Рис. 1. Расчет компенсирующей индуктивности
В ламповых PA на самом высокочастотном диапазоне как правило есть проблемы с избыточной начальной емкостью и анодного, и антенного КПЕ. Даже если П-контур и "строится", то оба КПЕ находятся в положении, близком к крайнему. Что делает настройку очень неудобной, надо ловить мизерные углы поворота.
Еще хуже ситуация, когда надо добавить еще один диапазон вверх в существующий РА. Например, диапазон 50 MHz в КВ РА. А как это сделать, если даже начальные емкости и анодного (10 pF) и антенного (60 pF) КПЕ уже сравнимы или больше расчетных значений? Это даже не считая дополнительных паразитных емкостей (например, выходной емкости лампы), которых никто не отменял...
Приходится принимать какие-то меры. От фрезерования всех лишних частей корпусов КПЕ, вынужденного повышения нагруженной добротности П-контура (и, соответственного, увеличения емкостей, и снижения индуктивности и КПД) до изготовления двухсекционных КПЕ с разной емкостью секций и их релейным переключением или вообще отключением КВ П-контура и переключение лампы на отдельный ВЧ П-контур с отдельными небольшими КПЕ.
Все эти меры являются проблемными (или трудоемко, или сложно, или падает заметно КПД).
Попробуем решить эту задачу проще.
Допустим мы имеем конденсатор C, работающий на частоте F. Подключим параллельно ему катушку L так, чтобы резонансная частота получившегося параллельного LС контура была бы заметно ниже рабочей F. На F импеданс контура останется емкостным. Но его модуль станет выше, чем у просто одного конденсатора, т.к. ток конденсатора (он, конечно останется прежним т.к. ВЧ напряжение на конденсаторе мы осавили тем же) теперь не будет весь выходить наружу во внешние цепи, а частично ответвится (и там будет колебаться) в L. Т.е. ток через параллельный LC у контур будет меньше, чем через просто конденсатор. А это эквивалентно конденсатору меньшей емкости.
Проще говоря, с точки зрения остальной схемы, катушка, подключенная параллельно конденсатору "съедает"часть его емкости. Что нам и требуется.
Рассчитать индуктивность компенсирующей катушки очень просто. Прикидываем сколько нам надо убавить лишних пикофарад. И подставляем эту цифру вместе с частотой в окно расчета контура MMANA-GAL (главное меню > Инструменты > ВЧ компоненты > Контур). И там сразу получаем нужную индуктивность (именно MMANA-GAL необязательна, подойдет любая утилита расчета резонансной частоты LC контура).
Пример показан на следующем скриншот. Мы хотим скинуть с емкости горячего конца П-контура лишние 17 pF на частоте 28 MHz. Требуемая для этого индуктивность получается 1,834 uH.
На рис. показан 2 рассчитанный на 28,5 MHz обычный П-контур с нагруженной добротностью 8 (холостая добротность катушки 200). Файл его модели в RFSim99.
Емкости на схеме рис. 2 не очень радуют. Для достижения требуемой анодной емкости 21 pF начальная емкость КПЕ должна быть не больше 21 pF – 10 pF (выходная емкость лампы) = 11 pF. А это уже почти предел (наш КПЕ имеет минимум 10 pF), настроиться хотя и будет можно, но придется ловить микроны вблизи минимального положения.
Такая же беда с антенным КПЕ: по расчету надо 72 pF, а наш минимум 60 pF. Тоже неудобная настройка на пределе, а если антенна будет иметь еще небольшую реактивность (что всегда бывает на краю диапазона), то скомпенсировать её почти нечем: КПЕ не имеет запаса по перестройке.
Сделаем компенсацию для обоих конденсаторов. Компенсирующие катушки будут подключаться дополнительной парой реле только в диапазоне 28 MHz к существующим КПЕ. Анодный скомпенсируем на 17 pF, антенный – на 30 pF. Это будет уже приемлемо для настройки.
Результат показан на рис. 3 и в файл модели.
Что мы в ней приобрели понятно (возросли емкости, стало удобнее настраиваться). А что потеряли? Ведь любое решение имеет и свои минусы:
Во-первых, стала уже полоса согласования. При переходе из CW в SSB часть диапазона П-контур придется подстроить больше, чем раньше.
Во-вторых, в компенсирующих катушках будут дополнительные потери. При киловатте входной мощности в компенсирующих катушках (в основном в анодной) при их холостой добротности 200 рассеется лишние 22 Вт (в схеме рис. 3 до выхода дойдет 938 Вт вместо вместо 960 Вт в схеме рис. 2). Но не забудем, что без них П-контур настраивать было бы или крайне неудобно или вообще невозможно.
Возразят: "Да ведь просто повышение нагруженной добротности увеличивает конденсаторы, зачем нам два лишних реле и две катушки?" Посчитаем. Чтобы получить в обычном П-контуре такую же анодную емкость как и на рис. 3, его холостую добротность надо поднять вдвое, до 16. При этом расчетная анодная емкость станет 38,2 pF, а антенная – целых 234 pF. Но это будет оплачено:
Ростом вдвое реактивных токов в контуре (до 10 А против 5 А при нагруженной добротности 8). Что потянет за собой возрастание требований к переключателю диапазонов и толщине провода основной катушки П-контура.
Сужение полосы согласования еще в большей степени, чем в схеме рис. 3).
Приведет к дополнительным тепловым потерям ~40 Вт (т.е. почти вдвое больше, чем у схемы рис. 3). Вместо 938 Вт в схеме рис. 2 до выхода дойдет 920 Вт.
Так что, в ряде случаев лишняя пара реле (подключающих компенсирующие катушки на проблемном ВЧ диапазоне) и катушек окажется меньшим злом, чем рост нагруженной добротности П-контура.
Тем более, что именно пара не обязательна. Т.к. даже небольшой рост нагруженной добротности резко увеличивает антенный конденсатор, то можно сделать компенсацию только анодного конденсатора. А для увеличения антенного конденсатора лишь чуть поднять нагруженную добротность. Так в нашем примере, увеличение нагруженной добротности с 8 до 9 поднимает емкость антенного конденсатора с 72 до 98 pF (т.е. очень заметно), а анодную всего на 2 pF (т.е. совсем мало). Дополнительные потери из-за роста добротности при этом всего 5 Вт (при входном киловатте). Поэтому можно сделать компенсацию катушкой только антенного КПЕ. Реле тут понадобится только одно.
Токи компенсирующей катушки и контакты реле рассчитываются делением ВЧ напряжения на реактивное сопротивление катушки.
Например, для схемы рис. 3 амплитуда ВЧ напряжения при киловатте на входе составит 2 кВ (если вы ее не знаете, то несколько ниже анодного напряжения питания), а действующее в 1,4 раза ниже, т.е. 1400 В. Реактивное сопротивление катушки 1,8 uH на частоте 28,5 MHz около +J320 Ом. Разделив 1400 В на 320 Ом получим, что эффективное значение тока через компенсирующую катушку составит ~ 4,4 А. Этот ток должны с запасом выдерживать контакты реле и провод катушки.
Для антенного КПЕ (и подключенной к нему компенсирующей катушки) действующее (не амплитудное) напряжение определяется как корень из произведения мощности на выходное сопротивление.
На рис. 4 и 5 показан пример реализации введения диапазона 50 MHz в существующий РА. Без компенсации это было бы невозможно (требуемая анодная емкость меньше суммы выходной емоксти лампы и паразитной емкости монтажа).
Понятно, что чем меньше индуктивность компенсирующей катушки, тем больше лишней емкости она компенсирует. Но с уменьшением индуктивности этой катушки растут потери в ней (т.к. растет ток через неё).
Поэтому катушка должна быть максимально возможной в данном случае величины. Если вы не знаете сколько в вашем РА лишней емкости на ВЧ и, соответственно, какую индуктивность ставить, то это можно определить экспериментально.
Делается это на полностью выключенном из сети РА по следующей методике:
Подключите к выходу П-контура прибор, способный измерять КСВ на малых сигналах (антенный анализатор, ВЧ мост. и т.п).
С анода лампы на корпус поставьте временный резистор, с сопротивлением, равным выходному лампы. Его можно определить по как Ea/(1,8•Iа), (где Ea – постоянное напряжение анода, Iа - максимальный постоянный ток анода) или как Ea2/(2,5•P) (где P – эффективная выходная мощность).
Подключите к проблемному КПЕ временную небольшую катушку. Её примерная индуктивность для диапазона 28 MHz выбирается исходя из того, что 3 uH компенсируют 10,4 pF, 2 uH – 15,6 pF, 1 uH – 31,2 pF. )
Настройте П-контур (добиваясь КСВ = 1 на приборе). Увеличивайте индуктивность временной катушки до тех пор, пока настройка не станет трудной из-за того, что КПЕ около минимума.
Измерьте получившуюся индуктивность катушки и замените её постоянной (подключаемой через реле крайнего ВЧ диапазона) из провода, способного пропустить расчетный (см. выше) ток.
Если компенсирующая катушка делается для антенного КПЕ, то лучше взять её индуктивность процентов на 20 ... 30% ниже получившейся при измерениях (для того, чтобы на реальной антенне КПЕ имел бы запас по перестройке для компенсации возможной реактивности антенны).
Описанным способом можно заставить эффективно работать на самом высокочастотном диапазоне ламповый РА, который без компенсации там работать или вообще не может, или делает это плохо (неудобная настройка, снижение КПД).