www.cqham.ru

\главная\р.л. конструкции\антенны\...

Переносный антенный анализатор

Оригинал статьи размещен на сайте: www.lwca.org/library/

Автор статьи: Lyle Koehler

Свободный перевод с английского: Виктор Беседин (UA9LAQ) ua9laq@mail.ru

 

 

Рис. 1. Внешний вид передней панели антенного анализатора.

  Для тех из нас, кто любит “поиграться” с антеннами на любительские диапазоны, одним из самых необходимых приборов является, так называемый, “антенный анализатор” (АА). Это комбинированное устройство включает в себя сигнал-генератор и КСВ-метр, заключённые в небольшой коробке с батарейным питанием. Dave, WB6VKH решил расширить возможности одного из наиболее популярных АА промышленного производства MFJ-259: продлить диапазон перекрываемых АА частот вплоть до 100 кГц, об этом - ниже.

  Я пытался сделать нечто подобное с моим Autek RF-1, но, к сожалению, не добился сколько-либо значимого успеха, отложил эту затею в сторону и решил построить анализатор специально для “длинноволновиков”. Мне был нужен анализатор, работающий в диапазоне 100…300 кГц, могущий измерять резонанс антенной системы, потери в системе и антенные ёмкости, также индуктивности и добротности подключаемых катушек и приёмных рамочных антенн. В отличие от коротковолновиков, длинноволновики, как правило, не заботятся о КСВ в антенной счистеме и я не включил эту возможность в изначальную авторскую разработку, но описание мостового измерителя КСВ включено в текст этой статьи для тех, кто хочет иметь такое полезное добавление.

  АА может быть размещён в корпусе размерами 6,25 х 3,75 х 2 дюйма (1 дюйм =25,2 мм) и питается от одной 9-вольтовой батареи. На Рис.1 приведён эскиз предлагаемой для прибора лицевой панели. Основная шкала содержит три концентрических кольцевых линии, шкалы, расположенные на них, Вам следует откалибровать самим. Только внешняя кольцевая шкала (шкала частот) требует применения внешних приборов для настройки, если есть необходимость, то можно обойтись и сигналами радиовещательных станций в АМ диапазоне, использовав способ калибровки, описанный в этой статье ниже. Средняя и внутренняя шкалы предназначены для считывания значений ёмкости или индуктивности. Если у прибора калибрована шкала частот, то не стоит труда, взяв калькулятор или воспользовавшись приведённой в статье таблицей, определить, где ставить градуировочные риски на шкалах L и С.

 

Схема.

Этот АА основан на принципе измерения продетектированного сигнала сигнал-генератора, имеющего выходной импеданс примерно 100 Ом. Деталь или систему, параметры которой необходимо измерить, подключают к выходным зажимам генератора, таким образом, нагружая его выход, а измеритель в цепи  РЧ детектора калибруется и, после, указывает на измеряемый импеданс. Подключив к прибору длинноволновую антенну (с последовательно включенной нагрузочной катушкой индуктивности), варьируют частотой генератора до получения минимальных показаний стрелочного прибора измеряющего выходное напряжение генератора. Это говорит о том, что Вы настроили генератор на резонансную частоту антенны, а величина отклонения стрелки прибора указывает на сопротивление антенной системы на этой резонансной частоте. Чтобы измерить индуктивность, просто следует последовательно с ней включить конденсатор с известной ёмкостью и найти резонанс, вращая ручку настройки сигнал – генератора, для измерения неизвестной ёмкости делаем то же, но теперь известной должна быть индуктивность.

  Кстати, у кого уже имеется модифицированный вариант  АА  MFJ-259, могут применить тот же способ определения неизвестных индуктивности и ёмкости (т.е., получается последовательный контур, подключенный параллельно выходным зажимам сигнал-генератора. Такой контур имеет минимальное сопротивление  на резонансной частоте и, в зависимости от добротности контура, уменьшает выходное измеряемое стрелочным прибором напряжения до значений, близких к нулевым). Чтобы получить минимальную ошибку при измерении последовательного сопротивления катушек и схем, имеющих высокую добротность, сигнал-генератор должен содержать в своём сигнале минимум гармонических составляющих. Последовательный импеданс схем на частоте основной (первой) гармоники (при резонансе) очень мал, напряжения гармоник (для них цепь не является резонансной) ухудшают точность отсчёта импеданса. Другим путём можно избежать ошибок, применив избирательный детектор, подобный радиоприёмнику, с резонансными контурами на входе, но, в данном случае, из-за желания разместить всё устройство в одной компактной  коробке и сделать как можно проще, последнее не применяется. Схема на Рис. 2 выполнена по типу лабораторных функциональных генераторов. U1A - интегратор, U2 – пороговый компаратор с гистерезисом. Осуществив обратную связь выхода порогового детектора со входом интегратора, мы получаем генератор, вырабатывающий импульсы треугольной формы (на выводе 1 U1A) и и импульсы прямоугольной формы (на выводе 7 U2). Потенциометр R5 (с последовательно включенным резистором R6) и конденсатор С6 являются первичными частото-определяющими элементами. Подстроечный резистор R6  определяет максимальную частоту на которой будет работать АА, в положении минимального сопротивления потенциометра R5.

 

Рис.2. Длинноволновый антенный анализатор. Схема принципиальная электрическая.

 

 Импульсы треугольной формы с выхода U1A, через резистор R3 поступают на диодную схему, которая осуществляет мягкое их ограничение, преобразуя в довольно правильную синусоиду. Эта схема позволяет получать и постоянное по амплитуде выходное напряжение генератора независимо от частоты. Резистор R9 и конденсатор С7 осуществляют небольшую фильтрацию, устраняя остаточные искажения синусоиды. Транзистор Q1 - эмиттерный повторитель, который выдаёт через последовательно включенный резистор R10 на выходные зажимы РЧ напряжение примерно 1,5 В “от пика до пика”.

 Вместо использования диодного выпрямителя в качестве простого  детектора, в схеме этого АА используется одно-балансный смесительный детектор. Смысл этого заключается в сохранении линейности при очень малых РЧ напряжениях, чтобы можно было измерять малые последовательные сопротивления току РЧ в антенных системах. Этот детектор “синхронного”  типа также уменьшает проблемы РЧ наводок от местных радиовещательных станций, которые влияют на показания многих промышленных АА, работающих в КВ диапазоне. Выходное напряжение детектора без нагрузки составляет примерно 200 мВ. U1B служит усилителем для измерительной стрелочной головки, который поднимает выходное напряжение детектора до нескольких вольт, в положении максимального усиления, устанавливаемого потенциометром R14.

 S2 – переключатель на 12 положений, соединяет выход генератора с выходными зажимами прибора (обычно, с надписью “Антенна”) или напрямую, или через известные последовательно включаемые индуктивности, ёмкости или резисторы. Имеется пять резисторов (R18…R22), используемых для калибровки. В действительности, чтобы определить усиление измерителя, нужен, обычно, только один резистор, но на переключателе S2 оставались неиспользованными 4 положения  и я решил использовать их для переключения точных резисторов, с различными сопротивлениями, используемых для калибровки.

 

Детали.

Несмотря на то, что АА может работать на других микросхемах, а не только на тех, что указаны на принципиальной схеме, лучше не отклоняться от спецификационного списка, в противном случае, у Вас появится чувство, что Вы сами разрабатываете АА заново. Критичными являются образцовые конденсаторы С11…С13 и катушки индуктивности L1…L3. Они должны быть подобраны с точностью не хуже 5 % и иметь малые потери. Диоды D5 и D6 следует подобрать с близкими друг другу параметрами. Это можно сделать,  купив в радиомагазине десяток диодов 1N34A и используя омметр или цифровой мультиметр с функцией проверки диодов, отобрать идентичные по одинаковому падению напряжения на прямом их сопротивлении. Стандартный 5-вольтовый стабилизатор, такой, например, как 7805 или 78L05, можно использовать в качестве U3 (см. подробнее в разделе Питание). Потенциометр R5 должен иметь линейную зависимость сопротивления от угла поворота оси, иначе, низкочастотный край градуировки шкалы будет сильно растянут, а высокочастотный, наоборот, сильно сжат. Потенциометр, указанный в списке радиодеталей может иметь разброс сопротивлений в 20 % и ненормируемую линейность. В каталогах имеются и другие детали, например с допуском разброса параметров в 10 %, но они стоят в 5…10 раз дороже, но, всё равно не обеспечат требуемой от них точности, чтобы Вы могли воспользоваться той калибровкой шкалы, которую сделал я. Если Вам не нужно устанавливать границы рабочего диапазона точно (например, 100 кГц…300 кГц), то, вместо подстроечного резистора R6, можно установить постоянный (сопротивлением 3,9 кОм) и конденсатор постоянной ёмкости вместо параллельной комбинации С6 и С6а. Номинальная суммарная их ёмкость составляет примерно 300 пФ, если максимальное сопротивление R5 составляет точно 10 кОм. Вообще-то, ёмкость конденсатора С6 равна 270 пФ, подстроечного С6а – 8…50 пФ. Если значение сопротивления потенциометра выходит за пределы 20 % допуска, то ёмкость конденсатора С6 может быть меньше или больше указанного значения, чтобы иметь возможность установки нижней границы рабочего диапазона АА точно в 100 кГц. Номинал резистора R15 должен быть изменён на 4,7 кОм, если в приборе используется измерительная головка на ток 500 мкА, вместо таковой на ток 200 мкА. Этим резистором устанавливается чувствительность головки, стрелка которой отклоняется, при этом, на полную шкалу при напряжении примерно 3 В.

 

Конструкция.

Прототип АА был смонтирован на “нулёвке” - универсальной монтажной плате и установлен на стойках позади потенциометра перестройки частоты. Батарейный отсек размещён слева от платы, если смотреть со стороны передней панели АА. Немного усердия и всё войдёт на плату, а в рекомендуемом корпусе (Radio Shack 270-627) ещё и останется место для большей по размерам платы, если  Вы пожелаете отодвинуть детали друг от друга подальше. Несмотря на то, что АА используется на низких частотах, хорошей практикой было бы использовать выводы деталей, как можно, более короткими. На Рис. 3 показано размещение деталей, которое произвёл я. На рисунке сложно рассмотреть все детали, особенно смонтированные вертикально резисторы, но, как размещать основные детали, рисунок даёт представление.

Рис. 3. Размещение деталей на монтажной плате АА.

 

Я проложил лужёную медную шину от конденсатора С10, находящегося на плате до выхода с S2 “DIRECT” и использовал её как “общий провод”  для всех деталей, идущих к S2. Это проще, чем монтировать все эти детали на печатной монтажной плате и позволяет делать отводы от катушек L1…L3 и располагать их на расстоянии друг от друга. Эти катушки должны быть также расположены на расстоянии не менее, чем на полдюйма (13 – 15 мм), от любой металлической поверхности, например, передней панели АА, поскольку эти катушки действуют как рамочные антенны, т. е., могут взаимодействовать друг с другом, а на их индуктивность и добротность могут влиять, расположенные вблизи от них, металлические поверхности. При впаивании потенциометров R5 и R14 в схему АА, убедитесь, что R5 включен так, что максимум его сопротивления (самая низкая частота, соответственно) будет в крайнем положении, против часовой стрелки, а, то же для R14, будет в крайнем, по часовой стрелке, положении (максимальный уровень усиления для измерителя). Чтобы изготовить указатель большего диаметра для  шкал частоты и L-C, я отрезал диск диаметром 3 дюйма (7,5 см) от толстого прозрачного пластика, используемого для упаковки и прикрепил его к стандартной ручке диаметром 1 ¼ дюйма (3 см) двухсторонней клеящей лентой (проще: клеем).

 

 Дизайн передней панели АА и другие рисунки можно “скачать”  из раздела библиотеки Longwave Web Page. Там имеется и копия “художественного произведения” - разработки передней панели, которую можно привести в соответствие с требуемым размером на Вашем компъютере, распечатать на принтере и использовать копию как шаблон для сверления. Для тех, кто не может произвести вышеупомянутые операции, большой конверт (SASE), адресованный автору решит проблему и Вы получите отпечатанную копию чертежа передней панели АА в масштабе 1 : 1. Чтобы конструкция выглядела привлекательно, следует отпечатанную копию передней панели прикрепить к ней каким-нибудь клеем или липкой двухсторонней лентой и затем (после калибровки шкалы) заламинировать, специально предназначенной для этого плёнкой, которую можно приобрести в канцелярских магазинах. Для вырезания прямоугольных отверстий, например, под измерительную головку, подойдёт  острый нож или скальпель. В конструкциях я порой устанавливаю дополнительные гнёзда для подключения внешнего измерителя, это позволяет использовать довольно дорогостоящую вещь - измерительную головку, для нескольких конструкций. Если для установки в АА используется указанный в списке деталей измеритель, то его следует устанавливать в последнюю очередь, когда все “примерочные” и калибровочные работы на фальшпанели будут закончены.

 

Проверка и калибровка.

Вывод 1 U1 - контрольная точка для проверки треугольных импульсов, вывод 7 U2 – прямоугольных с размахом 5 В “от пика до пика” и на “синусоидальном” выходе – эмиттере Q1 имеется 1,5 В “от пика до пика”. Для получения синусоиды хорошей формы, в схеме её формирования рекомендуется  иметь напряжение треугольной формы примерно 3 В “от пика до пика”. В противном случае, потребуется коррекция формы синусоидального сигнала: для установки амплитуды изменяют сопротивление резисторов R4 и / или R7, резисторы R1 и R2 влияют на симметрию формы сигнала. Все эти резисторы также влияют на частоту, значит, все манипуляции с подбором резисторов следует завершить до калибровки шкал.

  Для калибровки внешней шкалы (шкалы частот) используйте частотомер или приёмник, градуировку производите, как можно, более точно. Первым шагом в настройке, если Вы включили в схему АА подстроечные резистор R6 и конденсатор С6а, является установка верхней и нижней границ перекрываемого АА диапазона рабочих частот. Сначала установите регулятор настройки в крайнее положение по часовой стрелке (для установки верхней границы) и изменением сопротивления подстроечного резистора R6 установите частоту сигнал-генератора  АА равной 300 кГц. Затем установите R5 в крайнее положение против часовой стрелки и, изменением ёмкости конденсатора С6а, установите частоту 100 кГц. Как было отмечено ранее, возможно, для точной подгонки частоты 100 кГц, потребуется подбор ёмкости конденсатора С6. Вы можете также устанавливать границы диапазона на своё усмотрение, например, такими, какие получатся при применении фиксированных частотозадающих элементов. Настройка границ диапазона взаимозависима. Возможно потребуется повторить установку несколько раз, до тех пор, пока Вы получите то, что хотели (“уложите” диапазон в его границы).

 

  Если у Вас нет частотомера или приёмника с диапазоном 100…300 кГц, то АА можно прокалибровать по его гармоникам на АМ радиовещательном диапазоне, для этого нужно знать на какую частоту настроен приёмник и какую гармонику сигнал-генератора Вы принимаете. АМ радиоприёмник с цифровой настройкой и опорным генератором позволит быстро и точно настроить АА по гармоникам. Если Вы знаете точно частоты принимаемых радиовещательных станций, то можно произвести настройку по гармоникам и с их помощью. А вот разбирательство с гармониками может немного напоминать работу детектива. Например, настроив приёмник на частоту 600 кГц, Вы будете принимать гармоники сигналов АА с частотами 300, 200, 150, 120, 100 и 85, 7 кГц. Все эти частоты могут быть реально получены в АА, входить в перекрываемый АА диапазон частот с данными деталей, указанными на Рис. 2, тем более, что потенциометр настройки R5 имеет разброс сопротивления +/- 20 %. Присоединив к выходу прямоугольных импульсов (вывод 7 U2) небольшой отрезок провода и установив радиоприёмник на небольшом (до метра) расстоянии от него, Вы обнаружите, что принимаемые нечётные гармоники по уровню идут намного сильнее, чем чётные. Проверкой на нескольких частотах, методом исключения, можно определить нужные гармоники. Допустим у Вас имеется АМ приёмник на 600 кГц и, предположительно, Вы принимаете пятую гармонику  частоты 120 кГц АА. Если предположение оказалось верным, то Вы найдёте седьмую гармонику точно на частоте 840 кГц и никакая другая частота с гармоникой на 600 кГц не будет иметь гармонику на 840 кГц (строго говоря, - будет, например, гармоника частоты 60 кГц, получение которой, при изготовлении АА по данным маловероятно, но всё же… Следует плавно перестраивать приёмник от 600 кГц в сторону увеличения частоты, найти более слабую 6 гармонику на частоте 720 кГц, следующая будет более сильная  - седьмая гармоника на частоте 840 кГц. При наличии гармоник на других частотах в промежутке между 600 и 840 кГц, возможна настройка генератора АА на частоту 60 кГц, что можно определить по частотному интервалу между гармониками, причём, гармоники на частотах 600 и 840 кГц будут более слабыми, во первых, потому, что будут иметь более высокий номер, во-вторых будут чётными. Если принимаемые гармоники не будут иметь ничего общего с интервалами в 60 и 120 кГц (для данного случая), либо сигнал генератора АА содержит большой уровень побочных частот, либо гетеродин приёмника страдает тем же, имеется паразитное самовозбуждение или в АА или в приёмнике, либо принимаемый сигнал не принадлежит АА). Как только Вы точно установите одну частоту, далее калибровка шкалы сигнал-генератора АА пойдёт быстрее и не вызовет затруднений.

  После градуировки шкалы частот, по Таблице 1 произведите градуировку средней и внутренней шкал, которые используются для измерения ёмкости и индуктивности. Чтобы получить калибровочные точки, не приведённые в таблице, используйте формулу:

F = 0,159 / SQRT(LC), где

SQRT - корень квадратный,

L = 6800 мкГн для внутренней шкалы,

L = 2200 мкГн - для средней шкалы.

  Ручка настройки вместе с указателем на время настройки могут быть удалены. Перед удалением ручки отметьте  положение указателя в одном или обоих крайних положениях - это позволяет после вернуть указатель в прежнее положение. (Указатель лучше выполнить в виде полосы из прозрачного пластика, приклеив его к ручке настройки, посередине указателя острой чертилкой по линейке следует провести визирную черту, заполнив её не агрессивной к материалу указателя краской цвета контрастного со цветом шкалы. Напротив линий шкал, в указателе, по осевой визирной линии сверлятся отверстия диаметром 0,5…1,0 мм, в которые при калибровке шкал вставляется заострённый грифель карандаша или остриё иглы (булавки), которыми делается отметка на шкале. Затем указатель отводят в сторону и завершают процесс установки риски шкалы, используя полученную отметку. Шкала получается максимально точной для такой конструкции, не сбивается из-за снятия указателя, как это предлагается делать выше). Я предлагаю использовать цветные карандаши или ручки, чтобы делать риски на средней L-C шкале, соответствующей нижней части Таблицы 1 и положения переключателя S2, приведённые в рамках – это позволит преодолеть сомнения, по какой шкале делать измерения индуктивности или ёмкости.

                                                 Таблица 1.

Калибровка LC шкал.

 

 У обеих головок измерителей, приведённых в списке деталей, - одинаковая конструкция, в которой обе части корпуса склеены отрезком прозрачной клейкой ленты. Это позволяет легко открыть  головку и установить в ней свою шкалу, отградуированную в значениях сопротивлений. Можно пойти и по другому пути: наклеить полоску бумаги под градуировку на верхнюю часть лицевой стороны головки, так, чтобы была видна и стрелка, тогда можно обойтись без разборки корпуса головки. Чтобы откалибровать измеритель, соедините гнёзда АА “ANT” и “GND” накоротко проволочной перемычкой и установите переключатель S2 в положение калибровки 150 Ом. Установите регулятор усиления R14 в положение, когда стрелка измерителя отклоняется примерно на 95 % от всей шкалы и сделайте отметку “150” Ом на шкале. Другой способ калибровки: установите регулятором усиления измерителя R14 полное отклонение стрелки головки на всю шкалу, ничего не присоединяя к гнезду “ANT” (“Антенна”). Это даст немного пониженную точность при измерении малых величин сопротивлений, но, зато, стрелка измерителя не будет зашкаливать при измерении больших сопротивлений нагрузок. После того, как Вы произвели первый этап калибровки, не меняя усиления (не трогать R14 !), установите переключатель S2 в следующее положение и сделайте следующую риску на шкале головки измерителя и т. д.

 

Питание.

АА работоспособен при напряжении питания в диапазоне 6,5…15 В. Если в качестве стабилизатора применена другая микросхема (не 2930L05, имеющая низкое падение напряжения на ней), то нижний порог напряжения питания поднимется до чуть более 7 В. Потребляемый ток составляет примерно 30 мА (и немного меньше, в случае использования возможной замены (опции)- генератора Hartley, описанного ниже). У него потребление тока такое же как у Autek RF-1 и устройство прекрасно работает от алкалиновой батареи напряжением 9 В. Для длительной работы с АА можно использовать маломощный сетевой блок питания. Здесь подойдёт большинство блоков питания, сблокированных с сетевой вилкой и имеющих выпрямитель, хотя бы, с простым фильтром, не говоря уже о стабилизаторах, если они имеют выходное напряжение в пределах вышеуказанного диапазона. Характерной особенностью сигнал-генератора (Рис. 2) является то, что он отказывается работать при напряжении питания ниже 6,5 В, так что, если АА не работает, - проверьте напряжение батареи.

 

Работа с АА.

Прежде, чем приступить к антенным измерениям, предположим, что антенна уже содержит нагрузочную катушку, которая позволяет настроить антенну (как правило, короткую, если иметь в виду длину волны) на длинноволновый диапазон. Для измерения резонансной частоты и сопротивления потерь установите переключатель S2 в положение “DIRECT” и присоедините антенну и заземление к соответствующим гнёздам АА.  Установите усиление измерителя (R14) в положение, отмеченное при начальной калибровке и медленно вращайте ручку настройки (шкала частот), до тех пор, пока получите самые минимальные показания измерителя. Если крупно повезёт, то это произойдёт на желаемой Вами частоте. Измеритель спадом показаний укажет на конечное сопротивление потерь в Вашей антенной системе, а оно включает потери в нагрузочной катушке индуктивности, потери в земле, диэлектрические потери в близко стоящих деревьях и т. п.

Примечание: если нагрузочная катушка является частью выходного каскада усилителя мощности, отключите её от последнего и подключите АА между “землёй” (корпусом) и “холодным” концом катушки (с этой стороны стоит развязывающий конденсатор, кстати, не забудьте его отключить). Смысл манипуляций - превратить антенную систему в простой последовательный LC контур. Измерения с нагрузочной катушкой, проводимые через различного рода соединения и согласующие звенья, не дадут значений потерь, которые легко будет воспринять, поскольку они будут трансформированы. Многие экспериментаторы используют КПЕ, включенный между "горячим“ концом нагрузочной катушки и “землёй” (корпусом), чтобы точно подстраивать антенну. Это также нужно убрать, чтобы произвести точное измерение потерь системы. Если необходимо устанавливать частоту намного выше 200 кГц, чтобы найти точку резонанса без настроечного конденсатора, то это означает, что нагрузочная катушка имеет недостаточную величину индуктивности и Вы, в этом случае, можете получить существенный прирост излучаемой антенной мощности, используя соответствующую (увеличенную до нормы) индуктивность нагрузочной катушки.

  Для определения ёмкости антенны без нагрузочной катушки установите переключатель S2 в одно из СХ1 положений. 15-метровая вертикальная антенна, состоящая только из отрезка провода #14, имеет ёмкость около 95 пФ, о чём свидетельствует показание АА по внутренней шкале с S2 в положении СX1 без рамки, в другом случае, штырь высотой 25 футов с 12 противовесами будет иметь ёмкость около 570 пФ - это показание можно будет считать по средней шкале с S2 в положении СХ1 в рамке. Настраивайте АА по спаду показаний измерителя и считывайте показания с соответствующих шкал.

 

  Без нагрузочной катушки, ёмкость практически не зависит от частоты (до тех пор, пока длина антенны будет составлять сколько - либо значимую часть длины волны). Поскольку шкалы значительно перекрывают друг друга, возможно считывание ёмкости (и потерь) на двух разных частотах. В этом случае, выбирайте показание наиболее близкое к интересующей Вас частоте.  Вы можете иметь представление о потерях в антенне, замечая значение сопротивления в точке резонанса. Это сопротивление включает в себя и последовательное сопротивление потерь образцовой катушки индуктивности, находящейся внутри АА. Чтобы найти сопротивление потерь внутренней катушки, отсоедините антенну и к выходным гнёздам АА присоедините конденсатор с ёмкостью, примерно равной ёмкости антенны на выходных зажимах АА. Теперь, настраиваясь в резонанс, Вы получите значение сопротивления потерь катушки индуктивности. Внешний подключаемый конденсатор также вносит своё сопротивление потерь, но, если применяется конденсатор с малыми потерями (например, воздушного типа), то ошибки в измерениях не превышают, как правило, 10 %.  Вычитание сопротивления потерь индуктивности из  общей цифры оставляет потери только самой антенны. За исключением некоторых типов дисковых керамических, большинство малогабаритных  конденсаторов имеет очень малое последовательное сопротивление и их потери не могут быть измерены точно с помощью АА. Последовательное сопротивление внутренней образцовой катушки индуктивности АА обычно бывает намного больше. Но АА, всё же, полезен для проверки имеющихся у радиолюбителя конденсаторов. Если Вам необходимо знать потери в конденсаторах, используйте вышеописанную методику определения потерь в антеннах. Работая с катушками индуктивности, особенно, с рамочными антеннами и с нагрузочными катушками большого диаметра, держите эти катушки подальше от предметов, которые могут возмущать электрическое или магнитное поле вокруг них. Наибольшее влияние наблюдается от больших металлических поверхностей, но, даже слабые проводники, такие, например, как тело оператора будут влиять, если они расположены близко. Кстати, те же требования по размещению поглощающих поверхностей относятся и к нагрузочным катушкам, монтируемым на антеннах. Чтобы измерить индуктивность и последовательное сопротивление потерь катушки, установите переключатель S2 в соответствующее положение. Если Вам не удалось измерить параметры катушки при одном положении переключателя S2, попробуёте сделать это при других его “L”-положениях, поварьируйте частотой настройки АА, чтобы найти нулевые показания измерителя (спад). Даже, если есть (вычислено, дано)  последовательное сопротивление потерь катушки (т. е., то, что и нужно для расчётов), то об её добротности - Q большинство экспериментаторов рассуждает лишь на словах. Если Вам известны индуктивность и последовательное сопротивление потерь RL катушки, её добротность  Q рассчитывается как:

Q = (6,28 * F * L) / RL, где

F - частота в кГц, L - индуктивность в мкГн.

Добротность Q и сопротивление потерь изменяются с изменением частоты. Вы можете определить последовательное сопротивление катушки индуктивности на заданной частоте, если у Вас есть КПЕ с воздушным диэлектриком, с малыми потерями (или большой ассортимент конденсаторов постоянной ёмкости с малыми потерями). По шкале АА установите желаемую (требуемую) частоту, переключатель S2, при этом, должен находиться в положении “DIRECT”, соедините КПЕ с воздушным диэлектриком и катушку индуктивности последовательно и установите минимум показаний по шкале измерителя (варьируя частотой). Катушки индуктивности, использующие ферритовый сердечник или сердечник из порошкового железа могут войти в насыщение, даже при том малом уровне выходной мощности, который развивает АА. Это отражается на результатах измерения сопротивления потерь, которое будет выше, чем при малых сигналах, при работе, например, на приём. При тех же условиях, с нагрузочной катушкой, выполненной на ферритовом сердечнике, сопротивление потерь будет намного выше при выходной мощности передатчика уже в 1 Вт, чем при измерении этим АА или другим измерительным прибором.

 

Альтернативная (другая) схема сигнал-генератора АА с  ГПД.

Первый прототип ДВ анализатора я выполнил по схеме генератора Hartley. Он давал стабильное по частоте и амплитуде выходное синусоидальное напряжение в диапазоне питающих напряжений 6…15 В и потреблял меньший ток, чем генератор “синусоидальных, прямоугольных и треугольных” по форме сигналов, импульсов, описанный выше (см. Рис.2). Всё было бы хорошо, если бы не проблемы: отсутствие качественного КПЕ с воздушным диэлектриком на максимальную ёмкость 365 пФ и более (габариты КПЕ, пожалуй, определяют и размеры АА). Для экспериментаторов, имеющих свой собственный набор КПЕ, схема генератора Hartley приведена на Рис. 4.

  Рис. 4. Генератор Hartley. Схема принципиальная электрическая.

 

Эта схема может быть включена на место U1A, U2, U3, Q1 с относящимися к ним компонентами. 100-омный резистор и конденсатор ёмкостью 0,1 мкФ на выходе эмиттерного повторителя соответствуют R10 и С8 на Рис. 2. L1 - катушка индуктивностью 4,7 мГн, например Mouser номер 434-06-472J, L2 – 20 витков провода #30, намотанного поверх L1. Если генератор, при включении не запускается, поменяйте местами концы катушки L2.

КСВ-метр.

В отличие от коротковолновиков, которые одержимы представлением о КСВ в применяемых ими антеннах, длинноволновики менее нуждаются в подобных измерениях. КСВ важен, когда Вы имеете дело с длинной линией передачи, которая на ДВ утрачивает всякий смысл, так как она будет вычитаться из эффективно излучающей части антенны, которую на ДВ стремятся увеличить (так как, на ДВ номинальные размеры антенн получаются огромными, то стараются так выполнить излучающую их часть, чтобы она начиналась уже от выходных гнёзд передатчика). Кроме того, практически все полупроводниковые трансиверы рассчитаны на 50-омную нагрузку и имеют защитное устройство, уменьшающее выходную мощность при высоком значении КСВ. Полная выходная мощность может быть получена только, если импеданс нагрузки трансивера на рабочей частоте будет близок к 50 Ом и будет чисто активным (не реактивным). Разработанный по всем правилам ДВ трансивер, который имеет выходную мощность не более 1 Вт (как-то не по-русски (Hi!)), поэтому опасности сжечь выходной каскад нет. Антенна не вносит какого-либо особенного импеданса в нагрузку трансивера. Нагрузка лишь более активна, чем реактивна и трансивер не может дать ни большего тока, ни большего напряжения, чем может обеспечить его оконечный каскад. Комплементарная пара транзисторов, используемых мной в оконечном каскаде ДВ передатчика, может работать на резистивную нагрузку от менее, чем 15 Ом до более, чем 100 Ом, практически, без изменения эффективности. Несмотря на то, что мне необходимо знать лишь сопротивление (потерь) моей антенной системы, я не склонен легко относиться к КСВ. Для тех, кто заинтересован в измерении КСВ на ДВ, предлагается использовать широкополосный резистивный мост (схема которого приведена на Рис. 5), в союзе с сигнал-генератором и измерителем ДВ АА.

Рис. 5. Мостовой измеритель КСВ. Схема принципиальная электрическая.

 

Схема, приведённая на Рис. 5, является вариантом схемы, опубликованным в антенной книге ARRL. “Нуль” при “отражённой” волне здесь будет, когда Rb/Ra = Rx/Rs. При Ra = Rb, постоянное напряжение на выходе “отражённой” волны будет нулевым, когда Rx = Rs. Для использования в 50-омных цепях Ra и Rb могут иметь сопротивление 330 Ом при Rs = 50 Ом.

 Использование переменного резистора с калиброванной шкалой, вместо постоянного Rs, расширяет область применения схемы. Также возможно применение неодинаковых резисторов Ra и Rb, что даёт возможность, используя соответствующий множитель, получить любой измерительный предел (диапазон). Например, если сопротивление Ra равно двум сопротивлениям  Rb, то нуль отражённой волны будет, когда Rх = Rs/2. При Ra = 300 Ом, Rb = 150 Ом и Rs = 1 кОм, действующий характеристический импеданс при измерении может изменяться от 0 до 500 Ом. В этом случае, шкала Rs может быть откалибрована с помощью омметра, подключенного параллельно Rs (при отключенных других деталях) и делить значения сопротивления на 2. С другой стороны: перестраивая частоту генератора и Rs по нулевым показаниям измерителя при измерении отражённой волны при резонансе, можно считывать РЧ сопротивление по шкале Rs. Это даёт возможность использовать калиброванную шкалу измерителя по назначению и независимо от установки его усиления. Полные нулевые показания будут только в случае, если к выходным гнёздам моста  будет присоединена чисто активная (резистивная) нагрузка на частоте измерения. Конденсатор ёмкостью 0,22 мкФ, присоединённый к мостовому измерителю КСВ при частоте измерения 159 кГц не даст нулевых показаний отражённой мощности, даже, если его импеданс на этой частоте составит 50 Ом, поскольку чисто ёмкостная или чисто индуктивная нагрузка не рассеивает энергии и даёт неопределённое значение КСВ.

  Чтобы произвести измерение КСВ, установите значение сопротивления Rs равным характеристическому (например, 50 Ом), которое Вы хотите использовать для измерения КСВ. Присоедините антенну к выходу КСВ-метра и произведите настройку по минимуму показаний с переключателем в положении “отражённая” (REFL). Затем, установите переключатель в положение “прямая” (FWD) и отрегулируйте положение стрелки измерителя по отклонению на всю шкалу. Теперь снова переключитесь в положение “отражённая” и считайте значение КСВ со шкалы измерителя. Калибровка КСВ производится присоединением резисторов с известным сопротивлением параллельно выходным гнёздам КСВ – метра. Например, если характеристическое сопротивление моста установлено 50 Ом, то КСВ-метр показывает КСВ 2 : 1 при 25  или 100 Ом; 1,5 : 1 – с нагрузками 75 или 37,5 Ом и т. д.

 

Точность.

Этот АА не обладает точностью, присущей, например, лабораторным мостам или цифровым измерителям LC. Тем не менее, он поможет Вам осуществить измерения индуктивности, ёмкости или потерь на рабочей частоте и вблизи от неё. Точность установки частоты при комнатной температуре равна точности произведённой градуировки (калибровки) АА. Схема обладает температурным уходом частоты настройки и контроль частоты с помощью приёмника или цифрового частотомера желателен, если АА используется снаружи при низких или высоких температурах (здесь следует отдать должное специалистам фирмы MFJ, которые такой контроль обеспечили в своих изделиях, применив встроенные цифровые частотомеры на ЖКИ (MFJ-249…MFJ-269); в крайнем случае, можно обеспечить поправочные на изменение температуры риски на шкале прибора, изготовить градуировочные таблицы или, проще: применить пассивное термостатирование АА, заключив его в пенопластовый кожух или, просто, завернув в старый свитер). Точность измерения индуктивности и ёмкости напрямую зависит от точности установки частоты. Ошибка установки частоты в 2,5 % даёт ошибку измерения индуктивности и ёмкости в 5 %. Что касается точности калибровки частоты АА, то она зависит и от разброса параметров внутренних частотозадающих конденсаторов и катушек индуктивности АА (также следует иметь в виду и температурные коэффициенты ТКЕ и ТКИ), которые составляют 5 %. Как и в любом другом устройстве, следует сводить к минимуму паразитные ёмкости монтажа, уменьшающие точность измерений. Распределённая (междувитковая) ёмкость катушек индуктивности даёт дополнительные погрешности в измерениях. Вычитание 20 пФ из результата, прочитанного при измерении ёмкости на шкале прибора даст точность измерения, примерно, не хуже 10 %. Выборочная проверка шкалы АА по имеющимся конденсаторам с известной ёмкостью позволит увеличить достоверность получаемых при измерениях результатов.

 

  Точность измерений сопротивлений на РЧ можно повысить, используя внешний измеритель с большей шкалой. Точные измерения последовательного сопротивления схем с большой добротностью (Q) производить сложно из-за проблем, рассмотренных ранее, когда речь шла о гармониках на выходе генератора, которые влияют на величину “провала” в показаниях измерителя при резонансе. Следует также помнить, что измеритель и детекторная схема калиброваны на активных сопротивлениях и не дадут точного измерения импеданса катушки индуктивности или конденсатора (за счёт реактивной составляющей). Тем не менее, АА обеспечивает точность резонансного измерения лучше 10 % сопротивления последовательной LC-схемы с добротностью менее 300 (такую, примерно, добротность имеет ДВ антенна). Для достижения большей точности измерения, используйте внутренние калибровочные резисторы АА для проверки его непосредственно на частоте измерений. Сначала произведите измерение на схеме или детали с неизвестными параметрами, чтобы найти резонансную частоту и получить соответствующее значение сопротивления потерь. Затем, замкните выходные клеммы и настройте усиление измерителя на найденной частоте, используя внутренний образцовый резистор, ближайший к сопротивлению, которое Вы получили в результате измерения. Затем, сравните показания измерителя, вернувшись от резистора к реальной схеме.

  Из-за эффекта распределённой ёмкости, величины индуктивности катушек, измеренных на данном АА, обычно, оказываются выше, чем измеренные прибором, работающим на более низких частотах.. Это не обязательно может быть ошибкой - действующая индуктивность катушки действительно растёт с увеличением частоты. Имеются компъютерные программы, которые дают точные представления зависимости индуктивности от частоты. Я использую программу COIL. EXE K6STI и считаю, что эта программа является частью “софта”, который прилагается к справочнику ARRL. Программа COIL.EXE даёт представление о том, что катушка с бескаркасной намоткой, аналогичная той, что я использую на маяке LEK, имеет индуктивность 2,5 мГн на частоте 1 кГц. Индуктивность увеличивается до 2,56 мГн - на частоте 100 кГц, 2,75 мГн - на 200 кГц (изменение на 10 %) и 3,14 мГн - на частоте  300 кГц (изменение на 26 %). Даже, будучи не столь точным измерительным прибором, АА может дать более приемлемый результат измерений, например, индуктивности нагрузочной ДВ катушки или рамочной антенны, чем, например, лабораторный 1 кГц мост.

 

Расширение диапазона рабочих частот АА.

Функциональный генератор используемый в АА не работает на частотах выше нескольких сотен кГц из-за низких скоростных качеств U1 и U2. Тем не менее генератор и вся остальная сзема АА работоспособны вниз до звуковых частот. Чтобы расширить диапазон АА и “захватить” “английский” участок диапазона ДВ - 73 кГц, ёмкость конденсатора С6 следует увеличить до 680 пФ. Для измерения в этом диапазоне я также рекомендую добавить образцовую катушку индуктивностью 22 мГн и, возможно, исключить катушку индуктивностью 680 мкГн. Поскольку потери в антенной системе на 73 кГц довольно высоки (в первую очередь, из-за повышения потерь в нагрузочной катушке), рекомендуется увеличить значение сопротивления  R10 до 200 Ом и проградуировать измеритель на значения сопротивлений до 300 Ом.

 

Список применяемых деталей.

  Приведённый ниже список деталей включает все компоненты, необходимые для постройки АА, кроме кнопок (которые можно приобрести, обратившись к любому из приведённых изготовителей) и винтов для крепления монтажной платы АА. Полная стоимость приведённых в списке компонентов, исключая накладные расходы, составит примерно 30 долларов, что основано на текущем каталоге цен за апрель 1997 года.

  Сокращения названий изготовителей, приведённые в списке деталей:

 

R = Radio Shack

M = Mouser Electronics (1-800-346-6873; http://www.mouser.com/)

D = Dan’s Small Parts (Box 3634, Missoula, Montana 59806-3634; телю или факс 406 258 2782; http://www.fix.net/dans.html)

Список деталей для постройки АА.

   LF Analyzer Parts List:

Schematic Ref. Qty Vendor Part No.     Description
 
Q1        1   M   333-PN2222A   2N2222A Transistor
T1        1   M   42TL030     100 -100 ohm transformer
D3, D4    2   M   592-1N4148    1N4148
D1, D2,
D5, D6    1   R   276-1123     1N34A (package of 10)
C1, C4    2   M   539-TKR50V10   10 uF 25 volt capacitor
C10       1   M   5989-100V1.0   1 uF capacitor
C11       1   M   23PS122     220 pF polystyrene capacitor
C12       1   M   23PS168     680 pF polystyrene capacitor
C13       1   M   23PS222     2200 pF polystyrene capacitor
C2        1   M   539-TKR16V100  100 uF 16 volt capacitor
C3,C8,C9  3   M   581-EXWD104M   0.1 uF capacitor
C5        1   M   141-100N2-015J  15 pF capacitor
C6        1   M   23PS133     330 pF polystyrene capacitor
C6a       1   M   242-8050     8-50 pF trimmer capacitor
C7        1   M   140-CD50S2-033J 33 pF capacitor
L1        1   M   434-17-682J   6800 uH choke
L2        1   M   434-17-222J   2200 uH choke
L3        1   M   434-17-681J   680 uH choke
R14, S1   1   M   31CC501     100K pot w/switch
R5        1   M   31VA401     10K linear pot
R6        1   M   569-72XL-10K   10K trimmer pot
S2        1   M   10YX112     12 pos switch
U1        1   M   570-CA3240E   CA3240 dual op amp
U2        1   M   511-LM311N    LM311 comparator
U3        1   M   513-NJM2930L05  2930L05 low-dropout 5V regulator
R18-R22   5   M   271-xxx     1/4 W 1% resistors (xxx = value)
R1-R4, R7-R13,
R15-R17  14   M   29SJ250-xxx   1/4 W 5% resistors (xxx = value)
 
Other:   1   R   270-627     Molded case
         1   R   274-662     Binding posts (package of 2)
         1   R   276-150     Prototype board
         1   D           200 uA edge-reading panel meter
             M   391-0301     alternate panel meter (500 uA)
         2   M   571-26404633   8 pin DIP socket
         1   M   123-6004     9 V battery clip
         2   M   34-425      3/4 inch # 6 threaded spacers

 

 

Schematic Ref. - позиционное обозначение детали на схеме;

Qty - количество;

Vendor – тот, к кому можно обратиться за деталью, изготовитель, дилер, торгующая организация

Part No. - номер детали по прейскуранту, по ТУ

Description - дополнительные признаки, описание детали

Other –другие (детали)

Package – упаковка; набор для подбора (из 10 штук)

Transistor – транзистор

Transformer – трансформатор; преобразователь

Capacitor – конденсатор

Trimmer – подстроечный

Resistor - резистор

Choke - дроссель

Pot – потенциометр

Linear - линейный; с линейной зависимостью (от угла поворота)

Switch – переключатель, выключатель

Dual  op ampcдвоенный операционный усилитель

Low-dropout - с низким падением напряжения (стабилизатор)

Comparator – компаратор

Свободный перевод с английского: Виктор Беседин (UA9LAQ) ua9laq@mail.ru
г. Тюмень  август, 2002 г



Глас народа

...

Возврат