|
Některé zásady konstrukce oscilátorů pro amatérská pásma nad 1000 MHz [1957] Ing. Jarmila Nováková
V posledních letech začíná u nás stále více amatérů pracovat na pásmech 1215-1300 MHz a 2300-2450 MHz. Při konstrukci zařízení pro tato pásma narážíme na některé specifické potíže. Elektronky, používané na nižších VKV pásmech, buď již vůbec nevyhovují, nebo mají mezní kmitočet kolem 1300 MHz, což, jak dále uvidíme, je nijak zvlášť nedoporučuje. S rostoucím kmitočtem se začíná uplatňovat doba průletu elektronů, mezielektrodové a rozptylové kapacity a indukčnost přívodů k elektronce. Snaha o snížení nepříznivého vlivu těchto faktorů vedla ke konstrukci speciálních elektronek, jejichž elektrody jsou tak uspořádány, že tvoří součást obvodu. Příklad provedení těchto elektronek je na obr. 1. Obr. 1a znázorňuje řez planární triodou 2C40. Je to skleněná trioda s diskovými elektrodami. Obr. 1b ukazuje řez keramickou triodou LD12 s válcovými elektrodami. Hlavní údaje některých, u nás dosažitelných elektronek, jsou v tab. I. Vidíme, že účinnost elektronek na těchto kmitočtech je již podstatně nižší, než jsme zvyklí na nižších pásmech. Dávají tedy při stejném příkonu mnohem nižší vf výkon. Zato však můžeme na vysokých kmitočtech dosáhnout mnohem vyššího anténního zisku. Vztahujeme-li anténní zesílení na kulový zářič, Vk = 1, pak λ/2 dipól o vyzařovacím odporu 73,3 Ω má zesílení Vk = 1,64 a parabolická anténa má Vk = π2 q (D/λ)2, kde q = 0,55 ÷ 0,7; D je průměr antény. Pro q = 0,6; D = 100cm bude pro λ = 25 cm Vk = 96. Pro λ = 12,5 cm bude Vk = 384 pro tutéž parabolu. Z hlediska návrhu zdrojů a stability nás zajímá, jak se mění kmitočet s anodovým napětím. V obr. 2 je tato závislost vynesena pro elektronku LD12 (podle Megly). Vezmeme-Ii za základ Ua = 500 V, pak při zvětšení napětí o 40 %, t.j. na 700 V, se změní kmitočet asi o 0,2 MHz, což je asi 0,0015 % a výkon stoupne z 9 na 13W, tedy o 45 %. U obvodů pro oscilátory a zesilovače v pásmech nad 1000 MHz nevystačíme již s normálními kapacitami a indukčnostmi, neboť jejich vyhovující hodnoty nejsou pro tak vysoké kmitočty technicky realisovatelné. Proto používáme jako obvodů částí vedení. (Viz též [1], [2].) Vedení, ať dvoudrátové, páskové nebo souosé si můžeme představit složeno z indukčností a kapacit rovnoměrně rozložených po celé délce vedení; proto tyto obvody nazýváme obvody s rozloženými parametry. Náhradní schéma je na obr. 3. Ztrátové odpory a vodivosti jsme zanedbali, neboť předpokládáme vedení dokonale vodivé, se vzduchovým dielektrikem.
Z = j Z0 tg (2 π l ) / λ kde Z0 je charakteristická impedance vedení, určená jeho geometrickými vlastnostmi, l je délka vedení a λ délka vlny. Vstupní impedance otevřeného vedení je Z = - j Z0 cotg (2 π l ) / λ Víme, že funkce tg i cotg může nabýt hodnot kladných a záporných. Hodnota vstupní impedance nabývá proto hodnot kladných (impedance je induktivní) nebo záporných (impedance je kapacitní) podle toho, jaká je délka vedení. Pro laděné obvody využijeme tedy mezielektrodové kapacity, k níž připojíme vedení jako indukčnost. Obvykle používáme vedení na krátko; pak pro resonanci platí 1 / (ω C) = Z0 tg (2 π l ) / λ V pásmu nad 1000 MHz se hlavně používá soustředných vedení. O dvoudrátových vedeních i jejich nevýhodách na vyšších pásmech bylo již dříve psáno [2] a nebudeme se tedy jimi zabývat. Obrátíme se nyní k vlastnímu provedení obvodů. Nejobvyklejším zapojením oscilátorů je zapojení s uzemněnou mřížkou, neboť má proti jiným zapojením řadu předností. Resonanční obvody jsou pak mezi anodou a mřížkou a mezi katodou a mřížkou. Vazební kapacitu tvoří kapacita anoda-katoda (obr. 4). Vysílač můžeme navrhnout buď s cizím nebo vlastním buzením. Pro malá zařízení se většinou dělá vysílač s vlastním buzením (sólooscilátor), neboť zařízení vyjde podstatně jednodušší, je méně nákladné a také ladění není tak složité. Protože pro amatérskou praxi je výhodnější stavba vysílače vlastním buzením, budeme se dále zabývat jen konstrukcí výkonového oscilátoru. Některé způsoby konstrukce oscilátoru byly popsány v 1. čísle loňského ročníku AR [3]. Z uvedených druhů, provedení je oscilátor se dvěma dutinami méně závislý na změnách napětí a dovoluje větší přeIaditelnost. Na obr. 5 je příklad provedení oscilátoru se dvěma dutinami. Tohoto typu oscilátoru se užívá i pro stabilní oscilátory, kde lze dosáhnout krátkodobé stability řádu 10-8 do 3000 MHz. Tato hodnota je uvedena pro zajímavost. U amatérského oscilátoru jí nedosáhneme, neboť řada požadavků je v rozporu s požadavkem maximální stability. (Na př. u velmi stabilních oscilátorů odebíráme z elektronky jen asi 1/10 výkonu, který je elektronka schopna dodat.) Věnujeme tedy pozornost jen hlavním zásadám návrhu výkonového oscilátoru. Kmitočet oscilátoru určuje převážně obvod anoda-mřížka. Obvod katoda-mřížka spolu se zpětnovazebním systémem určuje amplitudu a fázi budícího napětí. Jak dosáhneme co možno největší stability kmitočtu? V prvé řadě se snažíme, aby souosý resonátor měl co možno největšího činitel jakosti Q. Proto vnitřní povrch vnějšího a vnější povrch vnitřního vodiče resonátoru musí být co nejlépe opracován, leštěn a stříbřen. Styk elektronky s resonátory musí být dokonalý, právě tak jako dotyk mezi stěnami resonátoru a zkratovacím pístem. Při kmitočtech nad 1000 MHz se nedoporučuje provést vodivý dotyk resonátoru s mřížkou a pístu s resonátorem pomocí spirálových per. Není snad nutno ani připomínat, že celkové provedení musí být mechanicky pevné, neboť nedokonalé spojení má za následek nestabilitu kmitočtu, nedostatečný výkon, nebo oscilace vůbec nenasadí. Pokud je resonátor složen z jednotlivých dílů, musí být spájeny nebo snýtovány. Pro dobrou stabilitu kmitočtu je důležitější použít pro konstrukci resonátorů materiál s dobrou tepelnou vodivostí (mosaz, měď) raději než materiál s malým činitelem roztažnosti, zejména v těch částech, které přímo odvádějí teplo od elektronky. I tak je však nutno počkat 5 až 10 minut, než se kmitočet ustálí. Změna kmitočtu od zapnutí až po ohřátí činí podle konstrukce několik MHz. U elektronek, které mají anodu připojenou na střední vodič (2C43), je zejména nutné se postarat o dobrý odvod tepla středním vodičem, neboť jinak se může anoda ohřát nad dovolenou teplotu a tím se mechanicky poškodit.
Na stabilitu kmitočtu má značný vliv i zátěž. Aby kmitočet oscilátoru byl co nejméně ovlivněn změnami zátěže, je. vhodné, aby vazba s anténou byla co nejvolnější. To je v protikladu se snahou odebrat z elektronky co největší výkon. V našem případě, kdy spojení jsou krátkodobá, při nichž se vlastnosti zátěže většinou nemění, budeme se spíše snažit o odebírání většího užitečného výkonu.
Pro časté přelaďování je výhodnější použití bezkontaktních pístů. Některé způsoby jejich provedení jsou na obr. 7. Délka je λ/4 (obr. 7a, b, c) složené písty jsou tvořeny dvěma λ/4 písty (obr. 7d). Nejmenší ztráty nastávají při kmitočtu, při němž je délka pístu právě 2/4, proto tyto písty nejsou vhodné pro široké kmitočtové pásmo. Složené písty typu S (obr. 7d) lze použít pro přeladění až v rozsahu 1: 4. Mezera mezi pístem a resonátorem je velmi malá, což klade větší požadavky na mechanickou přesnost provedení. Výhodou bezkontaktních pístů je, že nevzniká tření v kontaktech a šramoty při ladění, při přeladění nastavíme vždy tutéž hodnotu a ladění samo je plynulé. Jiná možnost ladění dutiny je zasouvání kolíku nebo kolíku s diskem do dutiny, čímž přidáváme kapacitu a tím měníme kmitočet. Aby změna byla co nejúčinnější, umisťujeme kolík co nejblíže u kmitny napětí, tedy pro λ/4 resonátor co nejblíže elektronky. Tento způsob ladění není právě nejvhodnější (u velmi stabilních oscilátorů se nepoužívá), neboť dotyk kolíku s vnějším vodičem resonátoru musí být velmi dokonalý, aby nastavení bylo stabilní. Aby elektronka nasadila oscilace, je nutná vazba mezi obvodem anoda-mřížka a katoda-mřížka. U většiny planárních elektronek je kapacita mezi anodou a katodou velmi malá (elektronky jsou určeny i pro zapojení jako zesilovač), proto je nutno zvýšit tuto vazbu vnějším zpětnovazebním systémem. U popisovaných obvodů se společnou mřížkou lze provést tuto vazbu buď sondou nebo smyčkou, procházející stěnou mřížkového vedení. Aby byla zpětná vazba co nejméně závislá na kmitočtu při přelaďování, umisťujeme zpětnovazební prvek co neblíže k rovině mřížky. Při nižších kmitočtech, kdy je laděný obvod elektricky dosti dlouhý, je v blízkosti elektronky dostatečné pole; proto je vhodnější kapacitní vazba. Bývá provedena na př. tak, že společnou stěnou prochází isolovaně jedna nebo více sond, jež mohou být na konci zakončeny diskem nebo propojeny kruhovým prstencem. Při vyšších kmitočtech bývá účinnější vazba smyčkou. Často se používá i tří smyček, jež jsou v dutině souměrně umístěny. Větší účinnosti bývá dosaženo použitím více menších smyček než jedné velké. Obecně platí, že kapacitní vazbu umisťujeme v místě maxima napětí , vazbu smyčkou (induktivní) v místě maxima proudu, nebo v jejich blízkosti. (Pracujeme-li na vidu λ/4, je maximum napětí u elektronky) max. proudu v místě zkratovaného konce vedení). V případě, že v místě polohy zpětné vazby je v jednom resonátoru silné proudové, v druhém napěťové pole, provádíme kombinovanou vazbu smyčka-sonda (viz obr. 5). Některé způsoby vazby jsou na obr. 8.
Výstupní výkon odebíráme z laděného obvodu (anodového nebo katodového) buď kapacitní sondou, zasahující v místě maxima napětí, nebo smyčkou, která je umístěna v proudovém maximu. Dobře vyhovuje smyčka v čele pístu, neboť při ladění leží trvale v maximu proudu (obr. 5). Mechanickou nevýhodou však je, že se při ladění pohybuje celý vývod společně s pístem. Kapacitní vazba bývá vedena v blízkosti elektronky (při vyšších videch než λ/4 může být její poloha jiná. ale vždy v blízkosti maxima napětí). Správnou vazbu nastavíme vhodným zasunutím sondy do dutiny. Pro amatérskou praxi je vhodnější nastavit vazbu po nalezení optima pevně, než používat nastavitelné vazby, zejména pro ty, kdo nemají možnost dokonalého mechanického provedení. Je samozřejmé, že tento článek nevyčerpává veškerou problematiku práce na pásmech nad 1000 MHz. Má dát jen nástin hlavních zásad konstrukce souosých obvodů oscilátorů pro ty, kteří na těchto pásmech začínají pracovat. Literatura: [1]
Kvasil B.: Princip dutinových resonátorů 1952, AR 1 č. 9. str. 203-206
Oscilátor pro pásmo 1250 MHz [1958] Ing. Jarmila Nováková
Pro oscilátory na decimetrové vlny se nejlépe hodí planární elektronky, u nichž lze celkem jednoduše realisovat oscilační obvod. Z dosažitelných elektronek byla zvolena elektronka LD 12 (sovětský ekvivalent GI12b). Oscilátor pracuje s uzemněnou mřížkou a výkon je odebírán obvodu anoda-mřížka. Provedení oscilátoru je na obr. 1. Koaxiální vedení, zkratovaná písty, tvoří resonanční obvody mezi anodou a mřížkou a katodou a mřížkou. Zpětná vazba je provedena sondou, galvanicky spojenou s katodovým válcem a zasahující štěrbinou v mřížkovém válci do obvodu anoda-mřížka. Výstupní vazbu obstarává smyčka v čele pístu.
Na katodový válec je připájen asi 3 cm dlouhý pásek v místě, kde je umístěna zpětnovazební sonda. Touto sondou může být mosazná tyčinka o průměru cca 2 mm, jež je zašroubována do katodového válce. Pásek zesiluje stěnu katodového válce, aby bylo zajištěno dostatečné uchycení v závitu. Máme-li k disposici silnostěnnou trubku pro katodový válec, tento pásek odpadá. V každém případě však záleží na tom, aby zpětná vazba byla provedena mechanicky dokonale, neboť na tom závisí funkce oscilátoru. Anoda je pro ss proud odisolována od anodového válce isolační vložkou, která musí mít dostatečnou elektrickou pevnost. Pro popisovaný oscilátor bylo použito voskovaného plátna (vhodnější je slída nebo styroflexová folie). Anodový, katodový a mřížkový válec jsou na obr. 2, 3, 4. Žhavicí napětí je připojeno jednak k vývodu katodového válce, jednak na střední vodič (obr. 5). Aby nemohly vzniknout nežádoucí kmity na vedení mezi přívodem ke žhavení a katodovým válcem, vložíme mezi střední vodič a katodový válec ztrátový materiál buď po celé délce nebo alespoň několik vložek (na př. z texgumoidu). Zkratovací písty jsou dělené, s isolační vložkou ze slídy nebo trolitulu. Aby byla zajištěna mechanická celistvost pístu při posunu, je píst rozdělen kuželově a na zadní části je přišroubována isolační vložka z texgumoidu, která zároveň slouží i jako vedení a k zabránění vzniku nežádoucích resonancí v zadní části dutiny. Péra (obr. 6b) jsou z fosforbronzu o sile 02-0,3 mm a jsou široká asi 2,5 mm s co nejmenšími mezerami. Délka per je pokud možno =>2,5 cm. Na konci jsou pera zahnuta a napružena, aby byl co nejdokonalejší dotyk se stěnami dutiny. Anodový píst (obr. 6) se posunuje pomoci tří táhel, která jsou zašroubována do isolační vložky. Výstupní vazbu v čele pístu provedeme nejlépe miniaturním souosým (koaxiálním) kabelem, který protáhneme mosaznou trubkou o Ø asi 6 mm. Tato trubka má na konci závit, který je za šroubován v čele pistu, takže můžeme případně i smyčku natáčet. Katodový píst je proveden podobné, k ovládání stačí však jen dvě táhla. Na obrázcích jsou uvedeny jen nejdůležitější rozměry. Texgumoidové válce, nesoucí dutiny, nejsou detailně rozkresleny. Jejich průměry jsou dány rozměry dutin a průchozí otvory je nutno vrtat u všech najednou podle průměrů a umístění procházejících prvků.
Oscilátor byl provozován s anodovým napětím 500 V. Provozní hodnoty LD12 jsou Uf 12,6 V
lf 0,75-0,88 A
Uvádění do chodu Do katody dáme odpor 100 Ω v sérii proměnným odporem 500 Ω. Mřížkový odpor byl použit kolem 100 Ω. Zapojíme miliampérmetr pro měření katodového a mřížkového proudu. Na výstup připojíme umělou zátěž. Nejprve zapneme žhavení a při chladicího vzduchu. Bez chlazení nesmí elektronka pracovat. Anodové napětí je možno připojit, až když má katoda provozní teplotu, t. j. za 2 minuty. Nastavíme anodový píst a měníme polohu katodového pístu. Při nasazení oscilací stoupá prudce anodový proud a protéká mřížkový proud. Teprve když zjistíme, že při vyladěni je anodový a mřížkový proud nižší než je dovolena hodnota, můžeme zmenšovat katodový odpor. Elektronka je totiž velmi citlivá na nedodržení předepsaných hodnot a snadno se může zničit. Protéká-li při nasazení oscilací příliš velký proud, může toho být příčinou i příliš těsná vazba. Stačí pak zmenšit nebo posunout sondu. Měřený oscilátor kmital v pásmu 1200-1300 MHz při poloze anodového pístu ve vzdálenosti asi 9,5 - 11,5 cm od začátku mřížkového válce a při poloze katodového pístu ve vzdálenosti asi 12-15 cm (měřeno taktéž od začátku mřížkového válce). Protože mezielektrodové kapacity různých elektronek mají dosti široké tolerance, nemá cenu udávat přesnou polohu pístu pro jednotlivé kmitočty. Závěrem je ještě třeba podotknout, že je vhodné provádět posun pístů pomocí převodu, aby bylo zajištěno jemné nastavování. AR 9/1958
Obrázky byly použity z http://www.jogis-roehrenbude.de/Roehren-Geschichtliches/Mil-Roeh_Fassg/LD12.htm V roce 2007 přepsal a upravil pro web OK2KKW se souhlasem OK1AIY Matěj OK1TEH |
Je-li vedení na konci
spojeno do krátka, je jeho impedance na vstupu
Velmi
důležité je dobře odblokovat přívody a elektronce a všechny prvky, které
jakýmkoliv způsobeni zasahují do resonátoru. K odblokování přívodů se hodí
terčíkové průchodkové slídové kondensátory, uzemněné v místě vývodu
přívodů, nebo při užších pásmech čtvrtvlnné tlumivky. Při nedostatečném
odblokování způsobí na př. přiblížení ruky nebo mechanické otřesy znatelné
změny kmitočtu. Jestliže zjistíme, že anodový a mřížkový proud reagují na
přiblížení ruky k přívodům, na dotyk resonátoru nebo na mechanické otřesy,
je to neklamnou známkou nedostatečného blokování nebo mechanických
nedostatků. Tyto závady je nutno odstranit dříve, než začneme konečné
úpravy k dosažení optimálního nastavení. 
Dále je nutno, aby
elektronka nepracovala v blízkosti svého mezního kmitočtů. To je při
použití planárních elektronek na amatérských pásmech splněno.
Anodový, mřížkový a
katodový válec mohou být zhotoveny z mosazi nebo i z oceli a stříbřeny.
Vnitřní průměr anodového válce vnější i vnitřní průměr anodového
válce, vnější i vnitřní mřížkového a vnější katodového válce musí být
pečlivě opracovány a leštěny. Aby byla zajištěna soustřednost všech tří
válců, jsou nasazeny na isolačních válcích (na př. z texgumoidu). V
anodovém válci je vyvrtán otvor a v něm je zasazena trubka pro přívod
chladicího vzduchu. Mřížkový a katodový válec mají na konci připájen vývod
se závitem, který zároveň slouží jako zajištění proti posunutí
