UR5FFR

Радиолюбительские конструкции и программы
It is currently 10 Aug 2022, 17:08

All times are UTC + 2 hours [ DST ]




Post new topic Reply to topic  [ 4 posts ] 
Author Message
PostPosted: 10 Sep 2021, 20:31 
Offline
Site Admin

Joined: 21 Apr 2012, 22:00
Posts: 1803
Location: Odessa
Позывной: UR5FFR
Датчик является ключевым элементом любого измерителя КСВ. Его задача получить информацию о степени согласования в фидере. Обычно с такого датчика мы получаем значения падающей Vf и отраженной Vr волны. КСВ определяется по стандартной формуле

SWR = (1+Vr/Vf)/(1-Vr/Vf) = (Vf+Vr)/(Vf-Vr)

Надо понимать что датчик вносит некотрое сопротивление потерь в фидер. Его стараются минимизировать, но оно всегда есть.
Самая простая схема датчика КСВ изображена на следующем рисунке

Attachment:
SWR_Meter_Bruene.jpg
SWR_Meter_Bruene.jpg [ 32.37 KiB | Viewed 2835 times ]


Попробуем разобраться как он работает. Итак у нас в фидер включен трансформатор тока с соотношением витков 1:N. Нагрузкой его является резистор номиналом R. Так как трансформатор преобразует сопротивление пропорционально квадрату соотношения витков, то в цепь фидера по сути включен резистор с номиналом R/N^2. Например если R=100ом и соотношение витков в трансформаторе 1:10 (N=10) то в фидер включен резистор номиналом 100/(10*10)=1ом. При нагрузке в 50ом и мощности P=100вт ток в фидере будет составлять I=Sqrt(P/50)=Sqrt(100/50)=1.4А. протекая через трансформатор тока он вызовет на первичной обмотке падение напрядения 1.4А*1ом=1.4в. Это напряжение будет трансформировано во вторичную обмотку и станет в N раз больше - 14в.
Запишем основные соотношения для 50ом нагрузки и мощности P:

Ток в фидере I = Sqrt(P/50)

Эквивалентное сопротивление датчика в фидере = R/N^2

Падение напряжение на датчике в фидере = Sqrt(P/50)*R/N^2

Напряжение на выходе датчика = Sqrt(P/50)*R/N

Мощность рассеивания на резисторе R = P*R/(50*N^2)

Из этих формул видно что если мы хотим повысить напряжение на выходе датчика то надо уменьшать количество витков во вторичной обмотке. При этом мы вносим большие потери в фидер.

Теперь разберемся как формируются напряжения прямой и обратной волны. Как мы уже выяснили на вторичной обмотке присутствует напряжение пропорциональное току в нагрузке. Разделим вторичную обмотку на две части введя отвод от середины. Очевидно что напряжения на каждом из выводов вторичной обмотки относительно среднего отвода равны по амплитуде, но находятся в противофазе. Предположим что они равны

U1 = k*I/2
U2 = -k*I/2

Тут I - ток протекающие по фидеру в нагрузку, а k - коэффициент трасформации нашего датчика k = R/N. Делим пополам так как у нас полобмотки.
С помощью делителя на конденсаторах C1C2 получим напряжение U0 и подадим его в среднюю точку трансформатора. Это приведет к тому, что на выходах трансформатора будет следующее напряжение

Uf = U1+U0 (прямая волна)
Ur = U2+U0 (отраженная волна)

Наш датчик КСВ должен показывать на номинальной нагрузке 50ом отраженную волну равную нулю. То есть должно выполнятся равенство

Ur = 0 = U2+U0

откуда получаем

U0 = -U2 = k*I/2 = (R/N) * Sqrt(P/50)/2

или

U0 = R*Sqrt(P/50) / 2N

При этом напряжение на выходе прямой волны составит Uf = U1+U0 = 2*U0.
Номиналы делителя C1C2 легко рассчитываются из следующего соотношения (P - входная мощность, Uвх - входное напряжение)

U0 = Uвх*С1/(С1+С2)

Uвх = Sqrt(P*50)

Sqrt(P*50)*С1/(С1+С2) = U0 = R*Sqrt(P/50) / 2N

C2/C1 = 2N*50/R - 1

Например при R=100ом и N=10 С2/С1=9.
Делитель напряжения может быть любым - резистивным, индуктивным, но его делают емкостным по причинам удобства регулировки по сравнению с индуктивным и частотно-компенсированностью по сравнению с резистивным делителем.

Тихая настройка датчика.

Обычно во всех источниках процедуру настройки описывают следующим образом - к выходу подсоединяем эквивалент нагрузки и подаем мощный сигнал. Изменяя емкость C1 добиваемся минимума напряжения на выходе обратной волны.

Но можно произвести и "тихую" настройку датчика с помощью ГСС. Для этого нагрузим датчик на эквивалент нагрузки 50ом, среднюю точку вторичной обмотки трансформатора отсоеденим от делителя C1C2 и подключим на землю. Подадим сигналс ГСС. Замерим сигнал на выходах вторичной обмотки - он должен быть равным по амплитуде и находиться в пртивофазе. Если это не соблюдается то необходимо обратить внимание на конструктив трансформатора. Далее с помощью C1 выставляем напряжение на делителе равное по амплитуде напряжению на вторичной обмотке трансформатора. Восстанавливаем соединение делителя C1C2 со средней точкой трансформатора. Настройка завершена.


Top
 Profile  
 
PostPosted: 10 Sep 2021, 22:05 
Offline
Site Admin

Joined: 21 Apr 2012, 22:00
Posts: 1803
Location: Odessa
Позывной: UR5FFR
Датчик с "плавающей" землей

Рассмотренный датчик имеет недостаток, который проявляется в разбалансировке на высоких частотах и увеличении ошибки измерения. Это связанно с неидельностью симметрии трансформатора со средней точкой. Поэтому широкое распространение получила модифицированная схема датчика, ключевым моментом в которой является использование трансформатора без средней точки и раздельные делители для формирования прямой/обратной волны

Attachment:
bruene-bridge-schematic.jpg
bruene-bridge-schematic.jpg [ 53.67 KiB | Viewed 2834 times ]


Для этого датчика полностью применимы все формулы выведенные ранее. При этом вторичная обмотка трансформатора заземляется через два резистора каждый номиналом R/2, что в сумме дает нам все те же R подключенные к обмотке.

Важно обратить на расположение выходов прямой/обратной волны с датчика - они отличаются от расмотренного ранее датчика (предполагаем что начало обмоток трансформатора всегда слева).

Настройка датчика следующая - подключаем на выход эквивалент нагрузки, подаем сигнал с передатчика и изменяя емкость C1 в делителе обратной волны (слева по схеме - C1C3) добиваемся минимальных значений на выходе обратной волны. После этого подключаем эквивалент нагрузки слева, а сигнал подаем справа, то есть по сути меняем вход и выход местами. Изменяя емкость C2 в делителе прямой волны (справа по схеме C2C4) добиваемся минимума на выходе прямой волны.

Данный датчик точно так же можно "тихо" настраивать как и предыдущий. Для этого не устанавливая диоды D1D2 подаем сигнал с ГСС на один из входов, нагружая при этом другой вход на эквивалент нагрузки. Выставляем напряжение на выходе каждого из делителей равное по амплитуде напряжению на соответствующем выводе вторичной обмотки трансформатора. Датчик настроен. Удобство такой настройки в том что нет необходимости в реверсировании подачи сигнала.


Top
 Profile  
 
PostPosted: 10 Sep 2021, 22:55 
Offline
Site Admin

Joined: 21 Apr 2012, 22:00
Posts: 1803
Location: Odessa
Позывной: UR5FFR
Безподстроечные датчики

Как я говорил ранее в качестве делителя напряжения не обязательно использовать конденсаторы. Например можно использовать трансформатор. Что с успехом сделано в коммерческом КСВ-метре RED-DOT 2016A

Attachment:
red-dot 2016A swr sensor.png
red-dot 2016A swr sensor.png [ 29.49 KiB | Viewed 453 times ]


Легко заметить, что эта схема полностью повторяет предыдущую, за исключением того, что емкостные делители напряжения заменены на трансформаторные. Для модели 2016A заявлен диапазон измеряемых мощностей до 200вт. При этом используются три одинаковых трансформатора с соотношением витков 1:20 и резисторы 51R.
В этой схеме важна фазировка трансформаторов.

В продаваемом на али датчике КСВ несколько изменено включение диодов

Attachment:
Finsihed-LPF-1000-1-30.jpg
Finsihed-LPF-1000-1-30.jpg [ 47.03 KiB | Viewed 2833 times ]


Attachment:
1kw 30mhz small.png
1kw 30mhz small.png [ 39.8 KiB | Viewed 2833 times ]


В данном случае замена емкостного делителя транформатором позволило работать при большей мощности. В случае емкостных делителей это потребовало бы использования высоковольтных конденсаторов в делителе и привело бы к росту габаритов датчика.
Но все три трансформаторы должны быть выполнены максимально идентично, в противном случае мы получим ошибку измерения, особенно на ВЧ диапазонах.

Такой тип датчика применен в измерителе КСВ из статьи A simple and accurate QRP directional wattmeter, QST /1990

Attachment:
swr sensor qst 2-1990.png
swr sensor qst 2-1990.png [ 154.45 KiB | Viewed 453 times ]


Резисторы в таком датчике должны быть иметь номинал равный сопротивлению нагрузки при КСВ=1.
Все трансформаторы одинаковые. При соотношении витков 1:20 напряжение на выходе падающей мощности равно 1/10 от напряжения на нагрузке. При соотношении витков 1:10 - 1/5.
При использовании трансформаторов с соотношением витков 1:N амплитуда падающей волны на выходе датчика в N/2 раз меньше чем напряжение на нагрузке. Т.е. при 100вт (100в пикового на нагрузке) на выходе 20в пикового при трансформаторе 1:10.

Tandem Match

Популярная безподстроечная схема датчика КСВ. В общей сложности я насчитал 6 различных схемотехнических вариантов реализации :)

Attachment:
tandem match different.png
tandem match different.png [ 33.93 KiB | Viewed 2833 times ]


Схемы справа являются реверсивным включением схем слева. Схемы в первом ряду обычно используют при выполнении трансформаторов на бинокле. Второй и третий ряд - на кольцах. Не спрашивайте чем они отличаются - я не нашел нигде внятного анализа. Все схемы рабочие, были прогнаны мной в моделировщике, выходы прямой/обратной волны указаны корректно.

Номинал резистора R/2 должен быть равен сопротивлению на которое настроен датчик при КСВ=1.
При использовании трансформаторов с соотношением витков 1:N амплитуда падающей волны на выходе датчика в N раз меньше чем напряжение на нагрузке. Т.е. при 100вт (100в пикового на нагрузке) на выходе 10в пикового при трансформаторе 1:10.

Как я писал выше трансформаторы могут быть выполнены на бинокле либо на двух кольцах. Например Kits&Parts продает набор для сборки QRP SWR метра по схеме тандем-матч на кольцах

Attachment:
swr_bridge.jpg
swr_bridge.jpg [ 59.75 KiB | Viewed 906 times ]


Top
 Profile  
 
PostPosted: 04 Jun 2022, 22:52 
Offline
Site Admin

Joined: 21 Apr 2012, 22:00
Posts: 1803
Location: Odessa
Позывной: UR5FFR
Желание избавится от средней точки в трансформаторе датчика КСВ приводит к такой схеме

Attachment:
UR4QBP_swr.png
UR4QBP_swr.png [ 74.61 KiB | Viewed 613 times ]


Схема взята из конструкции ФНЧ UR4QBP
Резистор, который был ранее подключен к вторичной обмотке трансформатора, заменен на две R1R2 с равнми номиналами. Баланс датчика будет определяться равенством R1=R2.
Резистор R3 замыкает детектор по постоянному току. Его можно заменить на дроссель.

Кстати об этом резисторе несколько подробнее. В исходной схеме он так же присутствует либо в виде резистора либо в виде дросселя. Это приводит к тому что схема становится частотнозависимой, так как емкостный делитель перестает обладать частотнонезависимыми свойствами.

DL2KQ обратил на это внимание в своей статье КСВ-метр для усилителя мощности. Он предложил использовать детекторы с удвоением напряжения, для которых этот резистор/дроссель не нужен.
Исходная схема

Attachment:
1-2-2.gif
1-2-2.gif [ 5.94 KiB | Viewed 613 times ]


Модифицированная схема

Attachment:
1-2-3.gif
1-2-3.gif [ 7.89 KiB | Viewed 613 times ]


От себя добавлю что аналогичный эффект можно получить установив два одинаковых резистора перед диодами для замыкания по постоянному току.


Top
 Profile  
 
Display posts from previous:  Sort by  
Post new topic Reply to topic  [ 4 posts ] 

All times are UTC + 2 hours [ DST ]


Who is online

Users browsing this forum: No registered users and 1 guest


You cannot post new topics in this forum
You cannot reply to topics in this forum
You cannot edit your posts in this forum
You cannot delete your posts in this forum
You cannot post attachments in this forum

Search for:
Jump to:  
Powered by phpBB® Forum Software © phpBB Group