Шумовой мост, как следует из его названия, является устройством мостового типа. Источник шума генерирует шум в диапазоне от 1 до 30 МГц. С применением высокочастотных элементов этот диапазон расширяется, и при необходимости можно настраивать антенны диапазона 145 МГц. Шумовой мост работает совместно с радиоприемником, который используется для детектирования сигнала. Подойдет также любой трансивер.
Принципиальная схема прибора приведена на рис.1. Источником шума является стабилитрон VD2. Здесь следует отметить, что некоторые экземпляры стабилитронов недостаточно "шумят", и следует выбрать наиболее подходящий. Генерируемый стабилитроном шумовой сигнал усиливается широкополосным усилителем на транзисторах VT2, VT3.
Число усилительных каскадов может быть уменьшено, если используемый приемник имеет достаточную чувствительность. Далее сигнал подается на трансформатор Т1. Он намотан на тороидальном ферритовом кольце 600 НН диаметром 16...20 мм одновременно тремя скрученными проводами ПЭЛШО диаметром 0,3...0,5 мм; число витков -6.
Регулируемое плечо моста составляют переменные резистор R14 и конденсатор С12. Измеряемое плечо - конденсаторы С10, СИ и подключаемая антенна с неизвестным импедансом. В измерительную диагональ подключается приемник в качестве индикатора. Когда мост разбалансирован, в приемнике слышен мощный равномерный шум. По мере настройки моста шум становится все тише и тише. "Мертвая тишина" свидетельствует о точной балансировке. Следует отметить, что измерение происходит на частоте настройки приемника. Печатная плата и размещение деталей на ней приведены на рис.2.
Прибор конструктивно выполнен в корпусе размером 110х100х35 мм. На передней панели располагаются переменные резисторы R2 и R14, переменные конденсаторы С11 и С12 и выключатель напряжения питания. Сбоку - разъемы для подключения радиоприемника и антенны. Питание прибора осуществляется от внутренней батареи типа"Крона"или аккумулятора. Ток потребления - не более 40 мА.
Переменные резистор R14 и конденсатор С12 необходимо снабдить шкалами.
Настройка, балансировка и калибровка
Подключаем радиоприемник с отключенной системой АРУ к соответствующему разъему. Конденсатор С12 устанавливаем в среднее положение. Вращая резистор R2, следует убедиться, что генерируемый шум присутствует на входе приемника на всех диапазонах. К разъему "Антенна" подключаем безындукционные резисторы типа МЛТ или ОМЛТ, предварительно измерив их номиналы цифровым авометром. При подключении сопротивлений добиваемся вращением R14 резкого уменьшения уровня шума в приемнике.
Подбором конденсатора С12 минимизируем уровень шума и делаем отметки на шкале R14 в соответствии с подключенным образцовым резистором. Таким образом производим калибровку прибора вплоть до отметки 330 Ом.
Калибровка шкалы С12 несколько сложнее. Для этого поочередно подключаем к разъему "Антенна" параллельно соединенные резистор 100 Ом и емкость (индуктивность) величиной 20...70 пф (0,2...1,2 мкГн). Добиваемся баланса моста установкой R14 на отметке 100 Ом шкалы и минимизацией уровня шума вращением С 12 в обе стороны от положения "О". При наличии RC-цепочки ставим знак"-" на шкале, а при наличии RL-цепочки - знак "+". Вместо индуктивности можно присоединить конденсатор 100...7000 пф, но последовательно с резистором 100 Ом.
Измерение импеданса антенны
R14 устанавливаем в положение, соответствующие импедансу кабеля - это для большинства случаев 50 или 75 Ом. Конденсатор С12 устанавливаем в среднее положение. Приемник настраиваем на ожидаемую резонансную частоту антенны. Включаем мост, выставляем некоторый уровень шумового сигнала. С помощью R14 настраиваемся на минимальный уровень шума, и с помощью С12 дополнительно понижаем шум. Эти операции проводим несколько раз, так как регуляторы влияют друг на друга. Настроенная в резонанс антенна должна иметь нулевое реактивное сопротивление, а активное сопротивление должно соответствовать волновому сопротивлению применяемого кабеля. В реальных антеннах сопротивления, как активное, так и реактивное, могут существенно отличаться от расчетных.
Определение резонансной частоты
Приемник настраивается на ожидаемую резонансную частоту. Переменный резистор R14 устанавливается на сопротивление 75 или 50 Ом.
Конденсатор С12 устанавливается в нулевое положение, а контрольный приемник перестраивается по частоте до получения минимального шумового сигнала.
Простой метод согласования КВ антенн в «холодном» режиме.
В настоящее настройка и согласование антенн проводится в основном с использованием КСВ-метров, когда на антенну подается довольно большая ВЧ мощность. При этом антенна ее излучает, а так как при настройке приходится несколько раз перестраивать передатчик в пределах диапазона работы антенны, создаются значительные помехи другим радиостанциям.
Между тем, есть еще один метод настройки антенн - с помощью ВЧ моста, он описан в известном всем справочнике Ротхаммеля. Но и в этом случае для работы моста требуется значительная мощность, которая может обеспечить достаточный ток в плечах моста.
Однако, если несколько модернизировать мост, то можно для настройки обойтись сигналом обычного ВЧ генератора сигналов, с напряжением на выходе 0,5 - 1 вольт. Но для этого необходимо, чтобы ВЧ сигнал был модулирован низкочастотным сигналом 400 -1000 гц, а ещу лучше чтобы генератор работал в режиме видеомодуляции импульсами такой частоты.
Такие режимы есть практически во всех современных генераторах сигналов.
Схема подключения для настройки антенны на нужную частоту и согласования ее с коаксиальным кабелем 50 ом приведена на рисунке. ВЧ генератор ставится в режим видеомодуляции или АМ с коэффициентом модуляции 100% и подключается к гнезду Х1, антенна - желательно сначала непосредственно - подключается к гнезду Х2. В гнезда ХТ подключаются головные телефоны.
Затем генератор настраивается на частоту работы антенны. Если при этом в наушниках слышится НЧ сигнал частоты модуляции генератора, значит, на данной частоте антенна имеет входное сопротивление, отличное от активного 50 ом. Перестраивая генератор по частоте в ту и другую сторону от установленной, добиваемся пропадания сигнала в наушниках. Это и будет частота, на которой входное сопротивление активное и равно 50 ом.
В зависимости от того, в какую сторону и насколько отличается эта частота от нужной, изменяем геометрические размеры антенны или данные согласующих элементов, и вновь проверяем частоту баланса моста. Добившись баланса на необходимой частоте, подключаем к антенне фидер 50 ом, и производим аналогичную проверку антенно - фидерного тракта полностью.
При исправном фидере и правильно проведенной настройке, после подключения фидера разницы в измерениях с фидером или без не наблюдается, а подключение КСВ метра показывает КСВ равный 1, или близкий к нему.
Данный метод испытан при настройки антенн до диапазана 14 мгц, настраивались как проволочные антенны на 160 и 80 метров, так и 4 элементная антенна на диапазон 20 метров.
Во всех случаях удавалось быстро и точно произвести настройку.
Генераторы стандартных сигналов (ГСС) обеспечивают на нагрузке 50 Ом напряжение 1…2 В, что явно недостаточно для работы с мостовыми измерителями сопротивления антенн. Для того чтобы использовать обычные мостовые измерители сопротивлений без их переделки, необходимо использовать широкополосный усилитель мощности. Схема такого усилителя приведена на рисунке.
Широкополосный усилитель обеспечивает не менее 1 Вт выходной мощности при работе совместно с ГСС в диапазоне частот от 1 до 30 МГц. Если уменьшить напряжение питания до 12 В и использовать номиналы деталей, приведенные в скобках, то выходная мощность усилителя падает до 600 мВт, что достаточно для работы со многими типами измерительных мостов. При сборке усилителя из исправных деталей и выставлении указанного на схеме тока коллектора, усилитель сразу работоспособен и не нуждается в наладке. Усилитель удобно собрать навесным монтажом.
Трансформатор Т1 выполнен на кольцевом магнитопроводе с размерами К7х4х2 из феррита проницаемостью 400…600. Обмотки содержат по 12 витков провода типа ПЭЛ-2-0,35, намотанных скруткой - одна скрутка на один сантиметр. Ферритовое кольцо можно использовать и больших размеров. Усилитель можно собрать в корпусе из фольгированного стеклотекстолита. Транзистор VT1 установлен на радиаторе. На корпус усилителя выводятся высокочастотные гнезда входа-выхода и выводы питания усилителя.
Иногда бывает неудобно использовать ГСС совместно с усилителем мощности Это могут быть случаи проведения измерений в полевых условиях; с ГСС, питаемым от батарей, и т.п В этом случае можно использовать мост с усилителем высокочастотного напряжения разбаланса.
Схема такого моста следующая:
Отличие ее от других схем мостовых измерителей в том, что высокочастотное напряжение детектируется и измеряется не сразу, а через трансформатор Т1 подается на вход транзисторного двухкаскадного усилителя и затем уже детектируется Это позволяет обойтись при настройке антенн уровнями ВЧ-напряжения, выдаваемого генератором стандартных сигналов Усилитель может быть собран на любых высокочастотных транзисторах типа КТ315, КТ312. АЧХ усилителя линейны до 40 МГц. Трансформатор Т1 содержит по 22 витка провода ПЭЛ-0,1 в каждой обмотке. Обмотки расположены симметрично на обеих половинках кольца размерами К10x7x4 проницаемостью 400…600
Калибровка прибора заключается в отметке на лимбе переменного резистора R2 сопротивления нагрузки Это лучше сделать, используя цифровой омметр. Показания лимба при балансировке моста и будут соответствовать сопротивлению измеряемой антенны.
Мостовой измеритель собран в корпусе из фольгированного стеклотекстолита Его монтаж должен быть максимально компактным и жестким Лимб переменного резистора для повышения точности измерений должен иметь максимально возможные размеры.
Шумовой мост используется для измерения и тестирования параметров антенн, линий связи, определения характеристик резонансных цепей и электрической длины фидера. Шумовой мост, как следует из его названия, является устройством мостового типа. Источник шума генерирует шум в диапазоне от 1 до 30 МГц. С применением высокочастотных элементов этот диапазон расширяется, и при необходимости можно настраивать антенны диапазона 145 МГц.
Шумовой мост работает совместно с радиоприемником, который используется для детектирования сигнала. Подойдет также любой трансивер.
Принципиальная схема прибора приведена выше. Источником шума является стабилитрон VD2. Здесь следует отметить, что некоторые экземпляры стабилитронов недостаточно «шумят», и следует выбрать наиболее подходящий. Генерируемый стабилитроном шумовой сигнал усиливается широкополосным усилителем на транзисторах VT2, VT3. Число усилительных каскадов может быть уменьшено, если используемый приемник имеет достаточную чувствительность. Далее сигнал подается на трансформатор Т1. Он намотан на тороидальном ферритовом кольце 600 НН диаметром 16…20 мм одновременно тремя скрученными проводами ПЭЛШО диаметром 0,3…0,5 мм с намотанными 6 витками.
Регулируемое плечо моста составляют переменные резистор R14 и конденсатор С12. Измеряемое плечо - конденсаторы С10, С11 и подключаемая антенна с неизвестным импедансом. В измерительную диагональ подключается приемник в качестве индикатора. Когда мост разбалансирован, в приемнике слышен мощный равномерный шум. По мере настройки моста шум становится все тише и тише. «Мертвая тишина» свидетельствует о точной балансировке.
Следует отметить, что измерение происходит на частоте настройки приемника.
Размещение деталей:
Прибор конструктивно выполнен в корпусе размером 110x100x35 мм. На передней панели располагаются переменные резисторы R2 и R14, переменные конденсаторы С11 и С12 и выключатель напряжения питания.
Сбоку размещены разъемы для подключения радиоприемника и антенны. Питание прибора осуществляется от внутренней батареи или аккумулятора. Ток потребления - не более 40 мА.
Переменные резистор R14 и конденсатор С12 необходимо снабдить шкалами.
Настройка, балансировка и калибровка
Подключаем радиоприемник с отключенной системой АРУ к соответствующему разъему. Конденсатор С12 устанавливаем в среднее положение. Вращая резистор R2, следует убедиться, что генерируемый шум присутствует на входе приемника на всех диапазонах. К разъему «Антенна» подключаем безындукционные резисторы типа МЛТ или ОМЛТ, предварительно измерив их номиналы цифровым авометром. При подключении сопротивлений добиваемся вращением R14 резкого уменьшения уровня шума в приемнике.
Подбором конденсатора С12 минимизируем уровень шума и делаем отметки на шкале R14 в соответствии с подключенным образцовым резистором. Таким образом производим калибровку прибора вплоть до отметки 330 Ом.
Калибровка шкалы С12 несколько сложнее. Для этого поочередно подключаем к разъему «Антенна» параллельно соединенные резистор 100 Ом и емкость (индуктивность) величиной 20.. 70 пФ (0,2…1,2 мкГн). Добиваемся баланса моста установкой R14 на отметке 100 Ом шкалы и минимизацией уровня шума вращением С12 в обе стороны от положения «0». При наличии RC-цепочки ставим знак «-» на шкале, а при наличии RL-цепочки - знак «+». Вместо индуктивности можно присоединить конденсатор 100 .7000 пф, но последовательно с резистором 100 Ом.
Измерение импеданса антенны
R14 устанавливаем в положение, соответствующие импедансу кабеля - это для большинства случаев 50 или 75 Ом. Конденсатор С12 устанавливаем в среднее положение. Приемник настраиваем на ожидаемую резонансную частоту антенны. Включаем мост, выставляем некоторый уровень шумового сигнала. С помощью R14 настраиваемся на минимальный уровень шума, и с помощью С12 дополнительно понижаем шум. Эти операции проводим несколько раз, так как регуляторы влияют друг на друга. Настроенная в резонанс антенна должна иметь нулевое реактивное сопротивление, а активное сопротивление должно соответствовать волновому сопротивлению применяемого кабеля. В реальных антеннах сопротивления, как активное, так и реактивное, могут существенно отличаться от расчетных.
Определение резонансной частоты
Приемник настраивается на ожидаемую резонансную частоту. Переменный резистор R14 устанавливается на сопротивление 75 или 50 Ом.
Конденсатор С12 устанавливается в нулевое положение, а контрольный приемник перестраивается по частоте до получения минимального шумового сигнала.
На рис.1 приведена схема ВЧ-моста, разработанная на основе конструкции UA9AA .
Рис.1
Как правило, навесной монтаж, применяемый при изготовлении моста, ограничивает диапазон рабочих частот подобных устройств значениями 140...150 МГц. Чтобы обеспечить работу в диапазоне 430 МГц, прибор целесообразно изготовить на двустороннем фольгированном текстолите. Один из удачных вариантов монтажа показан на рис.2 и 3.
Рис.2
На верхней стороне платы (рис.2) расположены два безындукционных резистора R1, R2 с компенсационными конденсаторами С4, С5. На нижней стороне (рис.3) размещаются остальные детали моста. Монтаж выполнен на "пятачках".
Рис.3
Расстояния между "пятачками" определяются размерами используемых деталей. Кружки, обозначенные на рисунках штриховыми линиями, соединены между собой через отверстия в плате.
При изготовлении моста особое внимание следует уделить качеству используемых деталей. Конденсаторы С1, С2 - керамические, безвыводные, типа К10-42, К10-52 или аналогичные. Опорный конденсатор С3 - КДО-2. Подстроечные конденсаторы С4, С5-типа КТ4-21, КТ4-25; остальные конденсаторы - КМ, КЦ. Резисторы R1, R2 должны быть типа МОН, С2-10, С2-33 мощностью 0,5 Вт и иметь одинаковое сопротивление в пределах 20...150 Ом. Если используются резисторы типа МОН, то выводы у них откусываются до основания, которое зачищается и залуживается, а затем припаивается к нужному "пятачку". Резистор R3 - типа СП4-1, СП2-36, безындукционный, с графитовой дорожкой. Этот резистор крепится на боковой стенке из фольгированного текстолита, однако фольга в месте его крепления удаляется. Корпус резистора не соединяется с общим проводом, иначе мост не удастся сбалансировать. Ручка, укрепляемая на оси резистора, должна быть изготовлена из изоляционного материала. Кроме резистора R3, на боковых стенках крепятся разъемы СР-50. Места соединения (стыки) между боковыми стенками и основной платой тщательно пропаиваются.
Мощность сигнала от генератора должна быть около 1 Вт. В качестве генератора могут использоваться, например, IC-706MK2G, варакторный утроитель и т.д.
При проверке балансировки ВЧ-моста в диапазонах VHF и UHF используются только безындукционные резисторы. Точной настройке компенсационных конденсаторов (при одном и том же сопротивлении нагрузки) соответствует неизменный баланс на нескольких диапазонах (например, 7...430 МГц). Если не удастся подобрать достаточное количество безындукционных резисторов для градуировки моста, промежуточные значения шкалы прибора можно отградуировать на НЧ-диапазонах, используя распространенные резисторы, например, типа МЛТ или МТ.
Для измерения реактивности нагрузки потребуется заменить конденсатор С5 переменным (с воздушным диэлектриком и максимальной емкостью около 20 пФ), однако верхний частотный предел измерений ограничен диапазоном 144 МГц, т.к. не удается полностью компенсировать емкость монтажа.
Если в приборе использовать дроссели индуктивностью 200 мкГн, частотный диапазон моста составит 0,1...200 МГц.
Предлагаемая конструкция имеет очень хорошую повторяемость, в отличие от устройств, выполненных с применением навесного монтажа.
Литература
- Ю.Селевко (UA9AA). Прибор для настройки антенн. Радиолюбитель, 1991, N5, С.32...34.