Итак, мы выяснили, что такое направленный ответвитель, и как с его помощью можно измерить КСВ. Но тогда что такое КСВ мост (SWR bridge)?

Это устройство похоже на направленный ответвитель, только существенно проще. КСВ мост предназначен для одной задачи, и только для одной задачи — измерения КСВ. ВЧ разъемы КСВ моста называются input (IN), output (OUT) и что-то в стиле device under test (DUT). На IN подается сигнал, с OUT замеряются возвратные потери, к DUT подключается антенна. Никаким другим способом использовать КСВ мост нельзя.

Что же до направленного ответвителя, то в нем можно передавать сигнал как в направлении из IN в OUT, так и из OUT в IN. Можно получать на IN сумму сигналов, поданных на OUT и CPL, естественно, с аттенюацией последнего. Можно использовать CPL для мониторинга сигнала, идущего от IN к OUT. Кроме того, направленный ответвитель имеет строго определенное переходное ослабление с типичной погрешностью не более 1 дБ на всей рабочей частоте и при любой рабочей температуре. КСВ мост не обязан соблюдать столь строгие требования, потому что для измерения КСВ это не нужно. В данной задаче погрешность можно измерить и скомпенсировать.

Важно! В разговоре «направленный ответвитель» и «КСВ мост» иногда используют, как синонимы. Естественно, это неверно.

Как можно догадаться, готовые КСВ мосты намного дешевле направленных ответвителей. Например, цена ZFDC-20-5+ составляет 85$ не считая доставки. Аналогичный в плане рабочей частоты и прочего КСВ мост обойдется вам на eBay где-то в 8-12$, включая доставку.

Измеряем КСВ

Существует путаница в отношении того, какой знак имеют возвратные потери. Возвратные потери определяются, как отношение между поданной мощностью и отраженной, переведенное в децибелы. То есть, return loss не может быть отрицательным. Однако на практике часто измеряют величину, равную отношению отраженной мощности к поданной. Эта величина называется коэффициентом отражения (reflection coefficient). Коэффициент отражения равен возвратным потерям по модулю, но имеет противоположный знак.

Зная возвратные потери, не составляет труда вычислить КСВ:

>>> from math import pow
>>> def swr(rl):
...     tmp = pow(10, rl/20)
...     return (tmp + 1)/(tmp - 1)
...
>>> swr(14)
1.4985203496924142

Например, возвратным потерям 14 дБ соответствует КСВ 1.5. Для перевода одного в другое удобно держать под рукой предварительно рассчитанную табличку. Обратите внимание, что минимум КСВ приходится на максимум возвратных потерь.

Для измерения антенны было решено воспользоваться таким КСВ мостом:

Недорогой КСВ мост с eBay

По заявлению продавца, КСВ мост рассчитан на частоты от 1 МГц до 3 ГГц и на мощность не более 0.2 Вт (23 dBm). Давайте посмотрим, как будут выглядеть возвратные потери, если не подключать к мосту никакой антенны. В этом случае вся поданная на вход энергия будет отражена, и мы сможем оценить, как с частотой изменяется «переходное ослабление» (взято в кавычки, потому что перед нами устройство, отличное от направленного ответвителя):

КСВ мост без подключенной антенны

На интервале от 1 МГц до 1.5 ГГц видим что-то порядка 15.5±3 дБ. Само собой разумеется, показания анализатора спектра предварительно были нормализованы, чтобы скомпенсировать влияние кабелей, идущих к КСВ мосту.

Теперь выполним нормализацию уже для подключенного моста и подсоединим какую-нибудь антенну. Например, вертикальный диполь на радиолюбительский диапазон 2 метра:

Return loss вертикального диполя на 144-146 МГц

Видим, что на интервале 144-146 МГц возвратные потери находятся в пределах 14 дБ, то есть, КСВ не превышает 1.5. На конец диапазона приходится 16.7 дБ, что соответствует КСВ 1.35. Показания совпадают с полученным ранее показаниям антенного анализатора EU1KY. Небольшие различия объясняется тем, что антенну я немного переставил и теперь измеряю ее не в точке запитки, а через пару метров RG213. Если соблюсти одинаковые условия измерения, то показания приборов идентичны.

Заключение

Анализатор спектра, конечно, не может полностью заменить антенный анализатор. Помимо КСВ, последний может показать комплексное входное сопротивление антенны, что нам уже пригождалось. Кроме того, антенные анализаторы компактны и питаются от аккумуляторов. Анализаторы спектра тоже бывают портативными, но Rigol DSA815-TG к таким не относится. Зато, в отличие от моего антенного анализатора, Rigol DSA815-TG может показать КСВ на частотах до 1.5 ГГц.

Выше было продемонстрировано измерение КСВ лишь на частоте 145 МГц. Забегая вперед, отмечу, что все прекрасно работает и на более высоких частотах. Но об этом я хотел бы рассказать в одной из будущих заметок.

Дополнение: Бюджетный вариант направленного ответвителя описан в статье Направленный ответвитель на базе ADC-20-4

Метки: , .

Поддержи автора, чтобы в блоге было больше полезных статей!

Также подпишись на RSS, ВКонтакте, Twitter или Telegram.