Измерение малых переменных напряжений на высоких частотах — одна из самых востребованных задач в радиолюбительской практике․ Промышленные ВЧ-милливольтметры стоят дорого, поэтому многие радиолюбители собирают такой прибор самостоятельно․ В этой статье рассмотрим принципы работы, типовые схемные решения и практические рекомендации по изготовлению ВЧ/СВЧ милливольтметра своими руками․

Зачем нужен ВЧ-милливольтметр

Обычный мультиметр способен измерять переменное напряжение лишь в звуковом диапазоне частот (обычно до нескольких килогерц)․ Для работы с радиочастотными цепями — каскадами усилителей, генераторами, смесителями, антенными трактами, требуется прибор, способный измерять напряжения от единиц милливольт до нескольких вольт на частотах от сотен килогерц до сотен мегагерц и выше․

Типичные применения самодельного ВЧ-милливольтметра:

• настройка и проверка усилителей ВЧ и ПЧ;
• измерение выходного напряжения генераторов и гетеродинов;
• контроль уровня сигнала в трактах приёмников и передатчиков;
• поверка и градуировка других измерительных приборов;
• измерение КСВ и мощности в сочетании с согласованными нагрузками․

Принцип работы

Основа любого ВЧ-милливольтметра — детектор, преобразующий высокочастотное переменное напряжение в постоянное, которое затем измеряется обычным вольтметром постоянного тока (стрелочным или цифровым)․ Структурная схема прибора выглядит так:

1. Входной делитель/аттенюатор — расширяет диапазон измеряемых напряжений и обеспечивает высокое входное сопротивление с малой входной ёмкостью․
2. ВЧ-детектор — диодный выпрямитель (пиковый или средневыпрямленный), часто с компенсацией нелинейности диода․
3. Усилитель постоянного тока (УПТ) — усиливает слабый постоянный сигнал с детектора до уровня, достаточного для индикатора․
4. Индикатор — стрелочный микроамперметр или цифровой вольтметр․

Вариант 1․ Простой ВЧ-пробник к мультиметру

Самое простое решение — детекторная головка (ВЧ-пробник), подключаемая к обычному цифровому мультиметру в режиме измерения постоянного напряжения․ Схема содержит всего несколько деталей:

• высокочастотный диод (германиевый Д9, Д18, Д20 или импульсный кремниевый с малой ёмкостью, например 1N4148, а для СВЧ, диоды Шоттки типа BAT62, HSMS-2860);
• конденсатор фильтра 1000–10000 пФ;
• разделительный конденсатор на входе;
• резистор нагрузки и делитель для калибровки․

Диод выпрямляет ВЧ-сигнал, конденсатор сглаживает пульсации, и мультиметр показывает постоянное напряжение, пропорциональное амплитуде входного сигнала․ Для синусоидального сигнала действующее значение примерно равно показаниям, делённым на 1,41 (с поправкой на падение на диоде, которое заметно при малых напряжениях)․

Важно: пробник следует собирать в экранированном корпусе (подойдёт корпус от маркера из жести или латунная трубка), соединение с прибором — экранированным кабелем․ Входные цепи делают максимально короткими, чтобы уменьшить паразитные ёмкости и индуктивности, ограничивающие верхнюю частоту․

Вариант 2․ Милливольтметр с усилителем на транзисторах

Для измерения напряжений от единиц милливольт одного диода недостаточно, падение напряжения на нём вносит большую погрешность․ Поэтому применяют схему с усилителем․ Классический вариант — прибор на трёх-четырёх транзисторах:

• входной каскад — истоковый повторитель на полевом транзисторе (КП303, КП307, BF245) для высокого входного сопротивления;
• усилительный каскад — один-два транзистора с частотной коррекцией;
• детектор с компенсацией — диодный выпрямитель, включённый в цепь обратной связи, что линеаризует шкалу;
• стрелочный индикатор — микроамперметр на 50–100 мкА․

Такой прибор позволяет измерять напряжения от 1–3 мВ до 3–10 В (с переключаемым входным делителем 1:1, 1:10, 1:100) в полосе частот от 20 Гц до 50–200 МГц в зависимости от применённых транзисторов и качества монтажа․

Вариант 3․ Прибор на микросхеме AD8307

Современное и очень популярное решение — логарифмический детектор на микросхеме AD8307․ Она обеспечивает:

• диапазон измерения около 75–90 дБ (от десятков микровольт до единиц вольт);
• рабочие частоты от постоянного тока до 500 МГц (с осторожностью — до 900 МГц);
• линейную шкалу в децибелах, удобную для измерения мощности на нагрузке 50 Ом․

На выходе микросхемы — постоянное напряжение, пропорциональное логарифму входного сигнала (примерно 25 мВ/дБ)․ Его можно подать на цифровой вольтметр, стрелочный индикатор или микроконтроллер с АЦП и дисплеем․ На основе AD8307 легко построить измеритель ВЧ-мощности и милливольтметр с цифровой индикацией в дБм и милливольтах․

Конструкция и монтаж

При сборке ВЧ-прибора конструктивное исполнение не менее важно, чем схема:

1. Экранирование․ Весь прибор или хотя бы входную часть размещают в металлическом корпусе․ Питание — от батареи или через проходные конденсаторы․
2. Монтаж․ Входные цепи выполняют навесным монтажом с минимальной длиной выводов либо на печатной плате со сплошным земляным полигоном․ Для СВЧ-диапазона применяют микрополосковую топологию․
3. Входной разъём․ Для работы в согласованных трактах удобен ВЧ-разъём (BNC, SMA); для измерений в схемах — короткий щуп с «земляным» контактом длиной не более 1–2 см․
4. Делитель․ Резисторы делителя подбирают с точностью 1% и лучше, шунтирующие ёмкости рассчитывают так, чтобы постоянные времени плеч были равны — тогда деление не зависит от частоты․

Калибровка

Градуировку выполняют по образцовому источнику сигнала:

• на низкой частоте (50 Гц – 1 кГц) — по точному мультиметру, подавая известное переменное напряжение;
• на высоких частотах — по генератору с аттенюатором и известным выходным уровнем либо сравнением с заводским ВЧ-вольтметром;
• для пикового детектора шкалу градуируют в действующих значениях для синусоидального сигнала (показания делятся на √2)․

Подстроечными резисторами устанавливают ноль (компенсация начального тока усилителя) и крутизну шкалы на каждом пределе измерения․

Типичные ошибки и ограничения

• Нелинейность на малых уровнях — ниже 100–200 мВ простой диодный детектор даёт большую погрешность; нужен усилитель или компенсация․
• Частотная погрешность — ёмкость диода и монтажа ограничивает верхнюю частоту; для СВЧ применяйте диоды Шоттки в бескорпусном или SMD-исполнении․
• Влияние формы сигнала, пиковый детектор, отградуированный по синусу, будет врать при измерении немодулированных и несинусоидальных сигналов․
• Наводки — без экранировки прибор «ловит» эфир и сетевые помехи, особенно на чувствительных пределах․

Самодельный ВЧ/СВЧ милливольтметр — вполне посильная задача для радиолюбителя среднего уровня․ Начать можно с простого диодного пробника к мультиметру, а по мере роста потребностей перейти к прибору с усилителем на транзисторах или к современному варианту на AD8307 с цифровой индикацией․ Главные условия точности — качественный монтаж, экранирование, короткие входные цепи и тщательная калибровка․ Такой прибор станет надёжным помощником при настройке любой радиоэлектронной аппаратуры;