Многие радиолюбители, по давно заведенной традиции, используют большое разнообразие самодельной аппаратуры, собранной из подручных элементов и материалов. Нет ничего удивительного в том, что и усилители мощности трансивера, используемого, как правило, в качестве возбудителя для более мощного выходного каскада, собираются также по различным принципиальным схемам. Большинство усилителей мощности собираются на мощных генераторных лампах. Схемы включения ламп и режимы по постоянному току разнообразны, в следствии чего, неоднозначны их входные и выходные сопротивления.
Правильный выбор длины коаксиального кабеля, соединяющего трансивер с усилителем мощности, имеет большое значение. Можно с полной уверенностью констатировать, что возникает необходимость трансформировать выходное сопротивление усилителя мощности трансивера во входное сопротивление мощного выходного каскада. И, если это сделано правильно, то соединительный кабель не будет оказывать существенного влияния на этот процесс.
Различаются три характерных случая, когда трансивер находится рядом с усилителем мощности (на одном столе) и длина соединительного кабеля незначительна - около 1м; трансивер расположен на расстоянии 3 ... 5 м от усилителя мощности и трансивер находится в удалении от усилителя мощности на расстоянии 10... 12 м.
Первый случай. Длима коаксиального кабеля, соединяющего трансивер с усилителем мощности — 0,5 ... 1 м.
Если электрическая длина коаксиального кабеля меньше 0,1l (l - длина волны), то кабель можно рассматривать как электрическую емкость. Кабель длиной L обладает емкостью:
Скаб = Спог Lкаб, где:
- Спог = 50...100 пФ — погонная емкость конкретного кабеля [пФ/м] — справочная величина. Кабель длиной 70 см имеет емкость порядка 50 пФ.
Рис.1.
В трансивере, на выходе которого имеется перестраиваемый П-контур, рис. 1, эта емкость может быть скомпенсирована уменьшением емкости антенного конденсатора С2, практически на всех любительских диапазонах. Необходимо также помнить, что входная емкость усилителя мощности Свх - паразитная емкость, влияние которой желательно скомпенсировать или уменьшить.
В случае не перестраиваемых выходных контуров или ФНЧ емкость соединительного кабеля уже явно лишняя. Она рассогласовывает выход трансивера и через нее протекает реактивный ток, уменьшающий "раскачку" и ухудшающий линейность выходного каскада. Помимо всего прочего, существует прямая зависимость от частоты и от напряжения возбуждения.
Рис.2.
Ламповые усилители мощности, как правило, собираются по схеме с общим катодом или по схеме с заземленной сеткой (сетками). С целью компенсации погонной емкости кабеля для усилителей, собранных по схеме с общим катодом, рис.2 рекомендуется устанавливать на входе усилителя мощности колебательный контур с катушкой связи, переключаемый на каждом любительском диапазоне. В таблице 1 приводятся величины элементов для пяти диапазонов.
Таблица 1.
|
Диапазон
|
Кол-во витков L2
|
D мм
|
L намотки
|
Провод
|
Кол-во витков L1
|
|
во
|
32
|
25
|
50
|
1,2
|
5
|
|
40
|
18
|
20
|
30
|
1,2
|
3
|
|
20
|
10
|
16
|
32
|
1,5
|
2
|
|
15
|
7
|
16
|
22
|
1,5
|
1.5
|
|
10
|
5
|
16
|
16
|
2
|
1
|
Настроенные контура на входе усилителя в схеме с общим катодом улучшают линейность и это особенно становится заметным, когда каскад работает с токами первой сетки на пиках возбуждающего напряжения - в классе АВ2, а также снижают проникновение высших гармоник. Радиолюбители старшего поколения хорошо помнят об этом.
В последнее время на входе выходного каскада, видимо с целью упрощения, устанавливают что-то вроде автотрансформатора на ферритовом кольце. Однако подобные автотрансформаторы не позволяют оптимально согласовать входное и выходов сопротивления и нейтрализовать вредное влияние соединительного коаксиального кабеля.
Рис.3.
Если усилитель выполнен по схеме с заземленными сетками, то на его входе рекомендуется установить переключаемые П-контура (ФНЧ), рис.3. Катушки LI ... L5 намотаны на ребристых каркасах диаметром 12 мм. В величину С2 входят Свх. Ламп (ы) и Смонт. Особо требуется отметить, что в этом случае Свх. Ламп (ы) уже не шунтирует входную цепь усилителя, особенно на ВЧ диапазонах.
П-контур на входе такого усилителя мощности повышает КПД каскада на 4-5 %, а его линейность повышается на 3-4 дБ из-за того, что входное напряжение становится симметричным. С целью упрощения конструкции, на входе усилителя можно установить П-контур с отводами на каждый любительский диапазон, рис.4. Катушка LI имеет 17 витков провода ПЭВ-2 - 1,3 мм. Намотана на каркасе диаметром 30 мм, длина намотки 60 мм. Отводы от 2,4 и 10 витков. Катушка L2 — бескаркасная — 0,45 мкГ. Содержит 5 витков ПЭВ-2 — 2 мм. Диаметр и длина намотки — 25 мм. Для 160 М диапазона надо добавить катушку L3 (на схеме не показана), аналогичную L1.
Рис.4.
П-контур на входе усилителя мощности рассчитывается аналогично анодному, но для этого необходимо знать эквивалентное входное сопротивление усилителя. В схеме с заземленными сетками входное сопротивление зависит от частоты, крутизны ламп (ы), величины анодного тока, входной емкости и т.п.
Rвx (Ом] = 1,8/S103, где:
- S — крутизна лампы [ мА/В] — величина справочная, определяется для какого-то типового режима.
Поэтому этот способ определения входного сопротивления неточен. Существует способ довольно простого определения реального, входного сопротивления усилителя мощности Rвx, причем, экспериментально, для вполне определенной величины анодного тока на каждом любительском диапазоне.
Для этого используется КСВ-метр, который подключается между трансивером и усилителем мощности. Проверка согласования производится на каждом диапазоне хорошо откалиброванным КСВ-метром при максимально допустимой мощности. Перед измерениями необходимо убедиться, что П-контур трансивера настроен для работы на эквивалент нагрузки 75 (50) Ом. Измеряется КСВ, который должен быть не хуже 1,1 - 1,2.
Предлагается следующая методика.
Трансивер подключается к РА через КСВ-метр. П-контуром трансивера добиваемся наилучшего согласования при максимально допустимой мощности "раскачки" РА. ВЧ-вольтметром измеряем величину напряжения возбуждения на катоде лампы — Uвозб. мах. Затем выход трансивера также через КСВ-метр нагружаем на эквивалент нагрузки и добиваемся min KCB, не хуже 1,1. ВЧ вольтметром измеряем напряжение на эквиваленте нагрузки — Uэкв.
После чего рассчитаем отдаваемую мощность:
Р = U2экв/Rэкв.
Допустим, Uэкв. = 80В, Rэкв = 75 Ом, Uвозб. = 100В. Тогда Рэкв. = 802/75 = 85,5 Вт.
Находим входное сопротивление усилителя:
Rвx = U2возб. мах /2Р = 58,5 Ом
Рис.5.
Имея значения Rнагр. трансивера и Rвх усилителя мощности, становится возможным рассчитать параметры П-контура во входной цепи усилителя с учетом емкости кабеля, входной емкости ламп (ы) и емкости монтажа. Емкость монтажа выбирается 10 - 20 пф. Параметры П-контура определяются для каждого диапазона, — они зависят от частоты.
Например, получили С1 = 200 пФ, С2 = 150 пФ
Lкаб = 0,7см, Спог. каб. = 70 пФ/м Скаб. = 0,7х70 = 49 пФ.
Выберем Смонт - 15 пФ, тогда^
С1' = С1— Ск = 200 — 49 = 151 пФ;
С2' = С2 — С монт = 150 — 15 = 135 пФ,
Устанавливаем полученные значения емкостей С1' и С2', а окончательную подстройку осуществляем добиваясь минимума КСВ при максимальной выходной мощности. Конечно, можно предварительно не рассчитывать П-контур, а определить его параметры экспериментально, но для этого потребуется значительно больше времени и терпения.
Для оптимизации энергетических показателей при выборе схемы усилителя мощности, генераторной лампы или ламп и способа их включения, желательно помнить о том, что в случае запаса по мощности возбуждающего напряжения, лучше использовать включение ламп (ы) по схеме с заземленными сетками. И, наоборот, когда запаса по мощности "расскачки" нет, то выбирается схема с общим катодом, рис.6.
Рис.6.
Сначала рассмотрим третий случай. Усилитель мощности расположен в 10 — 12 м от трансивера — в другой комнате или на балконе.
Выберем электрическую длину соединительного кабеля равной X12 на диапазоне 40 м. Его длина с учетом Кукор.= 0,66 составит 14 м. В этом случае кабель будет работать как полуволновый повторитель, иными словами выход трансивера будет нагружен на Rвх усилителя мощности независимо от сопротивления самого кабеля. Для диапазонов 40 - 20 - 15 - 10 м электрическая длина кабеля кратна целому числу полуволн, соответственно n = 1, 2, 3, 4 и т.д. Но в диапазоне 80 м этот же отрезок кабеля будет вести себя, как четвертьволновый трансформатор.
Например, если Rвх. ус. = 200 Ом, а волновое сопротивление кабеля 100 Ом, то к выходу трансивера будет подсоединена нагрузка:
Rн = Rk2/Rвx = 1002/200 = 50 Ом
Чтобы сохранить нагрузку, равной 200 Ом, кабель и на этом диапазоне должен быть полуволновым, работать как трансформатор 1:1 и не оказывать влияния при согласовании нагрузки. Простое решение — увеличить его длину до 28 м. Но можно заменить 14-метровый отрезок кабеля на его эквивалент, а эквивалентом будет уже хорошо знакомый П-контур, рис.7.
Рис.7.
Данные П-контура для 75-омного коаксиального кабеля на диапазон 80 м С1 = С2 = 560 пФ, L =3,3 мкГн, для 50-омного коаксиального кабеля С1 = С2 = 820 пФ, L =2,3 мкГн. для 75-омного коаксиального кабеля на диапазон 160 м С1 = С2 = 1100 пФ, L =6,8 мкГн, для 50-омного коаксиального кабеля С1 = С2 = 1650 пФ, L = 4,5 мкГн.
Число витков катушки П-контура, в зависимости от ее диаметра можно достаточно точно определить из соотношения:
L = 0,01 DW2 /(L/D+ 0,46), где:
- W - число витков,
- D - диаметр катушки [см/],
- L - длина намотки [см.]
Это соотношение хорошо использовать, если имеется готовый каркас с канавкой для намотки. Если катушка бескаркасная, то удобнее воспользоваться следующим соотношением:
W = 10 VL(L/D+ 0,46) /D , где
- W - число витков,
- D - диаметр катушки [см.],
- L - индуктивность [мкГн]
Электрическая длина 14-ти метрового кабеля соответствует отрезку кабеля длиной 14/0,66 = 21,5м (с учетом Кукор.). Чтобы кабель работал на 160 метровом диапазоне как емкость, его надо закорачивать приблизительно на 5 м вместе с П-контуром или дополнительно установить два таких П-контура последовательно с уже имеющимся, рис.8. Эта колебательная система работает как полуволновый повторитель при электрической длине 85 м.
Рис.8.
Если в трансивере имеется перестраиваемый П-контур, то па диапазонах 80 и 160 м можно не ставить дополнительные П-контура, но только когда можно добиться КСВ в кабеле не хуже 2-х. Потери на рассогласование будут 11 %. При КСВ = 1,5 потери составят 6,3 %. На первый взгляд это вполне допустимо, но несколько увеличиваются нелинейность РА и TVI. На диапазонах 80 и160 м потребуется немного большая величина раскачки.
Второй случай. Трансивер устанавливается а некотором удалении от усилителя мощности на расстоянии 3-5 м.
Допустим у нас оказался коаксиальный кабель длиной 4 м. Погонная емкость кабеля будет Скаб. = 4 х 70 = 280 пФ. На диапазонах 160 и 80 м электрическая длина соединительного кабеля будет меньше l/10 — кабель заведомо работает, как емкость. Чтобы на 7,05 МГц кабель работал, как полуволновый повторитель к нему надо подключить отрезок кабеля 14 - 4 = 10 м или эквивалентный П-контур, соответствующий электрической длине 7 м, а также добавить отрезок кабеля длиной 3 м к нашим уже имеющимся 4-м метрам, рис.9.
Рис.9.
На 14,18 МГц L l/2 = 6,95 м добавим 6,95 — 4 = 2,95 м. На 21,2 МГц Ll/2 = 4,65 м добавим отрезок 4,65 — 4 = 0,65 м На 29 МГц Ll/2 = 6,82 м добавим отрезок 6,82 — 4 = 2,65 м Эти отрезки кабеля могут коммутироваться переключателем, ВЧ-реле или просто подключаться на разъемах — кому как удобней. В любом случае коммутатор должен быть экранирован и хорошо заземлен.
Подведем итог.
Нельзя выбирать случайную длину соединительного кабеля, особенно когда выходной усилитель мощности — транзисторный, из-за паразитной емкости соединительного кабеля. Желательно пользоваться вышеизложенным, хотя это может показаться кому-то весьма усложненным. Напомню, что приведенные выкладки показывает каким, образом производится оптимизация согласования трансивера и усилителя мощности. При таком подключении соединительный кабель не влияет на работу трансивера. Он как бы отсутствует. Возможны некоторые потери в диэлектрике кабеля, но на KB и при незначительных длинах они невелики по сравнению с проходящей мощностью от трансивера к РА, особенно, когда волновое сопротивление кабеля становится равным входному сопротивлению выходного каскада.
Разумеется, все наши выкладки могут быть отнесены и к выбору длины фидера антенны. Электрическая длина фидера должна выбираться кратной l /2 п, где n = 1, 2, 3 ... Наилучший вариант получается, когда на выходе любого трансивера или РА имеется КСВ-метр и согласующее устройство. Наблюдательный радиолюбитель легко обнаружит, что практически все модели современных (импортных) трансиверов используют подобную структуру. Обратите внимание, что каждый трансивер снабжен КСВ (SWR)-метром и встроенным или дополнительным согласователем (ANTENNA TUNER). Использование любого согласующего устройства или A -TUNERa полезно уже тем, что помимо прочего, повышает реальную избирательность RX и снижает уровень побочных излучений ТХ.
А
