VYSÍLAČ PRO PÁSMA 9cm A 12cm [1956]

J. Janta,  B. Pravda

Neustálý rozvoj centimetrových pásem a jejich široké praktické užití je pro radioamatéry pobídkou, aby také oni zvládli toto poměrně nové odvětví radiotechniky a posílili tak řady středně technických kádrů v tomto oboru. Mimo to přináší centimetrová i decimetrová technika mnoho nových problémů, odlišných od problémů v již propracovaném pásmu delších vln (metrové a více), které svou zajímavostí přirozeně amatéry lákají. Zpráva o rekordu v pásmu 1215 MHz a některé články v Amatérském radiu ukazují, že o rozšíření činnosti radioamatérů směrem ke kratším vlnovým délkám je živý zájem i u nás. Ve snaze učinit na tomto poli další krok, přistoupili jsme k řešení problémů pro amatérská pásma 2 300 MHz a 3300 MHz (t.j. 12 cm a 9 cm). Výsledkem našich pokusů bylo zařízení vystavené na III. celostátní výstavě radioamatérských prací 1955 v Praze (víz AR čís. 6 t. r.).

V tomto článku chceme nejdříve rozebrat možnosti, jaké má amatér na tak vysokých kmitočtech, ukázat různé řešení oscilátorů a konečně popsat použitou konstrukci, kterou již bylo uskutečněno první spojení na 9 cm.

Všeobecně o oscilátorech v cm pásmu

V uvažovaných pásmech užívají se jako zdroje vysokofrekvenční energie magnetrony, klystrony a majákové triody. Pro amatérské účely připadají v úvahu - jako jedině dostupné - pouze majákové triody. Majáková trioda je elektronka speciálně vyvinutá pro pásma asi 300-3 000 MHz i více. Její elektrody jsou planparalelní, takže škodlivé vlivy přívodu (indukčnosti) jsou omezeny na nejmenší míru. Disková konstrukce vývodů elektrod umožňuje, že elektronka se stává přímo částí resonančního obvodu, zpravidla tvořeného koaxiálním vedením. Nejobvyklejší konstrukce majákové triody, která nepotřebuje vysvětlení, je na obr. 1a. Elektronky s větší anodovou ztrátou (20  až 100 W) bývají provedeny jinak (viz obr. 1b). Poněvadž je třeba účinně chladit anodu, tvoří ji elektroda největšího průměru. Povrch této elektrody může být proveden z radiálních žeber, která usnadňují výměnu tepla s okolím.

Majákové elektronky, které se mohou dostat do rukou našeho amatéra, jsou uvedeny s nejdůležitějšími daty v ta bulce. Stojí jistě za zmínku, že mezní kmitočty udávané výrobcem lze často překročit; naše vlastni praxe ukázala, že na příklad 2C40 kmitá až na 8 cm (t. j. 3800 MHz).

Nyní přistoupíme k popisu několika praktických příkladů konstrukce oscilátoru s majákovou triodou. Jednotlivá řešení popíšeme stručně a podrobněji se věnujeme poslední konstrukci, která je použita v našem zařízení.

První příklad (viz obr. 2) je funkčně nejjednodušší. Oscilátor se skládá že dvou laděných koaxiálních dutin, vzájemně oddělených mřížkovou přepážkou. Ladění dutin je uskutečněno posuvnými písty. Jednu dutinu tvoří koaxiální vedení mřížka anoda, druhou vedení mřížka katoda. Zpětnou vazbu mezi oběma dutinami můžeme provést koaxiálním vedením podle obr. 2. Je třeba dát pozor, abychom splnili amplitudovou a fázovou podmínku zpětné vazby, nezbytnou pro oscilátor. Jednodušší zpětná vazba je na obr. 3, kde je provedena kolíkem, zasahujícím do obou dutin. Výhodnější je zpětná vazba koaxiálním vedením, neboť máme možnost jejího dolaďování, čímž oscilátor získá na širokopásmovosti. Nevýhodou celé této konstrukce oscilátoru jsou poměrně velké rozměry a nutnost laděni dvěma prvky, neboť ladění jednotlivých dutin nemůžeme spolu prakticky nijak mechanicky svázat.

Vlevo: Katodový válec s vf výstupem. Vpředu ladicí elementy a elektronka s mřížkovým válcem. Vpravo: Rozložený souosý oscilátor.

Dalším příkladem je velmi podobná konstrukce na obr. 4. Tento oscilátor má rovněž odděleně laděné dutiny, jsou však umístěny na sobě, takže celková délka je menší. Zpětná vazba je provedena kolíkem, který zasahuje do obou dutin. U tohoto oscilátoru zůstává nevýhoda ladění dvěma prvky. Přesto se však tato konstrukce často vyskytuje u měrných oscilátorů a laboratorních zdrojů, neboť vhodným řešením zpětné vazby lze tento oscilátor provést jako velmi širokopásmový (10-30 cm).

Konstruktivně nejjednodušší a tedy pro amatérské účely zvláště výhodné je řešení třetí (obr. 5) . Velkou jeho výhodou je ta skutečnost, že ladění lze provést v rozsahu asi 10% jediným ladicím prvkem. Toto řešení popíšeme podrobněji, protože bylo podkladem pro námi zhotovené zařízení

Oscilátor se skládá ze tří koaxiálních vedení. Vnější válec, uzavírající celou dutinu, je spojen s katodou. Společně s mřížkovým válcem tvoří usek koaxiálního vedení B a s anodovým válcem skládá vedení C. Uvnitř mřížkového válce je vedení A. Koaxiální dutina je uzavřena posuvným čtvrtvlnným pístem, který tvoří pro vysokou frekvenci bezkontaktní zkrat. Tím je odděleno stejnosměrné anodové napětí od katodového válce. Pro správnou funkci pístu je třeba, aby měl délku λ/4. Poněvadž však chceme pracovat v jistém pásmu, musíme zhotovit píst ‚tak, aby byl co nejvíce širokopásmový. Z teorie vychází, že musí být (podle obr. 6) poměr a/b co nejmenší; proto volíme, pokud je to možné, malé a a velké b. Ve vhodném místě mřížkového válce je ve vedení mřížka katoda umístěn mřížkový svod. Vlastní oscilační obvod, určující kmitočet oscilátoru, je tvořen otevřeným koaxiálním vedením A mezi mřížkou a anodou. Ideálně by resonující úsek vedení měl mít délku λ/2, avšak kapacita C_ag elektronky a kapacity diskontinuit (Diskontinuitou rozumíme ve vedení každou nepravidelnost tvaru, na př. zakončení vedení, vložení do vedení cizího tělesa, prudká změna charakteristické impedance. Náhradním schématem takových nepravidelností mohou být různé prvky. V našem případě jsou to kapacity.) způsobují, že je vedení ve skutečnosti daleko kratší. Zhruba si lze kmitavý obvod anodě představit jako paralelní kombinaci kapacit mezi anodou a mřížkou (t j C_ag + kapacity diskontinuit) a indukčnosti, kterou představuje vedení A. Ukážeme, že pak vedení A musí být skutečně kratší než λ/2. Je známo, že vstupní impedance otevřeného bezeztrátového vedení má pouze imaginární složku X_vst a její velikost probíhá podle obr. 7. Z průběhu je vidět, že X_vst bude kladné a tedy induktivního charakteru pro délku vedení větší než λ/4 a kratší než λ/2. Délka mřížkového válce musí se proto pohybovat v tomto rozmezí. Ladění kmitavého obvodu provedeme vhodným zásahem do vedení A. Na př. velmi jednoduchý způsob spočívá v tom, ze po základní anodové tyči posouváme válec většího průměru (podle obr. 5). Tím měníme charakteristickou impedanci části anodového vedení a zároveň se mění indukčnost, kterou vedení A na vstupu představuje. Tato úvaha je velmi přibližná, neboť anodový válec tvoří ve vedení A diskontinuitu, která mění zároveň i kapacitu v kmitavém okruhu. Princip si však ladění oscilátoru lze takto vyložit.

Ostatní vedení, t. j. B a C, mají význam pro zpětnou vazbu. Nastavení zpětné vazby provedeme posunem zkratovacího pístu, čímž měníme délku vedení C. Vedení B slouží k převedení energie zpět na vstup elektronky. Mimo to na tomto vedení odebíráme z oscilátoru energii ať již kapacitní vazbou či smyčkou.

Je přirozené, že poloha pístu má rovněž jistý vliv na ladění oscilačního obvodu vedení A. Tento vliv je však velmi malý, takže k ladění se užít nedá. Navíc má poloha pístu velký vliv na zpětnou vazbu. Při uvádění oscilátoru do chodu je proto třeba nejprve naladit střed požadovaného pásma nastavením anodového válce ve vedení A, a pak nastavit největší výstupní výkon (t. j. optimální zpětnou vazbu) nalezením správné polohy pístu. Potom můžeme píst s anodovým válcem pevně spojit a v jistém pásmu ladit společným posuvem obou - t. j. ladění jediným prvkem. Chceme-li přejít na jiné pásmo, je nutno změnit délku mřížkového válce. Buď můžeme mít jeden válec teleskopicky roztažitelný, nebo, což je spolehlivější, použijeme více různě dlouhých válců. Vhodným odstupňováním rozměrů mřížkových válců můžeme překrýt dosti široké pásmo, na př. 8±13,5 cm.

Pokud jde o kmitočtovou stabilitu oscilátoru, je třeba udržovat konstantní napětí na anodě i napětí žhavení. Změna žhavicího napětí má totiž vliv na teplotu elektrod, které se teplem deformují a mění své vzájemné vzdálenosti. Změny mezielektrodových kapacit působí pak na kmitočet oscilaci.

Tím jsme probrali funkci oscilátoru a nyní přistoupíme k popisu jeho konstruktivního provedení.

Konstruktivní provedení oscilátoru.

Katodou) válec je tvořen měděnou nebo mosaznou trubkou o vnitřním průměru. 34 mm a délce 11 cm. Průměr katodového válce, t. j. vnějšího vodiče koaxiálního vedení, není samozřejmě příliš kritický. Vlastně všechny průměry koaxiálních vedení v celém oscilátoru můžeme volit poněkud jiné, než jak v tomto článku uvádíme. Musíme se pochopitelně řídit materiálem, který máme k disposici. Je třeba jen zajistit, aby v koaxiálních vedeních nemohl vzniknout jiný druh šíření, resp. kmitání (t. zv. vlnovodný). Aby tento nepříznivý případ nenastal, musí být součet průměrů vnitřního a vnějšího vodiče koaxiálního vedeni menší, než nejkratší pracovní vlnová délka, dělená π/2, tedy

D + d <( λ_min /π/2)

Na straně elektronky je katodový válec uzavřen mosazným víčkem (obr. 8), které je po obvodu rozřezáno. Tím jsou vytvořeny pružné kontakty doléhající na vnější válce elektronky, který se spojuje s katodou. Druhá strana válce je uzavřená víkem z pertinaxu o síle 10 mm. Toto víko má uprostřed kovovou vložku se šroubkem pro upevnění anodové tyče. Dále na tomto víku je otočně připevněna matka, pomocí které pohybujeme zkratovacím pístem a ladicím anodovým válcem. Zde je nutno upozornit, že matka je pod anodovým napětím. Abychom mohli bez obav použít nějaký vhodný převod, v našem zařízení ozubená kola, je nutno provést isolační prodloužení osičky. Jeden z možných způsobů je na obr. 9. Tam, kde nejsme omezeni rozměry, je možno použít pružné keramické spojky, která se vyskytuje na trhu. Upevnění matky je zřejmé z obr. 8.

Hlavní kostra zespodu

Mřížkový válec je vyroben opět z mosazné trubky. Tentokráte je nutno dodržet vnitřní průměr 20 mm, neboť mřížkový disk na elektronce má průměr 20,6 mm. Upevnění na mřížku je provedeno jednoduše, jak ukazuje obr. 10. Síla stěny mřížkového válce s ohledem na váhu je kolem 0,7 mm. Spolehlivý dotek je vytvořen opět rozřezáním po obvodu. Toto rozřezání je nutno provést hustě, aby vznikly úzké kontakty, čímž zajistíme dobrý dotyk i při malém potřebném tlaku. Při širších kontaktech, které potřebují větší tlak, je totiž nebezpečí poškození elektronky při snímání mřížkového válce. Rozřezání se provádí jemnou lupénkovou pilkou, aby nevznikly příliš velké otvory a nemohla jimi působit nežádoucí vazba. Podsoustružení za drážkou pro disk elektronky má význam pro zvětšení pružnosti doteku. Délka mřížkového válce pro pásmo 9 cm je 25,4 mm, pro 12 cm je 40 mm.

Anodová tyč je tvořena měděnou trubkou o vnějším průměru 8 mm. Musí být z materiálu s dobrou tepelnou vodivostí, aby odváděla, část tepla z anody. Konec, který přijde nasadit na anodu elektronky je opět proveden tak, jako kontakty předcházející, t. j. nařezáním. Po délce tyče je vytvořena štěrbina (umístěná podle obr. 8). Touto štěrbinou prochází kolík, který zapadá do anodového válce a pomocí šroubu umístěného uvnitř anodové tyče a matky na zadním víku přenáší otáčivý pohyb v pohyb axiální. Anodová tyč je upevněna v zadním víku pomocí šroubku jak již bylo uvedeno dříve.

Anodový válec je tvořen trubkou o vnějším průměru 14 min. Tato trubka se musí posouvat po anodové tyči s velmi dobrým kontaktem a proto konce této trubky jsou při výrobě nejprve uzavřeny mosaznou zátkou o síle 2 mm, po jejím zapájení teprve vyvrtáme v nich otvor podle průměru anodové tyče a pak obvod trubky do hloubky asi 10 mm opět rozřežeme. Tím máme zabezpečeny dobré doteky a soustřednost. Délka anodového válce je 60 mm; není však rozhodující.

Zkratující píst vytváří elektrický zkrat mezi anodovým a katodovým válcem, čímž uzavírá katodovou dutinu. Píst je vysoustružen z kusu mosazi o vnějším průměru 33 mm. Jeho délka je kritická a nutno mít zvláštní píst pro pásmo 9 cm i jiný pro pásmo 12 cm. Ovšem jen tehdy, žádáme-li optimální nastavení výkonu. Jinak je možno délku pístu volit mezi délkami odpovídajícími λ = 9 cm a λ = 12 cm. Délka pístu je λ/4. O správnosti jeho délky se lze přesvědčit jednoduchým způsobem; stačí přiblížit ruku dozadu k táhlům pístu. Jestliže nějaká energie uniká za píst, ovlivňujeme ji rukou natolik, že se mřížkový proud elektronky viditelně změní. Nyní ladíme oscilátor tak dlouho, až je vliv naší ruky na mřížkový proud minimální. Tehdy změříme vlnoměrem λ a srovnáme, do jaké míry se délka pístu liší od λ/4. V našem případě byla odchylka zanedbatelná.

Píst se má v době nastavování oscilátoru pohybovat po anodovém válci. Proto je nutno střed pístu opatřit opět pružnými kontakty. Jednoduše je vytvoříme tak, že do středu pístu připájíme trubičku z fosforbronzového plechu nebo mosazi, která je po obvodu rozřezána. Po nastavení pístu zajistíme ho v nastavené poloze šroubkem. Otevřený konec pístu uzavřeme partinaxovou vložkou, která má dva účely: jednak tvoří mechanické vedení uvnitř katodového válce a zabraňuje zkratu, při čemž zaručuje nutnou soustřednost celého ladicího systému, dále pak je hmotou, která svými ztrátami nedovoluje, aby za pístem vznikly nežádoucí odraz případně prošlé energie.

Posouvání pístu v době nastavování oscilátoru je provedeno pomocí dvou táhel upevněných podle obr. 8. Po nastavení pístů táhla vyjmeme a místo nich zašroubujeme do pístu vhodné šroubky, které nám zároveň přitahují vodicí vložku.

Výstup vf energie. Vf energii vyvádíme souosým (koaxiálním) vedením. Vazba je kapacitní - tvoří ji malý disk na středním vodiči koaxiálu, viz obr. 11.

Upevnění koaxiálu je provedeno pomocí na konci rozřezané trubky s kuželem, na kterou se zašroubovává matka se stejným kuželem. Zašroubováváním matky stahují se rozřezané části trubky k vnějšímu vodiči koaxiálu.

Mřížkový svod je s mřížkovým válcem spojen pružinou. Vhodné provedení je patrno z obr. 8.

Přijímač

Ve funkci přijímače pracuje oscilátor jako superregenerační detektor. V navrženém nařízení byl použit superregenerační stupeň s vlastním přerušovacím kmitočtem. Toto zapojení bylo zvoleno z důvodu jednoduchosti provedení přes nevýhody, které má, t j. nestálost přerušovacího kmitočtu a těžké ovládání superregenerační stupně. Aby bylo možno regulovat amplitudu přerušovacího kmitočtu, je vhodnější zapojení superregeneračního stupně s cizím zdrojem tohoto kmitočtu. Zdroj pak nejčastěji připojujeme na mřížkový odpor. Vhodný přerušovací kmitočet pro pásmo 9 cm je kolem 1 MHz. Při tomto kmitočtu dostáváme maximální citlivost. Je možné dosáhnout citlivosti 10^-11 W. Nízkofrekvenční zesilovač jako obvykle zastává i funkci modulátoru.

Anténa

Jako antény bylo použito půlvlnného dipólu s reflektorem umístěným do ohniska parabolického reflektoru o průměru 80 cm. Toto řešení dává šířku svazku asi 8°.

Napájený dipól je přímo na koaxiálním vedení, které je v pevném provedení o impedanci 50 Ω. Symetrizace je provedena štěrbinou. Přizpůsobení zářiče vedení se provádí vhodným nastavením vzdálenosti reflektoru. Vazba antény s oscilátorem je provedena kapacitně. Vhodné nastavení vazby kontrolujeme podle poklesu mřížkového proudu. Konstrukční provedení antény je na obr. 11.

*    *    *

Tím byly probrány hlavní části celého zařízení a zbývá se zmínit o celkovém uspořádání a doplňcích.

Navržené zařízení, pracující s elektronkou 2C40, dává vf výkon řádově 100 mW. Není tudíž možné kontrolovat funkci pomocí prostředků užívaných na delších pásmech, kdy funkci vysílače lze kontrolovat přiložením žárovky či doutnavky. Z toho plyne nutnost vestavění měřicího přístroje do zařízení. Tímto přístrojem pak snadno kontrolujeme mřížkový proud, anodové napětí i proud a máme možnost neustálé kontroly činnosti zařízení.

Celé zařízeni bylo sestaveno i se zdroji a měřidlem do panelového provedení a bylo umístěno na pevný stativ spolu s parabolickým zrcadlem. Nastavení směru je usnadněno upevněním celého zařízení na axiální ložisko se šnekovým převodem a úhlovou stupnicí. Nastavování úhlu ve svislém směru vzhledem k značnému rozměru výšky zařízení nad zemí k λ není nutné.

A. nyní ještě několik poznámek k tomu, jak začít pracovat na pásmech 12 až 9 cm a jaké požadavky jsou kladeny na vybavení.

Z předcházejícího plyne, že k tomu, aby práce byla úspěšná, je nutné mít možnost pracovat na obráběcích strojích. Kromě toho však práce na těchto pásmech si vyžaduje i vybavení měřicími přístroji. Především se jedná o vhodný vlnoměr, bez kterého je práce téměř nemožná.

Jsme si vědomi, že náš článek o tak zajímavém tématu je velmi stručný a informativní. Nemohli, jsme se však pouštět do hlubších teoretických a matematických rozborů, neboť přesahují rámec tohoto časopisu. Na druhé straně jsme nepovažovali za nutné popisovat konstrukci našeho oscilátoru příliš detailně, neboť každý, kdo bude mít zájem o jeho stavbu, má jistě již určité zkušenosti na VKV. Mimo to pracujeme na další konstrukci oscilátoru, který má obsahovat tři amatérská pásma (9, 12, 24 cm). Bude jistě vhodnější uveřejnit až tuto novou konstrukci. Jinak rádi podáme podrobnější informace všem, kdo se budou o návrh oscilátoru blíže zajímat.

AR 1/1956

Přeložil, přepsal a upravil pro web ok2kkw OK1TEH v roce 2006