У сучасній приймально-передавальної апаратури пред'являються високі вимоги по вибірковості, спектральної чистоти сигналів передавачів і гетеродинов. Особливо це позначається при проектуванні апаратури на НВЧ. Добрих результатів можна досягти тільки при використанні в процесі проектування комплексу прийомів підвищення якості апаратури. Перелічимо основні з них. Це прогресивна схемотехніка, застосування сучасних малошумливих компонентів, раціональний монтаж, екранування, стабілізація напруги ланцюгів і, звичайно ж, фільтрація ВЧ і НВЧ сигналів.
Жодна конструкція УКХ апаратури не може обійтися без фільтрів. При проектуванні часто виникають труднощі. Якого типу і конструкції фільтр більш прийнятний? Ставиться завдання вибору.
Основними критеріями тут являються:
- центральна частота;
- смуга пропускання;
- добротність;
- втрати в смузі пропускання;
- спосіб узгодження;
- габаритні розміри;
- вартість.
Найчастіше в повсякденній практиці радіоаматори використовують LC фільтри з дротяними котушками до 200 МГц, дротяні та друковані лінії на частотах вище 200 МГц.
При застосуванні подібних фільтрів на частотах вище 30 МГц виникають проблеми з добротністю котушок. Так, на частоті 30 МГц, при збереженні прийнятних розмірів котушки, можна отримати добротність близько 200. Добротність катушок, застосовуваних у серійної апаратури, не перевищує 150. Використання друкованих ліній обмежена застосовуваним матеріалом і розмірами ліній, в залежності від частоти. Відмінні результати виходять при використанні коаксіальних четвертьволновых резонаторів. Такі резонатори забезпечують добротність до 5000, але в малогабаритної апаратури застосування їх стає неприйнятним з-за великих розмірів. Так резонатор на частоту 30 МГц має довжину 2.5 метра, а на частоту 500 МГц-15см.
У 1950 році американець Олександр Хорват опублікував повідомлення, а в 1956 році отримав патент США N2.753.530 на HIGH Q TUNER FREQUENCY. Винахід справив переворот в області теорії фільтрів і резонаторів. Світ дізнався про принципово новий тип резонатора - спіральному.
ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ
Добротність спіральних резонаторів, в залежності від конструкції і частоти, знаходиться в межах 200...5000 і досягає 85% добротності коаксіальних четвертьволновых резонаторів. Зате довжина спіральних резонаторів може бути зменшена в 30 разів. Простота установки, високий ККД, різноманітність форм узгодження відкрило широку дорогу практичного застосування спіральних резонаторів і фільтрів.
Спіральний об'ємний резонатор має круглий або прямокутний екран, всередині якого розміщена одношарова котушка. Один її кінець замкнутий на екран, а другий розімкнений. Металевий сердечник, що вводиться з боку розімкнутого виведення спіралі, змінює ємність резонатора - так відбувається перебудова по частоті.
Рис.1
При розрахунках спіральних резонаторів слід пам'ятати про фізичних обмеженнях, що накладаються на елементи, способи налаштування, взаємних зв'язках резонаторів між собою і з навантаженнями. На рис.1 зображено спіральний резонатор класичної форми. (D - внутрішній діаметр екрану, d - середній діаметр спіралі, do - діаметр дроту, S - крок спіралі, b - висота спіралі, В - внутрішня висота екрана). Величини ці вибираються в наступних співвідношеннях: 0.5<d/D<0.39; 0.55<do/S<0.73; 2<b/d<3.
РОЗРАХУНОК СПІРАЛЬНИХ РЕЗОНАТОРІВ ЗА НОМОГРАМАМИ
Теоретичні викладки та вивід рівнянь, що описують параметри спіральних резонаторів дуже громіздкі і ніколи на практиці не використовуються. Найбільш прийнятний метод розрахунку спіральних резонаторів-використання номограм, де всі теоретичні висновки укладаються в 5 линейносвязанных номограм.
Електрична довжина, крайова ємність на розімкнутому кінці котушки і довжина проводу в обмотці будуть приблизно такими:
електрична довжина - 94% від чверті довжини хвилі, крайова ємність-0.15 пф, довжина провідника - 28% від довжини хвилі у вільному просторі.
Розглянемо приклади розрахунку спіральних резонаторів. Для розрахунку будемо використовувати номограмму (рис.2).
Перший приклад
Потрібно розрахувати резонатор на частоту 10 МГц і добротність без навантаження, рівну 1000. Поєднавши лінією 1 точку на осі fo=10 МГц з точкою на осі Q= 1000, визначимо, що внутрішній діаметр екрана D=150мм. Знаючи діаметр D, з'єднаємо точку fo=10 МГц з точкою D=150 мм і, продовживши лінію до перетину з віссю N, Z0, отримаємо число витків N=30. Вибравши d/D=0,55, отримаємо середній діаметр котушки d =83,5 мм. При цьому прийнятними значеннями будуть: S=4.5 витка на см, Ь=125 мм, В=200мм. Як видно з розрахунку, спіральний резонатор на 10 МГц має дуже великі габарити.
Другий приклад
Потрібно розрахувати резонатор на частоту 70 МГц.
Добротність ненавантаженого резонатора повинна бути не менше 850. Резонатор монтується в екрані з квадратним поперечним перерізом. З номограми видно (лінія 2), що екран з круглим поперечним перерізом повинен мати діаметр D=60мм. Внутрішній розмір сторони квадратного екрана дорівнює D/1.2 - 50 мм. Необхідне число витків одно 11. При d/D - 0.55 діаметр котушки буде дорівнює 33 мм. Довжина котушки дорівнює 50мм. Довжина екрана дорівнює 95мм.
Третій приклад
Розрахуємо резонатор на частоту 400 МГц добротністю без навантаження Q - 2000. За номограмою визначимо, що внутрішній діаметр екрана D - 50мм, а число витків n - 2.25 витка. Середній діаметр котушки дорівнює 27мм, а крок намотування - 19мм. Довжина котушки - 40мм, довжина екрану - 55мм.
При конструюванні спіральних резонаторів необхідно пам'ятати наступне: матеріал, з якого виготовлений каркас котушки, не повинен вносити втрат. Рекомендується застосовувати полістирол, радиокерамику або фторопласт. Якщо котушки виконуються товстим жорстким дротом або шиною, краще взагалі обійтися без каркаса. Для забезпечення доброї провідності бажано застосовувати посріблений провід і посріблену внутрішню поверхню екрана. На частотах до 100 МГц можна застосовувати і звичайний мідний дріт (в тому числі і ПЕВ), однак посріблений провід дає збільшення добротності приблизно на 3%. Пам'ятайте, що чистота обробки внутрішньої поверхні екрана має набагато більше значення, ніж подальше сріблення. Екран не повинен мати швів, розташованих паралельно осі котушки, і якщо існують, то для забезпечення малого опору контакту їх необхідно добре пропоювати. Нижній кінець котушки повинен бути підведений до бічної стінки екрану як можна більш прямо і подпаян до неї. У разі, якщо кінець котушки підводиться до нижньої стінки екрану, остання для зменшення втрат в стиках повинна бути ретельно припаяна до екрану. Котушка повинна доходити до краю екрана на відстань не ближче чверті діаметра екрану. Якщо котушка буде опущена надмірно низько до дна екрану, то нижні кілька витків будуть неефективні для накопичення енергії, внесуть значні втрати, що негативно позначиться на добротності резонатора.
Зазор у верхній частині екрана служить для зменшення паразитної ємності для уникнути дугового розряду в потужних резонаторах. Слід пам'ятати, що якщо спіральний резонатор включений на виході УКХ передавача з вихідною потужністю 10 Вт, то на кінці спіралі амплітуда напруги становитиме 60-80 кВ.
В якості елемента установки доцільно використовувати латунний осердя діаметром від 3 до 8 мм. При налаштуванні слід стежити, щоб сердечник входив не глибше ніж на 5-10% довжини котушки. Хороші результати дає сердечник з диском на кінці діаметром 60-80% від діаметру (сторони) екрана. На зовнішньому кінці підлаштований сердечника роблять проріз. Після налаштування сердечник надійно контрят (можна з допомогою контрогайки). Особливе значення має опір контакту сердечника з екраном. Воно повинно бути якомога меншим.
Автори: Сергій Кузнєцов (UC2CAM), Володимир Чепиженко (RC2CA); Публікація: М. Большаков, rf.atnn.ru