АЗБУКА УКВ-АППАРАТУРЫ

Часть 1. Блоки УКВ аппаратов.

Статья 9. Усилители мощности УКВ-передатчиков

(продолжение)

УМ на 432...435 МГц с защитой от перегрузок.

В этом разделе приведено описание УМ, разра­ботанного А. А. Титовым. Описание приводится с некоторыми сокращениями.

Технические характеристики усилителя:

•   максимальная выходная мощность 30 Вт;

•   полоса пропускания 10...20 МГц с центральной частотой в диапазоне 400...460 МГц;

•   неравномерность амплитудно-частотной харак­теристики ±1,0 дБ;

•   коэффициент усиления 14 дБ;

•   напряжение питания 20...32 В;

•   потребляемый ток в режиме молчания 0,02 А;

•   максимальный потребляемый ток 3,5 А;

•   при коротком замыкании или отключении на­грузки потребляемый ток снижается до 0,2..0,5А;

•   сопротивление генератора и нагрузки 75 Ом;

•   габаритные размеры корпуса усилителя 165х 100x40 мм.

   Полосовые усилители мощности диапазона 400...460 МГц используются в радиолокации, системах подвижной, стационарной, любитель­ской радиосвязи. Одним из основных требований к таким усилителям является способ­ность их адаптации к неблагопри­ятным внешним воздействиям, а именно сохранение работоспособ­ности при работе на несогласо­ванную нагрузку, перегрузке по вхо­ду, перегреве, изменении величины питающего напряжения.

       На рис. 9.9 приведена схема усилителя мощ­ности, обладающего перечисленными выше свойствами.

    Усилитель содержит два усилительных каскада; стабилизатор напряжения питания, стабили­затор базового смещения; трансформатор сопро­тивлений; два направленных ответвителя (НО); фильтр нижних частот; схемы защиты от пере­грузки по входу, от рассогласования по выходу, термозащиту.

    На входе усилителя включен делитель напря­жения на резисторах R4 и R6, обеспечивающий согласование входа усилителя с сопротивлением генератора. Стабилизатор напряжения на микросхеме Ml и транзисторе VT2 выдает стабильное напряжение питания усилителя равное +18 В при изменении напряжения источника питания Е_п в пределах 20...32 В. Установка напряжения питания усили­теля на заданное значение осуществляется резистором R5.

Схема защиты усилителя от перегрузки по входу собрана на диоде VD1 и транзисторе VT1.

    При подаче на вход усилителя сигналов с амплитудой больше номинального значения детектор на диоде VD1 открывает транзистор VT1, что приводит к заземлению первой ножки микросхемы Ml и падению напряжения питания усилителя до 1...2 В. Порог срабатывания защиты по входу устанавливается выбором номинала R3.

    Стабилизатор напряжения базового сме­щения на VT4, VT6 используется для стабилизации угла отсечки транзисторов VT3 и VT5 усилителя при изменении уров­ня усиливаемого сигнала и температуры основания усилителя, на котором устана­вливаются эти транзисторы. Кроме того, применение стабилизатора напряжения базового смещения позволяет осущест­влять линеаризацию начального участка амплитудной характеристики разрабаты­ваемого усилителя. Требуемый угол отсеч­ки устанавливается подбором номинала R12. При отсутствии R12 коллекторные токи каждого из транзисторов VT3 и VT5 составляют 10...40 мА. При подключении R12 напряжение на базе VT6 уменьшается и его выходное сопротивление по посто­янному току растет, что приводит к увеличению базового смещения VT3, VT5 и увеличению их коллекторных токов.

   Стабилизатор напряжения базового сме­щения используется также в качестве элемента управления коэффициентом уси­ления усилителя. При срабатывании защи­ты от рассогласования по выходу и термо­защиты происходит открывание VT8 и уменьшение напряжения смещения на базе VT4 стабилизатора напряжения базо­вого смещения. Угол отсечки транзис­торов VT3 и VT5 в этом случае уменьша­ется, уменьшая, тем самым, коэффициент усиления усилителя. В случае полного открывания VT8 напряжение базового смещения оказывается равным нулю, и коэффициент усиления усилителя умень­шается до 2...5 дБ.

    Схема защиты от рассогласования по выходу состоит из направленного ответвителя Н01 и детектора на диоде VD6. С увеличением рассогласования нагрузки усилителя с его выходным сопротивле­нием (крайние степени рассогласования - короткое замыкание нагрузки и ее обрыв) напряжение, снимаемое с выхода отраженной волны направленного ответвителя Н01, увеличивается, то есть на вход детектора на диоде VD6 подается напряжение пропорциональное напряже­нию. отраженному от нагрузки усили­теля. Это напряжение детектируется и, открывая VT8, приводит к уменьшению коэффициента уси­ления усилителя. Поэтому мощность сигнала на выходе усилителя падает пропорционально рос­ту рассогласования нагрузки. Направленный ответвитель Н01 выполнен из двух проводов марки МГТФ 1x0,35 длиной 30 мм, намотанных вплотную друг к другу на цилиндрический изолятор диаметром 4 мм и длиной 13 мм, который помещается затем в заземленный металлический цилиндрический экран [2]. В рабочем диапазоне частот усилителя переходное затухание Н01 равно 20 дБ. Порог срабатывания схемы защиты от рассогласования усилителя по выходу устанавливается выбором резистора R21. Схема термозащиты выполнена на транзисторе VT7. Терморезистор схемы термозащиты R20 приклеивается к корпусу усилителя эпоксидным клеем. С увеличением температуры корпуса сопротивление терморезистора падает, что при­водит к запиранию VT7 и открыванию VT8. Установка термозащиты на заданную темпера­туру срабатывания осуществляется с помощью подбора резистора R19. Диод VD2 предназначен для защиты транзисторов усилителя от пробоя при неправильном выборе полярности напряже­ния источника питания Е_п.

Для подавления высших гармонических составляющих в спектре выходного сигнала на выходе усилителя установлен чебышевский фильтр нижних частот четвертого порядка, состоящий из элементов L8, L9, С18 и С20.

Направленный ответвитель Н02 выполнен в виде отрезка провода диаметром 0,5... 1 мм и длиной 20 мм, который расположен на рас­стоянии 3...8 мм над полоском длинной линии идущей от Н01 к выходу усилителя. Загорание светодиода VD5 свидетельствует о работе усилителя в штатном режиме.

В усилителе использованы полосовые межкас­кадные корректирующие цепи третьего порядка, обладающие простотой конструктивной реали­зации и настройки.

На выходе транзистора VT5 включен трансфор­матор импедансов с коэффициентом трансфор­мации 1:25, выполненный в виде фильтра ниж­них частот четвертого порядка, состоящий из элементов L6, L7, С12, С13, и обеспечивающий получение максимальной мощности в нагрузке.

Настройка усилителя

Настройка усилителя состоит из нескольких этапов.

Вначале - настройка входного каскада усили­теля. Для этого на его выход подключается нагрузка 75 Ом, резистор R8 заменяется двух­ваттным резистором с сопротивлением 10 Ом, и с помощью резистора R12 устанавливается ток покоя VT3 равным 0,1...0,2 А. Двухваттный резистор необходим для защиты транзистора от выгорания при возможном самовозбуждении схемы во время настройки. Формирование амплитудно-частотной характеристики каскада осуществляется с помощью корректирующей цепи из элементов С4, С7 и входной индуктив­ности транзистора VT3, и сводится к следую­щему. Изменением номинала С7 изменяется центральная частота полосы пропускания каска­да, изменением номинала С4 регулируется ши­рина полосы пропускания каскада. Чем больше номинал С4, тем больше полоса пропускания, чем больше номинал С7, тем меньше централь­ная рабочая частота каскада. Настройка каскада на транзисторе VT5, возбуждаемого транзистором VT3, производится аналогично и сводится к подбору СЮ. Отличие заключается в том, что нагрузка подключается не к коллектору тран­зистора, а к выходу трансформатора импедан- сов, состоящему из элементов L6, L7, С12, С13.

После формирования амплитудно-частотной характеристики усилителя, которое ведется в режиме малого сигнала, R12 выпаивается из схемы, на вход усилителя подается амплитудно- модулированный сигнал и проверяется отсут­ствие самовозбуждения усилителя при раз­личных уровнях входного воздействия. В случае самовозбуждения усилителя следует параллель­но L3 подключить резистор сопротивлением 24...30 Ом. Это приводит к некоторому уменьше­нию выходной мощности усилителя, однако значительно повышает надежность его работы.

После этого 10-омные резисторы в коллектор­ных цепях VT3 и VT5 заменяются резистором R8 и индуктивностью L4 соответственно, и осущест­вляется измерение максимальной выходной мощности настраиваемого усилителя. Варьируя в небольших пределах величинами элементов L6, С12 и С13 трансформатора импедансов можно дополнительно подстроить усилитель на макси­мум отдаваемой мощности. Практически это делают измененяя точки подключения дополни­тельного конденсатора к полоску на выходе VT5, который играет роль индуктивностей L6, L7.

Линеаризация амплитудной характеристики усилителя достигается соответствующим выбо­ром резистора R12, которая производится после настройки усилителя на максимальную выход­ную мощность.

При работе на стандартную нагрузку 75 Ом и выходной мощности 30 Вт, на выходе детектора, выполненного на диоде VD6, напряжение должно быть не более 0,1...0,2В. В противном случае следует так подобрать балластное сопро­тивление R14 направленного ответвителя Н01, чтобы это напряжение было минимальным. Далее, при выходной мощности 30 Вт парал­лельно стандартной нагрузке 75 Ом периодичес­ки подключается двухваттный резистор 75 Ом и изменением номинала R21 устанавливается порог срабатывания схемы защиты от холостого хода и короткого замыкания нагрузки. В случае правильного выбора R21 подключение дополни­тельного двухваттного резистора 75 Ом к выходу усилителя должно приводить к небольшому уменьшению потребляемого усилителем тока. В этом случае короткое замыкание нагрузки или ее холостой ход будут сопровождаться уменьше­нием тока потребления в 4...8 раз.

Печатная плата (рис. 9.10) размером 165x100 мм из двухстороннего фольгированного стекло­текстолита толщиной 2...3 мм.

 Пунктиром на чертеже обозначены места необходимой метал­лизации торцов платы, что можно сделать с помощью металлической фольги, которая при­паивается к нижней и верхней части платы. Металлизация необходима для устранения пара­зитных резонансов и заземления нужных участ­ков печатной платы. Отверстия диаметром 3,5 мм на краях платы предназначены для ее крепления к основанию.

    Транзисторы VT3 и VT5 крепятся к основанию с использованием теплопроводящей пасты. При креплении VT4, VT6 и микросхемы Ml также используется теплопроводящая паста. Однако между VT4, VT6, микросхемой Ml и основанием следует устанавливать слюдяную прокладку и перед настройкой усилителя следует с помощью тестера убедиться в том, что не нарушена изоляция между коллекторами VT4, VT6, выходом микросхемы и земляной шиной.

   При выходной мощности 30 Вт ток потребления усилителя составляет около 3,5 А. Поэтому в условиях длительной эксплуатации его необхо­димо устанавливать на радиатор с принудитель­ной вентиляцией. Для этого по краям основания высверлены отверстия диаметром 4,3 мм.

   Номиналы элементов, приведенные на рис. 9.9, соответствуют настройке усилителя на цент­ральную частоту 430 МГц. Для настройки усили­теля на одну из частот диапазона 400...460 МГц достаточно на 5... 10 % изменить номиналы конденсаторов С7, СЮ, С13.

   Контурные катушки имеют следующие величины индуктивностей: L1 = 20 мкГн; L2, L4, L5 = 0,05 мкГн; L3 = 0,2 мкГн; L6 = 0,004 мкГн; L7 = 0,008 мкГн; L8 = 0,030 мкГн; L9 = 0,030 мкГн; L10 = 0,020 мкГн. Определить число витков по этим величинам индуктивности можно очень легко с помощью программы INDUKTIW1.

   Возможна настройка УМ (рис. 9.9) на любой из диапазонов, с полосой пропускания 10...20 МГц, в пределах частот от 100 до 460 МГц. При этом в диапазоне 100...200 МГц в качестве VT1 следует использовать КТ816А, в диапазоне 200...300 МГц в качестве VT1 следует использовать КТ814А.

   Величины индуктивностей контурных катушек и емкости конденсаторов при переходе на другой диапазон можно рассчитать по формулам: L in = L i х 430 / f_N , С _iN = С i х 430 / f_N , где Li и С i - величины индуктивности и емкости для диапазона 435 МГц; L in и С in - величины индуктивности и емкости для нового диапазона; f n - частота нового диапазона в МГц.

Диапазон 1296 МГц

   Этим диапазоном интересуются, как правило, только любители участвовать в различных соревнованиях по радиосвязи на УКВ. Для начи­нающих осваивать УКВ диапазоны частоты выше 500 МГц вызывают значительные трудности, потому что на этих частотах межэлектродные емкости в транзисторах становятся соизмери­мыми с емкостями контуров, а индуктивность выводов радиодеталей становится соизмеримой с индуктивностью контуров. Кроме указанных выше существует еще целая куча проблем, перечислять которые в этой статье для начи­нающих нет смысла.

УМ на транзисторах КТ911

   В [2] описана радиостанция на диапазон 1296 МГц, схема которой, на мой взгляд, является очень подходящей для начинающих интересоваться аппаратурой этого диапазона.

  На рис. 9.11 приведена электрическая принци­пиальная схема УМ для диапазона 1296 МГц, способная выдавать сигнал мощностью до 3 Вт. Зачастую такой мощности бывает достаточно, т.к. для этого диапазона можно легко сделать антенну с очень большим усилением. 

   Первый каскад УМ выполнен на транзисторе VT3 типа КТ911А. Для обеспечения линейного усиления каскад работает в режиме класса АВ. Открывающее напряжение смещения поступает на базу транзистора VT3 с делителя, образованного резистором R8 и параллельно включенными резистором R9 и диодом УДЗ. Диод служит для температурной стабилизации рабочей точки каскада.

Как уже указывалось, на столь высо­ких частотах начинают играть большую роль индуктивности выводов и соеди­нительных проводников.

Для настройки в резонанс базовой цепи транзистора VT3 служит конденса­тор С14. Емкостная связь с предстоящим полосовым фильтром осуществляется с помощью конденсатора С15. Выходная цепь транзистора VT3 представляет собой П-образный контур, роль индуктивности в котором играет обкладка трубчатого керамического конденсатора С12.

Конденсатор С11 настраивает выходную цепь транзистора VT3 и входную цепь оконечного (выходного) каскада.

Выходной каскад работает по схеме сложения мощностей двух транзисторов VT1 и VT2 типа КТ911А. Базовые цепи транзисторов настроены с помощью конденсаторов С6, С7 и через четвертьволновые линии L5, L6 подключены к выходу предоконечного каскада. Конденсаторы С8, С9 - разделительные. Применение соедини­тельных линий вызвано удобством монтажа, а также возможностью в некоторых пределах регулировать согласование, изменяя волновое сопротивление этих линий. Выходная цепь состоит из двух П-образных контуров, имеющих общий выходной конденсатор С1.

Предоконечный и оконечный каскады имеют суммарный коэффициент усиления около 12 дБ и обеспечивают линейное усиление сигнала до уровня 3 Вт.

Настройка УМ

Налаживание УМ необходимо начать с регули­рования начальных токов транзисторов. При отсутствии возбуждения коллекторный ток каждого из транзисторов VT1, VT2 и VT3 должен быть по 20 мА.

Дальнейшую настройку лучше производить непосредственно по току коллектора транзис­тора VT3. На выходе УМ должна быть подключена нагрузка (эквивалент нагрузки) сопротив­лением 75 Ом, а на вход нужно подать сигнал с частотой 1296 МГц.

   Для контроля за настройкой контуров L10C18 и L9C16 нужно использовать измерительную ли­нию, петля связи которой должна быть пооче­редно индуктивно связана с настраиваемой линией. Расстояние между настраиваемой лини­ей и петлей связи измерительной линии должно быть порядка 3...5 мм (зависит от чувстви­тельности детектора измерительной линии).

   Одновременно желательно контролировать ВЧ вольтметром коллекторный ток транзистора VT3, который должен увеличиваться по мере настрой­ки контуров L10C18 и L9C16. Настройкой конден­саторов С15 и С14 следует добиться макси­мальной величины коллекторного тока VT3.

   После того, как выполнен весь цикл настройки, коллекторный ток транзистора ЗТЗ должен достичь значения 180—200 мА. Следует заме­тить, что этот ток зависит также от настройки коллекторной цепи транзистора VT3. При настройке коллекторной цепи в резонанс проис­ходит заметное уменьшение тока, вызванное наличием внутренней отрицательной обратной связи. Поэтому окончательное измерение тока транзистора VT3 надо сделать после того, как будет настроен весь передающий тракт. Ток должен быть равен 150—170 мА.

   Регулировку межкаскадной связи между пред- оконечным и оконечным каскадами надо контролировать по току транзисторов VT1 и VT2. Последовательно подстраивая конденсаторы СИ, С6 и С7, необходимо добиться максималь­ной мощности, подводимой к выходному каскаду.

   Следует помнить, что конденсатор С11 входит в П-образный контур, в который также входят индуктивность выводов конденсатора С12, индуктивность вывода транзистора и емкость коллекторного перехода. Поэтому степень нагрузки предокоечного каскада следует регули­ровать изменяя одновременно как емкость С12, так и параметры индуктивной ветви П-контура. Индуктивность можно изменять, передвигая вывод конденсатора С12 по коллекторному выводу транзистора VT3. В описываемой конст­рукции оптимальная связь была получена при длине выводов конденсатора С12 типа КГ около 1,5 мм и точке подпайки к коллекторному выво­ду, отстоящей на 1 мм от корпуса транзистора. Длина базовых выводов транзисторов VT1 и VT2 также влияет на входное сопротивление в точках подключения линий L5 и L6. В описы­ваемом экземпляре УМ длина базовых выводов равна 5 мм. Изменением параметров базовых цепей, а также изменением волнового сопротив­ления четвертьволновых линий L5 и L6 надо добиться равенства токов, протекающих через транзисторы VT1 и VT2.

   Для более точной настройки оконечного каскада к выходу УМ необходимо подключить измеритель мощности, в качестве которого мож­но использовать эквивалент нагрузки. Для уменьшения КСВ нагрузку лучше подключить к УМ через отрезок кабеля с затуханием 4..6 дБ. Для более удобного подключения нагрузки к выходу УМ может быть применен отрезок лини, аналогичный линиям L5 или L6.

Настройка производится по максимуму мощ­ности в нагрузке изменением емкости конден­сатора С1 и индуктивностей выводов конденсаторов С2, СЗ. Ориентировочная длина выводов - 2 мм.

   В конечном итоге были получены следующие результаты. Мощность в нагрузке 3 Вт при суммарном коллекторном токе транзисторов VT1 и VT2 - 350 мА. Низкий коэффициент полезного действия выходного каскада (28% при типовом значении 35%) объясняется, в частности, тем, что выходные транзисторы работают в линейном режиме усиления, с открывающим смещением.

Тяпичев Г.А.

Продолжение следует...

Литература: 1. Титов А. "Усилитель мощности диапазона 140...150МГц",

                      ж. "Радиомир. KB и УКВ" №4 за 2004 год, стр. 18.

               2. С. Жутяев «Любительская УКВ радиостанция», 

                   Москва, «Радио и связь», 1981 год.