Базовый усилитель мощности для СВ-диапазона

На сегодняшний день число людей, использующих для личной связи СВ диапазон, непрерывно увеличивается. Для улучшения качественных характеристик (дальность связи, помехоустойчивость, надежность) линии связи в этом диапазоне необходимо применение эффективных антенн и усилителей мощности. Как правило, человек, который приобрел СВ-станцию, становится перед дилеммой: сделать высокоэффективную направленную антенну или обойтись обычной GP и построить (приобрести) усилитель мощности. Несмотря на общеизвестное выражение “лучший усилитель - антенна”, в СВ-диапазоне использование высокоэффективных направленных антенн не получило широкого распространения. Причина заключается в нецелесообразности использования таких антенн для связи. Ведь для личной радиосвязи используется исключительно поверхностное распространение сигнала (связь земной волной), притом ваш корреспондент может находиться на любом азимуте относительно базовой станции. Остается добавить, что на мобильных объектах используются вертикальные штыревые антенны. Из всего вышесказанного следует, что для личной связи больше всего подходит антенна с круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости и с вертикальной поляризацией. Поэтому в СВ-диапазоне широкое распространение получили вертикальные вибраторные антенны типа GP, 5/8 X, А/2. Коэффициент усиления таких антенн, непосредственно зависящий от их направленных свойств, невелик и составляет 5,14...8,05 дБи. Применение же направленных антенн оправдано лишь в случаях постоянной радиотрассы, например на линии связи “дом-дача” или “город 1 -город 2” и т.д.

Таким образом, самым простым методом увеличения дальности уверенной радиосвязи является увеличение подводимой к антенне мощности.

В популярной литературе, в том числе и на страницах журнала “Радиолюбитель”, было опубликовано немало различных схем усилителей мощности для СВ-диапазона. Как правило, в этих схемах используются мощные СВЧ-транзисторы, работающие в режиме класса С. Недостатком усилителей, собранных на таких транзисторах, является их высокая цена и неудовлетворительная работа в режиме AM и ОБП (SSB). Также необходимо принимать меры для устранения паразитной генерации на СВЧ (косвенным признаком которой может являться сильный нагрев радиатора, на котором установлен транзистор, или высокий уровень помех при просмотре телевизионных программ). К достоинствам можно отнести высокий коэффициент усиления, позволяющий получить номинальную выходную мощность (50...100 Вт) при подаче на вход мощности 5...10 Вт (такую выходную мощность имеет большинство современных СВ-радиостанций).

Рис. 1. Схема базового усилителя мощности

На рис. 1 приведена принципиальная электрическая схема базового усилителя мощности. Так как он рассчитан для работы в стационарных условиях, то возможно применение транзисторов с любым номинальным напряжением питания. Усилитель выполнен по классической схеме резонансного усиления и состоит из двух транзисторных каскадов. Используемые в усилителе транзисторы КТ912А позволяют получить выходную мощность порядка 70 Вт в линейном режиме. К их достоинствам можно отнести отсутствие драгметаллов, невысокую стоимость, высокую надежность. Кроме того, на кристалле транзистора имеется диод, который может использоваться в качестве теплочувствительного датчика в цепи базового смещения. Основной недостаток - малый коэффициент усиления на частоте 27 МГц компенсируется схемотехническим решением: применением двух каскадов усиления вместо одного. Необходимая мощность возбуждения при этом будет составлять 1 ...5 Вт.

Применение коммутации режимов “прием” и “передача”, управляемой высокочастотным сигналом, позволяет избавиться от лишних соединительных проводов, тем более не все СВ-радиостанции имеют выход РТТ для коммутации внешнего усилителя.

Рассмотрим подробнее работу усилителя мощности.

При подаче на вход XW1 высокочастотного сигнала (мощностью 1...5 Вт) часть его через делитель напряжения R2, R4 детектируется детектором огибающей, собранным на диоде VD1 КД522. Постоянная составляющая продетектированного сигнала открывает транзистор VT1 КТ817, что приводит к срабатыванию реле К1, КЗ, коммутирующих вход и выход усилителя. Реле К2 предназначено для запирания транзисторов ѴТЗ, ѴТ4 усилителя мощности в режиме приема. Переключатель SA1 служит для переключения режимов AM, SSB/ЧМ. В режиме передачи входной сигнал через согласующий Г-контур L1*, С5* поступает на первый каскад усилителя, собранный на транзисторе ѴТЗ КТ912А. Для улучшения устойчивости в работе служит резистор R6. Цепь базового смещения выполнена на элементах R7, VD4, VD5*. Диод VD4 - внутренний диод транзистора. VD5* устанавливается при необходимости. В целях получения хорошей термостабильности каскада введена последовательная отрицательная обратная связь по постоянному току (резистор R9 в цепи эмиттера ѴТЗ). Далее усиленный сигнал через согласующий выходной и входной импедансы транзисторов ѴТЗ и ѴТ4 усиливается оконечным каскадом на транзисторе ѴТ4 КТ912А. Стабилизатор напряжения смещения для оконечного каскада собран на транзисторе ѴТ5 КТ817. Диод VD7 - встроенный в транзистор ѴТ4 диод. Установка тока покоя через транзистор ѴТ4 осуществляется подстроечным резистором R16. Функции фильтрации высших гармонических составляющих усиленного сигнала и согласования выходного сопротивления транзистора ѴТ4 и сопротивления нагрузки (50 Ом) выполняет Т-контур, собранный на элементах L10, L11, С22.

Транзисторы обоих каскадов усиления работают при усилении частот-но-модулированных (ЧМ) колебаний в классе С, а при усилении амплитудно-модулированных (AM) сигналов и сигналов с одной боковой полосой (SSB) в классе АВ. В обоих режимах (AM, SSB/ЧМ) транзисторы запираются в режиме приема, подачей нулевого потенциала на базы. Для питания усилителя необходим стабилизированный источник постоянного напряжения с выходным напряжением 28 В и отдаваемым в нагрузку током до 5 А.

Настройка усилителя

Для настройки усилителя мощности понадобятся следующие измерительные приборы и устройства:

• мультиметр;
• осциллограф (с полосой пропускания канала вертикальной развертки более 30 МГц);
• высокочастотный вольтметр или ВЧ измерительная головка к мультиметру;
• эквивалент нагрузки сопротивлением 50 Ом и рассеиваемой мощностью не менее 50 Вт;
• лабораторный блок питания с регулируемой защитой по току.

Процесс настройки начинают с проверки правильности монтажа, отсутствия замыканий элементов и токоведущих проводников на общую шину.

После визуального осмотра монтажа приступают к основному этапу наладки усилителя. Вынув предохранитель FU1, от блока питания подают на усилитель напряжение +28 В. Убеждаются в наличии стабилизированного напряжения +8 В на выходе стабилизатора DA1. В режиме приема напряжение на резисторах R8 и R11 должно составлять 0 В. Соединив коллектор транзистора VT1 с общим проводом, тем самым переводя усилитель в режим передачи, убеждаются в срабатывании реле К1...КЗ. При переключении SA1 должно срабатывать реле К2, при этом в положении SA1, соответствующему режиму “ЧМ”, напряжение на резисторах R8, R11 должно составлять 0 В, а в положении “AM, SSB”- 0,5... 1,0 В. Убрав перемычку, соединяющую коллектор VT1 с землей, устанавливают предохранитель FU1. В режиме приема и в режиме “ЧМ” при передаче в отсутствие сигнала возбуждения ток покоя транзисторов ѴТЗ и VT4 должен быть около 0 мА. Затем, переведя усилитель в режим передачи (соединив коллектор ѴТ1 с общей шиной) и установив переключатель SA1 в положение “AM, SSB”, подбором сопротивления резистора R7* выставляют ток через транзистор ѴТЗ порядка 200...250 мА. При этом нет необходимости включать в цепь эмиттера транзистора амперметр. При токе 200...250 мА напряжение на резисторе R4 будет составлять 0,54...0,675 В. Диод VD5 КД522 устанавливают в случае невозможности получения необходимого тока покоя ѴТЗ. Аналогично выставляется начальный ток через транзистор ѴТ4 оконечного каскада. При этом измерительный прибор лучше всего включить в коллекторную цепь, так как при его включении в цепь эмиттера на внутреннем сопротивлении прибора может возникнуть падение напряжения, сравнимое с напряжением смещения, что приведет к неправильному установлению тока покоя. Начальный ток через транзистор ѴТ4 должен составлять 250...350 мА. Его устанавливают в указанных пределах изменением сопротивления подстроенного резистора R16 и при необходимости установкой диода VD6*.

После выставления режимов работы транзисторов по постоянному току переходят к этапу высокочастотной наладки усилительного тракта. Перед подачей напряжения возбуждения к выходному разъему XW2 необходимо подключить эквивалент нагрузки сопротивлением 50 Ом. Затем, подав через измеритель КСВН на вход XW1 усилителя мощность возбуждения порядка 1 ...5 Вт, настраивают входную согласующую цепь L1 *, С5* по минимуму КСВН. Допустимым является значение КСВН 1...2. Желательно при проведении данного этапа настройки контролировать величину потребляемого тока. Далее настраивают Г-контур L6, С14 до получения максимального тока через VT4. Выходной Т-контур настраивают по максимуму ВЧ-напряжения в нагрузке. При этом необходимо контролировать форму сигнала с помощью осциллографа. Катушка L11 * определяет величину связи с нагрузкой, a L10* настраивает контур в резонанс. Для облегчения настройки выходного контура вместо постоянного конденсатора С22* можно включить кокденсатор пе ременной емкости. При правильной настройке согласующих контуров усилителя достигается максимальный коэффициент усиления и КПД, который в режиме “ЧМ” должен составлять не менее 60%, а в режиме “AM, SSB” - не менее 45%. При работе в режиме “AM, SSB” необходимо подобрать значение номиналов элементов R1 *, С1 * до получения надежного срабатывания коммутации усилителя.

Если в распоряжении радиолюбителя нет высокочастотного вольтметра, то можно рекомендовать схему выносной высокочастотной головки, которая подключается к любому вольтметру постоянного напряжения. Схема головки показана на рис. 2. Номинал резистора R1 рассчитан исходя из обеспечения индикации на шкале мультиметра действующего значения измеряемого напряжения. При этом значение внутреннего сопротивления мультиметра Rвнутр было взято стандартным (10 МОм). При другой величине внутреннего сопротивления измерительного прибора значение номинала резистора R* следует пересчитать по формуле:

При использовании типов диодов, указанных на схеме с помощью данной высокочастотной головки, можно измерять напряжение частотой до 100 МГц. При настройке описываемого в этой статье усилителя мощности можно ограничиться применением двух последовательно включенных диодов типа Д9. В любом случае собранную ВЧ-головку необходимо откалибровать с помощью эталонного прибора.

Рис. 2. Схема головки

Конструкция

Усилитель собран на одной плате из одностороннего фольгированного стеклотекстолита. Соединение элементов между собой осуществляется на “пяточках”, вырезанных резаком на поверхности платы. При компоновке элементов необходимо обеспечить максимально возможную площадь земляной шины. Плата установлена над радиатором, на котором крепятся мощные транзисторы предварительного и оконечного каскада. Входной и выходной высокочастотные разъемы установлены с разных сторон печатной платы. При этом расположение элементов усилителя получается скомпонованным “в линейку”.

Расположение контурных катушек индуктивности и дросселей должно исключать взаимное влияние друг на друга (желательно использовать ортогональное расположение катушек).

Детали

Катушка L1 содержит 2,5 витка провода ПЭВ-2 01 мм на оправке 0 10 мм.

Катушки L4, L9 содержат по 43 витка провода ПЭВ-2 01 мм на оправке 0 8 мм.

Катушка L6 содержит 1 виток провода ПЭВ-2 0 1,5 мм на оправке 0 10 мм.

Катушка L10 содержит 9 витков с шагом 1 мм ПЭВ-2 0 1,5 мм на оправке 010 мм.

Катушка L11 содержит 12 витков провода ПЭВ-2 0 1,5 мм на оправке 0 10 мм.

Автор статьи - С. Гаврилюк. Статья опубликована в PЛ, №№11... 12,2001 г.