Радиоантенны 
Объяснение КСВ (SWR) и того, как лучше всего его измерить. Что такое КСВ? КСВ (коэффициент стоячей волны) — один из самых запутанных терминов в любительском радио. Хотя все книги по антеннам и линиям передачи, быстро указывают на это, он по-прежнему остаётся источником множества заблуждений.
Для большинства радиолюбителей, использующих КСВ-метр, КСВ — это то, что показывает измеритель, и если измеритель показывает отсутствие проблем, то всё в порядке. Это просто неправда. В этом разделе попытаемся ещё раз объяснить, что такое КСВ, а что нет.
В проектировании и изготовлении антенн и так достаточно проблем, чтобы добавлять ещё один источник путаницы! Особенно при работе с антеннами с дефектами важно точно понимать, что такое КСВ, поскольку обычно используются короткие антенны с низким импедансом, а КСВ может быть одним из основных источников неэффективности.
Согласование антенны с линией передачи существенно отличается от согласования передатчика с линией. Отмечено, что каждая линия передачи имеет волновое сопротивление, которое обычно составляет 50, 75, 300 или 450 Ом, в зависимости от конструкции линии.
В лучшем случае мы бы использовали линию передачи сопротивлением 50 Ом для подключения антенны с импедансом 50 Ом к передатчику с номинальным выходным сопротивлением 50 Ом. В этом случае всё согласовано, и, если мы обеспечим отсутствие токов по экрану коаксиального кабеля, всё должно работать отлично. Поскольку все компоненты системы согласованы, потери в линии передачи минимальны, передатчик может работать с расчётной эффективностью, и почти вся выходная мощность передатчика попадёт на антенну и будет излучаться.
Но что произойдёт, если подключить линию передачи сопротивлением 50 Ом к антенне с сопротивлением в точке питания, отличным от 50 Ом? Допустим, например, что входное сопротивление антенны составляет 10 Ом (резистивное), что нередко встречается в коротких антеннах.
Обратите внимание, что линия передачи имеет сопротивление 50 Ом и согласована с выходом передатчика сопротивлением 50 Ом. Однако несоответствие сопротивлений линии передачи сопротивлением 50 Ом и антенны сопротивлением 10 Ом приводит к КСВ, равному 50/10 = 5:1, и значительная часть мощности отражается от антенны обратно в линию передачи. Скорее всего, защитные схемы передатчика приведут к снижению мощности.
Стоячие волны. Рассмотрим, что происходит в линии передачи. Передатчик подаёт мощность (ток и напряжение) определённой частоты или длины волны в линию. На конце антенны или нагрузки часть мощности поглощается нагрузкой или излучается. Остальная мощность отражается обратно по линии к передатчику.
На протяжении всей линии передачи прямой и отражённый ток и напряжение суммируются, давая суммарный ток и напряжение в любой точке линии. Пока сопротивление нагрузки, длина линии и частота не меняются, на линии будет наблюдаться устойчивая картина пиков и спадов напряжения и тока. Это называется «стоячей волной», поскольку она не меняется. Отношение максимального напряжения к минимальному является мерой рассогласования и называется «коэффициентом стоячей волны по напряжению» КСВН (VSWR).
Аналогично, отношение максимального тока к минимальному называется коэффициентом стоячей волны по току ISWR, где I обозначает ток. Можно показать, что ISWR — это то же самое, что и VSWR, но VSWR обычно легче измерить. Обычно мы говорим просто КСВ (SWR), подразумевая КСВН (VSWR). Но не забывайте, что речь идёт о распределении напряжения вдоль линии передачи, вызванном рассогласованием между линией передачи и нагрузкой или антенной.
В нашем примере КСВ линии передачи равен 5:1. Это равно отношению импеданса антенны (10 Ом) к волновому сопротивлению линии передачи (50 Ом). Таким образом, не зная ничего другого, мы знаем, что максимальное напряжение в линии в 5 раз превышает минимальное. Кроме того, мы знаем, что максимальный ток в линии передачи в 5 раз превышает минимальный ток в этой линии. Поскольку резистивные потери зависят от квадрата тока (I²), мы также знаем, что любые потери в линии больше, чем при меньшем токе.
Импеданс. Что насчёт импеданса? Мы знаем, что на антенне импеданс равен 10 Ом. Мы также знаем, что импеданс — это отношение напряжения к току, и как напряжение, так и ток изменяются вдоль линии, поскольку у нас есть стоячие волны. Фактически, в этом примере они оба изменяются в 5 раз. Предположим, что ток минимален, а напряжение максимально на антенне. Тогда на расстоянии 1/4 длины волны от антенны ток максимален, а напряжение минимально. Можно показать, что в этой точке напряжение в 5 раз больше, чем на антенне, а ток будет в 5 раз меньше, поэтому импеданс будет в 25 раз больше. Вместо 10 Ом он будет 250 Ом. Обратите внимание, что 250/50 = 50/10 = 5, что является КСВ.
Итак, поскольку в нашем примере на линии передачи есть точка (у антенны), где импеданс равен 10 Ом, и есть также другая точка на линии (на расстоянии 1/4 длины волны), где импеданс равен 250 Ом, то вполне логично предположить, что между ними есть некая точка на линии, где импеданс равен точно 50 Ом.
На самом деле, это верно. Если бы мы нашли эту точку и подключили передатчик точно в точке с импедансом 50 Ом, передатчик был бы удовлетворен и передавал бы с полной эффективностью. Но распределение тока и напряжения вдоль линии остаётся прежним! Всё ещё есть стоячие волны, всё ещё больше тока, чем необходимо, и всё ещё есть избыточные потери в линии передачи из-за стоячих волн.
Итак, посмотрим, что произойдёт с нашим КСВ-метром. Если мы подключим передатчик напрямую к антенне и измерим КСВ там, измеритель покажет КСВ 5:1, как и ожидалось. Если мы подключим передатчик точно к точке импеданса 50 Ом, измеритель покажет КСВ 1:1. Если мы подключим передатчик к точке 1/4 длины волны, где импеданс равен 250 Ом, измеритель снова покажет 5:1, поскольку 250/50 = 5.
Как такое возможно? КСВ не меняется, потому что стоячие волны всё ещё существуют из-за рассогласования импедансов линии передачи 50 Ом и антенны 10 Ом. Однако показания счётчика колеблются от 5:1 до 1:1 и обратно, в зависимости от того, где подключены передатчик и счётчик. Что, чёрт возьми, происходит?!
КСВ-метры. Чтобы понять это явление, нам нужно точно знать, что измеряет типичный КСВ-метр. Обратите внимание, что он не измеряет максимальное и минимальное напряжение (или ток) в линии передачи. Очевидно, что он не может этого сделать, поскольку находится только в одном месте линии передачи. Это означает, что он не измеряет КСВ линии передачи, хотя и называется «КВР-метром». Так что же он измеряет?
В книге ARRL Antenna Book и других учебниках, описывающих КСВ-метры, обычно упоминаются мостовые схемы и направленные ответвители. В этих схемах передаваемый сигнал поступает через мост, состоящий из резисторов, сопротивление которых равно волновому сопротивлению линии передачи 50 Ом. (Следует отметить, что некоторые профессиональные измерители могут использовать другие сопротивления, но они, как правило, дороги и не используются в любительских целях.)
Измеритель, по сути, измеряет отношение импеданса в точке подключения к фидерной линии к сопротивлению 50 Ом. Таким образом, в данном примере показания будут находиться в диапазоне от 50/10 = 5 до 50/50 = 1 и обратно до 250/50 = 5, в зависимости от того, в какой точке фидерной линии подключен измеритель.
Другими словами, обычный КСВ-метр измеряет отношение импеданса к 50 Ом. Он не измеряет коэффициент стоячей волны линии передачи.
Очевидно, что нам необходимо поддерживать КСВ как можно ближе к 1:1, чтобы снизить потери в линии передачи. Однако наш измеритель не может измерить реальный КСВ в линии передачи, и то, что он показывает 1:1, не означает, что линия передачи и антенна согласованы и в линии передачи нет стоячих волн. Что же нам делать?
На этом этапе любому, кто заинтересован в оптимизации антенны, следует взять книгу о линиях передачи и изучить распределение импеданса вдоль линии. В данном примере рассматривалась чисто резистивная нагрузка. Хотя ситуация усложняется, когда антенна имеет и резистивную, и реактивную нагрузку, принципы остаются теми же.
Есть одно место на линии передачи, где мы всегда можем гарантированно измерить реальный КСВ относительно линии сопротивлением 50 Ом. Это как раз антенна. Другими словами, если вы хотите узнать КСВ для потерь в линии, снимайте КСВ, используя 50-омный коаксиальный кабель, непосредственно на антенне, а не на передатчике или конце фидерной линии.
(Примечание: если у вас есть один из новых антенных анализаторов, например RigExpert, который позволяет исключить влияние фидерной линии, результаты будут такими же, как при снятии показаний в точке питания антенны. Если вы серьёзный строитель антенн, экспериментатор или просто тот, кто ценит точные результаты, этот тип анализатора бесценен. Он значительно упростит вашу сборку/установку и позволит вашим антеннам работать в полную силу).
W5ALT
