Конструкции УКВ контуров

В диапазонах 144 и 430 Мгц и выше чаще всего применяют или открытые контуры из двухпроводных линий, или коаксиальные контуры. Более новые типы - плоские и желобные контуры - пока не нашли широкого распространения.

Основное внимание при выполнении любых контуров на УКВ сводится к уменьшению всех видов потерь. Токи ВЧ идут в основном по наружной поверхности проводника, глубина проникания их внутрь очень незначительна и зависит от проводимости материала и частоты. Так, для меди, наиболее ходового материала, глубина проникания на частоте 300 Мгц будет 0,0038 мм, а на частоте 500 Мгц- 0,003 мм. Надо учитывать, что латунь и дюралюминий создают потери в два раза больше, чем медь. Изделия из латуни желательно серебрить. Для контуров выгодно применять гладкие тонкостенные стальные трубки, если имеется возможность, то желательно их хромировать.

Для коаксиальных контуров и двухпроводных линий лучшим материалом является медь. Малая глубина проникания токов на УКВ требует, чтобы поверхности были гладкими, отшлифованными до зеркального блеска, так как всякие шероховатости равноценны увеличению поверхностного сопротивления и ВЧ потерь. Для предотвращения окисления меди ее покрывают серебром или бесцветным лаком (детали, где нет скользящих контактов).

Изготовление контуров зависит от типа лампы и назначения прибора. Наиболее приспособленными лампами для Диапазона 144 Мгц являются ГУ-32, ГУ-29, 6П21С, ГУ-50 и к ним проще применять двухпроводные линии.

Для дециметровых диапазонов хороши специальные лампы типа 6С5Д, так называемые маячковые, металло-керамические ГИ11Б, ГИ12, и 6С11Д - дисковая, дециметровая. Качества этих ламп могут полностью использоваться только с применением коаксиальных линий.

На рис.1 и 2 показаны наиболее крупные узлы Двухпроводных контуров применительно к лампе ГУ-32. Длина линии должна быть 250-270 мм с учетом добавочной

Рис.1. Конструкции двухпроводных контуров

емкости подстроечного конденсатора, расстояние между проводами D=25 мм определяется расстоянием между выводами анодов, диаметр провода или трубки d=4-6 мм. Применять провод или трубки большего диаметра нецелесообразно, они неудобны в обработке и, кроме того, повышают потери в контуре за счет увеличенного излучения, которое растет при уменьшении D/d. Для уменьшения продольных габаритов симметричные линии можно изгибать по-разному (см. рис.1,б). Провода линии закрепляются к колодках из изолирующего материала на короткозамкнутом конце и у середины линии (см. рис. 1,а).

Очень удачными являются плоские или ленточные ВЧ линии. На рис. 1,в даны размеры четвертьволновой анод ной линии для диапазона 430 Мгц для лампы ГУ-32, работающей утроителем частоты (144-432 Мгц). В конструкции изображенной на рис.1,е, предполагается, что лампа ГУ-32 расположена перпендикулярно шасси. Если ее расположить горизонтально, то это позволит избежать изгиба линии в месте ее подключения к анодам и она будет являть ся продолжением плоскостей электродов анода.

Чтобы уменьшить неоднородность этого перехода, которая эквивалентна внесению добавочной емкости и влечет укорочение контура, в полосках сделаны треугольные выемки куда впаиваются пружинящие контакты К1 и K2. Это позволяет вплотную придвинуть линию к баллону лампы по всей высоте полоски и уменьшить разрыв между ней и анодами лампы ГУ-32.

Рис.2. Деталь двухпроводных контуров

На рис.2 показаны конструкции зажимов контура для соединения с лампой. На рис.2,в дан пружинящий плоский зажим, впаянный в паз в проводах линии. Зажим делают из 10-миллиметровой полоски листовой бронзы (твердой латуни), на конце полоски лобзиком выпиливают четыре-пять прорезей на глубину 12 мм.

Получившиеся полоски сначала отгибают в тисках в пазные стороны, а затем при помощи сверла или провода диаметром 1,5 мм отжимают, образуя плотные цилиндрики. Полоски эластичны и дают надежный контакт с выводом лампы ГУ-32.

Контакты такого типа можно применять и для более тонких выводов, например у лампы 6НЗП.

При горизонтальном расположении лампы ГУ-32 желательно, чтобы пружинящий контакт был продолжением самой линии в осевом направлении. Наиболее просто это получается, если в провод линии впаять гнезда от панельки для лампы ГУ-50 (рис.2,б).

Надежный зажим можно сделать, используя проводник линии (рис.2,а). Для этого с торцовой части линии делают продольное отверстие диаметром 1,5 мм на глубину 11 мм и сквозное-для болта М2 на расстоянии 13 мм, за-тем провод разрезают на длину 16 мм и верхнюю часть отделяют. В нижней части делают резьбу М2, плоскости среза зачищают и обе части снова соединяют винтом М2. Если линию подсоединяют к штырькам анодов ГУ-32, то их можно жестко зажать, затянув винт М2.

Закорачивающий мостик для настройки линии можно сделать из полоски бронзы толщиной 0,3-0,4 мм, шириной 10-12 мм, изогнутой по рис.2,г. Через центральное отверстие диаметром 3 мм и шайбу 3 полоски 1 и 2 стягивают винтом М3 и обхватывают провода линий.

КОНСТРУКЦИИ КОАКСИАЛЬНЫХ КОНТУРОВ

Материалом для конструкций являются медные или латунные трубки в пределах от 4 до 100 мм. Для таких контуров подойдут охотничьи гильзы калибра № 12-32. Их данные приведены в табл.1.

Номер гильзы	12	16	20	24	28	32
Диаметр внешний (Д1), мм Диаметр внутренний (Д2), мм	20,2 19,6	18,7 17,7	17,5 16,6	16,5 15,7	15,6 14,8	13,4 12,6
Максимальный диаметр бортика	22,2	20,6	19,3	18,2	17,3	15,5

Гильзы № 20/24 и 24/28 входят друг в друга с малым люфтом и могут дать скользящий контакт. Внутренний диаметр гильз примерно на высоте 15 мм от дна имеет конический переход, так что в сечении дна толщина гильзы увеличивается с 0,5 до 2,0-2,5 мм, а это дает возможность получить любые переходные диаметры (рис.3,а). Так как стандартная длина гильз равна 70 мм, то из двух гильз можно сделать четвертьволновый контур для 430 Мгц.

Рис.3. а - разрез охотничьей гильзы; б - конструкция коаксиального контура

Поверхность материалов, применяемых для коаксиальных контуров, должна быть ровной, гладкой и защищенной от быстрого окисления (серебряные, хромированные).

На рис.3,б показан упрощенный разрез коаксиального контура с необходимыми рабочими элементами. Рассмотрим в отдельности назначение этих деталей, их конструкцию и ее варианты, применительно к любительским возможностям изготовления.

Диаметры D и d трубок 1 и 2 (рис.3,б) определяются или системой выводов электродов у ламп, или удобством конструкции наиболее ответственного элемента контура - поршня настройки G. Если диаметры трубок надо изменить незначительно (на 1-2 мм) и на коротком протяжении, то впаивают добавочное кольцо в нужное сечение трубок D и d

Рис.4. Детали коаксиального контура

с последующей обработкой до нужного диаметра Dв и Dн (Рис.4,а). Добавочные вкладыши чаще всего устанавливаются в месте подсоединения лампы к линии. В этом слу-чае впаянные кольца и часть несущей трубки разрезают по образующей в нескольких местах (6-12 полосок и более) Для получения пружинящего контакта. Длина трубок определяется системой генератора и рассматривается в главе о передатчиках на УКВ.

Коаксиальные контуры обычно коротко замкнуты на одном конце, т. е. трубки 1 и 2 (рис.3,б) соединяются между собой при помощи дна 3 и диска 4 или без него (рис.4,б и в). При неразборном соединении трубок (рис.4,б) их впаивают в дно 3; для взаимной точной центровки дно делают с выемками. Если дно неточеное то достаточную центровку можно обеспечить так: на листовом металле наносят острым циркулем диаметры D и d и вторые диаметры на 2 мм меньше D и на 2 мм больше d. Эти вспомогательные круги помогают при ручной обработке сохранить концентричность внешнего обвода дна и внутренне отверстия с диаметром d, так как при обработке поверхность есть возможность контроля ее кривизны по ближайшим вспомогательным кругам.

На рис.4,в показан второй вариант соединения трубок 1 и 2 через разделительную емкость. Для этого на трубку 2 перпендикулярно впаивают диск 4 и на конце трубке делают резьбу. Внешнюю трубку 1 впаивают в дно 3, в центре которого пропускают втулку В из изолирующего материала. Трубки 1 и 2 соединяют вместе болтом М3, причем между гладкими, отполированными поверхностями дна 3 диска 4 прокладывают слюду 5 толщиной 0,1-0,15 мм: слюда должна доходить до диаметра D. Диаметр диска 4 делают на 2-3 мм меньше D. Если диаметр диска 4 будет 30 мм, то при слюде толщиной 0,1 мм емкость разделительного конденсатора будет около 375 пф, а емкостное сопротивление перехода на частоте 430 Мгц около 0,8 ом. Такие конденсаторы необходимы для разделения цепей ВЧ от цепей питания.

При соединении деталей на УКВ и СВЧ очень серьезно надо подходить к пайке деталей. Плохая пайка может в два три раза ухудшить добротность контуров.

Самым сложным элементом коаксиальных конструктций являются системы настройки в широком диапазоне. Обычно это осуществляется продольным перемещением "короткого замыкания", выполненного в виде разных поршней. Сущность такой системы видна на рис. 1-20,6, детали 6, 7, 8. Основное требование к любой системе перестройки - минимальные потери, вносимые ей в контур, и постоянство их со временем. Так как в радиолюбительских условиях можно обойтись без широкодиапазонной настройки, то в системе перестройки поршней излагаются лишь основные соображения и конструкции поршней, наиболее просто осуществимы;

- контактный лепестковый поршень, у которого получается пружинящий механический контакт между поверхностями трубок коаксиального контура (рис.5,а);

Рис.5. Лепестковый и скользящий поршни для настройки коаксиального контура

- скользящий поршень, создающий короткое замыкания линии через значительную емкость (рис.5,б);

- диэлектрический поршень, дающий перестройку по частоте за счет изменения волнового сопротивления самой линии (рис.6).

Рис.6. Диэлектрический поршень для настройки коаксиального контура

Все другие типы поршней-бесконтактные, z-образные дроссельные и другие-сложны и трудно повторимы в любительской практике. Контактный, лепестковый поршень (см. рис.5) проще всего собрать из кусков латунных трубок Т1, Т2 подходящих диаметров с толщиной стенки 1-5мм. В зависимости от упругости материала и возможности обработки длина поршня lр может быть от 10 до 25 мм. Наружный диаметр трубки Т1 по длине уменьшается на 0,4-0,5 мм с таким расчетом, чтобы на одном конце остался бортик шириной 2-3 мм. Такой же бортик оставляют и у трубки Т2, но только с внутренней стороны. Это позволяет сосредоточить давление на концах трубок T1, T2 и значительно улучшает надежность и постоянство контакта.

При обработке на токарном станке по середине бортика можно сделать неглубокую (0,15-0,2 мм) канавку, на которую при сборке натягивают пружинящее кольцо из стальной проволоки диаметром 0,4-0,6 мм. У трубки T1 канавку делают с внутренней стороны, у T2 - с наружной (на рис.5 показано точками). По ободу трубок, со стороны бортика, лобзиком или тонкой шлицовкой протачивают продольные прорези, создающие контактные лепестки. Их число и разме-ры зависят от упругих свойств материала, диаметра и длины поршня. Обычно ширина лепестка бывает около 2-3 мм на Т2 и 3-5 мм на внешней трубке. Эту операцию необходимо делать очень осторожно, чтобы не создать остаточной деформации у будущих лепестков, не оставить заусениц и не поцарапать поверхность бортиков, которая должна всегда оставаться очень гладкой, скользящей. Трубки Т1 и Т2 при этой операции надевают на деревянные болванки нужных диаметров. Затем их соединяют с дном 3 и хорошо пропаивают.

В дне на окружности диаметром (D'+d'')/2 делают два или три отверстия с резьбой М2 или М3 для крепления тяг 7 (см. рис.2,б), необходимых для передвижения поршня. Хорошим материалом для тяг могут быть двухмиллиметровые спицы. Кольцо 8, скрепляющее тяги снаружи системы, имеет центральное отверстие с резьбой М4 или М6, через которое пропускают винт М4 (М6), создающий при вращении поступательное движение поршня. Без такой кинематической системы привода настроиться на нужную частоту "от руки" невозможно. В качестве трубок Т1, Т2 для поршня иногда можно использовать основания охотничьих гильз. Наружный бортик на гильзе необходимо обточить до нужного диаметра. Бортик и нужный внутренний диаметр у трубки Т2 можно получить, срезав тыловую часть гильзы на определенной высоте (см. рис.3,а, линии среза АВ).

Контактный поршень создает короткое замыкание в коаксиальном контуре и механически и электрически. Часто, однако, требуется, чтобы цепь по высокой частоте была замкнута, но в общей цепи не было бы замыкания для источника питания. В таких случаях поршень должен работать как емкость для токов ВЧ и, следовательно, наружные трубки Т1 и Т2 в нем должны быть изолированы друг от друга и одновременно иметь достаточную емкость. Такая конструкция поршня с разделительной емкостью схематически показана на рис.5,б. Поршень мало чем отличается от конструкции, изображенной на рис.4,в. Так как центральная часть в поршне должна быть свободна для прохождения внутреннего проводника d коаксиального контура, то дно 3 и дополнительный диск 4, впаянный на трубку поршня Т2, должны соединяться тремя болтами, расположенными по диаметру Т1+Т2 и быть изолированными друг от друга. Это достигается прокладкой из слюды (0,08-0,1 мм) и тремя втулками из изолирующего материала (оргстекло, эбонит). После сборки узла необходимо проверить изоляцию под высоким напряжением (250-300 В).

Преимуществом коротких поршней является большое перекрытие по диапазону, но они вносят значительные потери, так как контактные лепестки близки к пучности тока, всегда расположенпого в резонаторе у короткозамкнутого конца. Для уменьшения потерь все поверхности должны быть гладкими нажим лепестков достаточно твердый, но с соблюдением плавного хода. Хорошо оправдывает себя хромирование или никелировка лепестков поршня.

Скользящий поршень представляет собой легко скользящий по контуру алюминиевый цилиндр, поверхность которого анодирована. Скользящий цилиндр является как бы центрирующей системой контура.

Диэлектрический поршень, так же как и скользящий, заполняет часть пространства внутри резонатора и на этом участке уменьшает волновое сопротивление Zo линии в корень из "эпсилон" раз, т. е.

где е-диэлектрическая постоянная материала;

Zd и Zo - в омах.

Формула точна в предположении, что диэлектрик запол-няет пространство без добавочного воздушного зазора, в действительности уменьшение Zo меньше расчетного.

Линия контура при наличии поршня становится не однородной с сопротивлениями Zo-Zd-Zo (см. рис.6,б), что равноценно внесению в месте поршня некоторой добавочной емкости Сg и, следовательно, понижению рабочей частоты. При перемещении поршня от короткозамкнутого конца контура к открытому (к лампе) в четвертьволновом контуре частота линейно уменьшается на величину, зависящую от е материала и точности изготовления (воздушный зазор). Для поршня из миканекса (е=7-9) длиной 25 мм на частотах от 200 до 700 Мгц изменение частоты настройки составляет 30-40%, при этом потери быстро возрастают на участке самых низких частот. Это вызвано тем, что поршень находится у лампы в пучности напряжения, а потери в диэлектрике пропорциональны квадрату напряжения. Этот недостаток несущественен для работы в узких диапазонах частот, а преимущество диэлектрического поршня заключается в отсутствии металлических трущихся -контактов. К сожалению, выбор подходящих материалов,-термостойких, с большими е и легко обрабатываемых-ограничен (миканекс, керамика).

Перекрытие диапазона, которое дают описанные поршни, не всегда может быть использовано, так как наиболее широкий диапазон 430-440 Мгц требует относительной перестройки в fмакс -fмин =1,06, т. е. меньше 10%. В этих условиях наиболее простой является настройка сосредоточенной временной емкостью. Один из возможных вариантов такой наастройки схематически показан на рис.3,б деталь 9, два других - на рис.7. Во всех случаях переменная добавочная емкость вводится в контур в месте небольшого ВЧ напряжения (по рис.3 и 7,а на конце резонатора), в случае применения конструкции по рис.7,б-на расстояние от короткозамкнутого конца. Этот случай предполагает, что общая длина резонатора равна 3/4 лямбда и лампа включена у открытого конца.

Рис.7. Настройка сосредоточенной переменной емкостью

Настройка осуществляется изменением расстояния между добавочным диском и центральным проводником коаксиальной системы или в случае необходимости большой перестройки-между двумя дисками (рис.7,а).

Иногда для перестройки в диапазоне (обычно на частотам выше 1 000 Мгц) достаточно ввести в полость резонатора только торцовую часть винта, например Мб или М8.

Наиболее простая конструкция показана на рис.7,б. Гайка (М4, М6) надежно крепится на наружной поверхности контура. Винт 2 имеет на конце дополнительную резьбу 3, на которой ввинчиванием снаружи крепится диск 4 конденсатора. Перед сборкой на винт 2 надевают шайбу 5 затем расширяющуюся пружину 6, устраняющую люфт, и снова шайбу 5. Так как обычно приходится использовать только один-два захода винта, то хорошо подогнанная пружина не вносит механических осложнений в настройку.

Наиболее просто связь коаксиального контура с нагрузкой или антенной осуществляется через емкость (см. рис.3,б детали 10, 11), при которой элемент связи-штырек с диском - располагается в пучности напряжения. Степень связи регулируется перемещением этого элемента по отношению к среднему проводнику.

В более простом случае коаксиальный разъем с элементом связи пропускается через втулку 12, жестко скрепленную с наружимм проводником контура. Необходимая степень связи затем фиксируется винтом, проходящим через втулку 12.

Второй характерный способ связи-через магнитное поле резонатора-осуществляется при помощи индуктивной петли связи, всегда расположенной у короткозамкнутого конца линии (рис.8).

Рис.8. Способы связи с коаксиальным контуром

Степень связи можно изменить скачком, меняя размеры петли и степень связи поворотом плоскости петли на 90°. Фиксировать нужную степень связи можно стопорным винтом (рис.8,а).

На рис.8,б показано автотрансформаторное включение цепи антенны при помощи общего отрезка коаксиальной линии l1 и цепи сетки с использованием длинной линии l2. Это помогает подобрать наивыгоднейшие условия работы (напри^ер, во входной цепи приемника). Правда, такой подбор у коаксиальной конструкции затруднителен и делается у опытного образца через продольную щель в наружном цилиндре.

Положение отвода для определенного коэффициента трансформации сопротивления К зависит от общей длины lо самого резонатора. Если длина lо равна чистой четверти волны (идеальный случай), то К=10 получается, когда отвод размещен на расстоянии l2=0,215Л/4. Если общая длина lo Равна 0,5Л/4 (сильно укороченная линия), то при отводе l2=0,15Л/4 К равен 10 и т. д.

Связь лампы с высокочастотными контурами

В предыдущих разделах рассматривались условия работы ВЧ контуров, не связанных с лампой, или когда эта связь была чисто схематическая. В действительности на УКВ взаимная связь между этими звеньями очень сильная: лампа вносит в контур не только неоднородность, емкость, но и значительные потери. С другой стороны^ наибольший к. п. д, лампы зависит и от величины резонансного сопротивления контура, и от фазы напряжения, которое создают на электродах внешние, контуры. Чем выше рабочая частота, тем эти связи критичнее.

Выше уже упоминалось о влиянии на внешний контур неоднородности, каковой является подключенная лампа.

Важным звеном конструкции УКВ аппаратуры является переход, или способ подключения лампы к остальной схеме. Необходимо, чтобы этот переход не вносил больших реактивных сопротивлений и потерь во внешнюю цепь. У специальных УКВ ламп, например "маячковых", этот переход уже задан концентрической конструкцией самих выводов применительно к коаксиальным контурам.

Но в диапазонах 144 и 430 Мгц часто приходится использовать лампы обычной пальчиковой серии со штырьковыми выводами. Применение ламповой панельки удлиняет эти выводы и вносит значительную неоднородность, особенно заметную на 430 Мгц и выше. На этих частотах лучше обходиться без панелек, соединяя лампу непосредственно с контуром каким-либо зажимом.

Во многих УКВ узлах встречаются разделительный конденсатор и сопротивление утечки сетки. От выполнения их, а не от величины емкости часто зависит работа подобных схем. Если на месте разделительного конденсатора в цепь сетки взять керамический конденсатор (типа КДК или КТК и подключить его к сетке лампы через панельку, то в диапазоне 430-440 Мгц внешняя индуктивность будет иметь дли ну 50-60 мм.

Так как Л/4 равна примерно 17,5 см, то за счет емкость лампы и возникшей неоднородности действующая длина линии составляет лишь одну треть возможной длины, а это ведет к резкому понижению добротности контура и увеличению обратной связи и рабочего напряжения.

Конструкция разделительного конденсатора Сс для лампы 12СЗС (LD1) показана на рис.9. Лампа имеет по два жестких вывода как сетки, так и анода (рис.9,а) и поэтому контур между ними удобно сделать в виде плоской линии из полоски меди шириной 10-12 мм и толщиной 0,8-1,0 мм (деталь 1 на рис.9,б).

Рис.9. Конструкция разделительного конденсатора

На концах полосок делают по два желобка 2 глубиной 0,5 мм и поверх них накладывают полоску 3 из бронзы толщиной 0,3-0,35 мм, в которой тоже выдавливают по два желобка, и закрепляют на линии двумя тонкими заклепками 4.

После этого лампу 12СЗС можно с торцовой стороны ставить в получившиеся зажимы-гнезда. Торцовую часть линии, к которой подсоединяется сетка лампы, отрезают на расстоянии 15 мм и затем присоединяют к линии снова, но через прокладку 5 из слюды. Соединение это проще сделать с помощью двух двухмиллиметровых винтов 6 через изолирующие шайбы 7.

Таким образом, между полосками 1 и 3 образуется конденсатор Сс емкостью 60-80 пф, причем одновременно используется эластичная система зажимов для подключения лампы. Однородность линии контура не нарушается.

В результате длина внешней линии составляет 125-130 мм, т. е. укорочение по сравнению с Л/4 только на 40-50 мм. Получается такая добротность контура, что генератор, собранный на 430 Мгц, работает устойчиво при напряжении 10-15 в.

Лампа, кроме внесения в контур большой собственной емкости, вносит и значительное затухание.

Измерения показывают, что в диапазоне 400-700 Мгц у добротного коаксиального контура (диаметр 70 мм, длина 370 мм) с лампой типа ГИ11Б общие относительные потери в процентах распределяются так:

привносимое сопротивление потерь лампы	64
контакты поршня контура	19
цилиндрические поверхности контура	14
торцовые части контура	3

Следовательно, больше половины всех потерь создает лампа, затем идут потери от контактного поршня (или места короткого замыкания-пайка) и, наконец, потери, определяемые состоянием цилиндрических поверхностей контура.

Разные типы ламп по-разному шунтируют внешний колебательный контур, понижая его резонансное сопротивление еще до того, как вся система (например, генератор УКВ) нагружается на полную нагрузку.

Парализовать это влияние можно созданием более качественных ВЧ контуров с таким резонансным сопротивлением, чтобы оно после всех нагрузок еще с достаточным запасом обеспечивало оптимальное сопротивление нагрузки Rопт Для генераторной лампы, а также подключением самой лампы толькo к части ВЧ контура по автотрансформаторной схеме.

Литература:

А.Колесников. "Справочник ультракоротковолновика". ДОСААФ, Москва, 1966.