Главная
Настройка 
Расчет и связь между ксв, коэффициентом отражения и возвратными потерями. Все о коэффициенте стоячей волны Измерение ксв кабеля

Расчет и связь между ксв, коэффициентом отражения и возвратными потерями. Все о коэффициенте стоячей волны Измерение ксв кабеля

При монтаже и настройке систем радиосвязи часто измеряют некую не всем и не совсем ясную величину называемую КСВ. Что же это за характеристика, помимо спектра частот указываемая в характеристиках антенн?
Отвечаем:
Коэффициент стоячей волны (КСВ), коэффициент бегущей волны (КБВ), обратные потери это - термины, характеризующие степень согласования радиочастотного тракта.
В высокочастотных линиях передачи соответствие сопротивления источника сигнала волновому сопротивлению линии определяет условия прохождения сигнала. При равенстве этих сопротивлений в линии возникает режим бегущей волны, при котором вся мощность источника сигнала передается в нагрузку.

Измеренное на постоянном токе тестером сопротивление кабеля покажет либо холостой ход либо короткое замыкание в зависимости оттого, что подключено к другому концу кабеля, а волновое сопротивление коаксиального кабеля, определяется соотношением диаметров внутреннего и внешнего проводников кабеля и характеристиками изолятора между ними. Волновое сопротивление это сопротивление, которое оказывает линия бегущей волне высокочастотного сигнала. Волновое сопротивление постоянно вдоль линии и не зависит от её длины. Для радиочастот волновое сопротивление линии считают неизменным и чисто активным. Оно приблизительно равно:
где L и С распределенные емкость и индуктивность линии;




Где: D – диаметр внешнего проводника, d – диаметр внутреннего проводника, - диэлектрическая проницаемость изолятора.
При расчете радиочастотных кабелей стремятся получить оптимальную конструкцию, обеспечивающую высокие электрические характеристики при наименьшем расходе материалов.
При использовании меди для внутреннего и внешнего проводников радиочастотного кабеля справедливы соотношения:
минимальное затухание в кабеле достигается при отношении диаметров

максимальная электрическая прочность достигается при:

максимум передаваемой мощности при:

исходя из этих соотношений, выбраны волновые сопротивления радиочастотных кабелей, выпускаемых промышленностью.
Точность и стабильность параметров кабеля зависят от точности изготовления диаметров внутреннего и внешнего проводников и стабильности параметров диэлектрика.
В идеально согласованной линии отражение отсутствует. Когда сопротивление нагрузки равно волновому сопротивлению линии передачи, падающая волна полностью поглощается в нагрузке, отраженная и стоячая волны отсутствуют. Такой режим называется режимом бегущей волны.
При коротком замыкании или холостом ходе линии на конце линии, падающая волна полностью отражается обратно. Отраженная волна складывается с падающей, и результирующая амплитуда в любом сечении линии является суммой амплитуд падающей и отраженной волн. Максимум напряжения называется пучностью, минимум напряжения узлом напряжения. Узлы и пучности не движутся относительно линии передачи. Такой режим называется режимом стоячей волны.
Если на выходе линии передачи подключена произвольная нагрузка, только часть падающей волны отражается обратно. В зависимости от степени рассогласования возрастает отраженная волна. В линии одновременно устанавливаются стоячая и бегущая волны. Это режим смешанных или комбинированных волн.
Коэффициент стоячей волны (КСВ) это безразмерная величина, характеризующая соотношение падающей и отраженной волн в линии, то есть степень приближения к режиму бегущей волны:
; как видно по определению, КСВ может меняться от 1 до бесконечности;
КСВ меняется пропорционально соотношению сопротивления нагрузки к волновому сопротивлению линии :

Коэффициент бегущей волны это величина обратная КСВ:
КБВ= может меняться от 0 до 1;

  • Обратные потери (return loss) - это отношение мощностей падающей и отраженной волн, выраженное в децибелах.

или наоборот:
Обратные потери удобно использовать при оценке эффективности фидерного тракта, когда потери кабеля, выражаемые в дБ/м можно просто просуммировать с обратными потерями.
Величина потерь на рассогласование зависит от КСВ:
в разах или в децибелах.
Передаваемая энергия при несогласованной нагрузкевсегда меньше, чем при согласованной. Передатчик, работающий на несогласованную нагрузку, не отдает в линию всю ту мощность, которую бы отдавал в согласованную. Фактически, это не потери в линии, а снижение мощности, отдаваемой в линию передатчиком. Насколько влияет КСВ на снижение, видно из таблицы:

Мощность попадающая в нагрузку

Обратные потери
RL

Важно понимать, что:

  • КСВ одинаков в любом сечении линии и не может регулироваться изменением длины линии. Если показания измерителя КСВ при перемещении по линии существенно различаются, это может указывать на антенный эффект фидера, вызываемый током, текущим по внешней стороне оплетки коаксиального кабеля, и/или на плохую конструкцию измерителя, но не на то, что КСВ изменяется вдоль линии.
  • Отраженная мощность не попадает обратно в передатчик не нагревает и не повреждает его. Повреждения могут быть вызваны работой выходного каскада передатчика на рассогласованную нагрузку. Выход из передатчика, поскольку на его выходе могут в неблагоприятном случае сложиться напряжение выходного сигнала и отражённая волна, может произойти из-за превышения максимального допустимого напряжения полупроводникового перехода.
  • Высокий КСВ в коаксиальном фидере, вызванный значительным рассогласованием характеристического сопротивления линии и входного сопротивления антенны, сам по себе не вызывает появления ВЧ тока на внешней поверхности оплетки кабеля и излучения фидерной линии.

Измеряют КСВ, например, с помощью двух направленных ответвителей, включённых в тракт в противоположных направлениях или измерительного мостового рефлектометра, что позволяет получить сигналы пропорциональные падающему и отраженному сигналу.

Для измерения КСВ могут использоваться различные приборы. Сложные приборы имеют в своем составе генератор качающейся частоты, позволяющий увидеть панорамную картину КСВ. Простые приборы состоят из ответвителей и индикатора, а источник сигнала используется внешний, например, радиостанция.

Например, двухблочный РК2-47 за счет широкополосного мостового рефлектометра обеспечивал измерение в диапазоне 0,5-1250MГц.


Р4-11 служил для измерения КСВН, фазы коэффициента отражения, модуля и фазы коэффициента передачи в диапазоне 1-1250МГц.
Импортные приборы для измерения КСВ ставшие классическими от Bird и Telewave:

Или попроще и подешевле:

Популярны простые и недорогие панорамные измерители от AEA:

Измерение КСВ может проводиться как в конкретной точке спектра, так и в панораме. В этом случае на экране анализатора могут быть выведены значения КСВ в указанном спектре, что удобно для настройки конкретной антенны и исключает промах при обрезке антенны.
К большинству системных анализаторов существуют control head - рефлектометрические мосты, позволяющие с высокой точностью измерять КСВ в частотной точке или в панораме:

Практическое измерение заключается в подключении измерителя к разъёму испытуемого устройства или в разрыв тракта при использовании прибора проходного типа. Значение КСВ зависит от многих факторов:

  • Перегибов, дефектов, неоднородностей, спаек в кабелях.
  • Качества разделки кабеля в радиочастотных соединителях.
  • Наличия переходных соединителей
  • Попадания влаги в кабели.

При измерении КСВ антенны через фидер с потерями, испытательный сигнал в линии затухает и фидер внесет погрешность, соответствующую потерям в нем. И падающая, и отраженная волны испытывают затухание. В таких случаях КСВН рассчитывается:
где k - коэффициент ослабления отраженной волны, который вычисляется: k=2BL ; В - удельное затухание, дБ/м; L - длина кабеля, м, при этом
множитель 2 учитывает, что сигнал ослабляется дважды - на пути к антенне и на пути от антенны к источнику, на обратном пути.
Например, используя кабель с удельным затуханием 0,04 дБ/м, ослабление сигнала на длине фидера 40 метров составит 1,6 дБ в каждую сторону, всего 3,2 дБ. Значит, вместо действительного значения КСВ=2,0 прибор покажет 1,38; при КСВ=3,00 прибор покажет около 2,08.

Например, если Вы проверяете фидерный тракт с потерями 3дБ, антенну с КСВ 1,9 и используете передатчик мощностью 10 Вт как источник сигнала для проходного измерителя, то падающая мощность, измеренная прибором составит 10Вт. Поданный сигнал ослабится фидером в 2 раза, от антенны отразится 0,9 пришедшего сигнала и, наконец, отраженный сигнал на пути к прибору ослабится ещё в 2 раза. Прибор честно покажет соотношение падающего и отраженного сигналов падающая мощность 10Вт и отраженная 0,25Вт. КСВ получится 1,37 вместо 1,9.

Если будет использоваться прибор с встроенным генератором, то мощности этого генератора может оказаться недостаточной, чтобы на детекторе отраженной волны создать нужное напряжение и Вы увидите шумовую дорожку.

В общем случае, усилия, затрачиваемые на снижение КСВ ниже 2:1 в любой коаксиальной линии не дают результата с точки зрения увеличения эффективности излучения антенны, и целесообразны в тех случаях, если схема защиты передатчика срабатывает, например, при КСВ>1,5 или расстраиваются частотнозависимые цепи, подключенные к фидеру.

Наша компания предлагает широкий спектр измерительного оборудования различных производителей вкратце рассмотрим их:
MFJ
MFJ-259 – достаточно простой в эксплуатации прибор для комплексного измерения параметров систем работающих в диапазоне от 1 до 170 МГц.

КСВ-метр MFJ-259 очень компактный, его можно использовать как с внешним источником питания низкого напряжения, так и с внутренним комплектом батарей типа АА.

MFJ-269
КСВ-метр MFJ-269 компактным комбинированным прибор с автономным питанием.
Индикация режимов работы осуществляется на жидкокристаллическом дисплее, а результатов измерений - на ЖКД и стрелочных приборах, расположенных на лицевой панели.
MFJ-269 позволяет производить большое количество дополнительных антенных измерений: РЧ импеданса, потерь в кабелях и их электрических длин до места обрыва или короткого замыкания.


Технические характеристики

Диапазон частот, МГц

Измеряемые характеристики
  • электрическую длину (в футах или градусах);
  • потери в фидерных линиях (дБ);
  • ёмкость (пФ);
  • импеданс или значение Z (ом);
  • фазовый угол импеданса (в градусах);
  • индуктивность (мкГн);
  • реактивное сопротивление или Х (ом);
  • активное сопротивление или R (ом);
  • резонансную частоту (МГц);
  • обратные потери (дБ);
  • частоту сигнала (МГц);
  • КСВ (Zo программируется).

200х100х65 мм

Диапазон рабочих частот КСВ-метра разбит на поддиапазоны:1,8…4 МГц, 27…70 МГц, 415…470 МГц, 4,0…10 МГц, 70…114 МГц, 10…27 МГц, 114…170 МГц

Измерители КСВ и Мощности Comet
Серия измерителей мощности и КСВ Comet представлена тремя моделями:CMX-200 (Измеритель КСВ и мощности, 1,8-200 МГц, 30/300/3 кВт), CMX-1(Измеритель КСВ и мощности, 1,8-60 МГц, 30/300/3 кВт) и, представляющий наибольший интерес, CMX2300 T (Измеритель КСВ и мощности, 1,8-60/140-525 МГц, 30/300/3 кВт, 20/50/200 Вт)
CMX2300 T
Измеритель мощности и КСВ CMX-2300 состоит из двух независимых систем диапазона 1.8-200МГц и диапазона 140-525 МГц с возможностью одновременного измерения этих диапазонов. Проходная структура прибора и, как следствие, невысокая потеря мощности позволяет проводить измерения в течении длительного времени.


Технические характеристики

Диапазон М1

Диапазон М2

Частотный диапазон

1.8 - 200 МГц

140 - 525 МГц

Площадь измерения мощности

0 - 3КВт (HF), 0 - 1КВт (VHF)

Диапазон измерения мощности

Погрешность измерения мощности

±10% (всей шкалы)

Область измерения КСВ

от 1 до бесконечности

Сопротивление

Остаточный КСВ

1.2 и менее

Вносимое затухание

0.2 дБ или менее

Минимальная мощность для измерений КСВ

Приблизительно 6Вт.

М-образный

Питание для ламп подсветки

11 - 15В постоянного тока, приблизительно 450 мА

Габариты (данные в скобках с учетом выступов)

250(Ш) х 93 (98) (В) х 110 (135) (Г)

Приблизительно 1540 г.

Измерители мощности и КСВ Nissen
Зачастую для работы на объекте не требуется сложный и дающий полную картинку, а скорее функциональный и простой в использовании прибор. Именно такими «Рабочими лошадками» и является серия измерителей мощности и КСВ Nissen.
Простая проходная структура и высокое предельное значение мощности до 200 Вт совместно с частотным спектром 1,6-525МГц делают приборы Nissen весьма ценным подспорьем там где необходима не комплексная характеристика линии а быстрота и точность измерения.
NISSEI TX-502
Характерным представителем серии измерителей Nissen может послужить Nissen TX-502. Измерение прямых и обратных потерь, измерение КСВ, стрелочная панель с явно видимой градуировкой. Максимум функционала при лаконичном исполнении. И при этом в процессе настройки антенн этого зачастую вполне хватает для быстрого и оперативного развертывания системы связи и наладки канала.

При монтаже и настройке систем радиосвязи часто измеряют некую не всем и не совсем ясную величину называемую КСВ. Что же это за характеристика, помимо спектра частот указываемая в характеристиках антенн?
Отвечаем:
Коэффициент стоячей волны (КСВ), коэффициент бегущей волны (КБВ), обратные потери это - термины, характеризующие степень согласования радиочастотного тракта.
В высокочастотных линиях передачи соответствие сопротивления источника сигнала волновому сопротивлению линии определяет условия прохождения сигнала. При равенстве этих сопротивлений в линии возникает режим бегущей волны, при котором вся мощность источника сигнала передается в нагрузку.

Измеренное на постоянном токе тестером сопротивление кабеля покажет либо холостой ход либо короткое замыкание в зависимости оттого, что подключено к другому концу кабеля, а волновое сопротивление коаксиального кабеля, определяется соотношением диаметров внутреннего и внешнего проводников кабеля и характеристиками изолятора между ними. Волновое сопротивление это сопротивление, которое оказывает линия бегущей волне высокочастотного сигнала. Волновое сопротивление постоянно вдоль линии и не зависит от её длины. Для радиочастот волновое сопротивление линии считают неизменным и чисто активным. Оно приблизительно равно:
где L и С распределенные емкость и индуктивность линии;




Где: D – диаметр внешнего проводника, d – диаметр внутреннего проводника, - диэлектрическая проницаемость изолятора.
При расчете радиочастотных кабелей стремятся получить оптимальную конструкцию, обеспечивающую высокие электрические характеристики при наименьшем расходе материалов.
При использовании меди для внутреннего и внешнего проводников радиочастотного кабеля справедливы соотношения:
минимальное затухание в кабеле достигается при отношении диаметров

максимальная электрическая прочность достигается при:

максимум передаваемой мощности при:

исходя из этих соотношений, выбраны волновые сопротивления радиочастотных кабелей, выпускаемых промышленностью.
Точность и стабильность параметров кабеля зависят от точности изготовления диаметров внутреннего и внешнего проводников и стабильности параметров диэлектрика.
В идеально согласованной линии отражение отсутствует. Когда сопротивление нагрузки равно волновому сопротивлению линии передачи, падающая волна полностью поглощается в нагрузке, отраженная и стоячая волны отсутствуют. Такой режим называется режимом бегущей волны.
При коротком замыкании или холостом ходе линии на конце линии, падающая волна полностью отражается обратно. Отраженная волна складывается с падающей, и результирующая амплитуда в любом сечении линии является суммой амплитуд падающей и отраженной волн. Максимум напряжения называется пучностью, минимум напряжения узлом напряжения. Узлы и пучности не движутся относительно линии передачи. Такой режим называется режимом стоячей волны.
Если на выходе линии передачи подключена произвольная нагрузка, только часть падающей волны отражается обратно. В зависимости от степени рассогласования возрастает отраженная волна. В линии одновременно устанавливаются стоячая и бегущая волны. Это режим смешанных или комбинированных волн.
Коэффициент стоячей волны (КСВ) это безразмерная величина, характеризующая соотношение падающей и отраженной волн в линии, то есть степень приближения к режиму бегущей волны:
; как видно по определению, КСВ может меняться от 1 до бесконечности;
КСВ меняется пропорционально соотношению сопротивления нагрузки к волновому сопротивлению линии :

Коэффициент бегущей волны это величина обратная КСВ:
КБВ= может меняться от 0 до 1;

  • Обратные потери (return loss) - это отношение мощностей падающей и отраженной волн, выраженное в децибелах.

или наоборот:
Обратные потери удобно использовать при оценке эффективности фидерного тракта, когда потери кабеля, выражаемые в дБ/м можно просто просуммировать с обратными потерями.
Величина потерь на рассогласование зависит от КСВ:
в разах или в децибелах.
Передаваемая энергия при несогласованной нагрузкевсегда меньше, чем при согласованной. Передатчик, работающий на несогласованную нагрузку, не отдает в линию всю ту мощность, которую бы отдавал в согласованную. Фактически, это не потери в линии, а снижение мощности, отдаваемой в линию передатчиком. Насколько влияет КСВ на снижение, видно из таблицы:

Произвольная нагрузка в общем случае порождает в линии передачи отраженную волну. Накладываясь на падающую, отраженная волна приводит к образованию повторяющихся максимумов и минимумов в продольных распределениях нормированных токов и напряжений, формируя картину смешанных волн. Режим смешанных волн в инженерной практике принято характеризовать коэффициентом бегущей волны (КБВ), представляющим собой отношение минимального значения нормированного полного напряжения (или тока, или напряженности) в линии к максимальному значению полного напряжения (или тока, или напряженности поля) в линии

где |Г| - модуль коэффициента отражения. Часто вместо КБВ пользуются обратной ему величиной, называемой коэффициентом стоячей волны (КСВ)

Коэффициентом отражения называется отношение поперечных компонентов электрического поля для падающей и отраженной волн в одной и той же точке поперечного сечения линии передачи

где Z A – входное сопротивление антенны,

Z В – волновое сопротивление линии передачи (коаксиального кабеля). Зависимость входного сопротивления от частоты рассчитана в предыдущем пункте.

По методу излучаемой мощности получаем

По методу наведенных ЭДС получаем


График зависимости КСВ от длины волны приведен в приложении В.

2.8 Расчет ппф и его ачх

Фильтры СВЧ применяют для частотной селекции сигналов, согласования комплексных нагрузок, в цепях задержки и в качестве замедляющих систем.

Фильтры являются обычно пассивными взаимными устройствами и характеризуются частотной зависимостью вносимого в тракт затухания. Полоса частот с малым затуханием называется полосой пропускания, а полоса частот с большим затуханием – полосой заграждения. По взаимному расположению полосы пропускания и заграждения принято выделять следующие типы фильтров: фильтр нижних частот (ФНЧ), пропускающие сигналы ниже заданной граничной частоты и подавляющие сигналы с частотами выше граничной; фильтры верхних частот (ФВЧ), пропускающие сигналы на частотах выше заданной и подавляющие сигналы других частот; полосно-пропускающие (полосовые) фильтры (ППФ), пропускающие сигналы в пределах заданной полосы частот и подавляющие сигналы вне этой полосы, полосно-заграждающие (режекторные) фильтры (ПЗФ), подавляющие сигналы в пределах заданной полосы частот и пропускающие сигналы вне этой полосы.

Частотная характеристика каждого фильтра имеет переходную область между полосой пропускания и полосой заграждения, то есть между частотами з и п . В этой области затухание меняется от максимального значения до минимального. Обычно стараются уменьшить эту область, что приводит к усложнению фильтра, увеличению числа его звеньев. При проектировании фильтров, как правило, задаются следующие характеристики: полоса пропускания, полоса заграждения, средняя частота, затухание в полосе пропускания, затухание в полосе заграждения, крутизна изменения затухания в переходной области, уровень согласования по входу и по выходу, характеристики линии передачи, в которую включается фильтр, тип линии передачи, иногда оговариваются фазовые характеристики фильтра.

Таблица 2.4 – Исходные характеристики ППФ

2.8.1 Расчет низкочастотного фильтра прототипа

В настоящее время наиболее распространенной методикой расчета фильтров СВЧ является методика, согласно которой вначале рассчитывается низкочастотный фильтр-прототип. Нахождение параметров схемы фильтра-прототипа по заданной частотной характеристике фильтра является задачей параметрического синтеза. Для общности результатов все величины нормируются. Сопротивления нагрузки и генератора принимается равным единице. Наряду с нормировкой по сопротивлению проводится нормировка по частоте, например граничная частота полосы пропускания фильтра принимается равным единице. Таким образом расчет фильтра СВЧ сводится к синтезу схемы НЧ-прототипа и замене элементов с сосредоточенными параметрами их эквивалентами с распределенными параметрами.

Для аппроксимации частотных характеристик применяется ряд функций, удовлетворяющих условиям физической реализуемости фильтров. Наиболее распространенной являются максимально плоская и равноволновая аппроксимации, использующие полиномы Баттерворта и Чебышева соответственно.

Рассчитаем фильтр с максимально плоской характеристикой затухания. Она монотонно возрастает при повышении частоты:

,

где n – число звеньев фильтра прототипа,

=/ п – нормированная частота,

=10 L п/10 -1 – коэффициент пульсаций,

 п – граничная частота полосы пропускания,

L п – затухание на частоте  п (см рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 – Максимально плоская характеристика затухания фильтра-прототипа нижних частот

Число звеньев фильтра прототипа может быть найдено из требований к АЧХ фильтра. Так, для фильтра с максимально плоской АЧХ:

,

то есть для нашего фильтра необходимо, чтобы n 2.76 .

Возьмем n =3 , тогда схема фильтра-прототипа будет иметь вид, изображенный на рисунке 2.4

Рисунок 2.4 – Схема фильтра-прототипа нижних частот

Параметры фильтра можно рассчитать по сложным формулам, а можно воспользоваться справочной литературой, например : g 0 =1, g 1 =0.999165, g 2 =1.998330, g 3 =0.999165, g 4 =1.

Денормировки параметров фильтра производится с помощью соотношений

,

,

.

Здесь обозначения со штрихом относятся к нормированным параметрам фильтра-прототипа, без штрихов к денормированным: R 0 `=1, L 1 `=1, C 2 `=2, L 3 `=1, R 4 `=1.

Так как будущий фильтр будем ставить в коаксиальный тракт передачи, то R 0 =75Ом , тогда

2.8.2 Расчет ППФ

Для проектирования ППФ воспользуемся фильтром-прототипом, рассчитанным в предыдущем пункте и реактансное преобразование частоты

где 0 =( п -п ) 0.5 – центральная частота ППФ,

k з =1/2  - коэффициент преобразования,

2  = п - -п – полоса пропускания ППФ.

Любая индуктивность в фильтре прототипе после выполнения частотного преобразования трансформируются в последовательный контур с параметрами

Одновременно любая емкость в фильтре прототипе превращается в параллельный колебательный контур

Рисунок 2.5 – Эквивалентная схема ППФ

Таким образом, ППФ (рисунок 2.5) состоит из каскадно-включенных резонаторов, значения эквивалентных параметров которого получились следующими

2.8.3 Реализация ППФ

По способу реализации ППФ можно разделить на следующие типы: на одиночной МПЛ с зазорами, на параллельных связанных полуволновых резонаторах, на встречных стержнях, с параллельными и последовательными четвертьволновыми шлейфами длиной /4 , где - длина волны в линии, соответствующая средней частоте полосы пропускания ППФ; с двойными шлейфами и четвертьволновыми соединительными линиями на диэлектрических резонаторах.

Выполним ППФ на микрополосковых линиях (МПЛ) с двойными шлейфами и четвертьволновыми соединительными линиями.

МПЛ представляют собой тонкий слой металла, нанесенного на листы диэлектрика. Наиболее распространены экранированные несимметричные МПЛ. МПЛ используются во всем диапазоне СВЧ. По сравнению с прямыми волноводами МПЛ обладают рядом недостатков – имеют более высокие погонные потери и сравнительно низкую передаваемую мощность. Кроме того, открытые МПЛ излучают энергию в пространство, из-за чего могут возникать нежелательные электромагнитные связи.

Но МПЛ обладают и важными достоинствами. Они имеют малые габариты и массу, дешевы в изготовлении, технологичны и удобны для массового производства методами интегральной технологии, что позволяет реализовать на пластине из металлизированного с одной стороны диэлектрика целые узлы и функциональные модули в микрополосковом исполнении.

Реализация последовательных колебательных контуров в МПЛ очень затруднена. Вместе с тем можно последовательное включение перевести в параллельное так, как это показано на рисунке 2.6 с помощью преобразований

Рисунок 2.6 Замена последовательного колебательного контура параллельным

Тождество на рисунке 2.6 выполняется только на резонансной частоте, поэтому получившуюся схему следует подвергать анализу для определения ее частотных свойств.

После замены получим схему ППФ изображенную на рисунке 2.7

Рисунок 2.7 – Эквивалентная схема ППФ

Эта схема имеет следующие значения параметров

Длина соединительной линии будет известна после определения параметров МПЛ.

Для расчета волнового сопротивления МПЛ воспользуемся выражением, полученным в квазистатическом приближении

(2.1)

Точность определения по этой формуле составляет 1% при w / h 0.4 и 3% при w / h <0.4 .

Для расчета длины волны на низких частотах на практике широко используется формула, также полученная в квазистатическом приближении

где - длина волны в свободном пространстве,

э – эффективная диэлектрическая проницаемость линии.

Эффективная диэлектрическая проницаемость может быть вычислена по формуле

, (2.3)

Подложку выполним на диэлектрике с относительной диэлектрической проницаемостью =7 , а толщину подложки примем h =5мм . Ширина металлической полоски w , а соответственно и отношение w / h ,будут меняться при расчетах.

Сначала рассчитаем параметры соединительных линий. Для согласования фильтра с трактом передачи его соединительные линии должны иметь волновое сопротивление равное волновому сопротивлению коаксиала Z 0 =75Ом. Разрешая выражение (2.1) находим, что w / h =0.5, тогда ширина полоски w =0.5 5=2.5(мм) . По формуле (2.3) находим эффективную диэлектрическую проницаемость

Расчет ведем на средней частоте диапазона, поэтому 0 =0.594м , тогда по (2.2) длина волны в линии

Так как соединительная линия четвертьволновая, то ее длину определим по формуле

Параллельная индуктивность реализуется в виде короткозамкнутого параллельного шлейфа. Реактивное сопротивление такого отрезка линии определяется по формуле

(2.4)

Сопротивление этого шлейфа на средней частоте диапазона должно равняться сопротивлению параллельно включенной индуктивности, поэтому можно определить длину отрезка

(2.5)

Примем w / h =1(w =5мм)

Теперь по формуле (2.5) можно определить длину шлейфов, заменяющих каждую индуктивность

Параллельная емкость реализуется в виде параллельного шлейфа разомкнутого на конце. Реактивное сопротивление такого отрезка линии определяется по формуле

Сопротивление этого шлейфа на средней частоте диапазона должно равняться сопротивлению параллельно включенной емкости, поэтому можно определить длину шлейфа

(2.6)

Примем w / h =0.2(w =1мм) , тогда по (2.1)-(2.3) получаем

Теперь по формуле (2.5) можно определить длину шлейфов, заменяющих каждую емкость

Занесем параметры шлейфов в таблицу 2.5.

Таблица 2.5 Размеры ППФ на МПЛ

Схема ППФ приведена в приложении Д.

2.8.4 Расчет АЧХ

АЧХ фильтра – это есть зависимость вносимого в тракт затухания от частоты. Зная входное сопротивление фильтра можно определить коэффициент отражения

(2.7)

Тогда АЧХ будет иметь следующий вид

(2.8)

Определим АЧХ низкочастотного фильтра прототипа изображенного на рисунке 2.4 после денормировки параметров

Подставляя в (2.7) и (2.8) получим характеристику затухания.

Определим АЧХ эквивалентной схемы ППФ изображенной на рисунке 2.5

Подставляя в (2.7) и (2.8), получим необходимую характеристику затухания.

Теперь определим АЧХ фильтра на МПЛ. Зависимость от частоты сопротивлений индуктивных и емкостных шлейфов определяется формулами

где i=1,2,3;

Z 0 L и Z 0 C – волновые сопротивления индуктивных и емкостных шлейфов соответственно.

Входное сопротивление фильтра

Конечная формула для входного сопротивления имеет очень сложный вид, поэтому не будем ее здесь приводить. По формулам (2.7) и (2.8) получим АЧХ.

Все АЧХ полученные в этом пункте приведены в приложении Г.

Коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН, VSWR)

Коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН, VSWR)

В современном мире электронная техника развивается семимильными шагами. Каждый день появляется что-то новое, и это не только небольшие улучшения уже существующих моделей, но и результаты применения инновационных технологий, позволяющих в разы улучшить характеристики.

Не отстает от электронной техники и приборостроительная отрасль - ведь чтобы разработать и выпустить на рынок новые устройства, их необходимо тщательно протестировать, как на этапе проектирования и разработки, так и на этапе производства. Появляются новая измерительная техника и новые методы измерения, а, следовательно – новые термины и понятия.

Для тех, кто часто сталкивается с непонятными сокращениями, аббревиатурами и терминами и хотел бы глубже понимать их значения, и предназначена эта рубрика.


Коэффициент стоячей волны по напряжению – это отношение наибольшего вдоль линии значения амплитуды напряжения к наименьшему.

Коэффициент стоячей волны по напряжению вычисляется по формуле:

,
где U 1 и U 2 - амплитуды падающей и отражённой волн соответственно.

В идеальном случае КСВН = 1, это означает, что отраженная волна отсутствует. При появлении отраженной волны возрастает в прямой зависимости от степени рассогласования тракта и нагрузки. Допустимые значения КСВН на рабочей частоте или в полосе частот для различных устройств регламентируются в технических условиях и ГОСТах. Обычно приемлемые значения коэффициента лежат в пределах от 1,1 до 2,0.

Измеряют КСВН, например, с помощью включённых в тракт в противоположном направлении двух направленных ответвителей. В космической технике КСВН измеряется встроенными в волноводные тракты датчиками КСВ. Современные анализаторы цепей также имеют встроенные датчики КСВН.

При проведении измерений КСВН необходимо учитывать, что затухание сигнала в кабеле приводит к погрешности измерений. Это объясняется тем, что как падающая, так и отраженная волны испытывают затухание. В таких случая КСВН рассчитывается следующим образом:

,

где К - коэффициент ослабления отраженной волны, который вычисляется следующим образом: K = 2BL,
здесь В - удельное затухание, дБ/м;
L - длина кабеля, м;
а множитель 2 учитывает тот факт, что сигнал испытывает ослабление при передаче от источника СВЧ сигнала к антенне и на обратном пути.

Мощность попадающая в нагрузку

Обратные потери
RL

Важно понимать, что:

  • КСВ одинаков в любом сечении линии и не может регулироваться изменением длины линии. Если показания измерителя КСВ при перемещении по линии существенно различаются, это может указывать на антенный эффект фидера, вызываемый током, текущим по внешней стороне оплетки коаксиального кабеля, и/или на плохую конструкцию измерителя, но не на то, что КСВ изменяется вдоль линии.
  • Отраженная мощность не попадает обратно в передатчик не нагревает и не повреждает его. Повреждения могут быть вызваны работой выходного каскада передатчика на рассогласованную нагрузку. Выход из передатчика, поскольку на его выходе могут в неблагоприятном случае сложиться напряжение выходного сигнала и отражённая волна, может произойти из-за превышения максимального допустимого напряжения полупроводникового перехода.
  • Высокий КСВ в коаксиальном фидере, вызванный значительным рассогласованием характеристического сопротивления линии и входного сопротивления антенны, сам по себе не вызывает появления ВЧ тока на внешней поверхности оплетки кабеля и излучения фидерной линии.

Измеряют КСВ, например, с помощью двух направленных ответвителей, включённых в тракт в противоположных направлениях или измерительного мостового рефлектометра, что позволяет получить сигналы пропорциональные падающему и отраженному сигналу.

Для измерения КСВ могут использоваться различные приборы. Сложные приборы имеют в своем составе генератор качающейся частоты, позволяющий увидеть панорамную картину КСВ. Простые приборы состоят из ответвителей и индикатора, а источник сигнала используется внешний, например, радиостанция.

Например, двухблочный РК2-47 за счет широкополосного мостового рефлектометра обеспечивал измерение в диапазоне 0,5-1250MГц.


Р4-11 служил для измерения КСВН, фазы коэффициента отражения, модуля и фазы коэффициента передачи в диапазоне 1-1250МГц.
Импортные приборы для измерения КСВ ставшие классическими от Bird и Telewave:

Или попроще и подешевле:

Популярны простые и недорогие панорамные измерители от AEA:

Измерение КСВ может проводиться как в конкретной точке спектра, так и в панораме. В этом случае на экране анализатора могут быть выведены значения КСВ в указанном спектре, что удобно для настройки конкретной антенны и исключает промах при обрезке антенны.
К большинству системных анализаторов существуют control head - рефлектометрические мосты, позволяющие с высокой точностью измерять КСВ в частотной точке или в панораме:

Практическое измерение заключается в подключении измерителя к разъёму испытуемого устройства или в разрыв тракта при использовании прибора проходного типа. Значение КСВ зависит от многих факторов:

  • Перегибов, дефектов, неоднородностей, спаек в кабелях.
  • Качества разделки кабеля в радиочастотных соединителях.
  • Наличия переходных соединителей
  • Попадания влаги в кабели.

При измерении КСВ антенны через фидер с потерями, испытательный сигнал в линии затухает и фидер внесет погрешность, соответствующую потерям в нем. И падающая, и отраженная волны испытывают затухание. В таких случаях КСВН рассчитывается:
где k - коэффициент ослабления отраженной волны, который вычисляется: k=2BL ; В - удельное затухание, дБ/м; L - длина кабеля, м, при этом
множитель 2 учитывает, что сигнал ослабляется дважды - на пути к антенне и на пути от антенны к источнику, на обратном пути.
Например, используя кабель с удельным затуханием 0,04 дБ/м, ослабление сигнала на длине фидера 40 метров составит 1,6 дБ в каждую сторону, всего 3,2 дБ. Значит, вместо действительного значения КСВ=2,0 прибор покажет 1,38; при КСВ=3,00 прибор покажет около 2,08.

Например, если Вы проверяете фидерный тракт с потерями 3дБ, антенну с КСВ 1,9 и используете передатчик мощностью 10 Вт как источник сигнала для проходного измерителя, то падающая мощность, измеренная прибором составит 10Вт. Поданный сигнал ослабится фидером в 2 раза, от антенны отразится 0,9 пришедшего сигнала и, наконец, отраженный сигнал на пути к прибору ослабится ещё в 2 раза. Прибор честно покажет соотношение падающего и отраженного сигналов падающая мощность 10Вт и отраженная 0,25Вт. КСВ получится 1,37 вместо 1,9.

Если будет использоваться прибор с встроенным генератором, то мощности этого генератора может оказаться недостаточной, чтобы на детекторе отраженной волны создать нужное напряжение и Вы увидите шумовую дорожку.

В общем случае, усилия, затрачиваемые на снижение КСВ ниже 2:1 в любой коаксиальной линии не дают результата с точки зрения увеличения эффективности излучения антенны, и целесообразны в тех случаях, если схема защиты передатчика срабатывает, например, при КСВ>1,5 или расстраиваются частотнозависимые цепи, подключенные к фидеру.

Наша компания предлагает широкий спектр измерительного оборудования различных производителей вкратце рассмотрим их:
MFJ
MFJ-259 – достаточно простой в эксплуатации прибор для комплексного измерения параметров систем работающих в диапазоне от 1 до 170 МГц.

КСВ-метр MFJ-259 очень компактный, его можно использовать как с внешним источником питания низкого напряжения, так и с внутренним комплектом батарей типа АА.

MFJ-269
КСВ-метр MFJ-269 компактным комбинированным прибор с автономным питанием.
Индикация режимов работы осуществляется на жидкокристаллическом дисплее, а результатов измерений - на ЖКД и стрелочных приборах, расположенных на лицевой панели.
MFJ-269 позволяет производить большое количество дополнительных антенных измерений: РЧ импеданса, потерь в кабелях и их электрических длин до места обрыва или короткого замыкания.


Технические характеристики

Диапазон частот, МГц

Измеряемые характеристики
  • электрическую длину (в футах или градусах);
  • потери в фидерных линиях (дБ);
  • ёмкость (пФ);
  • импеданс или значение Z (ом);
  • фазовый угол импеданса (в градусах);
  • индуктивность (мкГн);
  • реактивное сопротивление или Х (ом);
  • активное сопротивление или R (ом);
  • резонансную частоту (МГц);
  • обратные потери (дБ);
  • частоту сигнала (МГц);
  • КСВ (Zo программируется).

200х100х65 мм

Диапазон рабочих частот КСВ-метра разбит на поддиапазоны:1,8…4 МГц, 27…70 МГц, 415…470 МГц, 4,0…10 МГц, 70…114 МГц, 10…27 МГц, 114…170 МГц

Измерители КСВ и Мощности Comet
Серия измерителей мощности и КСВ Comet представлена тремя моделями:CMX-200 (Измеритель КСВ и мощности, 1,8-200 МГц, 30/300/3 кВт), CMX-1(Измеритель КСВ и мощности, 1,8-60 МГц, 30/300/3 кВт) и, представляющий наибольший интерес, CMX2300 T (Измеритель КСВ и мощности, 1,8-60/140-525 МГц, 30/300/3 кВт, 20/50/200 Вт)
CMX2300 T
Измеритель мощности и КСВ CMX-2300 состоит из двух независимых систем диапазона 1.8-200МГц и диапазона 140-525 МГц с возможностью одновременного измерения этих диапазонов. Проходная структура прибора и, как следствие, невысокая потеря мощности позволяет проводить измерения в течении длительного времени.


Технические характеристики

Диапазон М1

Диапазон М2

Частотный диапазон

1.8 - 200 МГц

140 - 525 МГц

Площадь измерения мощности

0 - 3КВт (HF), 0 - 1КВт (VHF)

Диапазон измерения мощности

Погрешность измерения мощности

±10% (всей шкалы)

Область измерения КСВ

от 1 до бесконечности

Сопротивление

Остаточный КСВ

1.2 и менее

Вносимое затухание

0.2 дБ или менее

Минимальная мощность для измерений КСВ

Приблизительно 6Вт.

М-образный

Питание для ламп подсветки

11 - 15В постоянного тока, приблизительно 450 мА

Габариты (данные в скобках с учетом выступов)

250(Ш) х 93 (98) (В) х 110 (135) (Г)

Приблизительно 1540 г.

Измерители мощности и КСВ Nissen
Зачастую для работы на объекте не требуется сложный и дающий полную картинку, а скорее функциональный и простой в использовании прибор. Именно такими «Рабочими лошадками» и является серия измерителей мощности и КСВ Nissen.
Простая проходная структура и высокое предельное значение мощности до 200 Вт совместно с частотным спектром 1,6-525МГц делают приборы Nissen весьма ценным подспорьем там где необходима не комплексная характеристика линии а быстрота и точность измерения.
NISSEI TX-502
Характерным представителем серии измерителей Nissen может послужить Nissen TX-502. Измерение прямых и обратных потерь, измерение КСВ, стрелочная панель с явно видимой градуировкой. Максимум функционала при лаконичном исполнении. И при этом в процессе настройки антенн этого зачастую вполне хватает для быстрого и оперативного развертывания системы связи и наладки канала.

Вы стали счастливым обладателем портативной или автомобильной радиостанции? Теперь настал черед подготовить рацию к работе. Механическая часть работы, описанная производителем в инструкции, не вызывает проблем - для этого нужен минимальный набор инструментов и немного сообразительности. А вот с настройкой антенны не все так просто.

Если, следуя схеме, механически соединить провода, то, скорее всего, вас не будет слышно. Начинаем разбираться, и возникает вопрос: что такое коэффициент стоячей волны антенны, или SWR, если инструкция на английском.

Это коэффициент, который показывает, какая часть энергии радиоволны уходит на антенну, а какая часть возвращается назад в фидер. Без правильной настройки КСВ ваша рация не будет работать корректно и не обеспечит комфортного общения.

Коэффициент стоячей волны антенны

Если совсем просто, то это цифра на измерительном приборе, характеризующая правильность настроек вашей радиостанции. Разберемся в физической сути КСВ.

Радиоволны распространяются в волноводе - антенно-фидерном тракте. То есть сигнал, поступающий от передатчика, попадается на антенну посредством кабельного соединения-фидера. Не вникая в теорию волн, пользователю радиостанции нужно понимать, что в любом волноводе присутствуют падающие и отраженные волны. Падающие волны поступают непосредственно на антенну, а отраженные возвращаются назад в фидер и ничем, кроме обогрева окружающей атмосферы, не занимаются. Все волны имеют свойство складываться. В результате сложения амплитуд отраженных и падающих волн создает неравномерное поле по всей длине фидера-кабеля. Таким образом формируются обратные потери КСВ. Чем их больше, тем слабее сигнал вашей радиостанции и тем хуже вас будут слышать абоненты.

Специалисты различают коэффициенты стоячих волн по напряжению (КСВН) и по мощности (КСВ). Практически эти понятия настольно взаимосвязаны, что для пользователя, производящего настройку своей радиостанции, разницы нет никакой.

Коэффициент стоячей волны: формула расчета

Коэффициент KSV при настройке радиостанции не рассчитывается по формулам, а определяется с помощью специального прибора. Что такое КСВ метр? Это несложное для пользователя электронное устройство, которое показывает разницу амплитуд колебаний, а это и есть коэффициент стоячей волны.

Формула КСВ расчета не самая сложная:

КСВ = Umax/Umin

В ней в числителе и знаменателе максимальные и минимальные амплитуды:

  • Umax - сумма мощностей падающей и отраженной волны;
  • Umin - разнице между модностью падающего и отраженного сигнала.

Несложно сделать вывод, что при равенстве Umax и Umin КСВ будет равен единице и это идеальные условия для эффективной работы вашей радиостанции. Но, поскольку идеальных условий в природе не существует, то при настройке КСВ антенны вам придется постараться подтянуть КСВ к единице.

Что может быть причиной повышенного КСВ? Факторов множество:

  • волновое сопротивление кабеля и источника радиосигнала;
  • некорректная спайка, неоднородность волноводов;
  • некачественная разделка кабеля в мочках разъемов;
  • переходники;
  • повышенное сопротивление в месте соединения кабеля с антенной;
  • некачественная сборка передатчика и КСВН антенны.

Если не вдаваться в формулы расчета КСВ, которые для владельца автомобильной радиостанции представляют мало интереса, то перейдем к практическому аспекту настройки антенны.

Как измерить КСВ

Прежде всего, вам нужен КСВ-метр. Его можно купить или взять в аренду. Затем:

  • включите рацию и установите ее переключатель в положение SWR;
  • нажмите передачу на тангенте и регулятором КСВ-метра выведите стрелку на максимум;
  • щелкните REF и снова нажмите на тангенту;
  • посмотрите, что показывает стрелочка на шкале SWR - это и есть ваш КСВ.

Он, конечно же, будет далек от идеала-единицы, но зато вам есть теперь чем заняться. Кстати, при показателе в пределах:

  • 1,1-1,5 работать можно;
  • 1,5-2,5 - в принципе удовлетворительно;
  • больше 2,5 - нужно поработать.

Что делать? Это предмет отдельной большой статьи или повод обратиться к мастеру, знающему, что такое КСВ и как с ним работать.

Купить прибор для определения КСВ вы можете прямо сейчас на нашем сайте. В каталоге вашему вниманию представлены профессиональные и любительские модификации брендов VEGA и Optim, которые можно использовать не только при установке антенны, но и для постоянного мониторинга работы радиостанции.

Настройка 

Вам также может понравиться