ПРИБОР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИМПЕДАНСА АНТЕННЫ

 В. Костычев  (UN8CB).

 г. Петропавловск.

Для измерения импеданса антенны можно с успехом использовать оптимизированный   В. Коробейниковым  вариант  прибора [2], предложенного  А. Барским  [1]. В таком варианте вместо  трудоёмкого графического метода вычисления импеданса антенны предлагается более простой и удобный аналитический метод. Конечно этот прибор не АА-330 и даже не MFJ-259. Это конструкция выходного дня, стоимость копеечная, но польза от него не малая. С его помощью и совместно с КСВ-метром можно достаточно качественно настроить антенну. Схема прибора представлена на рис.1. 

Рис.1   

Измеритель импеданса через разъём XW1 подключается к трансиверу, а  к разъёму XW2 подключается антенна через полуволновый повторитель. Конденсатор Со – сменный для разных диапазонов: 1,8 МГц – 1800 пФ, 3,5 МГц – 850 пФ. 7 МГц -560 пФ, 14 МГц – 420 пФ,  21 МГц – 200 пФ, 28 МГц – 120 пФ.  Конденсатор Со вместе с комплексным сопротивлением антенны  (R +/- jX) образуют делитель ВЧ напряжения. Падения ВЧ напряжения на участках этого делителя   выпрямляются диодами  VD1 – VD3 и могут быть измерены авометром на гнёздах XS3, XS4, XS5

Выходная мощность трансивера  устанавливается  около 5 Вт, а для работы диодов выпрямителей на линейном участке их характеристик ВЧ напряжение в точке  «А» должно быть около 5 – 6 В. Резисторы R5 и R9 обеспечивают нормальную работу  этих диодов. Для измерения   постоянных напряжений  U1, U2, U3  лучше использовать цифровой мультиметр      (например, типа DT-830) в режиме измерения постоянного напряжения. При этом нужно отрегулировать выходную мощность трансивера такой, чтобы напряжение U1, измеряемое  на гнезде XS3, было бы равно  3 В. Можно использовать и высокоомный авометр   на пределе измерения 1, 5 В постоянного напряжения.   В этом случае, возможно, потребуется подобрать величину резисторов   R6, R7. R8, чтобы напряжение U1 было около 1, 5 В при     5 В напряжения ВЧ в точке «А».   

Измеренные напряжения U1, U2, U3   позволяют вычислить падения напряжения на активной составляющей импеданса – Ur  и на реактивной составляющей – Ux. Затем найденные значения Ux и  Ur пересчитываются в сопротивления, активное и реактивное.  Для этого используются уравнения:                

Если в результате  вычисления величина Ux получается положительная со знаком  «+», значит сопротивление нагрузки имеет емкостную составляющую, а если со знаком « - », то индуктивную. Пересчёт найденных значений  Ur  и Ux в сопротивления ведётся через коэффициент:

В знаменателе величины F, Co, U2 – в МГц, пФ, В. Искомые величины активного сопротивления – Rn  и реактивного сопротивления  -  Xn вычисляются по формулам:

                             Rn = m Ur ;       Xn = m Ux .

Для проверки работы прибора нужно подключить к разъёму XW2 вместо антенны безиндуктивный резистор 50 Ом  и последовательно с ним конденсатор Сх = 510 пФ, емкостное сопротивление которого на частоте 7 МГц около 45 Ом. На разъём XW1 подать сигнал с трансивера частотой 7МГц, измерить напряжения  U1, U2, U3 и произвести вычисления по приведённым выше формулам. Если в результате вычислений  получится импеданс Z = 50 – j45 (с допуском +/- 10%), то прибор работает правильно.

В моём случае получилось так: F = 7 МГц;  Co = 560 пФ: Cx = 510 пФ. Напряжения, измеренные цифровым мультиметром (DT - 830): U1 = 3, 0 В; U2 = 1, 24 В; U3 = 2, 03 В. После вычислений:       Ux = 1, 35;         Ur = 1, 52;       m = 32, 76

           Xn = 44 Ом;           Rn = 49, 7 Ом;    импеданс  Z = 49, 7 – j44.

Согласующую цепь для измеренного импеданса антенны  можно рассчитать с помощью программы MMANA. Запускаем программу. Выбираем главное меню «Сервис», а в нём меню «Сервис и установки». Откроется  окно «Сервис и установки». В этом окне выбираем закладку «СУ на LC». Откроется закладка  для расчёта согласующих цепей, рис.2

Рис.2

Допустим, измеренный импеданс антенны на частоте 14,150 МГц получился       Z =112 - j58.  В этой закладке устанавливаем: в ячейке «Freq»  - нужную частоту (14.15 МГц), в ячейке «Линия»- величину согласуемого сопротивления линии или выхода передатчика (50 Ом),  в ячейке «R» - величину активной составляющей импеданса (112), в ячейке «jx» - величину реактивной составляющей импеданса  (-58)  и в ячейке «Вид» выбрать  параллельное или последовательное соединение конденсатора в согласующей цепи. В центре закладки автоматом появится  конфигурация  согласующей  LC цепи  и величины  индуктивности (0,76 мкГн) и ёмкости (66,4пФ).

В закладке «Индуктивность» можно рассчитать параметры катушки для данной индуктивности. Так как при измерении и расчёте импеданса антенны результат получается с некоторой погрешностью, то собранную  согласующую LC  цепь потребуется подстроить в процессе настройки антенны.

При измерении импеданса антенны длина кабеля должна быть равна целому числу полуволн (полуволновый повторитель).  Длина полуволнового отрезка  определяется по формуле: L = (149, 96 х  Ку) / F (МГц), если известен коэффициент укорочения Ку. Достаточно точно длину кабеля, равную половине длины волны,  можно определить с помощью КСВ – метра следующим методом. К трансиверу подключить КСВ-метр, а   КСВ – метр нагрузить на безиндуктивный резистор 50 Ом и отрезок кабеля, как на рис.3.

Рис.3

В этом случае используется то свойство настроенной линии,  что на резонансной частоте линия (кабель) определённой длины будет иметь бесконечно большое сопротивление, а КСВ – метр будет нагружен только на активное сопротивление 50 Ом. На других же частотах линия (кабель) будет иметь какое-то индуктивное или емкостное сопротивление, что повлияет на КСВ. Таким образом, изменяя частоту трансивера, нужно найти такую частоту, на  которой будет наименьший КСВ. Для этой частоты длина отрезка  кабеля  будет равна половине длины волны. Линию следует вытянуть по длине и расположить подальше от стен, пола, потолка.

 Пример. Нашёлся кусок кабеля RG-58 длиной 7 м 19 см. Если коэффициент укорочения  этого кабеля Ку равен  0,66, то этот отрезок кабеля соответствует половине длины волны на частоте 13,765 МГц. Проверим.  Для этого отрезка кабеля наименьший КСВ равный 1,0 получается на частоте 14,0 МГц, а физическая длина кабеля на этой частоте должна быть:    L =149, 96 / 14 = 10, 71 м. Тогда коэффициент укорочения будет равен Ку = 7, 19 / 10, 71 = 0.67. А требуется полуволновый повторитель, скажем, на частоту 14,150 МГц, тогда  электрическая длина  полуволнового отрезка будет равна  L = (149,96 x 0,67) / 14,150 = 7, 1 м. Отрезаем      9 см и снова проверяем. Следует заметить, что для полуволнового отрезка кабеля,  длина которого определена  для середины диапазона, КСВ  по краям диапазона  не намного превышает единицу. Поэтому чувствительность КСВ-метра в режиме отражённой волны при этих измерениях следует устанавливать максимальной.

По такому же методу можно определить и длину четвертьволнового отрезка кабеля, только противоположный конец кабеля в этом случае нужно закоротить, а его физическую длину определять   по формуле: L = 74, 98 / F (МГц).

Приведу результаты испытаний  антенны GP на 20м, запитанной через полуволновый повторитель  (приборы: КСВ-метр, антенноскоп по схеме из книги Ротхаммеля и, описанный здесь,  измеритель импеданса).

Частота (МГц)   КСВ (50 Ом)    Ra  (антенноскоп)                 Z (изм. имп.)

       14.000              1.5                   40 Ом (баланс не до 0)           48 –  j29

       14.170              1.3                   40 Ом (баланс почти до 0)     46.8 –  j21

       14.350              1.05                 40  Ом (баланс до 0)                46.8 – j5  

Теперь можно принимать меры, либо изменять размеры антенны, либо использовать согласующую LC цепь. Чтобы не валить антенну, выбираю согласующую LC цепь.

А так ли уж важно, чтобы длина антенны соответствовала  бы её резонансной длине на рабочей частоте? Если разобраться,  то почти все мы работаем на антеннах не настроенных в резонанс на рабочую частоту. Чтобы резонансная антенна на рабочей частоте имела  КСВ близкий к 1.0, необходимо, чтобы её входное сопротивление было бы активным и точно равно волновому сопротивлению линии передачи (кабеля). Что бывает довольно редко (или никогда не бывает?). Если линия передачи не совсем хорошо согласована с антенной резонансная частота антенны будет сдвинута линией передачи вверх или вниз по частоте, изменится и импеданс антенны, т.к. линия передачи может добавлять или убавлять реактивность антенной системы.

Например, входное чисто  активное сопротивление диполя на резонансной частоте никогда не может быть равно 75 Ом - волновому сопротивлению кабеля, а всегда меньше и, следовательно,  КСВ всегда больше единицы. Между тем несколько удлинив диполь (понизив резонансную частоту) получим сочетание более низкой, чем 75 Ом активной составляющей импеданса с некоторым значением реактивной составляющей импеданса, что приведёт к меньшему значению КСВ, чем на резонансной частоте. Точно так же и с некоторыми другими типами антенн.

А что мы потеряем, если длина антенны будет чуть больше или меньше её резонансной длины?  Да ничего. Лучше ли излучает резонансный диполь, чем диполь нерезонансный? Автор книги [3] отвечает на этот вопрос: «Нет. Подводя итоги можно сказать, что нерезонансный диполь излучает так же, как и резонансный. Единственным спорным вопросом  представляется «лёгкость» возбуждения этого диполя, когда он вне резонанса» Небольшое изменение  длины антенны  практически не повлияет на её коэффициент усиления. Также не скажется заметно и на диаграмме направленности.

Использование разных согласующих цепей на входе антенны, что приводит  к уменьшению КСВ системы, сдвигает только резонансную частоту антенной системы, а не самой антенны. Поэтому важнее спроектировать антенну так, чтобы  был бы минимален КСВ в середине диапазона, и не обязательно, чтобы резонансная частота антенны приходилась бы на центр рабочей полосы частот.  

ЛИТЕРАТУРА:

1.А.Барский (VA1TTT). Прибор для измерения импеданса. Радио, 2001, №12. с.59,60.

2. В.Коробейников. Анализ прибора для измерения импеданса. Радио, 2003, №5, с.65, 70.

3. J. Devoldere (ON4UN). LOW – Band DXing. Глава 8, с.9.

В. Костычев  (UN8CB).

 г. Петропавловск.

.