У коротковолновиков при настройке или испытаниях аппаратуры нередко возникает необходимость измерять ток высокой частоты. Стандартных приборов для подобных измерений обычно у радиолюбителя нет. Вот высокочастотное напряжение измерить легко (диод, конденсатор, индикатор). В приборах проблем с измерением напряжения не возникает. Там есть корпус, относительно которого меряют все напряжения. И провода, идущие от точек измерения до ВЧ-вольтметра, обычно столь коротки (в значениях длины волны измеряемого напряжения λ), что почти не влияют на проверяемое устройство.

А вот в антенной технике сложнее. Во-первых, в антеннах часто вообще не бывает "земли" (например, симметричные антенны). Во-вторых, даже если "земля" и есть (скажем, GPили диполь с Y-согласованием), измерительные провода получаются недопустимо длинными. Представьте себе, как будет выглядеть попытка измерить напряжение в середине GP: ведь от этой точки до основания штыря придется тянуть провод! Они фактически становятся частью антенны, изменяют ее работу и распределение напряжения настолько, что точность и ценность таких измерений очень низки.

Для изучения и измерения того, что происходит в антенных проводниках, нужен ВЧ-амперметр. Он, в отличие от вольтметра, подключается в одной точке, а значит, не имеет длинных измерительных проводов, искажающих измерение.

Основой ВЧ-амперметра является датчик тока. Это специальный ВЧ-транс-форматор на ферритовом кольцевом магнитопроводе. Первичной обмоткой этого трансформатора является провод, в котором мы измеряем ток. Вторичная обмотка состоит из нескольких десятков витков, нагруженных на низкоомный резистор.

Показанный на рис. 1 токовый трансформатор работает так. Ток в измеряемом проводе через магнитопровод наводит ток во вторичной обмотке, который будет меньше тока в первичной цепи в отношение числа витков обмоток. Например, при отношении числа витков обмоток 20 (как в нашем приборе) он будет меньше в 20 раз. Этот ток, протекая через нагрузочный резистор, создаст на нем падение ВЧ-напряжения. Последнее уже можно измерить любым ВЧ-вольтметром (тут есть две точки для измерения - выводы вторичной обмотки): от детекторного диода до анализатора спектра или приемника.

Рис. 1. Схема токового трансформатора

Если сопротивление нагрузочного резистора R выбрать, например, 50 Ом, при токе I_вх в первичной обмотке трансформатора напряжение U_вых (на его вторичной обмотке будет U_выx=( I_вх/20)*50=2,5I_вx. Сопротивление 50 Ом в качестве нагрузки выбрано неслучайно, а для того, чтобы имелась возможность в качестве измерителя ВЧ-напряжения использовать приемник или анализатор спектра (измерение очень маленьких ВЧ-токов).

Отношение N числа витков обмоток, т. е. число витков вторичной обмотки (первичная всегда имеет один виток), выбрано из компромиссных соображений. С одной стороны, чем меньше витков во вторичной обмотке, тем широкополоснее будет трансформатор. А с другой стороны, чем больше N, тем меньше вносимое в измеряемый провод сопротивление и меньше влияния нашего трансформатора на измеряемый провод. Вносимое сопротивление равно R/N², т. е. в нашем случае 50/20²=0,125 Ом. Таким образом, активное входное сопротивление нашего ВЧ-амперметра - 0,125 Ом, что допустимо для большинства измерений.

Нам требуется измерительный прибор, а не "показометр". Для этого надо, чтобы магнитопровод мог работать в заданной полосе (т. е. феррит не должен быть слишком низкочастотным) и не насыщаться при значительных токах в измеряемом проводе (т. е. размеры магнитопровода должны быть достаточно большими).

Кроме того, магнитопровод должен быть распадающимся на две половинки, а его каркас - защелкивающимся. Без этого пользоваться прибором будет почти невозможно: вы же не будете всякий раз продевать начало измеряемого провода сквозь магнитопровод и двигать последний до точки измерения.

И последнее (по упоминанию, но не по значению) требование к магнитопро-воду токового трансформатора: отверстие должно быть большим, чтобы иметь возможность измерять ток в оплетках толстых кабелей.

Исходя из вышеизложенного, был выбран магнитопровод 28A3851-0A2 размерами 30x30x33 мм и с отверстием диаметром 13 мм. Это помехоподавляющий защелкивающийся магнитопровод из феррита с начальной магнитной проницаемостью около 300 на частоте 25 МГц. Скорее всего, подойдут и многие другие, аналогичные по назначению магнитопроводы.

Наматываем на магнитопроводе 20 витков тонкого монтажного провода (рис. 2) и защищаем вторичную обмотку термоусаживаемой трубкой (рис. 3).

Рис. 2. Магнитопровод с тонким монтажным проводом

Рис. 3. Магнитопровод с термоусаживаемой трубкой

Прикрепляем его к небольшой (20...30 см) диэлектрической штанге с коаксиальным приборным разъемом на нижнем конце. От разъема до вторичной обмотки в штанге проводим тонкий коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом.

Теперь можно проверить качество изготовленного токового трансформатора. Для этого проведем измерения по схеме, показанной на рис. 4.

Рис. 4. Схема для измерений

Оценим ожидаемый коэффициент передачи. Ток через R1 равен U_вх/R1. Подставляя это вместо I_вх в предыдущую формулу, получим U_вых=U_вх/20.

То есть коэффициент передачи такой цепи будет 1/20 или -26 дБ. Это при идеальной работе трансформатора. Сравним это расчетное значение с практикой. Результаты измерений в полосе 0,3...30 МГц показаны на рис. 5.

Рис. 5. Результаты измерений в полосе 0,3...30 МГц

Видно, что отличие коэффициента передачи от расчетного составляет менее 0,9 дБ, т. е. трансформатор получился весьма точным измерительным датчиком. И нельзя поручиться за то, что завал АЧХ на ВЧ-краю связан со свойствами феррита, а не с реальным падением тока через трансформатор. Дело в том, что провод, проходящий через трансформатор, имеет ненулевую индуктивность, которая повышает импеданс нагрузки, отчего немного растет результирующий КСВ (достигая 1,1 на частоте 30 МГц) и падает ток нагрузки. И очень похоже на то, что падение графика на АЧХ просто показывает правду: ток в нагрузке на ВЧ падает.

В любом случае видно, что точность измерения весьма высока (погрешность менее 1 дБ) в полосе частот от 0,3 до 30 МГц.

Описанный выше трансформатор тока используется в двух вариантах.

Во-первых, для автономной работы (например, на крыше для измерений тока в антеннах и изучения его распределения или для поиска по каким кабелям радиостанции растекается синфазный ток от передатчика) к трансформатору подключается диодный детектор с входным сопротивлением 50 Ом с переключателем пределов измерений и стрелочным прибором. Например, такой, как показан на рис. 6.

Рис. 6. Схема подключения

Резисторы R3-R6 подбираются исходя из чувствительности стрелочного прибора по следующей методике. При положении переключателя SA1 "10 А" на вход прибора подаем от источника питания постоянное напряжение 25 В и, подбирая резистор R6, устанавливаем полное отклонение шкалы. Делать это надо быстро, резисторы R1 и R2 сильно греются. На пределе "3 А" то же самое делаем при напряжении 7,5 В подбором резистора R5, на пределе "1 А" - при напряжении 2,5 В подбираем резистор R4, на пределе "0,3 А" - при напряжении 0,75 В подбираем резистор R3.

Получается удобный автономный ВЧ-амперметр, с помощью которого можно исследовать почти любые антенны. Почти потому, что сопротивление любого амперметра должно быть во много раз меньше сопротивления измеряемой цепи. Поэтому применять этот ВЧ-амперметр в тех местах, где сопротивление меньше нескольких ом (КЗ шлейфы, магнитные рамки, укороченные антенны), не то чтобы нельзя, но неразумно. Включение амперметра в такие места вызовет заметное изменение тока, и истинное его значение вы не узнаете.

Для измерения малых токов (например, паразитных синфазных токов помех в различных шнурах и кабелях) к трансформатору подключают 50-омный вход приемника или анализатора спектра.

Например, на рис. 7 показано, какие сигналы присутствуют в сетевом шнуре удлинителя, к которому подключены компьютер, монитор и цифровой осциллограф (тоже, в принципе, компьютер). Изучается полоса любительского диапазона 160 метров от 1,8 до 2 МГц.

Рис. 7. График, иллюстрирующий присутствие сигналов в сетевом шнуре удлинителя, к которому подключены компьютер, монитор и цифровой осциллограф

Такую нерадостную картину дают всего три импульсных блока питания. Причем это еще хорошие блоки питания, отвечающие нормам на паразитное излучение. Это, однако, не исключает того факта, что приему DX они вполне могут мешать. Описанный ВЧ-датчик тока поможет найти наиболее проблемные, в смысле излучения помех, кабели и приборы.

Автор: И.Гончаренко