Как собрать резисторный мост для измерения коэффициента стоячей волны антенны откалибровать его с помощью эквивалентной нагрузки и получить достоверный результат без дорогостоящего анализатора

Антенна, которую собрали своими руками, вызывает законное желание проверить, насколько она согласована с фидером. Теоретически всё рассчитано, размеры выдержаны, разъём подключён. Но теория и реальность расходятся именно там, где их меньше всего ждёшь: в реальных условиях монтажа, с конкретными материалами и конкретной высотой над землёй. Поэтому измерение коэффициента стоячей волны, КСВ, это не прихоть перфекциониста, а обязательный шаг перед тем, как включить передатчик на полную мощность.

Хороший анализатор антенн стоит дорого. Но мост для измерения КСВ из нескольких резисторов, кусочка феррита и германиевых диодов обходится в сотни рублей и при грамотном монтаже даёт вполне рабочий результат в диапазоне от коротких волн до УКВ.

Физика процесса и откуда берётся КСВ

Коэффициент стоячей волны отражает степень согласования между волновым сопротивлением фидера и входным сопротивлением антенны. Если антенна имеет сопротивление ровно 50 Ом на рабочей частоте, вся мощность передатчика поглощается и излучается. Идеальное согласование даёт КСВ = 1. Чем сильнее входное сопротивление антенны отличается от 50 Ом, тем больше часть мощности отражается обратно в фидер, суммируется с падающей волной и образует стоячую волну. КСВ = 2 означает, что примерно 11% мощности отражено, КСВ = 3 означает 25%.

Отражённая мощность греет кабель, нагружает выходной каскад передатчика и при больших значениях КСВ способна привести к выходу его из строя. Именно поэтому измерение КСВ выполняется до начала работы на мощности, а не после.

Резисторный мост, или возвратный мост (Return Loss Bridge, RLB), работает по принципу моста Уитстона, адаптированного для работы на высоких частотах. В классическом мосте четыре плеча с резисторами, и при равенстве их попарных отношений напряжение в диагонали моста равно нулю, мост сбалансирован. В КСВ-мосте три плеча заняты известными резисторами, а четвёртое плечо, оно и есть измеряемая антенна. Когда сопротивление антенны совпадает с номиналом эталонных плеч, мост балансируется, и напряжение в диагонали стремится к нулю. Любое рассогласование нарушает баланс, и диагональный вывод несёт сигнал, по уровню которого вычисляется КСВ.

Схема простого трёхрезисторного моста

Минимальная схема КСВ-моста содержит три резистора по 50 Ом, два из которых образуют опорное плечо, а третий включается в качестве развязывающего. Между точками соединения резисторов включён симметрирующий трансформатор на ферритовом кольце, который обеспечивает гальваническую развязку между диагональю моста и измерительным детектором. Это принципиально важно: без трансформатора высокочастотный ток возврата потечёт по оплётке кабеля, соединяющего мост с приёмником или осциллографом, и создаст паразитную петлю, которая исказит показания.

Трансформатор наматывается на ферритовом кольце проницаемостью 400-1000 НМ, типичный вариант это кольцо типоразмера FT37-43 или отечественный аналог М400НН внешним диаметром 10-12 мм. На кольцо укладывается скрученная пара двух проводов диаметром 0,3-0,5 мм в эмалевой изоляции, 7-12 витков в зависимости от нижней рабочей частоты. Два провода скручиваются вместе с шагом 15-20 витков на 10 см длины, что обеспечивает волновое сопротивление скрутки, близкое к 50 Ом. Проверить это можно простым способом: к одному концу скрутки подключается резистор 51 Ом, а к другому, через разъём, измерительный прибор. Если при зондировании сигналом в диапазоне рабочих частот нагрузочная линия ровная без заметного подъёма или завала, скрутка правильная.

Резисторы для моста выбираются строго безындукционные. Проволочные резисторы не подходят категорически: на высоких частотах намотка превращается в катушку индуктивности, и мост теряет баланс уже на десятках мегагерц. Углеродистые плёночные резисторы (Carbon Film) обладают низкой паразитной индуктивностью и хорошо работают до нескольких сотен мегагерц. Металлоплёночные резисторы (Metal Film) ещё лучше. SMD-резисторы в типоразмере 0402-0603 дают минимальную паразитную индуктивность и позволяют поднять рабочую частоту моста до нескольких гигагерц при соответствующем монтаже.

Номинал резисторов должен соответствовать волновому сопротивлению системы. Для стандартной 50-омной системы применяются резисторы 51 Ом (ближайший стандартный номинал к 50 Ом). Разброс сопротивлений в плечах напрямую влияет на баланс моста. Если один резистор 49 Ом, а другой 52 Ом, начальная разбалансировка моста ограничивает его направленность. Чем лучше подобраны резисторы между собой, тем выше направленность и точнее измерения. Для хорошего моста резисторы в опорных плечах подбираются с разбросом не более 0,5-1% между собой, что проверяется мультиметром с разрядностью не менее четырёх знаков.

Детектор и его роль в точности измерений

Напряжение в диагонали моста, которое несёт информацию о рассогласовании, представляет собой высокочастотный сигнал малой амплитуды. Для его измерения применяется диодный детектор. Диод выпрямляет высокочастотный сигнал, а RC-цепочка после него сглаживает пульсации, оставляя постоянное напряжение, пропорциональное амплитуде входного сигнала.

Выбор диода критически влияет на рабочий диапазон частот и на чувствительность детектора. Германиевые диоды типа Д18, Д20, ГД507 имеют прямое падение напряжения около 0,15-0,2 В и хорошо работают в детекторных режимах при малых уровнях сигнала. Их рабочая частота ограничена несколькими сотнями мегагерц. Для УКВ-диапазона и выше применяются высокочастотные диоды Шоттки: BAT62, SMS7630, HSMS-2850. Их прямое падение напряжения около 0,1-0,2 В, а рабочая частота простирается до нескольких гигагерц. Смещение диода небольшим постоянным током в 1-3 мкА улучшает его детектирующие свойства при малых сигналах и выпрямляет передаточную характеристику.

После диода включается конденсатор ёмкостью 100-470 пФ, который шунтирует остаточные высокочастотные пульсации. Резистор 10-47 кОм, включённый от катода диода к корпусу, задаёт нагрузку детектора. К этому же резистору подключается измерительный вольтметр или стрелочный микроамперметр через добавочный резистор, подобранный по чувствительности головки.

Сборка и монтажные требования

Всё сказанное о схеме превращается в реально работающий прибор только при правильном монтаже. Резисторный мост критичен к паразитным ёмкостям в точках соединения: каждый лишний пикофарад между узлами схемы образует дополнительный путь для ВЧ-тока, который нарушает симметрию плеч и снижает направленность моста.

Монтаж выполняется в экранированном корпусе из меди или латуни. Внутренние размеры корпуса должны быть минимальными, соразмерными самим компонентам. Типичный корпус КСВ-моста на диапазон до 150 МГц занимает объём 3 на 5 сантиметров. Чем выше целевая рабочая частота, тем компактнее должен быть монтаж. На частотах выше 500 МГц длина монтажных соединений уже соизмерима с долями длины волны, и каждый лишний миллиметр провода вносит заметную погрешность.

Разъёмы применяются BNC или SMA в зависимости от целевого диапазона. BNC надёжен до 300-500 МГц, SMA сохраняет характеристики до нескольких гигагерц. Разъёмы монтируются в стенку корпуса, и соединения от разъёма до резисторов выполняются минимально короткими проводниками с сохранением характерного сопротивления линии 50 Ом на всём пути. Если монтаж ведётся на текстолитовой подложке, полосковые линии между разъёмами и резисторами рассчитываются по стандартной формуле для микрополосковой линии: ширина полоска для FR4 толщиной 1 мм составляет примерно 1,8-1,9 мм.

Калибровка моста и проверка направленности

Собранный мост перед первым измерением обязательно калибруется. Процедура проста, но пропускать её нельзя: без калибровки показания будут отражать не только рассогласование антенны, но и начальную разбалансировку самого моста.

Калибровка проходит следующим образом. К антенному порту моста подключается эталонная нагрузка 50 Ом, собранная из нескольких параллельных SMD-резисторов на качественном экранированном разъёме. К входному порту подаётся сигнал от генератора. Выходной порт моста соединяется с детектором, к которому подключён измерительный прибор. Показание прибора при подключённой эталонной нагрузке 50 Ом фиксируется: это уровень начального небаланса. В идеале он должен быть близок к нулю. Если начальный небаланс велик, подбирают резисторы плеч.

Затем антенный порт оставляют разомкнутым. Показание прибора должно резко вырасти относительно нулевого уровня. После этого антенный порт замыкают на корпус. Показание снова должно быть близким к уровню разомкнутой нагрузки, поскольку и КЗ, и холостой ход дают коэффициент отражения равный единице, но с разными знаками. Разность между показаниями при нагрузке 50 Ом и при разомкнутом (или замкнутом) порте характеризует динамический диапазон и направленность моста. Хорошо собранный мост показывает направленность не менее 30-35 дБ в рабочем диапазоне.

Наглядная проверка качества моста выглядит так:

1. Подключить к антенному порту резистор 25 Ом (КСВ = 2). Запомнить показание детектора.
2. Подключить резистор 100 Ом (КСВ = 2). Показание должно совпасть с предыдущим, потому что оба значения дают одинаковый модуль коэффициента отражения.
3. Если показания при 25 и 100 Ом заметно различаются, мост чувствителен к знаку реактивности нагрузки и нуждается в улучшении монтажа.

Практика измерений и расчёт КСВ

Рабочая мощность при измерениях через резисторный мост составляет обычно 0,5-5 Вт. Этого достаточно для уверенного отклонения стрелки детектора. При мощности выше 10 Вт резисторы плеч начинают греться, что смещает их сопротивление и вносит погрешность в показания. Если измерения планируются при больших мощностях, резисторы плеч выбираются с суммарной рассеиваемой мощностью с запасом не менее трёхкратного.

Процедура измерения строится в два шага. Сначала антенный порт закрывается замыканием на корпус или эталонной нагрузкой с заведомо плохим КСВ, и показание прибора принимается за опорный уровень 100%. Затем к антенному порту подключается измеряемая антенна, и показание сравнивается с опорным. Отношение показаний в долях единицы и есть модуль коэффициента отражения S. КСВ вычисляется как (1 + S) делённое на (1 - S). При S = 0,2 КСВ составит 1,5, при S = 0,33 КСВ составит 2,0, при S = 0,5 КСВ составит 3,0.

Большинство практиков не вычисляют КСВ каждый раз аналитически. Гораздо удобнее заранее подготовить таблицу соответствия показаний прибора и значений КСВ, пользуясь набором эталонных резисторов с известными отклонениями от 50 Ом. Резистор 75 Ом даёт КСВ = 1,5, резистор 150 Ом даёт КСВ = 3, замыкание даёт КСВ = бесконечность. Нанося соответствующие отметки на шкалу стрелочного прибора, получают удобный аналоговый индикатор без необходимости каждый раз считать.

Где метод работает хорошо и где его не стоит применять

Резисторный мост уверенно измеряет КСВ антенн на фиксированных частотах в диапазоне от нескольких мегагерц до нескольких сотен мегагерц при условии аккуратного монтажа и хорошего эталона нагрузки. Для диапазонов КВ и VHF это полноценный рабочий инструмент.

Выше 500 МГц и тем более в диапазоне UHF простой резисторный мост начинает уступать: паразитные ёмкости компонентов и разъёмов становятся соизмеримы с элементами схемы, и направленность падает. Здесь уже нужна микрополосковая конструкция на низкопотерном ВЧ-текстолите или готовый направленный ответвитель.

Точность показаний резисторного моста с детектором на германиевом диоде составляет примерно ±0,2-0,3 единицы КСВ в диапазоне от 1 до 3. Этого достаточно, чтобы оценить, настроена антенна или нет, и убедиться, что передатчик не работает на сильно рассогласованную нагрузку. Для более точной работы применяется SDR-приёмник вместо диодного детектора: он показывает уровень в дБ и позволяет перевести возвратные потери в КСВ с точностью порядка 1-2 дБ.

Самодельный КСВ-мост, собранный за вечер из доступных компонентов, не заменяет профессиональный антенный анализатор. Но он даёт то главное, что нужно в реальной работе: понять, есть ли согласование, и убедиться, что антенна принимает мощность, а не отправляет её обратно в передатчик.