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
|
|
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 |
|
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.
|
После того, как антенна установлена, ее необходимо настроить по минимуму значения КСВ в середине участка рабочих частот или если предполагается работать только на одной частоте, по минимальному значению КСВ на этой частоте. Таблица 1. Потери мощности при различных значениях КСВ Рис 1. Схема подключения КСВ метра
Рассмотрим пример настройки антенны на среднюю частоту сетки С (частота 27,205МГц) изменением длины штыря. Сначала нужно измерить значение КСВ на 1 канале сетки С. Затем на последнем (40) канале сетки С. Если значение КСВ больше 3 в обоих случаях, значит антенна установлена неправильно, не рассчитана на работу в этом диапазоне или имеет неисправности. Если КСВ, измеренный на 1 канале, больше значения КСВ на 40 канале, значит длину штыря нужно укоротить, если наоборот - то штырь необходимо удлинить (выдвинуть из держателя). Встаем на 20 канал сетки С, измеряем КСВ, запоминаем его значение. Откручиваем винты, фиксирующие штырь, двигаем его на 7-10 мм в нужную сторону, затягиваем винты, проверяем КСВ снова. Если штырь вставлен до предела, а КСВ все еще высокий, то придется укорачивать штырь физически. Если штырь выдвинут максимально, то придется увеличивать длину согласующей катушки. Устанавливаем штырь по середине крепления. Откусываем 5-7 мм, измеряем КСВ, снова откусываем. При этом следим чтобы значение КСВ уменьшалось. Как только оно достигнет минимума и начнет увеличиваться, прекращаем издеваться над штырем и далее регулируем его длину изменением положения в антенне Таким образом находим минимум КСВ. Обратите внимание, что антенну надо настраивать только по месту ее ОКОНЧАТЕЛЬНОЙ установки. Это значит, что, перенеся антенну на другое место, ее снова необходимо будет настраивать. Если Вы получили КСВ порядка 1,1-1,3, это отличный результат. Если Вы получили КСВ порядка 1,3-1,7, это тоже неплохо и Вам не о чем беспокоиться. Если КСВ 1,8 - 2, то следует обратить внимание на потери в ВЧ разъемах (неправильная разделка кабеля, плохая пропайка центральной жилы кабеля и т. д.) Для антенны такой уровень согласования будет означать, что у нее есть проблемы с согласованием, и она нуждается в настройке. КСВ 2,1 - 5 означает явную неисправность в антенне или неправильную ее установку. КСВ более 5 означает обрыв центральной жилы в кабеле или в антенне. Из другого источника Длины 50-омного кабеля в полуволнах, режим “полуволнового повторителя” (верно для кабелей со сплошной полиэтиленовой изоляцией центральной жилы) Количество полуволн Средняя частота МГц Длина отрезка кабеля Итак, вот вы купили радиостанцию, антенну и прикрутив комплект к машине, с удивлением обнаруживаете, что вас не слышно. Дураки покупают усилитель, а умные настраивают антенну. Вы же умные, да? Поэтому начав разбираться в причинах, первым делом натыкаетесь на слова КСВ или “Коэффициент стоячей волны”. Итак, что такое КСВ или “коэффициент стоячей волны”? Эта такая циферка, которая характеризует правильность настройки. Чем меньше, тем лучше. Меньше 1 не бывает. Что она означает, вы сможете прочитать в интернете: статей не просто много, а очень много. Как его измерить? Обычно там же, где продают радиостанции и антенны, можно купить и КСВ-метр. Профессиональный вам совершенно не нужен, берите самый дешевый, он должен стоить 400-500 рублей максимум. В качестве показометра его хватит за глаза. Первым делом его надо подключить. Обычно все нарисовано на картинках, но если что, то в ANT или ANTENNA надо прикрутить антенну, а в TRANSMITTER или RADIO – выход от радиостанции. Включаем радиостанцию. Теперь посмотрите на сам КСВ-метр. Там есть переключатели REF-FWD и/или PWR/SWR. 1. Щелкаем в SWR и FWD. 2. Теперь нажимаем на тангете радиостанции “передача” и крутилкой на КСВ-метре выводим стрелочку на максимум на шкале. 3. Щелкаем на REF. 4. Снова нажимаем “передача” и смотрим на шкалу, которая с буковками SWR. Это и есть искомый КСВ. Ну вот, получили циферку. Скажем, 2.5 или 3. А везде пишут, что КСВ должен быть 1! Иначе плохо. Чего делать? Ниже икслюзивная картинка от меня. Как видите, график значений КСВ представляет собой нечто, смахивающее на U или V. Сразу скажу, у всех он разный! У кого-то склоны крутые, а у кого-то пологие. У кого-то левый круче правого или наоборот … У кого-то минимум графика проходит через КСВ=1, а у кого-то и двойка идеалом будет. В общем, ваше – оно только ваше! Наша задача – поставить минимум графика на тот канал, в котором больше всего общаетесь. Скажем, 15й, где дальнобои общаются. Первое, что необходимо понять – на каком “склоне” сейчас все настроено. Это просто: ставим станцию на 1й канал, замеряем КСВ, затем на 15й, снова замеряем, затем на 30й, снова замеряем. Смотрим на циферки. Циферки падают – вы на левом. Антенну надо удлинять. Цифреки растут – вы на правом склоне. Антенну надо укорачивать. Циферки в духе “большая-маленькая-большая” – у вас график КСВ очень узкий, уменьшите шаг. Ну или вы очень близко к цели – хватит антенну подвигать в держателе. Циферки в духе “одинаковая-одинаковая-одинаковая” – у вас график КСВ очень широкий. Длиной антенны изменить крайне маловероятно. По моему опыту скорее всего придется обрезать антенну. Остальные случаи встречаются очень редко … После удлинения или укорачивания антенны процесс измерения повторить до достижения минимального значения КСВ на нужном канале. Повторюсь, минимально достижимый уровень у каждой установки свой! Как укорачивать? Любыми мощными кусачками по сантиметру от верхушки откусывать. Тут главное не перестараться, ибо удлинять гораздо муторней, чем обрезать. Как удлинять? Вот тут сложнее. Если не хватает диапазона регулировок самой антенны, то обычно припаивают/прикручивают/приваривают к верхушке кусок с запасом, что бы потом обрезать … Более продвинутые могут все тоже самое сделать изменением числа витков намотанного на катушку провода (утолщение такое снизу антенны), но продвинутым эта рассказка не нужна 🙂 Какие значения КСВ хорошие, а какие плохие? Грубо говоря все что больше 2,5 это плохо. 1,5-2,5 – потянет. 1,1-1,5 хорошо. 1 – отлично. У вас большой КСВ и не уменьшается? 99% за то, что очень плохой контакт где-то в цепочке “масса антенны – корпус машины – корпус радиостанции”. Или в антенном проводе и разъемах. Видите, как все просто? Коэффициент стоячей волны Коэффициент стоячей волны - Отношение наибольшего значения амплитуды напряженности электрического или магнитного поля стоячей волны в линии передачи к наименьшему . Характеризует степень согласования антенны и фидера (также говорят о согласовании выхода передатчика и фидера) и является частотнозависимой величиной. Обратная величина КСВ называется КБВ - коэффициент бегущей волны . Следует различать величины КСВ и КСВН (коэффициент стоячей волны по напряжению): первая высчитывается по мощности, вторая - по амплитуде напряжения и на практике используется чаще; в общем случае эти понятия эквивалентны. Коэффициент стоячей волны по напряжению вычисляется по формуле: , В идеальном случае КСВН = 1, это означает, что отраженная волна отсутствует. При появлении отраженной волны КСВ 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. Значение КСВ зависит от многих факторов, например:
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. Где К
- коэффициент ослабления отраженной волны, который вычисляется следующим образом: , Плохая (высокая) величина КСВ(Н) нагрузки приводит не только к ухудшению КПД из-за уменьшения поступившей в нагрузку полезной мощности. Возможны и другие последствия:
Для устранения этого могут применяться защитные вентили или циркуляторы . Но при продолжительной работе на плохую нагрузку, они могут выйти из строя. Для маломощных линий передачи могут использоваться согласующие аттенюаторы . Связь КСВН с S-параметрами четырёхполюсникаКоэффициент стоячей волны можно однозначно связать с параметрами передачи четырёхполюсника (S-параметрами): Аналоги КСВ в зарубежных изданиях
ПримечанияWikimedia Foundation . 2010 . Расчет коэффициента стоячей волны по напряжению с помощью анализатора спектра производится путем пересчета через измеренное значение коэффициента отражения. Измерение коэффициента отражения
Рис. 1. Схема подключения для калибровки при измерении коэффициента отражения с помощью цепи короткого замыкания Пример:
Примечание:
Калибровка измерения коэффициента отражения
Рис. 2. Нормализация цепи короткого замыкания Данная операция активирует функцию вычитания результатов измерения
3 из результатов измерения 1 и отображает результаты в графике
измерения 1 (обозначаемого как «trace 1»). Нормализованное
измерение соответствует 0 дБ потерь на отражение. Нормализация
возникает при каждом запуске развертки. Измерение обратных потерь
Рис. 3. Измерение обратных потерь для фильтра Преобразование величины обратных потерь в значение КСВН Величина обратных потерь может быть выражена в терминах коэффициента стоячей волны по напряжению с помощью следующей таблицы или формулы:
Таблица 1. Преобразование мощности отражения в КСВН  где RL (Return Loss) – измеренное значение потерь на отражение. КСВН иногда отображается в виде отношения. Например, 1.2:1 КСВН. Первое число обозначает значение КСВН, которое берется из таблицы или вычисляется с помощью формулы. Второе число всегда равно 1. Похожие статьи
|
ВНИМАНИЕ!!! Пpибоp должен допускать pаботу пpи Вашей выходной мощности! То есть если прибор рассчитан на максимальную мощность 10Вт, а ему на вход подать 100Вт, то результат будет вполне очевиден в виде дыма и вполне осязаем органами обоняния. Переключатель нужно поставить в положение FWD (прямое включение). Включив передачу, нужно выставить ручкой стрелку-указатель на конец шкалы. Таким образом делается калибровка показаний прибора. Калибровать прибор нужно каждый раз при изменении рабочей частоты. Далее, переключив (при отключенной передаче) прибор в положение REF (обратное включение), включить передачу и считать значение КСВ по шкале прибора. 
