Основна увага при виконанні будь-яких контурів на УКХ зводиться до зменшення всіх видів втрат. Струми ВЧ йдуть в основному по зовнішній поверхні провідника, глибина проникнення всередину дуже незначна і залежить від провідності матеріалу та частоти. Так, для міді, найбільш ходового матеріалу, глибина проникнення на частоті 300 МГц буде 0,0038 мм, а на частоті 500 МГц - 0,003 мм Треба враховувати, що латунь і дюралюміній створюють втрати в два рази більше, ніж мідь. Вироби з латуні бажано сріблити. Для контурів вигідно застосовувати гладкі тонкостінні сталеві трубки, якщо є можливість, то бажано їх хромувати.
Для коаксіальних контурів і двопровідних ліній кращим матеріалом є мідь. Мала глибина проникнення струмів на УКХ вимагає, щоб поверхні були гладкими, відшліфованими до дзеркального блиску, так як всякі шорсткості рівноцінні збільшенню поверхневого опору і ВЧ втрат. Для запобігання окислення міді її покривають сріблом або безбарвним лаком (деталі, де немає ковзних контактів).
Виготовлення контурів залежить від типу лампи і призначення приладу. Найбільш пристосованими лампами для Діапазону 144 МГц є ДУ-32, ГУ-29, 6П21С, ГУ-50 і до них простіше застосовувати двопровідні лінії.
Для дециметрових діапазонів хороші спеціальні лампи типу 6С5Д, так звані маячкові, метало-керамічні ГИ11Б, ГИ12, і 6С11Д - дискова, дециметрова. Якості цих ламп можуть повністю використовуватися тільки з застосуванням коаксіальних ліній.
На рис.1 і 2 показані найбільш великі вузли Двопровідних контурів стосовно до лампи ГУ-32. Довжина лінії повинна бути 250-270 мм з урахуванням додаткової ємності конденсатори підлаштування, відстань між проводами D=25 мм визначається відстанню між висновками анодів, діаметр проводу або трубки d=4-6 мм. Застосовувати провід або трубки більшого діаметру недоцільно, вони незручні в обробці і, крім того, підвищують втрати в контурі за рахунок збільшеного випромінювання, яке зростає при зменшенні D/d. Для зменшення поздовжніх габаритів симетричні лінії можна згинати по-різному (див. рис.1,б). Проводи лінії закріплюються до колодках з ізолюючого матеріалу на короткозамкнутого кінці та у середини лінії (див. рис. 1,а).
Рис.1. Конструкції двопровідних контурів
Дуже вдалими є плоскі або стрічкові ВЧ лінії. На рис. 1,дані розміри четвертьволновой анод ної лінії для діапазону 430 МГц для лампи ГУ-32, що працює утроителем частоти (144-432 МГц). У конструкції зображеної на рис.1,е, передбачається, що лампа ГУ-32 розташована перпендикулярно шасі. Якщо її розташувати горизонтально, то це дозволить уникнути вигину лінії в місці її підключення до анодам і вона буде продовженням площин електродів анода.
Щоб зменшити неоднорідність цього переходу, яка еквівалентна внесенню додаткової ємності і тягне вкорочення контуру, в смужках зроблені трикутні виїмки куди впаюються пружні контакти К1 і K2. Це дозволяє впритул присунути лінію до балона лампи по всій висоті смужки і зменшити розрив між нею і анодами лампи ГУ-32.
Рис.2. Деталь двопровідних контурів
На рис.2 показані конструкції затискачів контуру для з'єднання з лампою. На рис.2,в даний пружний плоский затиск, упаяний в паз в проводах лінії. Затискач роблять з 10-міліметрової смужки листової бронзи (твердої латуні), на кінці смужки лобзиком випилюють чотири-п'ять прорізів на глибину 12 мм.
Смужки спочатку відгинають в лещатах у пазные боку, а потім за допомогою свердла або дроту діаметром 1,5 мм віджимають, утворюючи щільні циліндрики. Смужки еластичні і дають надійний контакт з висновком лампи ГУ-32.
Контакти такого типу можна застосовувати і для більш тонких виводів, наприклад у лампи 6НЗП.
При горизонтальному розташуванні лампи ГУ-32 бажано, щоб пружний контакт був продовженням самої лінії в осьовому напрямку. Найбільш просто це виходить, якщо провід лінії впаяти гнізда від панельки для лампи ГУ-50 (рис.2,б).
Надійний затиск можна зробити, використовуючи провідник лінії (рис.2,а). Для цього з торцевої частини лінії роблять поздовжній отвір діаметром 1,5 мм на глибину 11 мм і наскрізне - для болта М2 на відстані 13 мм, потім провід розрізають на довжину 16 мм і верхню частину відокремлюють. У нижній частині роблять різьблення М2, площини зрізу зачищають і знову обидві частини з'єднують гвинтом М2. Якщо лінію під'єднують до штырькам анодів ГУ-32, то їх можна жорстко затиснути, затягнувши гвинт М2.
Закорочувальний місток для налаштування лінії можна зробити із смужки бронзи товщиною 0,3-0,4 мм, шириною 10-12 мм, зігнутої по рис.2,р. Через центральний отвір діаметром 3 мм і шайбу 3 смужки 1 і 2 стягують гвинтом М3 і обхоплюють дроти ліній.
Конструкції коаксіальних контурів
Матеріалом для конструкцій є мідні або латунні трубки в межах від 4 до 100 мм. Для таких контурів підійдуть мисливські гільзи калібру № 12-32. Їх дані наведені в табл.1.
Номер гільзи
12
16
20
24
28
32
Діаметр зовнішній (Д1), мм
Діаметр внутрішній (Д2), мм
20,2
19,6
18,7
17,7
17,5
16,6
16,5
15,7
15,6
14,8
13,4
12,6
Максимальний діаметр борту
22,2
20,6
19,3
18,2
17,3
15,5
Гільзи № 20/24 і 24/28 входять один в одного з малим люфтом і можуть дати ковзний контакт. Внутрішній діаметр гільз приблизно на висоті 15 мм від дна має конічний перехід, так що в перерізі товщина дна гільзи збільшується з 0,5 до 2,0-2,5 мм, а це дає можливість отримати будь-які перехідні діаметри (рис.3,а). Так як стандартна довжина гільз дорівнює 70 мм, з двох гільз можна зробити четвертьволновый контур для 430 МГц.
Рис.3. а - розріз мисливської гільзи; б - конструкція контуру коаксіального
Поверхню матеріалів, що застосовуються для коаксіальних контурів, повинна бути рівною, гладкою і захищеною від швидкого окислення (срібні, хромовані).
На рис.3,б показаний спрощений розріз коаксіального контуру з необхідними робочими елементами. Розглянемо окремо призначення цих деталей, їх конструкцію та її варіанти, стосовно до аматорським можливостей виготовлення.
Діаметри D і d трубок 1 і 2 (рис.3,б) визначаються або системою висновків електродів у ламп, або зручністю конструкції найбільш відповідального елемента контуру - поршня налаштування G. Якщо діаметри трубок треба змінити незначно (на 1-2 мм) і на короткому протягом, то впаюють додаткове кільце в потрібне перетин трубок D і d
Рис.4. Деталі коаксіального контуру
з наступною обробкою до потрібного діаметру Dв і Dн (Рис.4,а). Додаткові вкладиші найчастіше встановлюються в місці приєднання лампи до лінії. У цьому разі впаяні кільця і частину несучої трубки розрізають по утворює в декількох місцях (6-12 смужок і більше) Для отримання пружного контакту. Довжина трубок визначається системою генератора і розглядається в главі про передавачі на УКХ.
Коаксіальні контури зазвичай коротко замкнуті на одному кінці, тобто трубки 1 і 2 (рис.3,б) з'єднуються між собою за допомогою 3 дна і диска 4 або без нього (рис.4,б і в). При нерозбірному з'єднанні трубок (рис.4,б) їх впаивают в дно 3; для взаємної точного центрування дно роблять з виїмками. Якщо дно неточеное, то достатню центрування можна забезпечити так: на листовому металі наносять гострим циркулем діаметри D і d і другі діаметри на 2 мм менше D і на 2 мм більше d. Ці допоміжні кола допомагають при ручній обробці зберегти концентричність зовнішнього обводу дна і внутрішньо отвори з діаметром d, так як при обробці поверхня є можливість контролю її кривизни по найближчих допоміжних кіл.
На рис.4,показаний другий варіант з'єднання трубок 1 і 2 через розділову ємність. Для цього на трубку 2 перпендикулярно впаюють диск 4 і на кінці трубки роблять різьблення. Зовнішню трубку 1 впаивают в дно 3, у центрі якого пропускають втулку з ізолюючого матеріалу. Трубки 1 і 2 з'єднують разом болтом М3, причому між гладкими, відполірованими поверхнями дна 3 диска 4 прокладають слюду 5 товщиною 0,1-0,15 мм: слюда повинна доходити до діаметра D. Діаметр диска 4 роблять на 2-3 мм менше D. Якщо діаметр диска 4-30 мм, то при слюді товщиною 0,1 мм ємність розділового конденсатора буде близько 375 пФ, а ємнісний опір переходу на частоті 430 МГц близько 0,8 ом. Такі конденсатори необхідні для розділення ланцюгів ВЧ від ланцюгів живлення.
При з'єднанні деталей на УКХ і СВЧ дуже серйозно треба підходити до пайку деталей. Погана пайка може в два три рази погіршити добротність контурів.
Найскладнішим елементом коаксіальних конструкцій є налаштування системи в широкому діапазоні. Зазвичай це здійснюється подовжнім переміщенням "короткого замикання", виконаного у вигляді різних поршнів. Сутність такої системи видно на рис. 1-20,6, деталі 6, 7, 8. Основна вимога до будь-якій системі перебудови - мінімальні втрати, що вносяться їй в контур, і постійність їх з часом. Так як в радіоаматорських умовах можна обійтися без широкодиапазонной налаштування, то в системі перебудови поршнів викладаються лише основні міркування і конструкції поршнів, найбільш просто здійсненні;
Контактний пелюстковий поршень, у якого виходить пружний механічний контакт між поверхнями трубок коаксіального контуру (рис.5,а);
Рис.5. Пелюстковий і ковзний поршні для налаштування контуру коаксіального
- ковзний поршень, створює коротке замикання лінії через значну ємність (рис.5,б);
- діелектричний поршень, що дає перебудову по частоті за рахунок зміни хвильового опору лінії (рис.6).
Рис.6. Діелектричний поршень для налаштування контуру коаксіального
Всі інші типи поршнів - безконтактні, z-образні дросельні та інші - складні і важко повторимы в аматорській практиці. Контактний, пелюстковий поршень (див. рис.5) найпростіше зібрати з шматків латунних трубок Т1, Т2 відповідних діаметрів з товщиною стінки 1-5мм. залежно від пружності матеріалу і можливості обробки довжина поршня lр може бути від 10 до 25 мм Зовнішній діаметр трубки Т1 по довжині зменшується на 0,4-0,5 мм з таким розрахунком, щоб на одному кінці залишився бортик завширшки 2-3 мм. Такий же бортик і залишають у трубки Т2, але тільки з внутрішньої сторони. Це дозволяє зосередити тиск на кінцях трубок T1, T2 і значно покращує надійність і постійність контакту.
При обробці на токарному верстаті по середині бортика можна зробити неглибокий (0,15-0,2 мм) канавку, на яку при складанні натягують пружинящее кільце з сталевого дроту діаметром 0,4-0,6 мм У трубки T1 канавку роблять з внутрішньої сторони, T2 - з зовнішньої (на рис.5 показано точками). По ободу трубок, з боку бортика, лобзиком або тонкої шлицовкой протачивают поздовжні прорізи, що створюють контактні пелюстки. Їх число і розмі-ри залежать від пружних властивостей матеріалу, діаметра і довжини поршня. Зазвичай ширина пелюстки буває близько 2-3 мм на Т2 і 3-5 мм на зовнішній трубці. Цю операцію необхідно робити дуже обережно, щоб не створити залишкової деформації у майбутніх пелюсток, не залишити задирок і не подряпати поверхню бортиків, яка повинна завжди залишатися дуже гладкою, ковзної. Трубки Т1 і Т2 при цій операції надягають на дерев'яні болванки потрібних діаметрів. Потім їх з'єднують з дном 3 і добре пропаивают.
У дні на окружності діаметром (D'+d)/2 роблять два або три отвори з різьбленням М2 або М3 для кріплення тяг 7 (див. рис.2,б), необхідних для пересування поршня. Хорошим матеріалом для тяг можуть бути двохміліметрові спиці. Кільце 8, скріплювальний тяги зовні системи, має центральний отвір з різьбленням М4 або М6, через яке пропускають гвинт М4 (М6), що створюється при обертанні поступальний рух поршня. Без такої кінематичної системи приводу налаштуватися на потрібну частоту "від руки" неможливо. Як трубок Т1, Т2 для поршня іноді можна використовувати підстави мисливських гільз. Зовнішній бортик на гільзі необхідно обточити до потрібного діаметру. Бортик і потрібний внутрішній діаметр трубки Т2 можна отримати, зрізавши тилову частину гільзи на певній висоті (див. рис.3,а, лінії зрізу АВ).
Контактний поршень створює коротке замикання в коаксіальному контурі і механічно і електрично. Часто, однак, потрібно, щоб ланцюг по високій частоті була замкнута, але в загальному ланцюзі не було б для замикання джерела живлення. У таких випадках поршень повинен працювати як ємність для струмів ВЧ і, отже, зовнішні трубки Т1 і Т2 в ньому повинні бути ізольовані один від одного і одночасно мати достатню ємність. Така конструкція поршня з розділювальною ємністю схематично показана на рис.5,б. Поршень мало чим відрізняється від конструкції, зображеної на рис.4,ст. Так як центральна частина в поршні повинна бути вільна для проходження внутрішнього провідника d коаксіального контуру, то дно 3 і додатковий диск 4, упаяний на трубку поршня Т2, повинні з'єднуватися трьома болтами, розташованими по діаметру Т1+Т2 і бути ізольованими один від одного. Це досягається прокладкою із слюди (0,08-0,1 мм) і трьома втулками з ізолюючого матеріалу (оргскло, ебоніт). Після складання вузла необхідно перевірити ізоляцію під високою напругою (250-300).
Перевагою коротких поршнів є велике перекриття діапазону, але вони вносять значні втрати, так як контактні пелюстки близькі до пучности струму, завжди розташованого в резонаторі у короткозамкненого кінця. Для зменшення втрат всі поверхні повинні бути гладкими натиск пелюсток досить твердий, але з дотриманням плавного ходу. Добре виправдовує себе хромування або никелировка пелюсток поршня.
Ковзний поршень являє собою легко ковзає по контуру алюмінієвий циліндр, поверхня якого анодована. Ковзний циліндр є як би центрирующей системою контуру.
Діелектричний поршень, так само як і ковзний, заповнює нижню частину простору всередині резонатора і на цій ділянці зменшує хвильовий опір Zo лінії в корінь з "епсилон" раз, т. е.
де е-діелектрична постійна матеріалу;
Zd і Zo - в омах.
Формула точна в припущенні, що діелектрик заповнює простір без додаткового повітряного зазору, що насправді зменшення Zo менше розрахункового.
Лінія контуру при наявності поршня стає не однорідною з опорами Zo-Zd-Zo (див. рис.6,б), що рівноцінно внесенню в місці поршня деякої додаткової ємності Сд і, отже, зниження робочої частоти. При переміщенні поршня від короткозамкненого кінця контуру до відкритого (лампі) в четвертьволновом контурі частота лінійно зменшується на величину, залежну від е матеріалу і точності виготовлення (повітряний зазор). Для поршня з миканекса (е=7-9) довжиною 25 мм на частотах від 200 до 700 МГц зміна частоти налаштування становить 30-40%, при цьому втрати швидко зростають на ділянці низьких частот. Це викликано тим, що поршень знаходиться біля лампи в пучности напруги, а втрати в діелектрику пропорційні квадрату напруги. Цей недолік неістотний для роботи у вузьких діапазонах частот, а перевага діелектричного поршня полягає у відсутності металевих тертьових -контактів. На жаль, вибір відповідних матеріалів, -термостійких, з великими е і легко оброблюваних - обмежений (миканекс, кераміка).
Перекриття діапазону, яке дають описані поршні, не завжди може бути використано, так як найбільш широкий діапазон 430-440 МГц вимагає відносної перебудови в fмакс -fмин =1,06, тобто менше 10%. У цих умовах найбільш простий є налаштування зосередженої тимчасової ємністю. Один з можливих варіантів такої налаштування схематично показаний на рис.3,б деталь 9, два інших - на рис.7. У всіх випадках змінна додаткова ємність вводиться в контур в місці невеликого ВЧ напруги (рис.3 і 7,а на кінці резонатора), у разі застосування конструкції за рис.7,б-відстань від короткозамкненого кінця. Цей випадок передбачає, що загальна довжина резонатора дорівнює 3/4 лямбда і лампа включена біля відкритого кінця.
Рис.7. Налаштування зосередженої змінною ємністю
Настройка здійснюється зміною відстані між додатковим диском і центральним провідником коаксіальної системи або у разі необхідності великої перебудови - між двома дисками (рис.7,а).
Іноді для перебудови в діапазоні (зазвичай на частотах вище 1 000 МГц) досить ввести в порожнину резонатора тільки торцеву частина гвинта, наприклад Мб або М8.
Найбільш проста конструкція показана на рис.7,б. Гайка (М4, М6) надійно кріпиться на зовнішній поверхні контуру. Гвинт 2 має на кінці додаткову різьблення 3, на якій вгвинчуванням зовні кріпиться диск 4 конденсатора. Перед складанням на гвинт 2 надягають шайбу 5 потім розширюється пружину 6, знімає люфт, і знову шайбу 5. Так як зазвичай доводиться використовувати тільки один-два заходження гвинта, то добре підігнана пружина не вносить механічних ускладнень в налаштування.
Найбільш просто зв'язок коаксіального контуру з навантаженням або антеною здійснюється через ємність (див. рис.3,б деталі 10, 11), при якій елемент зв'язку-штирек з диском - розташовується у пучности напруги. Ступінь зв'язку регулюється переміщенням цього елементу по відношенню до середнього провідника.
У більш простому випадку коаксіальний роз'єм з елементом зв'язку пропускається через втулку 12, жорстко скріплену зовні провідником контуру. Необхідна ступінь зв'язку потім фіксується гвинтом, що проходить через втулку 12.
Другий характерний спосіб зв'язку - через магнітне полі резонатора - здійснюється за допомогою індуктивного петлі зв'язку, завжди розташованої у короткозамкненого кінця лінії (рис.8).
Рис.8. Способи зв'язку з коаксіальним контуром
Ступінь зв'язку можна змінити стрибком, змінюючи розміри петлі і ступінь зв'язку поворотом площини петлі на 90°. Фіксувати потрібну ступінь зв'язку можна стопорним гвинтом (рис.8,а).
На рис.8,б показано автотрансформаторное включення ланцюга антени за допомогою загального відрізка коаксіальної лінії l1 і ланцюзі сітки з використанням довгій лінії l2. Це допомагає підібрати найвигідніші умови роботи (напри^ер, у вхідному ланцюзі приймача). Правда, такий підбір у коаксіальної конструкції скрутний і робиться у досвідченого зразка через подовжню щілину в зовнішньому циліндрі.
Положення відводу для певного коефіцієнту трансформації опору До залежить від загальної довжини lо самого резонатора. Якщо довжина lо дорівнює чистій чверті хвилі (ідеальний випадок), то К=10 виходить, коли відвід розміщений на відстані l2=0,215 Л/4. Якщо загальна довжина lo Дорівнює 0,5 Л/4 (сильно вкорочена лінія), то при відведенні l2=0,15 Л/4 К дорівнює 10 і т. д.
Зв'язок лампи з високочастотними контурами
У попередніх розділах розглядалися умови роботи ВЧ контурів, не пов'язаних з лампою, або коли цей зв'язок була чисто схематична. Насправді на УКХ взаємна зв'язок між цими ланками дуже сильна: лампа вносить в контур не тільки неоднорідність, ємність, але і значні втрати. З іншого боку^ найбільший к. п. д, лампи залежить і від величини резонансного опору контуру, і від фази напруги, що створюють на електродах зовнішні контури. Чим вище робоча частота, тим ці зв'язки критичніше.
Вище вже згадувалося про вплив на зовнішній контур неоднорідності, якою є підключена лампа.
Важливою ланкою конструкції УКХ апаратури є перехід, або спосіб підключення лампи до решти схемою. Необхідно, щоб цей перехід не вносив великих реактивних опорів і втрат в зовнішній ланцюг. У спеціальних УКХ ламп, наприклад "маячків", цей перехід уже заданий концентричній конструкцією самих висновків стосовно коаксіальним контурах.
Але в діапазонах 144 і 430 МГц часто доводиться використовувати лампи звичайної пальчикової серії з штырьковыми висновками. Застосування лампової панельки подовжує ці висновки і вносить значну неоднорідність, особливо помітну на 430 МГц і вище. На цих частотах краще обходитися без панельок, з'єднуючи лампу безпосередньо з контуром яким-небудь зажимом.
У багатьох УКХ вузлах зустрічаються розділовий конденсатор і опір витоку сітки. Від виконання їх, а не від величини ємності часто залежить робота подібних схем. Якщо на місці розділового конденсатора в ланцюг сітки взяти керамічний конденсатор (типу КДК або КТК і підключити його до сітки лампи через панельку, то в діапазоні 430-440 МГц зовнішня індуктивність буде мати для ну 50-60 мм.
Так як Л/4 дорівнює приблизно 17,5 см, то за рахунок ємність лампи і виникла неоднорідності діюча довжина лінії складає лише одну третину можливої довжини, а це веде до різкого зниження добротності контуру і збільшення зворотного зв'язку і робочої напруги.
Конструкція розділового конденсатора Сс для лампи 12С3С (LD1) показана на рис.9. Лампа має по два жорстких виводу як сітки, так і анода (рис.9,а) і тому контур між ними зручно зробити у вигляді плоскої лінії із смужки міді шириною 10-12 мм і товщиною 0,8-1,0 мм (деталь 1 на рис.9,б).
Рис.9. Конструкція розділового конденсатора
На кінцях смужок роблять по два жолобка 2 завглибшки 0,5 мм і поверх них накладають смужку 3 з бронзи завтовшки 0,3-0,35 мм, в якої теж видавлюють по два жолобка, і закріплюють на лінії двома тонкими заклепками 4.
Після цього лампу 12С3С можна з торцевої сторони ставити в отримані затискачі-гнізда. Торцеву частину лінії, до якої приєднується сітка лампи, відрізають на відстані 15 мм і потім приєднують до лінії знову, але через прокладку 5 із слюди. З'єднання це простіше зробити за допомогою двох двухмиллиметровых гвинтів 6 через ізолюючі шайби 7.
Таким чином, між смужками 1 і 3 утворюється конденсатор Сс ємністю 60-80 пФ, причому одночасно використовується еластична система затискачів для підключення лампи. Однорідність лінії контуру не порушується.
У результаті довжина зовнішньої лінії становить 125-130 мм, тобто укорочення порівняно з Л/4 тільки на 40-50 мм. Виходить така добротність контуру, що генератор, зібраний на 430 МГц, працює стійко при напрузі 10-15 ст.
Лампа, крім внесення в контур великий власної ємності, вносить і значне затухання.
Вимірювання показують, що в діапазоні 400-700 МГц у добротного коаксіального контуру (діаметр 70 мм, довжина 370 мм) з лампою типу ГИ11Б загальні відносні втрати у відсотках розподіляються так:
привносимое опір втрат лампи
64
контакти поршня контуру
19
циліндричні поверхні контуру
14
торцеві частини контуру
3
Отже, більше половини всіх втрат створює лампа, потім йдуть втрати від контактного поршня (або місця короткого замикання-пайка) і, нарешті, втрати, обумовлені станом циліндричних поверхонь контуру.
Різні типи ламп по-різному шунтують зовнішній коливальний контур, знижуючи його резонансне опір ще до того, як вся система (наприклад, генератор УКХ) навантажується на повне навантаження.
Паралізувати цей вплив можна створенням більш якісних ВЧ контурів з таким резонансним опором, щоб воно після всіх навантажень ще з достатнім запасом забезпечувала оптимальне опір навантаження Rопт Для генераторної лампи, а також підключенням самої лампи тільки до частини ВЧ контуру з автотрансформаторним схемою.
Література:
Публікація: М. Большаков, rf.atnn.ru