PA 1,5kW na 144MHz s GS35B
Při EME provozu modulací JT65B jsou na PA kladeny mimořádně vysoké nároky. Pa musí vydržet trvalý provoz plným výkonem podobně jako je tomu např. při modulaci FM. Běžně používané koncové stupně ovšem na něco takového nebývají stavěné. konstrukce PA pro EME musí být mnohem robusnější a lépe chlazená. Jen tak zabráníme postupné degradaci výkonové elektronky a jejímu předčasnému zničení
Na druhé straně není nutné se snažit o minimalizaci rozměrů, nízkou váhu a snadnou přenosnost. To je nezanedbatelná výhoda. Při konstrukci se v podstaně nemusíme nijak podstatně omezovat.
Nejprve bylo nutné rozhodnout, jakým výkonovým prvkem bude PA osazen. Hned na začátku bylo jasné, že to nebudou tranzistory. Bylo by nutné sloučit výkon z cca 8 tranzistorů. To sice není nemožné, ale tranzistory jsou velmi drahé a choulostivé. Proto jsem o nich ani neuvažoval. Takže logicky padla volba na elektronku. Elektronkové PA vycházejí mechanicky velmi náročné, je potřeba zdroj velmi vysokého a tedy smrtelně nebezpečného napětí ale na druhé straně si elektronky dají líbit mnohem více než tranzistory. Není tedy nutné obávat se jejich zničení při každé drobné chybě. Navíc lze vhodnou elektronku získat za cenu jednoho kvalitního výkonného tranzistoru. Oblíbená elektronka pro konstrukci PA je ruská GS35B. Poslední dobou se dají sehnat nové a za docela rozumnou cenu. Proto celkem logicky padla volba právě na tuto lampu. Tím nechci vůbec říci, že je to jediné a správné řešení. Možností je řada, ale já jsem se rozhodl právě pro tuto elektronku.
Další závažné rozhodnutí bylo o tom, jak bude proveden anodový obvod. V podstatě bývají v literatuře popisovány 3 základní provedení:
- Obvod s cívkou v anodě
- Obvod délky λ/4
- Obvod s transformačním úsekem koaxiálního vedení.
Obvod s cívkou v anodě
Zapojení s cívkou je velmi jednoduché a rozměrově malé. Ale cívka bude při značných změnách teplot mechanicky neatabilní. Proto se na 144MHz toto zapojení moc nepoužívá. Je ale oblíbené u koncových stupňů na 50MHz, kde jsou další způsoby mechanicky příliš rozměrné.Příklad PA s tímto obvodem najdeme např. na stránkách EA3AXV . Další příklad je např. zde.
Obvod délky λ/4
Zapojení s vedením λ/4 je velmi oblíbené zejména pro své malé rozměry a slušnou mechanickou stabilitu. Účinnost a zisk s tímto obvodem ale bývá nižší než s obvodem s koaxiálním transformačním obvodem. Nejznámější příklad této konstrukce je na stánkách YU1AW
Obvod s transformačním úsekem koaxiálního vedení
Příklad PA s popisovaným obvodem je např. na stránkách PA3CSG.
Tento způsob je většinou chybně nazýván obvodem s rezonátorem délky λ/2. Vedení dlouhé λ/2 by na svém konci pouze zopakovalo výstupní impedanci lampy. Tím bychom ovšem naprosto nic nezískali. Ve skutečnosti jde o vedení dlouhé cca 0,31 vlnové délky.
Mnoho důvodů mě nakonec přesvědčilo o tom, že právě toto konstrukční provedení bude pro mě to nejvýhodnější
Zásadní nevýhoda tohoto provedení je v délce transformačního vedení. ta je v mém případě přibližně 660mm. Jak jsem ale výše napsal rozměry omezen nejsem. Pak již tu jsou jen samé výhody. Nejvyšší účinnost a zisk z popisovaných řešení, vysoká mechanická stabilita, velká teplotní setrvačnost a vynikající chlazení tento obvod předurčuje pro velmi zatížené koncové stupně např. při provozu EME. Při rozhodování o tom jak bude celý PA mechanicky proveden jsem se nechal inspirovat konstrukcí podle OK2BAF. Zásadní výhoda oproti oblíbeným konstrukcím podle PA2CMC je ve vynikajícím chlazením lampy. Transformační vedení zde tvoří měděná roura o průměru 100mm která je přímo nasazena na chladič lampy. Z toho odvádí teplo a podílí se tak na chlazení lampy. Chladící vzduch se vede vnitřkem této roury a účinně ji tak chladí. Pro další zvýšení chladícího účinku jsem dovnitř roury přidal měděnná chladící žebra, která jsou taky chlazena procházejícím vzduchem. Takto jednoduše bylo zajištěno vynikající chlazení lampy. Nevýhoda mého řešení je mnohem větší mechanický rozměr pláště PA. Rozměry ale příliš omezen nejsem, proto jsem je mohl akceptovat.
Stanovení mechanických rozměrů anodového obvodu
Protože se mi neopodařilo pro mnou uvažované provedení anodového obvodu nikde najít přesné mechanické rozměry, nezbylo mi než se pokusit o stanovení rozměrů sám. Anodový obvod má za úkol přetransformovat vysokou impedanci elektronky cca 2000Ω na výstupních 50Ω. Pro zjištění obvodového řešení prvků v anodovém obvodu jsem použil Smithův diagram.
Na diagramu bod 1 prezentuje odhadovanou výstupní impedanci elektronky. Do bodu 2 se dostaneme započítáním parazitní kapacity elektronky a mechaniky kolem ní, do bodu 3 nás dovede transformační vedení, bod 4 vznikne zařazením ladícího kondenzátoru a na výstupních 50Ω v bodě 5 se dostáváme výstupní vazbou. Tak jsem získal základní představu o obvodovém řešení a hodnotách jednotlivých prvků ze kterých se obvod skládá.
Abych získal představu o vlastnostech uvedeného obvodu, nakreslil jsem získaný obvod v simulačním programu a tak jsem získal představu o kmitočtové charakteristice a přizpůsobení elektronky vůči výstupnímu obvodu.
A tak jsem získal představu o základních vlastnostech výstupního obvodu PA.
Tento graf vypadá velmi pěkně. Potlačení harmonických kmitočtů 288 a 432MHz je okolo 30dB takže se na první pohled zdá, že by ani nebyl potřebný výstupní filtr.
Ještě jsem ale přemýšlel o tom, jak se asi může projevit cca 7cm dlouhé posuvné vedení na kterém je teprve připevněn
ladící terč. To jsem v simulaci nahradil 7cm dlouhým vedením o impedanci 200Ω.
A přišla studená sprcha.
Jak je vidět, druhý vrchol se posunul do blízkosti třetí harmonické 432MHz a v okolí druhé harmonické 288MHz se pohybuje vrchol parazitní rezonance. Oba nebezpečné kmitočty tak nejsou potlačené o více než 10dB! Abychom dodrželi povolovací podmínky, musíme za PA bezpodmínečně zařadit dolní propust, která harmonické kmitočty spolehlivě odstraní.
Ze simulace vidíme ještě jednu zajímavou věc. Vrchol na kmitočtu 144MHz je pro 3dB široký cca 8MHz. Zdálo by se, že při přeladění o cca 500kHz, se kterými lze na 2m počítat není nutné anodový obvod dolaďovat. Opak je ale pravdou. Všiměte si modré křivky reprezentující parametr S11. V podstatě jde o přizpůsobení anody lampy vůči následujícímu obvodu. Tato křivka je velmi ostrá a při přeladění o cca 200kHz od vrcholu se z cca -35dB zhorší na cca -10dB což je již zcela nevyhovující hodnota. Parametr S11 by neměl poklesnout pod cca -20dB. Jinak řečeno to znamená, že pokud změníme kmitočet o 50 - 100kHz musíme doladit anodu ačkoliv to zdánlivě prakticky nic nepřinese. Při špatném přizpůsobení lampy se ale může zhoršovat kvalita vysílaného signálu. Je to podobné jako bychom připojili špatně přizpůsobenou anténu.