АЗБУКА УКВ-АППАРАТУРЫ

Статья 10. Приборы для настройки УКВ-аппаратов

(продолжение)

Гетеродинный измеритель резонанса - волномер

   Это один из самых необходимых приборов для настройки на заданную частоту различных коле­бательных контуров. Многокаскадные гетеро­дины УКВ аппаратов можно настроить только при помощи этого прибора. Различные фирмен­ные частотомеры во многих случаях оказы­ваются бессильны там, где только простой волномер способен выполнить настройку.

   В радиолюбительской литературе имеется много описаний различных конструкций этого прибора. Сначала гетеродинные измерители резонанса (ГИР) выполнялись на электронных лампах, затем было создано много разных вариантов на транзисторах. Обычно этот прибор включает в себя три функции:

 1. Измерение частоты, на которую настроен про­веряемый контур. Такое измерение прово­дится в том случае, если проверяемый контур «обесточен», т.е. контур находится в аппара­туре с выключенным питанием. В  таком случае ГИР работает как обычный генератор электро­магнитных колебаний, но при этом колеба­тельный контур этого генератора индуктивно связан с проверяемым колебательным конту­ром. Изменяя частоту излучающих ГИР'ом колебаний, следует наблюдать за показаниями стрелочного индикатора. Как только частота излучаемых колебаний станет равной частоте настройки проверяемого контура, произойдет резкое уменьшение показаний стрелочного индикатора.

 2. Измерение частоты, излучаемой про­веряемым колебательным контуром. Такое измерение проводится при про­верке работающего генератора, например, при настройке колебатель­ного контура многокаскадного УКВ гетеродина. При этом ГИР должен работать в режиме волномера, т.е. колебательный контур ГИР'а должен быть индуктивно связан с проверяемым контуром, но входящий в состав ГИР'а генератор должен быть выключен. Излучаемые проверяемым контуром электромагнитные колебания наво­дятся в контуре ГИР'а и как только частота излучаемых колебаний станет равной частоте настройки контура ГИР'а наступает явление резонанса и показания стрелочного индика­тора резко возрастут.

  3. Генерируемые ГИР'ом электромагнитные коле­бания можно использовать для прочих целей, как колебания любого измерительного генера­тора. Т.е. ГИР может использоваться как обычный генератор высокой частоты (ГВЧ).

На рис. 10.3 приведена принципиальная электрическая схема одной из конструкций радиолюбительского ГИР'а.

В моей домашней лаборатории применяется ГИР, выполненный на электронной лампе. При­бор работает очень хорошо уже многие годы. Представленная на рис. 10.3 схема, по моему мнению, тоже может работать очень хорошо. Каскады на транзисторах VT3 и VT4 можно и не делать, потому что на практике работа в режимах, где используются эти каскады, проводится очень редко. Не буду приводить подробное описание этой конструкции, приведу далее только самые необходимые сведения.

При включении питания тумблером S1 запиты- вается усилитель постоянного тока на VT1, и прибор работает как обычный волномер. Диод VD3 и резистор R4 предохраняют стрелочный индикатор при «зашкаливании». Между базой транзистора VT1 и землей можно включить блокировочный конденсатор емкостью в несколько тысяч пикофарад, например, 2200 пкф. Если приблизить сменную катушку L1 к контуру работающего генератора (гетеродин, ГПД), напряжение, наведенное в контуре LI, С1, С2, СЗ и выпрямленное детектором на VD1 и VD2, вызовет отклонение стрелки прибора. При настройке LI, CI, С2, СЗ на частоту генератора показания ИМ будут максимальны и по шкале можно определить частоту генерируемых колебаний.

   При включении S2 подается питание на осталь­ную часть схемы, и прибор используется как гетеродинный индикатор резонанса или как генератор ВЧ колебаний. Генератор ВЧ собран на VT2, каскад на VT3 - эмиттерный повторитель для уменьшения влияния нагрузки на частоту генерации при подключении внешнего потре­бителя ВЧ энергии. На VT4 собран генератор звуковой частоты. При подключении к "общему" проводу R13 тумблером S3 генератор 34 возбуждается, и осуществляется амплитудная модуляция ВЧ колебаний генератора на VT2. Такая схема позволила исключить изменение частоты генератора ВЧ при включении модуляции.

   Прибор ИМ - стрелочный индикатор от любого магнитофона с током полного отклонения не более 250 мкА. Диоды VD1 - VD3 могут быть любыми германиевыми, например, Д2, Д9; в качестве VD3 желательно применить диод типа Д310. СЗ - подсгроечный конденсатор с воздушным диэлектриком 1КПВМ-1. К его оси припаян удлиняющий отрезок длиной 15 мм от оси переменного резистора СП-1. Транзистор VT2 - КП305 с любым буквенным индексом, можно заменить на КПЗОЗ, но при этом ухудшится стабильность частоты и уменьшится амплитуда колебаний на частотах 20 - 30 МГц. Транзисторы VT1, VT3 и VT4 - любые КТ3102, или другие кремниевые ВЧ: КТ312, КТ315 и т. п., VT4 и VT1 можно заменить и НЧ транзисторами. S1 ... S3-тумблеры ТП1-2, R1 и R7- СПЗ- 23. Питание от аккумуляторной батареи 7Д-01.

   К прибору изготавливается необходимое коли­чество сменных контуров. Для получения растя­нутых поддиапазонов надо подобрать соот­ветствующие емкости С2 и С1, при макси­мальном перекрытии по частоте они не исполь­зуются. Для катушек волномера и ГИРа исполь­зуются имеющиеся пластмассовые каркасы без сердечников. Намоточные данные не приво­дятся, так как они зависят от используемых кар­касов, конструкции сменных контуров и желае­мых поддиапазонов. Для примера, данные сменных контуров ГИР для поддиапазонов 1,8 - 2 МГц и 28 - 30 МГц, выполненных на каркасах диаметром 15 мм от контуров приемника Р154 (сердечники удалены): 160 м - 40 витков, С2 - 39 пФ, С1 - ЮпФ, 10 м - 4 витка, С2 - 27 пФ, С1 не используется. Намотка - виток к витку, провод ПЭЛ 0,25.

   При настройке подобрать значение R5 по максимальной амплитуде ВЧ напряжения на наивысшей частоте генерации - по показаниям индикатора ИМ или ВЧ вольтметра (осциллогра­фа), подключенного к разъему «Выход ВЧ». Затем проверить генерацию на наименьшей час­тоте и, если показания индикатора при максимальной чувствительности менее 1/3 - Уг шкалы прибора ИМ, несколько увеличить сопротивление R5. Подбором R6 установить ток коллектора VT3 равный 5 ... 8 мА.

   Градуировку шкалы лучше проводить в режиме ГИР, измеряя частоту выходного напряжения, которое снимают с разъема «Выход ВЧ» или по контрольному радиоприемнику.

Измерительная линия

   На УКВ и сверхвысоких частотах вместо изме­рения частоты электромагнитных колебаний очень удобно измерять непосредственно их дли­ну волны X, связанную с частотой / формулой:  X = c/f, где С- скорость распространения электромаг­нитных волн в свободном пространстве, близкая к 300 000 км/с. В качестве волномеров на метровых и дециметровых волнах применяют измерительные линии, чаще всего выполненные на базе короткозамкнутых отрезков двухпровод­ной или коаксиальной линии, а на сантиметро­вых волнах - объемные резонаторы. Измерительная линия представляет собой колебательную систему с распределенными по длине индуктивностью и емкостью. По срав­нению с резонансными частотомерами она имеет меньшие потери на излучение и значительно большую добротность. Преимущественное при­менение измерительных линий на УКВ и СВЧ объясняется в основном конструктивными соображениями (длина линии должна быть одного порядка с длиной измеряемых волн).

   Наряду с измерением длины волны, измери­тельные линии также применяются для взаим­ного согласования различных компонентов устройств СВЧ (антенн, колебательных систем, линий передачи) и измерения их параметров: полного и волнового сопротивлений, коэффици­ентов стоячей и бегущей волн и др. Достоинством измерительных линий является простота их конструкции. Коэффициент перекрытия измеряемых линией длин волн обычно не превышает 1,5, а погрешность измерений достигает 0.1 - 1%.

Двухпроводные измерительные линии

   Двухпроводные измерительные линии приме­няются для различных измерений резонансным методом на метровых и частично дециметровых волнах. Устройство линии показано на рис. 10.4.

   Линия состоит из двух туго натянутых парал­лельных проводов, подвешенных через изолято­ры к неподвижным опорам. Такими опорами могут служить, например, противолежащие сте­ны помещения. Линии длиной до 2—3 м часто выполняются в виде переносных устройств с использованием в качестве опор стоек из изоля­ционного материала, установленных на деревян­ном основании. Параллельно проводам распола­гают шкалу, проградуированную в единицах длины. Чтобы избежать заметного излучения электромагнитных волн в пространство, расстоя­ние между проводами линии не должно превы­шать 5% наименьшей измеряемой длины волны. Провода линий метрового диапазона волн взаи­мно удаляют на 5—30 см, на дециметровых вол­нах это расстояние уменьшают до 1—5 см. Вдоль линии может перемещаться металлическая перемычка (мостик) В, замыкающая практически накоротко провода линии; ее часто выполняют в виде пластины, экранирующей действующий участок линии от ее свободной части.

   Начало линии посредством витка (петли) Е связывается индуктивно с источником колеба­ний, длина волны которых &- измеряется. При испытании маломощных генераторов допуска­ется непосредственное соединение их выходных зажимов с входом измерительной линии посредством проводников или коаксиального кабеля (при этом виток связи от линии отключается). Линия связи должна быть согла­сована с измерительной линией, что достигается при равенстве их волновых сопротивлений. Поэтому измерительную линию обычно выпол­няют с определенным значением волнового сопротивления, определяемым формулой р = 276 lg (а/r), где а - расстояние между центрами проводов линии, а г - радиус сечения проводов. Например, при а = 37 мм и r = 3 мм получаем р « 300 Ом.

   Под действием э. д. е., наводимой в витке свя­зи, или напряжения, подводимого по кабелю от источника колебаний, в короткозамкнутой линии устанавливаются стоячие волны тока и напряжения. Распределение среднеквадрати- ческих значений тока I и напряжения U вдоль линии при фиксированном положении пере­мычки В примерно соответствует графику в верхней части рис. 10.4.  На конце линии всегда имеет место пучность тока и узел напряжения. Пучность тока (напряжения), как и узлы, повто­ряются через интервалы, равные &/2. Из-за наличия некоторых потерь в линии по мере удаления от ее начала амплитуда пучностей постепенно уменьшается.

   Для определения пучностей служит стрелоч­ный индикатор D, состоящий из высокочастот­ного диода VD, фильтрующего конденсатора С и магнитоэлектрического измерителя ИП. Если виток связи индикатора расположен параллель­но проводам, то связь с линией носит индук­тивный характер и индикатор реагирует на ток в линии; при расположении витка связи перпен­дикулярно проводам связь с линией приобретает емкостный характер и индикатор реагирует на напряжение между проводами. Индикатор мож­но связать с линией и через конденсатор малой емкости. Для регулировки чувствительности индикатора последовательно или параллельно с его измерителем включают переменный резистор.

    При перемещении индикатора вдоль линии связь между ними трудно сохранять неизменной. Поэтому петлю связи индикатора иногда закреп­ляют неподвижно в начальной части линии, а передвигают перемычку В, вместе с которой перемещается и вся картина распределения стоячих волн. Расстояние между двумя соседни­ми положениями перемычки, при которых пока­зания индикатора минимальны (или максималь­ны), равно, очевидно, 0,5&.

   Погрешность измерений оказывается наименьшей, если измерительную линию настраивать в резонанс с частотой исследуемых колебаний f = с/& посредством изменения длины ее короткозамкнутого участка. Резонанс­ная настройка будет иметь место при длине последнего кратной 0,5&, т. е. при 0,5&, &, 1,5&, 2& и т. д. Задача измерения сводится к опреде­лению положений перемычки В при резонансных настройках.

   Резонанс характеризуется сильным возраста­нием энергии, отсасываемой измерительной линией от исследуемого генератора. При испы­тании маломощных автогенераторов реакция последних на резонансную настройку связанной с ними линии проявляется в резком изменении тока в цепях активного элемента - лампы или транзистора. При отсутствии у генератора стрелочного индикатора резонанс можно обна­ружить по наименьшей яркости свечения лампочки накаливания, индуктивно связанной с контуром генератора. Таким образом, при из­мерении методом реакции измерительная линия может не иметь индикатора. В общем случае положения перемычки В, соответствующие настройке линии в резонанс, можно определять достаточно точно по наиболь­шей яркости свечения миниатюрной лампочки, включаемой в разрыв перемычки. Для этого перемычку составляют из двух металлических пластин, закрепленных на изоляционном осно­вании и ребрами соприкасающихся с проводами линии, а лампочку помещают на изоляторе между пластинами. Лампочка реагирует на ток I_к в пучности на конце линии, который при пере­мещении перемычки изменяется в соответствии с графиком на рис. 10.4. При резонансе ток I_к резко возрастает (для линии без потерь он стремится к бесконечности); его амплитуда ограничивается сопротивлением перемычки и потерями в линии и по мере увеличения длины последней постепенно уменьшается. Вместо лампочки в разрыв перемычки можно включить термоэлектрический прибор.

   В качестве примера практического применения измерительной линии при некоторых радио­любительских случаев, на рис. 10.5 приведена схема одного из вариантов описанной выше измерительной линии, применяющаяся в моей домашней лаборатории. На этом рисунке измерительная линия показана схематично во время настройки колебательного контура, состоящего из емкости С и индуктивности L. Конструктивно линия выполнена на деревянной рейке длиной 150 см. На концах рейки шурупами прикреплены пластмассовые изоляционные упоры, служащие для крепления проводов. На одном из концов рейки, который служит началом линии, между изоляционными стойками укреп­лена плата из одностороннего фольгированного стеклотекстолита с расположенными на ней элементами измерителя. В качестве измери­тельного прибора используется подключаемый во время измерений тестер ТЛ-4. К плате также припаяна петля связи, выполненная из отрезка одножильного провода в хлорвиниловой изоля­ции. Длина провода примерно 20 см. Указанные на схеме ВЧ дроссели имеют каждый по 14 витков провода ПЭЛ-0,4, намотанных на оправке диаметром 4 мм.

   В начале измерений короткозамыкающая пере­мычка должна находиться в начале линии. Пет­лю связи нужно согнуть таким образом, чтобы на этой петле создать прямолинейный участок, дли­на которого должна быть немного меньше длины измеряемой индуктивности. Расположить рейку с длинной линией таким образом, чтобы прямоли­нейный участок петли связи располагался на удалении 1 ... 2 мм от измеряемой индуктив­ности. При этом, если в измеряемом контуре уже имеется высокочастотная энергия, то стрелка прибора должна немного отклониться от нулевого положения. Перемещать вдоль линии перемычку и наблюдать изменения показаний прибора. В нормальном случае, по мере переме­щения перемычки, показания прибора должны изменяться от какой-то минимальной величины до какого-то максимума. Следует сразу обра­тить внимание, какие из показаний - максимумы или минимумы являются более резко выражены. Для проведения измерения следует замерить расстояние между двумя соседними максиму­мами или минимумами. Полученная величина будет равна половине длины волны присутству­ющей в контуре ВЧ энергии. Для пересчета длины волны в частоту следует использовать формулу

f = 30000/& , где f - частота в МГц, & - длина волны в сантиметрах.

Если измеренное расстояние между двумя соседними максимами равно 47 см, то длина волны будет равна: & = 47+47 = 94 см.

При этом получим значение частоты будет равно: 30000 / 94 = 319,14 МГц.

Для настройки контура в резонанс следует установить перемычку на положение максимума и изменять емкость контурного конденсатора С до наибольшей величины показаний измери­тельного прибора.

Тяпичев ГЛ.

Продолжение следует...