Схемотехника и принцип действия датчиков КСВ
Posted: 10 Sep 2021, 20:31
Датчик является ключевым элементом любого измерителя КСВ. Его задача получить информацию о степени согласования в фидере. Обычно с такого датчика мы получаем значения падающей Vf и отраженной Vr волны. КСВ определяется по стандартной формуле
SWR = (1+Vr/Vf)/(1-Vr/Vf) = (Vf+Vr)/(Vf-Vr)
Надо понимать что датчик вносит некотрое сопротивление потерь в фидер. Его стараются минимизировать, но оно всегда есть.
Самая простая схема датчика КСВ изображена на следующем рисунке
Попробуем разобраться как он работает. Итак у нас в фидер включен трансформатор тока с соотношением витков 1:N. Нагрузкой его является резистор номиналом R. Так как трансформатор преобразует сопротивление пропорционально квадрату соотношения витков, то в цепь фидера по сути включен резистор с номиналом R/N^2. Например если R=100ом и соотношение витков в трансформаторе 1:10 (N=10) то в фидер включен резистор номиналом 100/(10*10)=1ом. При нагрузке в 50ом и мощности P=100вт ток в фидере будет составлять I=Sqrt(P/50)=Sqrt(100/50)=1.4А. протекая через трансформатор тока он вызовет на первичной обмотке падение напрядения 1.4А*1ом=1.4в. Это напряжение будет трансформировано во вторичную обмотку и станет в N раз больше - 14в.
Запишем основные соотношения для 50ом нагрузки и мощности P:
Ток в фидере I = Sqrt(P/50)
Эквивалентное сопротивление датчика в фидере = R/N^2
Падение напряжение на датчике в фидере = Sqrt(P/50)*R/N^2
Напряжение на выходе датчика = Sqrt(P/50)*R/N
Мощность рассеивания на резисторе R = P*R/(50*N^2)
Из этих формул видно что если мы хотим повысить напряжение на выходе датчика то надо уменьшать количество витков во вторичной обмотке. При этом мы вносим большие потери в фидер.
Теперь разберемся как формируются напряжения прямой и обратной волны. Как мы уже выяснили на вторичной обмотке присутствует напряжение пропорциональное току в нагрузке. Разделим вторичную обмотку на две части введя отвод от середины. Очевидно что напряжения на каждом из выводов вторичной обмотки относительно среднего отвода равны по амплитуде, но находятся в противофазе. Предположим что они равны
U1 = k*I/2
U2 = -k*I/2
Тут I - ток протекающие по фидеру в нагрузку, а k - коэффициент трасформации нашего датчика k = R/N. Делим пополам так как у нас полобмотки.
С помощью делителя на конденсаторах C1C2 получим напряжение U0 и подадим его в среднюю точку трансформатора. Это приведет к тому, что на выходах трансформатора будет следующее напряжение
Uf = U1+U0 (прямая волна)
Ur = U2+U0 (отраженная волна)
Наш датчик КСВ должен показывать на номинальной нагрузке 50ом отраженную волну равную нулю. То есть должно выполнятся равенство
Ur = 0 = U2+U0
откуда получаем
U0 = -U2 = k*I/2 = (R/N) * Sqrt(P/50)/2
или
U0 = R*Sqrt(P/50) / 2N
При этом напряжение на выходе прямой волны составит Uf = U1+U0 = 2*U0.
Номиналы делителя C1C2 легко рассчитываются из следующего соотношения (P - входная мощность, Uвх - входное напряжение)
U0 = Uвх*С1/(С1+С2)
Uвх = Sqrt(P*50)
Sqrt(P*50)*С1/(С1+С2) = U0 = R*Sqrt(P/50) / 2N
C2/C1 = 2N*50/R - 1
Например при R=100ом и N=10 С2/С1=9.
Делитель напряжения может быть любым - резистивным, индуктивным, но его делают емкостным по причинам удобства регулировки по сравнению с индуктивным и частотно-компенсированностью по сравнению с резистивным делителем.
Тихая настройка датчика.
Обычно во всех источниках процедуру настройки описывают следующим образом - к выходу подсоединяем эквивалент нагрузки и подаем мощный сигнал. Изменяя емкость C1 добиваемся минимума напряжения на выходе обратной волны.
Но можно произвести и "тихую" настройку датчика с помощью ГСС. Для этого нагрузим датчик на эквивалент нагрузки 50ом, среднюю точку вторичной обмотки трансформатора отсоеденим от делителя C1C2 и подключим на землю. Подадим сигналс ГСС. Замерим сигнал на выходах вторичной обмотки - он должен быть равным по амплитуде и находиться в пртивофазе. Если это не соблюдается то необходимо обратить внимание на конструктив трансформатора. Далее с помощью C1 выставляем напряжение на делителе равное по амплитуде напряжению на вторичной обмотке трансформатора. Восстанавливаем соединение делителя C1C2 со средней точкой трансформатора. Настройка завершена.
SWR = (1+Vr/Vf)/(1-Vr/Vf) = (Vf+Vr)/(Vf-Vr)
Надо понимать что датчик вносит некотрое сопротивление потерь в фидер. Его стараются минимизировать, но оно всегда есть.
Самая простая схема датчика КСВ изображена на следующем рисунке
Попробуем разобраться как он работает. Итак у нас в фидер включен трансформатор тока с соотношением витков 1:N. Нагрузкой его является резистор номиналом R. Так как трансформатор преобразует сопротивление пропорционально квадрату соотношения витков, то в цепь фидера по сути включен резистор с номиналом R/N^2. Например если R=100ом и соотношение витков в трансформаторе 1:10 (N=10) то в фидер включен резистор номиналом 100/(10*10)=1ом. При нагрузке в 50ом и мощности P=100вт ток в фидере будет составлять I=Sqrt(P/50)=Sqrt(100/50)=1.4А. протекая через трансформатор тока он вызовет на первичной обмотке падение напрядения 1.4А*1ом=1.4в. Это напряжение будет трансформировано во вторичную обмотку и станет в N раз больше - 14в.
Запишем основные соотношения для 50ом нагрузки и мощности P:
Ток в фидере I = Sqrt(P/50)
Эквивалентное сопротивление датчика в фидере = R/N^2
Падение напряжение на датчике в фидере = Sqrt(P/50)*R/N^2
Напряжение на выходе датчика = Sqrt(P/50)*R/N
Мощность рассеивания на резисторе R = P*R/(50*N^2)
Из этих формул видно что если мы хотим повысить напряжение на выходе датчика то надо уменьшать количество витков во вторичной обмотке. При этом мы вносим большие потери в фидер.
Теперь разберемся как формируются напряжения прямой и обратной волны. Как мы уже выяснили на вторичной обмотке присутствует напряжение пропорциональное току в нагрузке. Разделим вторичную обмотку на две части введя отвод от середины. Очевидно что напряжения на каждом из выводов вторичной обмотки относительно среднего отвода равны по амплитуде, но находятся в противофазе. Предположим что они равны
U1 = k*I/2
U2 = -k*I/2
Тут I - ток протекающие по фидеру в нагрузку, а k - коэффициент трасформации нашего датчика k = R/N. Делим пополам так как у нас полобмотки.
С помощью делителя на конденсаторах C1C2 получим напряжение U0 и подадим его в среднюю точку трансформатора. Это приведет к тому, что на выходах трансформатора будет следующее напряжение
Uf = U1+U0 (прямая волна)
Ur = U2+U0 (отраженная волна)
Наш датчик КСВ должен показывать на номинальной нагрузке 50ом отраженную волну равную нулю. То есть должно выполнятся равенство
Ur = 0 = U2+U0
откуда получаем
U0 = -U2 = k*I/2 = (R/N) * Sqrt(P/50)/2
или
U0 = R*Sqrt(P/50) / 2N
При этом напряжение на выходе прямой волны составит Uf = U1+U0 = 2*U0.
Номиналы делителя C1C2 легко рассчитываются из следующего соотношения (P - входная мощность, Uвх - входное напряжение)
U0 = Uвх*С1/(С1+С2)
Uвх = Sqrt(P*50)
Sqrt(P*50)*С1/(С1+С2) = U0 = R*Sqrt(P/50) / 2N
C2/C1 = 2N*50/R - 1
Например при R=100ом и N=10 С2/С1=9.
Делитель напряжения может быть любым - резистивным, индуктивным, но его делают емкостным по причинам удобства регулировки по сравнению с индуктивным и частотно-компенсированностью по сравнению с резистивным делителем.
Тихая настройка датчика.
Обычно во всех источниках процедуру настройки описывают следующим образом - к выходу подсоединяем эквивалент нагрузки и подаем мощный сигнал. Изменяя емкость C1 добиваемся минимума напряжения на выходе обратной волны.
Но можно произвести и "тихую" настройку датчика с помощью ГСС. Для этого нагрузим датчик на эквивалент нагрузки 50ом, среднюю точку вторичной обмотки трансформатора отсоеденим от делителя C1C2 и подключим на землю. Подадим сигналс ГСС. Замерим сигнал на выходах вторичной обмотки - он должен быть равным по амплитуде и находиться в пртивофазе. Если это не соблюдается то необходимо обратить внимание на конструктив трансформатора. Далее с помощью C1 выставляем напряжение на делителе равное по амплитуде напряжению на вторичной обмотке трансформатора. Восстанавливаем соединение делителя C1C2 со средней точкой трансформатора. Настройка завершена.