Обычно значение КСВ вычисляется по формуле:
где:
Uпад амплитуда падающей волны,
Uотр амплитуда отраженной волны.
ВЧ напряжения Uпад и Uотр берутся с разной степени хитрости направленных ответвителей, на ферритах, линиях или резисторных мостах. А вот аппаратная реализация способов вычисления по формуле (1) бывает разная.
Простейший КСВ-метр отдельно детектирует падающую и отраженную волну, а затем требует установки уровня падающей волны Uпад в 1 (т.е. её нормировки). После этой нормировки формула (1) приобретает вид:
где:
Uнорм.отр нормированная (установкой в 1 падающей) амплитуда отраженной волны.
Теперь для измерения достаточно только измерить Uнорм.отр, а измеритель этого напряжения проградуировать сразу в единицах КСВ. Вы наверняка видели такие КСВ-метры: КСВ = 1 там соответствует нулевому положению индикатора, а середина шкалы КСВ = 3 (если в формулу (2) подставить Uнорм.отр = 0,5, то получится 3).
Наиболее распространены такие КСВ-метры с ручной установкой переменным резистором падающей волны в 1. Но встречаются и довольно сложные автоматы (как аналоговые, так и цифровые), реализующие тот же алгоритм (электронными потенциометрами или усилителями с управляемым усилением).
Недостатком таких приборов (кроме сложности у автоматов) является неважная точность измерения низких КСВ (отраженная волна становится маленькой и даже небольшая погрешность её измерения сильно валит точность измерений-вычислений).
Другой способ вычисления КСВ основан на измерении основан на предварительном делении числителя и знаменателя формулы (1) на Uпад. Понятно, что значение дроби (то есть КСВ) при этом не меняется. А формула приобретает следующий вид:
Из формулы (3) следует, что для вычисления КСВ по ней абсолютные значения Uотр и Uпад нас не интересуют. Достаточно знать лишь их отношение Uотр/Uпад.
Найти это отношение можно деля переменным резистором Uпад до тех пор, пока результат деления не станет равным Uотр и в этот момент по углу поворота переменного резистора (он должен быть со шкалой) считать КСВ. Такие КСВ-метры есть как с ручным, так и электронным (автоматическим) управлением переменным резистором. Они имеют приличную точность измерения низких КСВ. Но все-таки автоматы довольно сложны, а крутить переменный резистор при каждом измерении надоедает (представьте, что надо снять несколько частотных графиков КСВ, каждый из которых содержит не один десяток точек).
Попробуем преобразовать формулу (3) в что-то более удобное для простого вычисления. Всякие цифровые устройства отметаем (еще нам процессоров и прошивок в КСВ-метре не хватало). Остаются аналоговые методы. Мы уже попробовали выше ими делить и остались недовольны: неудобная реализация. А что в аналоговой технике просто? Сложение и вычитание, т.е. суммирующий или диференциальный каскад.
Чтобы заменить в формуле (3) неудобное деление на удобное вычитание, вспомним из школьного курса математики, что логарифм дроби равен разности логарифмов. То есть:
Формула (4) содержит в себе готовый рецепт измерения отношения Uотр/Uпад (то есть, фактически КСВ): подать ВЧ сигналы Uотр и Uпад на логарифмические детекторы (каждый сигнал на свой детектор) а разность между выходными уровнями детекторов (стрелочный прибор, включенный между ними, или входы дифференциального каскада на ОУ) будет пропорциональна КСВ.
Этот рецепт в реализации прост. Существует немало недорогих микросхем логарифмических ВЧ детекторов для очень широкого диапазона частот и амплитуд (последний достигает 60 ... 80 dB) и очень высокой точностью детектирования. Практически это означает, что сигналы с направленного ответвителя на входах такого КСВ-метра могут меняться в сотни и тысячи раз по мощности, а он на это никак не отреагирует, ибо измеряет только разницу их логарифмов. А последняя определяется только КСВ и не зависит от амплитуды сигналов Uотр и Uпад (естественно,пока они находятся в пределах возможностей используемых логарифмических микросхем детекторов.
Построим расчетный график, что ждать от логарифмического КСВ-метра. И сразу пересчитаем разность log(Uпад) - log(Uотр) в КСВ. Результат показан на следующем рисунке для изменения КСВ от 1,05 до 17 (почему выбраны именно такие пределы, см. ниже):
Получилась очень интересная и полезная зависимость. Во-первых, график вполне заметно меняется даже при больших КСВ (в отличие от обычного КСВ-метра, где при большой отраженной волне показания стоят почти на месте). Это означает, что при работе с логарифмическим КСВ-метром вполне можно видеть изменение КСВ и его знак даже при КСВ > 10, т.е. понимать в ту ли сторону мы крутим согласующее устройство, даже при очень больших расстройках последнего.
Во-вторых, в области низких КСВ выходное напряжение меняется сильно, что позволяет точно измерять даже малые рассогласования. Например, в обычном КСВ-метре при изменении КСВ от 1,05 до 1,1 индицируемая нормированная отраженная волна меняется на 2,5% всей шкалы (от 0,05 до 0,025). В логарифмическом же КСВ-метре то же самое изменение КСВ приведет к изменению показаний от 1,1 до 1,4 В, т.е. почти на 20% от всей шкалы.
Расчеты – это хорошо и правильно. Но критерием истины является практика. У меня под руками оказались логарифмические детекторы LT5534 с динамическим диапазоном 60 дБ и полосой от 50 до 3 ГГц.
Была собрана такая схема:
На выход в качестве вольтметра подключался обычный цифровой тестер. Чтобы видеть именно работу описанного выше принципа и не заниматься учетом погрешностей конкретного направленного ответвителя, на вход Uпад подавался сигнал прямо с лабораторного генератора, а на вход Uотр – тот же сигнал, но через калиброванный переключаемый аттенюатор. Кроме того, для согласования к обоим входам (Uпад и Uотр) были подключены согласованные нагрузки.
Т.е. сигнал, прошедший аттенюатор имитировал отраженную волну, а затухание аттенюатора задавало величину КСВ как:
| dB | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 10 | 14 | 19 | 26 | 32 | 40 |
| КСВ | 17,0 | 8,6 | 5,8 | 4,4 | 3,6 | 3,0 | 1,9 | 1,5 | 1,25 | 1,10 | 1,05 | 1,02 |
Кстати, именно от этой таблички выбрана такая шкала КСВ на первом рисунке.
Показанная выше схема была исследована на четырех частотах: 50, 100, 300 и 700 MHz. И на каждой частоте, переключением аттенюатора по приведенной выше таблице были сняты зависимости выходного сигнала от КСВ. Все измерения были сделаны для четырех разных уровней сигнала на входе Uпад: – 10 dBm, – 20 dBm, – 30 dBm и – 40 dBm.
Результаты в виде таблиц приводить не буду, даже мне как автору трудно что-то увидеть в блоке 16-ти таблиц. А вот графики, построенные по тем таблицам воспринимать куда легче. Поэтому вот результаты в виде графиков:
Красным на графиках показана вычисленная зависимость для идеального (без погрешностей) прибора, остальными цветами – измеренные значения для разных уровней сигнала на входе Uпад.
Что мы видим на этих графиках?
Во-первых, очень маленькое отклонение от идеальной (красной) кривой для всех измеренных частот и КСВ > 1,25. Это говорит о высокой точности измерений.
Во-вторых, мы видим совершенно уникальную для КСВ-метров нечувствительность выходного сигнала к уровню входных сигналов (не к их разнице, а именно к уровню). При КСВ > 1,25 графики всех цветов (т.е. разных амплитуд) почти лежат друг на друге. Изменение входных сигналов на 30 дБ (то. есть в 1000 раз по мощности) фактически не влияет на выходной сигнал логарифмического КСВ-метра.
Для уровней – 10 dBm и – 20 dBm мы видим очень высокую точность измерения низких КСВ, вплоть до значения 1,02.
Отклонение голубого (– 30 dBm) и фиолетового (– 20 dBm) графиков от идеальной красной кривой при КСВ КСВ < 1,25 связано с ограничением возможностей примененных детекторов LT5534. Их нижняя граница входного сигнала лежит около уровня – 60 dBm. Поэтому, когда мы даем на вход Uпад сигнал с уровнем – 40 dBm, а на входе Uотр дополнительно ослабляем его на 19 дБ для КСВ = 1,25 (см. таблицу выше), то получаем уровень – 59 dBm. Это почти нижняя граница для LT5534, поэтому дальнейшее уменьшение сигнала на входе Uотр (при более низких КСВ) уже не приводит к изменению уровня сигнала детектора Uотр: микросхема достигла своего ограничения снизу.
Это ограничение не достигается при уровнях – 10 dBm и – 20 dBm, поэтому мы весьма точно измеряем даже КСВ = 1,02. В самом деле, пусть на входе Uпад уровень – 20 dBm, а КСВ = 1,02. Это соответствует затуханию 40 дБ (см. таблицу), т.е. на входе Uотр сигнал будет – 20 dBm – 40 = – 60 dBm, что хотя и на пределе, но детектируется LT5534.
На следующем рисунке показаны сводные графики по всем частотам и уровням сигналов для пяти фиксированных значений КСВ. Группы графиков для одного значения КСВ обведены красными окружностями:
Видно, что во всем диапазоне мощностей и частот выходной сигнал прибора стабилен. И фактически не зависит ни от уровня, ни от частоты, а только от КСВ. Исключение лишь составляет 700 МГц при КСВ = 1,25: тут уже начинает сказываться снижение входного импеданса микросхемы и нехватка усиления, как обсуждено выше.
Описанный принцип использования двух логарифмических детекторов и снятия выходного сигнала как разницы их выходных уровней позволяет реализовать следующие возможности:
1. КСВ-метр с чрезвычайно широким динамическим диапазоном, в принципе недостижимым для других типов приборов. Так, при детекторах LT5534 динамический диапазон составляет 30 дБ при КСВ > 1,2. Иначе говоря, КСВ-метр может без всяких переключений одинаково работать при проходящей мощности от 1 Вт до 1кВт.
При использовании детекторов с более широким диапазоном входных напряжений (например, ADL5513, с 80 дБ против 60 дБ у LT5534) можно либо соответственно расширить допустимый диапазон мощностей (скажем работать от 0,1 Вт до 1 кВт), либо при том же диапазоне 30 дБ уменьшить до 1,05 ... 1,02 КСВ, измеряемый на малой мощности.
2. Высокая чувствительность логарифмических детекторов позволяет работать при очень маленьких проходящих мощностях. Так, описанная схема вместе с кабельным направленным ответвителем уверенно и с хорошей точностью измеряла КСВ выше 1,2 (величина КСВ дополнительно контролировалась профессиональным измерителем импеданса Agilent E5061A ) на 430 MHz при мощности в кабеле всего 10 мВт (т.е. + 10 dBm). Затухание в кабельном направленным ответвителе на 430 MHz составляло около 45 дБ, поэтому на входе Uпад было + 10 dBm – 45 дБ = –35 dBm. Этого вполне достаточно для описываемого КСВ-метра. А ограничение по минимальному измеряемому КСВ 1,2 при уровне –35 dBm в данном случае несущественно, т.к. сам направленный ответвитель имел ограничение по точности на уровне КСВ = 1,15 (см. его описание).
3. Частотный диапазон фактически будет определяться полосой направленного ответвителя. Полоса самих логарифмических детекторов шире. Использованный мной для экспериментов LT5534 работает от 50 до 3000 MHz. Упомянутый выше (хотя именно его я не пробовал на практике) ADL5513 работает по паспорту от 1 до 4000 MHz.
4. Сочетание п.2 и п.3 позволяет на описанном принципе создавать КСВ-метры для LPD, WiFi и Bluetooth устройств при мощности последних в единицы милливатт.
5. Если в качестве выходного сигнала надо получить однополярный сигнал, то между выходами детекторов включается любой дифференциальный усилитель (например, на ОУ).
Если выходной сигнал должен быть оцифрован, то между выходами логарифмического детектора и входами дифференциального ATD (Analog-to-digital, по-русски АЦП) надо включить дифференциальный усилитель с возможностью привязки середины выходного уровня к опорному напряжению ATD (т.е. со входом Vocm), например LTC6403.
Существует очень удобная икросхема MAX2016. Она содержит два логарифмических детектора (динамический диапазон 80 дБ,частота до 2,5 ГГц) и несколько операционных усилителей. На MAX2016 можно собрать логарифмический КСВ-метр с любым выходным сигналом.
Bonn, 23.10.2014