Směrová odbočnice ze dvou semirigidů pro reflektometrickou ochranu tranzistorového zesilovače.

Pokud používáte malé tranzistorové PA, nebo podobné polovodičové budiče velkých elektronkových zesilovačů a dosud jste si takový tranzistorový zesilovač nezničili zavysíláním si do nepřizpůsobené zátěže, můžete hovořit o štěstí. Protože štěstí nebývá vždy k dispozici, je vhodné si takový  tranzistorový PA doplnit reflektometrickou ochranu. Článek na téma takové primitivní ochrany jsem již napsal zhruba před rokem a je k dispozici zde, ale protože i u nás mezitím došlo na nějaké další malé polovodičové PA, začal jsem řešit nejen opakovatelnost obvodového zapojení zesilovače a komparátoru (což bylo bez problémů), ale také opakovatelnost výroby té primitivní směrové odbočnice zhotovené sletováním ze dvou semirigidů.

A právě při opakovatelné výrobě takových primitivních odbočnic podle vzoru, uvedeného zde a zde se ukázalo, že je s tím bohužel trochu problém. Semirigidy jsou totiž různé a směrová vazba vyrobená ze semirigidu s relativně tlustým měděným pláštěm není stejná, jako vazba sletovaná ze semirigidů s hliníkovým pocínovaným pláštěm (a to nejen proto, že hliníkový plášť má snahu při pilování s cílem vytvořit štěrbinu v plášti se snadno rozšklebit). Problém je i v tom, že cín může při sletování dvou koaxů směrem dovnitř vytvořit kapičky či vlákna, které se snad dokonce mohou spojit. Potom budou parametry takové směrové vazby hodně rozdílné podle toho, jak šikovně, pečlivě a rychle to s tou pistolovou páječkou umíte...  A vzhledem k tomu, že jsem se ani za 45 let, co tu páječku držím v ruce nenaučil správně pájet (alespoň Franta OK1WC to vždy tvrdil, hi), musel jsem to řešit nějak jinak.

A tak, protože mne nebaví vymýšlet konstrukce, které nemohu kdykoli zopakovat nejen já, ale po mně taky jiní, rozhodl jsem se navrhnout takovou konfiguraci, která by opakovatelná byla. Zde je výsledek:

Prvním problémem, který bylo nutné řešit, je vazební útlum směrové odbočnice. Velký vazební útlum (okolo 40dB a více) prakticky neumožňuje měřit malé odražené výkony,  protože napětí na detektoru je příliš malé. Z nouze ctnost je použití zesilovače odraženého výkonu jako to bylo doporučeno zde, ale lepší je nižší vazební útlum odbočnice.

Druhým problémem je kombinace vazebního útlumu a výkonu PA, aby nedošlo k přetížení zatěžovacího odporu směrové vazby. (Tento problém vykazují například dvě směrové vazby Kathrein pro GSM, které mi někdo přivezl z Holic, neboť mají na 23cm vazební útlum jen cca 22dB, i když mezi radioamatéry rozšířený datasheet mluví jinak - je totiž pro stejně vypadající vazbu jiného objednacího čísla.) Protože maximální výkon, pro který lze takovou vazbu ze semirigidů použít se pohybuje okolo 200W VF (výkonový limit pro SMA konektory), nepostačíme s jednou délkou vazby pro 144, 432 i 1296 MHz a bude nutno použít různé délky vazby - například jednu pro 144 a 432, a jinou pro 1296 a 2320MHz. Počítat jistě umíte a tak lehce zjistíte, že při 200W PA a vazebním útlumu pouhých 20dB zakončovací odpor 0,25W shoří docela spolehlivě.

Třetím problémem je směrovost - tento parametr není tak kritický, protože takovou "homo domo" vazbu asi nemáme pro měření velmi malých hodnot PSV (SWR), ale pro reflektometrickou ochranu - t.j. pro hodnoty PSV horší, než cca 2, tedy pro útlum odrazu menší, než cca 10dB. Směrová vazba by měla být alespoň 4x lepší (tedy mít směrovost alespoň 16dB).

Čtvrtým problémem je útlum odrazu vlastní směrové odbočnice - tedy jaký výkon se od ní odrazí zpět do zesilovače (protože její impedance se liší od 50Ohmů) a neprojde na výstup.  Protože výkonová ztráta není velká, položme si zadání, že lze akceptovat výkonovou ztrátu například 2,5% (tedy například 5W z 200W), a tedy útlum odrazu vlastní směrové odbočnice by určitě neměl být menší, než 16dB.

"Klasická směrová vazba" ze dvou "připilovaných semirigidů (vzorek č.1) má problémy s velkým vazebním útlumem na 144MHz a vychází dost dlouhá. Při její výrobě jsem poznal, že důkladné propájení obou koaxů může mít za následek místní protečení cínu mezi oběma štěrbinami a de facto jejich prozkratování, což má za následek, že vazební útlum prudce roste (na dvoumetru až přes 50dB). Proto v případě, že se rozhodneme pro tuto konstrukci, je třeba pájet spíše "na studeno", jak je ukázáno na obrázku reflektometru od OK1TIC.  Pokud ale budeme chtít tímto způsobem vyrobit dvě víceméně identické vazby (například pro jištění dvou polovin stejných výkonových stupňů v jednom PA sdruženém sestaveném ze dvou zesilovačů), asi narazíme.

Proto jsem se rozhodl zkusit opakovanou konstrukci směrové vazby tak, že jsem v daném úseku odstranil z obou semirigidů celou trubku vnějšího vodiče, obě teflonové "žíly" středního vodiče přitisknout k sobě a těsně omotat CU vodičem a ten dobře proletovat, aby z něho vznikla nová, oválná společná trubka pro oba střední vodiče - samozřejmě s patřičným přesahem na vnější trubky obou koaxiálních vedení. A potom jsem už jen měnil délku společného souběhu obou vodičů a trochu měřil. Zde jsou výsledky těchto pokusů:

Směrová vazba - číslo vzorku obrázek
Vzorek 1.

sirka sterbiny cca 1,5 mm, delka sterbiny cca 60 mm
 
kmitočet vazební útlum směrovost útlum odrazu
144 MHz 45dB 20dB 29dB
432 MHz 36dB 22dB 22dB
1296 MHz 30dB 16dB 18dB

 


Běžná štěrbinová vazba. Povedl se mi slušně až třetí kus.
Vzorek 2.

spolecne stineni dvou semirigidu s odstranenym vnejsim vodicem, delka vazby
cca 40 mm Opleteni z propajeneho vodice typu licna cca 10 x 0,08mm
 
kmitočet vazební útlum směrovost útlum odrazu
144 MHz 40dB 22dB 33dB
432 MHz 30dB 20dB 20dB
1296 MHz 23dB 17dB 16dB

 


Je to trochu ošklivé, ale plně funkční na první pokus ;-)
Vzorek 3.

spolecne stineni dvou semirigidu s odstranenym vnejsim vodicem, delka vazby
cca 40 mm Opleteni z propajeneho vodice Cu průřezu 1,5mm2
 
kmitočet vazební útlum směrovost útlum odrazu
144 MHz 38dB 18dB 40dB
432 MHz 29dB 18dB 20dB
1296 MHz 22dB 20dB 18dB

 


Nejen docela pěkná vazba, ale také se slušnými parametry.
Vzorek 4.

spolecne stineni dvou semirigidu s odstranenym vnejsim vodicem, delka vazby
cca 20 mm Opleteni z propajeneho vodice Cu průřezu 2,5mm2
 
kmitočet vazební útlum směrovost útlum odrazu
144 MHz 44dB 16dB 28dB
432 MHz 35dB 16dB 24dB
1296 MHz 26dB 16dB 18dB

 


Kratší vazba, použil jsem ale o dost silnější drát.


Shrnutí: přestože jsem neměl ani čas, ani dostatečné množství semirigidu na stříhání, abych mohl výsledky statisticky zobecnit, zdá se, že nápad na výrobu směrové vazby ze dvou semirigidů pomocí společného ovinutí dvou obnažených středních vodičů je životaschopný. Pro reflektometrickou ochranu polovodičových PA pro 144 a 432MHz jsou plně vyhovující vazby, u nichž bude délka společného vedení obnažených vodičů cca 40mm, pro pásmo 23 a možná i 13 cm potom dostatečně dobře vyhoví délka 20mm. (Pro "horní krátkovlnná pásma" 50 a 70MHz by naopak délku společného vedení bylo vhodné prodloužit na cca 10cm.)

V případě, že byste snad chtěli tento druh směrové vazby použít pro větší výkony, použijte kvalitní konektor typu "N" pro semirigidy (jako na obrázku). Průchozí výkon bude potom pravděpodobně možné zvýšit až na cca 500 W (250W na 23 a 13cm), protože bude limitován spíše výkonovým limitem použitého semirigidu (mluvíme zde o výkonové zatížitelnosti semirigidu řady UT141 o vnějším průměru 3,6mm). Více detailů najdete například tady.

Zbývá pár poznámek k výrobě této primitivní směrové vazby. Nejprve ostrým nožíkem nařízneme kolem dokola na dvou místech vnější plášť semirigidu a definujeme tak (pro obě koaxiální vedení stejně) délku společných obnažených vodičů vazby. Potom v místě naříznutí semirigid opatrně zlomíme, aby se kolem dokola oddělila část vazby od konců. Vedení upneme asi do poloviny do svěráčku a plochým pilníkem opilujeme uvolněnou část vnejšího vodiče tak, aby se vytvořila štěrbina. Vnější vedení potom lze snadno ze středního vodiče s teflonouvou izolací stáhnout. Totéž uděláme na druhém vodiči budoucí vazby. Nyní oba vodiče opatrně spájíme před a za obnaženou částí a ovineme patřičným CU vodičem, těsně a utaženě závit vedle závitu. Doporučuji Cu vodič o průměru 0,8 až 1mm. Silnější Cu drát je již příliš tvrdý, deformuje a stahuje oba střední vodiče násilně dohromady a parametry směrové vazby se zhoršují. Možná, že optimální by bylo polohu obou středních vodičů vymezit dvěma vložkami - viz obrázek  tady.  To už by ale měl vyzkoušet někdo jiný ;-).   Cu drát použitý na "opletení"  musí být před jeho použití perfektně čistý, doporučuji ho proto vyleštit jemným smirkem, aby se lépe pájel. Ovinutí by mělo přesahovat obnažené části středních vodičů a zasáhnout až na vnější vodiče obou koaxů nejméně 5mm. Konce ovinutého vodiče zafixujeme (aby se samovolně nerozvinul) peanem, nebo vhodnou svorkou a dobře propájíme cínem. Postup je dobře vidět na obrázcích dole.  Tím by měla být výroba směrové odbočnice, zcela postačující pro tranzistorové PA středního výkonu víceméně hotova. Ostatní obvody reflektometrické ochrany je možno udělat podle odkazu v záhlaví, anebo, pokud se nám líbí práce s mikročipáky, třeba i jiným, uživatelsky luxusnějším způsobem :-) .

Pro informaci uvádím hodnoty stejnosměrného napětí detektoru zakončeného odporem 50 Ohm (paralelně 2 x 100 Ohm, 2 x 0,25W) se Schottky diodou (obdobný detektoru uvedeného tady) naměřené na směrové vazbě s délkou vazby 20mm (vzorek 4) zapojené v dopředném směru při aplikaci výkonu 50W na 144, 432 MHz a 10W na 1296 MHz. Detekované stejnosměrné napětí při těchto podmínkách bylo cca 0,35V na 2m, 1,20V na 70cm a 2,35V na 23cm. Útlum odrazu samotného detektoru je 36 dB na 2m, 25dB na 70cm a 14dB na 23cm. (Poměrně špatný útlum odrazu detektoru na 23cm nedělá indukčnost odporů, ale kapacita diody KAS31 - po jejím odpojení útlum odrazu na 23cm vzroste na 26dB.) Z uvedeného vyplývá, že pokud máme využít směrovou vazbu pro měření například 250W na 23cm, dá se očekávat, že napětí na detektoru bude cca 12V. Naopak, pokud budeme chtít směrovou vazbu použít k ochraně zesilovače na 144MHz, bude vhodnější použít delší směrovou vazbu (vzorek 3), u které se dá při 500W předpokládat, že na  detektoru bude napětí cca 2,2V. Podobně i na 70cm bude proto vhodnější delší vazba. Pro budiče menšího výkonu bude pro stabilní nastavení reflektometrické ochrany pravděpodobně vhodné použít zesilovač, jak je diskutováno zde.

Tolik ode mne a závěrem přeji hodně úspěchů při výrobě a co nejméně zničených polovodičových výkonových zesilovačů (nebo-li SSPA, jak píší odborníci ).

73 de OK1VPZ

Obrázky z výroby primitivní směrové vazby: