Сложение мощности на УКВ.

Tom Pettis, KL7WE. Оригинал статьи опубликован в журнале QEX January 1990, pp. 13,14

  Хотите иметь большую выходную мощность на УКВ/СВЧ диапазонах? У Вас мало места под хороший РА? Как выйти из положения, читайте  ниже.

  Используя гибридные кольцевые сумматоры, можно складывать мощности от двух идентичных усилителей.

  Например, такой усилитель, как преподобный RIW на диапазон 144 МГц собран на двух лампах 4СХ250. Два таких одинаковых усилителя можно включить вместе для получения выходной мощности порядка 1500 Вт. Полупроводниковые усилители (эти “кирпичи”) можно также комбинировать, что добавит 3 дБ мощности.

  Цена увеличения мощности Вас вполне удовлетворит. Всего лишь, примерно за 25 “баксов” (в новых ценах) можно соорудить целую комбинацию из гибридных колец (для суммирования мощности). Второй RIW может быть приобретён  вместе с  блоком питания по цене, составляющей половину стоимости лампы 8877 (богатая страна, однако!).

  Я комбинировал и пару усилителей ARCOS с лампами DX-393A фирмы Amperex (8930 фирмы Eimac). Выходная мощность в комбинированном включении составила 1500 Вт (чем разрешённые нам 5 Вт хуже?!).

  А теперь немного теории. Схемотехника частото-зависимых гибридных колец (комбинированных сумматоров) не нова, ею пользуются уже многие годы. Для не знакомых с основами предмета нашего разговора, позвольте вникнуть в детали:

  Кольцо состоит из шести электрических четвертей длин волн как показано на чертеже. Сигнал, поступающий с порта А, делится на равные части между портами В и С. На порте D мощность равна нулю. Поворот фазы на порте B  составляет -90 градусов, на порте С -270 градусов. Мощность, приходящая в порт D  из порта А через порт С повёрнута по фазе уже на -360 градусов относительно порта А. Мощность, приходящая в порт D из порта А через порт В, повёрнута по фазе всего на -180 градусов относительно порта А. В результате эти сигналы взаимно уничтожаются.

  Сигнал в выходное кольцо поступает на порт А и порт D. Сигнал, поступающий на порт А и приходящий на порт D через порт В приходит в противофазе с сигналом, проходящим от порта А к порту D через порт С. В результате, сигналы двух усилителей взаимно развязаны. Мощность сигнала в порте С складывается из-за подачи сигналов во входном кольце в противофазе. Преимущество данного метода заключается в том, что оба входных порта выходного кольца взаимно независимы друг от друга и не влияют один на другого, сгорит один усилитель, но другой не пострадает.

  В случае разомкнутого входного порта выходного кольца, половина выходной мощности раскачки пойдёт на выходной порт С, другая половина будет послана на порт В. По этой причине выходная нагрузка контура должна быть в состоянии рассеять 50% мощности второго подключаемого усилителя. Это означает: если Вы подключаете два усилителя с выходной мощностью 500 Вт каждый в комбинацию, то мощность резистора нагрузки должна составлять не менее 250 Вт. К порту D входного контура должна быть подключена нагрузка, которая была бы в состоянии рассеивать 50% подводимой к контуру мощности.

  Контур, как таковой, выполнен из 75-омной линии. Каждый четвертьволновой отрезок, соединённый с другим, согласован под сопротивление 50 Ом, точно также, как это делается обычно при трансформации импеданса в двухстороннем делителе мощности.

Конструкция

 Физическая длина линий может быть высчитана с использованием данных по диэлектрической постоянной диэлектрика. Длины для линий для каждого диапазона сведены в таблицу (при расчёте применялась диэлектрическая постоянная равная 0,66).

 Для мощностей, не превышающих 100 Вт для входного контура (кольца) можно применить кабель RG58U. Контур может быть помещён в металлическую экранирующую коробку с использованием соединителей типа BNC. Важно чётко выполнить соединение общего провода с шасси. Оплётки отрезков кабелей должны доходить, насколько это возможно, до конца линий и до соединителей (не должны быть сдвинуты).

  Следует также предупредить Вас от соблазна применить различного рода соединители Т-звенья и т.п., поскольку импедансы соединителей получаются непредсказуемыми (да ещё при непрофессиональной заделке кабелей в них), невозможно также определить коэффициент укорочения комбинации соединитель - кабель. В этих условиях хорошее согласование, особенно, на диапазоне 432 МГц, получить, как правило, не удаётся.

 К конструкции выходного контура следует отнестись с особым вниманием, здесь будут “гулять” мощности порядка 1500 Вт. Несмотря на то, предполагаете ли Вы использовать РА в непрерывном или прерывистом режимах, можно применить кабель RG11U, но конструкцию следует осуществлять с особой тщательностью.

  Для подключения к усилителям и нагрузке следует использовать “хвостики” из кабеля RG8U, позволяющие сделать более технологичные кольца из более толстого кабеля. Такая технология уменьшает потери и позволяет работать с большими мощностями.

 Чтобы добавить повторяющиеся отрезки кабеля в ¼ и ¾ длины волны к “хвостикам” из кабеля RG8U, нужно немного подумать, как это лучше сделать. Проблема может быть решена применением Т-звеньев соединителей, выполненных из медной водопроводной трубы. У ¼ дюймовых переходов - подходящий внутренний диаметр. Контур (кольцо), таким образом, может быть присоединено к усилителям, антенне, нагрузке с минимальными потерями. Особенно это важно на частотах диапазона 432 МГц и выше.

  Начните изготавливать устройство отрезанием трёх кусков кабеля RG11U по размерам А и одного - по размерам В. При отрезании кабеля старайтесь, чтобы жилки внутреннего проводника не расходились (были вместе).

  Удалите 3/16 дюйма (1 дюйм равен 25,2 мм) верхней защитной оболочки кабеля, его оплётки и диэлектрика с каждой стороны каждого отрезка. Ещё удалите ½ дюйма внешней оболочки. Выберите подходящую длину для “хвостиков” из кабеля RG8U и отрежьте 4 одинаковых куска. На 432 МГц это должно быть не более 18 дюймов. Подготовьте один конец отрезков как  описано выше для RG11U, на другой конец отрезков приспособьте штекеры соединителей.

  Отрежьте 12 кусочков длиной ½ дюйма от тонкостенной латунной трубки диаметром 9/32 дюйма. Аккуратно введите отрезки трубки между оплёткой и диэлектриком кабеля, расправьте оплётку поверх трубок и припаяйте оплётку к ним. Чтобы не расплавить диэлектрик, применяйте маломощный паяльник (легкоплавкий припой, соответствующий флюс, лучше также предварительно зачистить и пролудить трубки и оплётку). Использование избыточного количества припоя предотвращает сползание кабеля в трубчатое Т-звено, выполненное из водопроводной медной трубы. Просверлите ¼ и 5/16 дюйма отверстия для доступа в верхней части Т-образного звена соединения. Тщательно уберите на отверстиях заусенцы. Вставьте два отрезка кабеля RG11U сегмента кольца и “хвостик” из кабеля RG8U в трубки Т-звена так, чтобы все три центральных проводника отрезков кабелей сошлись в одной точке в центре Т-соединителя. Используйте естественную кривизну кабеля, (не прилагайте усилий для того, чтобы перегнуть кабель по-новому), чтобы сформировать кольцо. Для поддерживания всего узла при монтаже используйте какой-либо зажим, другое приспособление.  Прогрейте “тело” Т-образного соединителя, с той целью, чтобы припой затёк внутрь трубок, припаяв, таким образом, оплётки кабелей внутри (температурный режим следует выбирать осторожно, иначе можно расплавить изолятор кабеля, сместить относительно центра или замкнуть на оплётку центральный его проводник; припой следует выбирать с минимальной температурой плавления (вплоть до сплава Розе); трубки Т-соединителя следует с краёв предварительно пролудить и изнутри – UA9LAQ). Латунные трубки, вставленные между оплётками и изоляторами отрезков кабелей (см. выше), выступая за пределы Т-образного соединителя, будут препятствовать изгибанию отрезков кабелей в местах паек. Через технологическое отверстие (см.выше) все (три) внутренние проводники отрезков кабелей спаиваются внутри Т-звена вместе. Все соединения закрываются с помощью термоусадочных трубок (ТТ). (Например, одев ТТ на отрезок кабеля, протягиваем её и одеваем на один из концов Т-образного соединителя. При последующем нагревании ТТ сжимается, плотно обхватывая внешнюю оболочку кабеля и соединитель, чем обеспечивается герметичность соединения и дополнительная устойчивость изгибу - UA9LAQ). По вышеописанной технологии заделываются все отрезки кабелей в кольце. После окончания работ, следует проверить все соединение в кольце на разрыв и короткое замыкание, чтобы исключить потерю времени в будущем – кольцо должно быть исправным.

Проверка

 Каждое кольцо должно быть проверено на симметрию деления мощности. Это следует делать на пониженной мощности. Деление мощности между портами В и С должно быть одинаковым с небольшими потерями (небольшим незначительным затуханием в схеме устройства). Теперь соедините кольца вместе без усилителей. Общие потери комбинированного устройства, и в этом случае, должны быть незначительными. Наконец, проверьте мощность на порте D каждого кольца – здесь мощность должна быть подавлена более чем на 23 дБ. Если Вы располагаете генератором качающейся частоты (ГКЧ), то можете проверить симметрию и изоляцию “гибрида”, подавая сигнал на порт А и снимая его для контроля с порта D. На расчётной частоте (и только на ней!) сигнал ГКЧ будет подавлен примерно на 27 дБ. Множественные провалы на характеристике кольца показывают на отсутствие симметрии. Тщательнее вымеряйте отрезки кабелей! Для сравнения изоляция у входного “комбайнера”, выполненного из кабеля RG59, на частотах 400…440 МГц лучше, чем 27 дБ и ухудшается до 26 дБ на 450 МГц. У выходного кольца такие же параметры.

  При окончательном подключении колец к усилителям помните, что все коаксиальные соединительные линии (кабели) между усилителями и входными и выходными кольцами должны иметь одинаковую длину. Это делает одинаковыми входную и выходную схемы (следует позаботиться, наверное, и об “изоляции” “одинаковых входных и выходных цепей” друг от друга, во избежание самовозбуждения усилителей по схеме “настроенный вход - настроенный выход” на частоте настройки колец – UA9LAQ). В некоторых РА встроен небольшой кусок кабеля, от РЧ гнезда соединителя до, собственно, цепи управляющей сетки лампы РА. Его необходимо учитывать, особенно, это касается самодельных конструкций РА, где длина этого отрезка кабеля  может оказаться любой (если уж нужна симметрия, то симметрия должна быть во всём: усилители должны быть строго идентичны – UA9LAQ). В принципе,  это - не проблема: различную длину упомянутых внутренних отрезков кабеля можно скомпенсировать удлинением или укорочением соединительных кабелей. Итак, все проверки осуществлены. Вам осталось только произвести окончательные соединения усилителей с кольцами (сумматорами мощности – “комбайнерами”), используемыми для сложения мощности двух идентичных усилителей и, можно выходить в эфир.

А напоследок…

  Возможно применить для сложения мощности отрезки линий с воздушной изоляцией из-за их большей эффективности и устойчивости к повреждениям. С  начала эксплуатации выходного кольца (входное работает при меньшей мощности, поэтому более надёжно – UA9LAQ) прошло уже  восемь месяцев. При этом проведено более 200 связей с отражением от нашего естественного спутника – Луны (EME QSO). После длительной работы немного нагревается выходной порт С, но это не катастрофично (видимо, где-то присутствует (или появляется при работе) асимметрия или КСВ достаточно высок - UA9LAQ). Все остальные соединения (порты) – холодные. Схемотехника, приведённая здесь, подразумевает подключение антенны с входным сопротивлением в 50 Ом, которого следует добиваться как можно точнее (КСВ как можно ближе к 1 : 1).

  SSB и CW сигналы  не успевают нагревать устройство, конечно, если Вы не надавите на ключ и будете ждать, что же произойдёт. Настройку предлагаю производить, подавая серию точек со скоростью 40 зн/мин.

 Желаю успеха!

                                                                Таблица 1

Примечание: 1 дюйм = 25,4 мм

Свободный перевод с английского:   Виктор Беседин (UA9LAQ) ua9laq@mail.ru

г. Тюмень              январь 2003 г