Особенности конструирования УКВ аппаратуры
Приведенная статья, хотя и написана в "ламповую эпоху", все же затрагивает многие вопросы конструирования и изготовления УКВ радиоаппаратуры, которые и по сегодняшний день еще актуальны для многих радиолюбителей.
Н.Б.Ультракоротковолновая аппаратура в сравнении с аппаратурой, предназначенной для работы на более длинных волнах, имеет свои особенности, которые конструктор должен учитывать.
Эти особенности определены тем, что на высоких и особенно сверхвысоких частотах резко увеличиваются потери энергии в лампах, колебательных контурах и различного рода диэлектриках. Обычные лампы, хорошо работающие на низких и не особенно высоких частотах (до 30 Мгц), на высоких частотах работают плохо или даже совсем не работают.
Такие диэлектрики, как парафин, текстолит, карболит, гетинакс, картон, резина, вызывают в контурах настолько большие потери, что применение их в ультракоротковолновой аппаратуре должно считаться совершенно недопустимым.
По этой и ряду других причин (о которых сказано ниже) начинающий ультракоротковолновик никогда не должен производить апробирование той или иной конструкции, прибегая к помощи так называемых "летучих" монтажей, которые любитель часто называет пробными. Как правило, почти любая ультракоротковолновая аппаратура, собранная по очень хорошей схеме, но наспех, неряшливо, с беспорядочным расположением деталей, с длинными и путаными монтажными проводами в некачественной изоляции, с применением низкокачественных диэлектриков всегда дает неудовлетворительные результаты или не работает совсем.
Вот почему, прежде чем приступить к изготовлению намеченной конструкции, рекомендуется ознакомиться с приводимыми ниже замечаниями и советами, которые могут оказаться весьма полезными для любителя.
В колебательных контурах ультракоротковолновой аппаратуры приходится иметь дело с катушками очень малой индуктивности и конденсаторами незначительной емкости.
Чем выше частота, на которую рассчитываются приемники или передатчики, тем меньше: рабочие индуктивности и емкости. Так. на частотах 40, 144 и, тем более, 420 Мгц эти величины оказываются сравнимыми с междуэлсктрод-ными емкостями ламп, индуктивностью выводных проводников, паразитными емкостями монтажа и индуктивностью соединительных проводников. Поэтому необходимо всегда стремиться к тому, чтобы емкость монтажа высокочастотных цепей была минимальной, а соединительные провода - прямыми и возможно более короткими. На указанных выше частотах проводник длиной 5-10 см имеет индуктивность того же порядка, что и индуктивность контурной ка-тушки. А если этот проводник изогнут, т. е, имеет форму полувитка, то его индуктивность будет еще больше. Несоблюдение правил ультракоротковолнового монтажа приводит. во-первых, к резкому изменению частоты собственных колебаний, отклонению ее от расчетной, а во-вторых, к ухудшению добротности, контура, увеличению затухания в нем. С этой точки зрения рациональное расположение на шасси ламп и высокочастотных деталей имеет решающее значение для хорошей работы ультракоротковолновой аппаратуры.
При выборе места для размещения деталей и ламп и их относительного положения необходимо руководствоваться следующими правилами:
а) Контурные катушки следует размещать вблизи тех ламп, к которым они относятся.
б) Лампы каскадов усиления колебаний высокой частоты, гетеродина и смесителя располагать вблизи блока переменных конденсаторов.
в) Лампы каскадов усиления колебаний промежуточной частоты помещать рядом с трансформаторами промежуточной частоты.
Конструктор ультракоротковолновой аппаратуры должен также иметь в виду. что по мере повышения рабочей частоты коэффициент усиления обычных, не специальных ламп быстро надает, приближаясь к единице уже на частотах порядка 80 Мгц. В этом случае повышение качества колебательных контуров, применение серебра и высококачественной керамики не дают никакого положительного результата. По этой причине конструктор должен всегда стремиться применять специальные, бесцокольные лампы, имеющие малые междуэлектродные емкости и рассчитанные для работы в УКВ диапазоне. К таким лампам относятся все лампы типа "желудь", лампы 6Н15П, 6С1П, 6С2П, 6НЗП, 6Ж1П, 6ЖЗП, 6Ж4П, ГУ-32. ГУ-29 и др.
Но даже и специальные лампы имеют на ультравысоких частотах пониженное входное сопротивление. Главной причиной, вызывающей понижение входного сопротивления лампы в зависимости от роста рабочей частоты, является инерция электронов. Инерция электронного потока вызывает появление сеточного тока. который означает появление активной составляющей входной проводимости. (Одновременно сеточный ток повышает уровень собственных шумов.) Индуктивность выводных проводников лампы также снижает входное сопротивление лампы. В результате того, что индуктивность катушки на высоких частотах мала, а потери в лампе велики, резонансное сопротивление контура получается небольшим (1500 ом и меньше).
Учитывая это, для УКВ генераторов надо применять контуры с высокой добротностью. Для уменьшения потерь в контуре всегда следует избегать применения большого количества диэлектриков. Диэлектрики следует применять только высокого качества, предназначенные для работы на высоких частотах. Гетинакс, карболит, текстолит на частотах выше 30 Мгц применять не следует из-за чрезмерных потерь в них.
Лучшей катушкой для контуров генератора является катушка, представляющая собой каркас из высокочастотной керамики, по винтовой канавке которого нанесен слой серебра. Такая катушка обладает малыми потерями, прочна и обеспечивает практически неизменную величину индуктивности в большом диапазоне температур. Применение таких катушек в передатчиках с самовозбуждением гарантирует достаточную стабильность частоты.
Незначительный при разогреве уход частоты, вызываемый изменением геометрических размеров соединительных проводников, можно легко компенсировать, применив в контурах конденсаторы с отрицательным температурным коэффициентом.
В любительских условиях такие катушки изготовить практически нельзя. Однако катушку с повышенной стабильностью, необходимую прежде всего для задающего генератора, можно намотать из медного (желательно посеребренного) провода, предварительно нагретого до температуры 100-120° С, укладывая его с некоторым натяжением в канавки керамического каркаса. Понятно, что в удвоителях и выходной ступени, в которых не происходит генерирования частоты, можно применять более простые, бескаркасные катушки. Однако во всех случаях надо стремиться к тому, чтобы контуры были механически прочными.
Очень часто радиолюбители, желая повысить добротность контура, делают катушки излишне большого диаметра В генераторах это приводит к большим потерям на излучение. Следует рекомендовать катушки с диаметром 15-20 мм, в выходной ступени - 30-35 мм.
Размещать катушки надо вдали от металлических масс во избежание потерь на вихревые токи. Минимальное расстояние катушки от больших металлических поверхностей должно составлять не менее диаметра катушки.
На частотах в 400-450 Мгц и выше удобно применять колебательные контуры, выполненные в виде четвертьволновых короткозамкнутых линий. Если добротность обычных контуров составляет несколько десятков единиц, то добротность контура-линии может быть доведена до нескольких тысяч. В описанных в этом сборнике передающих конструкциях, предназначенных для работы в диапазоне 420- 425 Мгц, применены вместо обычных катушек линии, состоящие из медных посеребренных трубок.
Особое внимание конструктор должен обратить на качество конденсаторов переменной емкости, на надежность трущегося контакта в нем. Во всех случаях, когда это возможно, ротор конденсатора должен быть "заземлена, т. е. соединен с шасси. Это исключит влияние руки оператора на настройку контура.
В передатчиках лучше всего строить возбудитель по схеме с электронной связью. Это облегчает крепление конденсатора и устраняет влияние рук на частоту генерируемых колебаний. Обычно анодный контур такого возбудителя настраивают на вторую гармонику и тем самым, используя одну лампу, осуществляют удвоение частоты. Понижение частоты задающего генератора повышает ее стабильность. Достоинство этой схемы заключается в том, что генератор при двух лампах будет иметь параметры не хуже трехлампового генератора.
Строя передатчик, конструктор должен учитывать, что каждый колебательный контур в многокаскадном передатчике должен иметь орган настройки (ручку переменного конденсатора). Постоянная настройка анодных контуров удвоителя и выходной ступени на среднюю частоту диапазона приводит к существенному уменьшению отдаваемой в антенну колебательной мощности при перестройке передатчика на частоты, отличные от средней.
При налаживании генераторов никогда не следует вынимать лампы последующих каскадов; лампы следует оставлять в панельках, а для того чтобы они не вышли из строя, надо снимать с них анодное напряжение. Если конструктор при налаживании работы задающего генератора и установлении нужного диапазона генерируемых частот вынет лампу удвоителя, а затем после окончания настройки удвоителя вновь вставит ее на свое место, то благодаря емкостной связи между этими каскадами задающий генератор будет расстроен настолько, что в контуре удвоителя не смогут быть обнаружены колебания. По этой же причине нельзя. например, выделять ту или иную гармонику в анодном контуре удвоителя при отключенном конденсаторе связи.
При конструировании УКВ приемников все усилия конструктора должны быть направлены на получение наивысшей чувствительности, что возможно лишь при условии применения высокочастотных усилителей с минимальным уровнем собственных шумов. Лучше всего для этой цели применять триоды, включаемые но схеме "заземленный катод - заземленная сеткам.
Как уже было сказано, на ультракоротких волнах входные и выходные сопротивления ламп сильно уменьшаются. Поэтому потери колебательной энергии в самой лампе значительно Превосходят потери в контуре; кроме того, лампа резко шунтирует контур, уменьшая его добротность. Для того чтобы ослабить шунтирующее действие лампы, следует подключать к сетке лампы не весь контур, а только часть его. В этих же целях связь контура усилителя с сеткой последующей лампы надо обязательно делать автотрансформаторной. Это уменьшает затухание, вносимое лампой в контур, и позволяет получать наибольший коэффициент усиления ступени. В развязывающих цепях и цепях катодов УКВ приемников нельзя применять конденсаторы большой емкости, так как они обладают заметной индуктивностью, величиной которой на высоких частотах пренебречь уже нельзя,
Если все же в схеме применены конденсаторы большой емкости, например, электролитические, обладающие, как известно, заметной -индуктивностью, то в этом случае необходимо параллельно такому конденсатору присоединить слюдяной конденсатор малой емкости, обладающий малой индуктивностью. Таким образом, одновременно будет осуществлена фильтрация как ультравысоких, так и более низких частот.
Понятно, что длинные соединительные провода и общий заземляющий провод в высокочастотных трактах создают заметные паразитные индуктивности и емкости. Поэтому надо применять прямые и короткие соединительные про-водники и без всякой изоляции, так как диэлектрик будет вызывать дополнительные потери энергии. Заземление каждой точки схемы следует выполнять отдельным проводом, и все заземляющие проводники, относящиеся к одной лампе и каскаду, надо присоединять к шасси в одной точке.
Конструктивно любительская станция может быть оформлена по-разному. Несомненными преимуществами обладает блочная конструкция, при которой модулятор и генератор выполняются в виде самостоятельных блоков, заключенных в общий каркас передатчика. Блочная конструкция облегчает налаживание, ремонт и замену в случае неисправности.
Приемник по многим соображениям надлежит делать отдельно, не связывая его жестко с передатчиком. Это расширяет возможности экспериментирования в тех случаях, когда приемник должен быть удален от передатчика.
Выпрямитель рекомендуется выполнять в виде самостоятельного блока, связываемое с передатчиком шлангом питания. Полезно выход выпрямителя, выполненный в виде фишки, дублировать панелькой с зажимами. Применение дублирующих зажимов очень удобно при подсоединении к выпрямителю каких-либо иных конструкций, требующих питания и имеющих фишки или разъемы другого типа, чем те, которые применены для связи выпрямителя с данным передатчиком.
В этом кратком введении не рассмотрены другие вопросы, интересующие радиолюбителя-ультракоротковолновика. Однако на многие из них он найдет ответы непосредственно в описаниях отдельных конструкций.
Литература:
С.М.Алексеев. "Радиолюбительская УКВ аппаратура". Госэнергоиздат, Москва, 1958г.