Коаксиальный направленный ответвитель

Направленный ответвитель (НО) — это устройство, позволяющее ответвить часть энергии, проходящей по фидеру, таким образом, что при одном направлении распространения электромагнитной волны сигнал на выходе ответвителя Uотв. = Uф/Кu (Uф - напряжение на фидере, Кu — коэффициент деления ответвителя), а при противоположном направлении распространения — Uотв. = 0. Известно много различных вариантов выполнения направленных ответвителей, но большинство из них имеют один общий недостаток — они отпоетельно узкополосны. Это заставляет при использовании НО, например, в измерителях КСВ вводить регулировку чувствительности.

Описываемый коаксиальный направленный ответвитель позволяет измерять КСВ в полосе частот от 1 до 500 МГц, мощность в фидере вне зависимости от значения КСВ в указанной полосе частот, исследовать ВЧ тракты на наличие неоднородностей в разъемных соединениях и фидере (до долей процента), определять с высокой степенью точности местонахождения пробоев, замыканий, разрывов и т.п. в кабеле и других элементах ВЧ трактов, использовать в системах полудуплекса и т.д.

НО состоит из датчиков тока и напряжения и сумматора. Упрощенная эквивалентная схема приведена на рис. 1 в тексте, где Iф обозначает ток в фидере (знак зависит от направления распространения волны), r - волновое сопротивление кабеля, R1, R2 - резисторы в датчике напряжения, R3 - в датчике тока. Если R1>>R2 = r>>R3, математическое описание работы устройства существенно упрощается. В итоге получается, что Uотв. = (Uф ±Uф)/2Кu где Ku = r/R3 = R1/r - коэффициент деления НО. Таким образом, для волны, распространяющейся в прямом направлении, Uотв. = Uф/Ku а для волны, распространяющейся в противоположном направлении, Uотв. = 0.

Широкополосность описываемого НО обусловлена оригинальным конструктивным исполнением (см. рис. 1 цветной).

Датчик тока выполнен в виде одновиткового трансформатора тока, образованного внутренней центральной жилой фидера (первичный виток) и специальной полостью в экране, играющей вместе с оплеткой фидера роль вторичного витка. Магнитная связь между внутренним объемом фидера, в диэлектрике которою распространяется электромагнитная волна, и полостью создается за счет разрыва оплетки фидера внутри полости. Вторичный виток нагружен на шунт, выполненный из резисторов, равномерно расположенных по периметру разрыва. На эквивалентной схеме они также обозначены как R3.

При таком конструктивном исполнении паразитная индуктивность щунта пренебрежимо мала по сравнению с индуктивностью отрезка фидера. На низких частотах R3 должно быть меньше или равно wLт , где w - низшая частота сигнала. Lт — индуктивность вторичного витка трансформатора. Для увеличения Lт, применен замкнутый магнитопровод из ферритовых колец, надетых на оплетку фидера рядом с ее разрывом.

Датчик напряжения представляет собой резистивный делитель R1R2, включенный между центральным проводником фидера и выходом датчика тока, что и создает режим направленного ответвления.

Делитель R1R2 включен параллельно фидеру, датчик тока R3 — последовательно. Такая Г-образная цепочка обеспечивает согласование в широкой полосе частот и некоторое постоянное ослабление сигнала, проходящего по фидеру, исключая при этом частотные искажения проходящего и ответвленного сигналов.

Практическая конструкция, предназначенная для измерения КСВ и мощности в фидере, выполнена в виде двух встречно включенных НО, как показано на рис. 2 (цветном). Экран, играющий одновременно роль несущей конструкции, спаян из фольгпрованного стеклотскстолита. Размеры экрана некритичны. Предлагаемая конструкция рассчитана на применение фидера с волновым сопротивлением 50 Ом и максимальную мощность передатчика около 200 Вт при КСВ меньше или равном 4. При меньших значениях КСВ допустимая мощность пропорционально увеличивается, при больших - снижается. Коэффициент деления ответвленных сигналов выбран Ку = 100.

Rl составлен из четырех последовательно включенных резисторов МЛТ-1 сопротивлением 1,2 и 1,3 кОм - по 2 резистора (см. рис. 3 цветной). R3 выполнен из 15 резисторов МЛТ-0,5 сопротивлением 7,5 Ом. размещенных равномерно по периметру оплетки кабеля в два ряда и плотно прилегающих к диэлектрику (см. рис. 4 цветной). R2 представляет собой два включенных параллельно резистора МЛТ-0,25 номиналом 100 Ом, расположенных на высоте 1,5...2 мм над резисторами датчика тока и на расстоянии 3...5 мм друг от друга. Прежде чем подключать резисторы, следует убедиться в том, что они не имеют спиральной токопроводящей канавки, заметно увеличивающей паразитную индуктивность. Расстояние от R1 до экрана должно быть не менее 15...20 мм. Ферритовые кольцевые магнитопроводы проницаемостью 600...4000 при использовании кабеля РК50-7-11 должны иметь внутренний

диаметр 8...15 мм. НО может быть выполнен непосредственно на имеющемся фидере, в любом его месте.

При изготовлении НО оплетка должна плотно и равномерно прилегать по всей длине к диэлектрику, для чего используют бандаж из тонкой проволоки или нити.

Конструкция прибора получается достаточно простой, если применить приборно-кабельные разъемы. Если же их нет, то можно использовать приборные разъемы, приемы соединения которых с НО приведены на рис. 2 в тексте. Вариант А может быть рекомендован при работе на частотах до 30 МГц, Б и В — на частотах до 500 МГц. Конус (см. вариант B) при этом либо образуется оплеткой кабеля, либо изготавливается из листовой меди, латуни и т. п. Оплетку жестко фиксируют на срезе внутреннего диэлектрика кабеля прижимом, а оставшуюся часть расплетают. Распрямленные проводники равномерно распределяют по периметру. Больший диаметр конуса некритичен и определяется размером задней части разъема. Необходимый электрический контакт достигается пайкой по всему периметру.

Если подобрать резисторы датчиков тока, напряжения и сумматора с точностью ±1 % от указанных номиналов. то налаживать устройство не нужно. В противном случае желательно подобрать один из резисторов в датчике тока по минимальному значению Uотр. Отметим, что эти меры необходимы только при измерении очень малых значений КСВ, меньших, чем 1,05.

Опытный образец, выполненный без предварительного подбора деталей и настройки, показал следующие результаты; диапазон рабочих частот составил 0,3...500 МГц. Коэффициент деления был равен 100 ±5. На частоте 30 МГц коэффициент направленности ухудшался на 2%. на 500 МГц — на 5%. Магнитопровод состоял из 30 колец типоразмером К20Х10Х6 из феррита с проницаемостью 1000. Поскольку в любительской связи нижняя граница используемых частот составляет 1,8 МГц, то число колец можно уменьшить до 6 - 7.

Схема подключения измерительных приборов показана на рис. 3 в тексте. На ней Р1 и Р2 — высокочастотные вольтметры или осциллографы с входным сопротивлением 50 Ом и полосой пропускания, допускающей измерение максимальной частоты исследуемого тракта.

При этом:

При определении местоположения неоднородностей в фидере (в том числе обрывов или замыканий) с помощью двухлучевого высокочастотного осциллографа измеряют временной интервал между зондирующим и отраженным прямоугольными короткими импульсами и, учитывая скорость распространения электромагнитной волны в кабеле (приблизительно 2х10^8 м/с), вычисляют искомое расстояние от НО до неоднородности.

Следует отметить, что в случае применения коаксиального направленного ответвителя только на УКВ, где используются существенно меньшие мощности, можно расширить диапазон его рабочих частот вверх. Для этого необходимо уменьшить Ку до 10...20, применить для R3 резисторы МЛТ-0,125, расположенные в один ряд, R1 заменить на один резистор типа МЛТ-0,5 или МОН и сделать делитель датчика напряжения частртно компенсированным (для нейтрализации паразитной емкости резистора R1). Эти меры позволяют достичь верхней границы в 1...1.5 ГГц.