měření přizpůsobení TRX a PA

Elektrotechnické mìøení (7)
Tab. 1 - Závislost odporu Xc na kmitoètu
Kapacita
JAN BOCEK, OK2BNG ([email protected])
ING. TOMÁŠ KLIMÈÍK, SWL ([email protected])
Školní pøíklad místo úvodu, aneb ohlédnutí za podstatou.
Úkol: Jaký bude kapacitní odpor kondenzátoru o kapacitì 100 pF na kmitoètech amatérského pásma?
Odpovìï: Výsledek najdete v tab. 1. Je zde uveden i vzorec (kalkulaèku dnes vlastní každý). Z výsledkù plyne, že kapacitní odpor je závislý na kmitoètu. Je tøeba dodat, že induktivní odpor taktéž.
Proè dnes takovýto úvod? Komerènì vyrábìná zaøízení mají zpravidla jmenovitou výstupní (transceivery) a vstupní (vf zesilovaèe èili PA) impedanci rovnu 50 Ω. Amatérské a poloamatérské konstrukce PA mají vstupní impedanci vìtšinou jinou, pøímo danou typem použitých elektronek, jejich zapojením a kvalifikací konstruktéra. Platí zde totéž co u na-pájeèù
antén - plný výkon jsme schopni pøenést z transceiveru do zesilovaèe pouze
v pøípadì impedanèního pøizpùsobení vstupu PA k výstupu TRX, jinými slovy TRX musí „vidìt“ PA pouze jako èinnou zátìž. A na to se v praxi velice èasto zapomíná.
2x GU50
+Ua
+Ua
Rg2
+Ug2
-Ug1
Vstup
50 Ω
P1
P2
L
10n
C1
LR
C2
Cb
Tl kat.
Tl žh.
Žhavení
Obr. 1 - PA s buzením do katody.
impedance 50 Ω se transformuje širokopásmovým trafem 1:4 na hodnotu 200 Ω. Na obr. 3A
je vstupní impedance dána hodnotou odporu
50 Ω. Kompenzace vstupní kapacity elektronky
je provedena π-èlánkem. Náhradní schéma
vstupního obvodu je nakresleno na obr. 3C.
Na obr. 3B je na vstupu zapojen odpor
450 Ω. Dùvodem je nízká vstupní kapacita elektronky a potøeba dostateèného napìtí pro její
vybuzení a napìtí pro druhou møížku.
Mìøení pøizpùsobení TRX
a PA
Mìøil: Jan Bocek
Datum: 9.10.2000
Èásti:
1. Mìøení vstupní impedance PA
2. Návrh pøizpùsobení impedance PA
3. Mìøení a seøízení vstupních π-èlánkù PA
4. Mìøení pøizpùsobení pomocí SWR-metru
Cíl mìøení:
Zjistit skuteènou
hodnotu vstupní impedance PA a velikost
její èinné a jalové složky, navrhnout a ovìøit
pøizpùsobení
mezi
TRX a PA a seznámit
se s nìkterými zpùsoby
kompenzace
vstupní kapacity elektronek.
Promìøovaná zaøízení:
Amatérsky zhotovené PA s elektronkami typu
GU50, GU72, GU74, GU43, GU84, GU80,
RE025, RE125, RE400, 3-500Z buzené jak do
katody, tak do první møížky. Klasický PA s buzením do katody je na obr. 1. Spoleèná katodová tlumivka a tlumivky ve žhavení ovlivòují
znaènou mìrou vstupní impedanci. Kompenzace a transformace se provádí pøedøazeným
π-èlánkem.
Na obr. 2 a 3 jsou ideová schémata PA
s buzením do první møížky. Na obr. 2 je vstupní
odpor urèen hodnotou odporu 200 Ω a kompenzaèním obvodem C1, L1, C2, L2, C3. Vstupní
1:4
2n2
L1
C1 = C3 = 36 µF
2. Návrh pøizpùsobení impedance PA
Pokud jsme v pøedchozí èásti nenamìøili
reálnou složku vstupní impedance RA blízkou
50 Ω a jalovou složku impedance XA alespoò
10-krát vìtší, musíme s tím nìco dìlat. V praxi
se tento stav projevuje nejèastìji tak, že SWR
+Ua
π -èlánek
Vstup
50 Ω
C1
5x 4k7
10n
L
+Ug2
Rg2
R1 =
50 Ω
C2
C3
4n7
Rvst.
200 Ω
+Ug2
Vstup
450 Ω
R1
450 Ω
Rg2
Tl
10n
Rg2
Cb
mA
10n
4n7
10n
-Ug1
Rvst
Lvst
3C:
Zvst
Cvst
-Ug1
Obr. 2 - PA s buzením do møížky.
+Ua
Cb
+Ug2
L2
1,32 µH
N20
-Ug1
10n
C2
60 pF
10n
10n
10n
1,32 µH
C1
1. Mìøení vstupní impedance PA
Celkové blokové schéma, ze kterého budeme vycházet pøi všech dnešních mìøeních, je
na obr. 4. Pro mìøení mùžeme použít vhodný
mìøiè impedance (dále jen MI), v našem pøípadì MFJ-259B. Z pøístrojù pøímo mìøících impedanci se dají použít napø. VA1, RF1, BM538
atd. Pro nepøímé mìøení pak voltampérovou
nebo mùstkovou metodu. Doporuèujeme si
prostudovat literaturu okolo mìøení impedance
[1], [2], [3]. RA a XA zmìøíme na všech uvažovaných kmitoètech a hodnoty zapíšeme do
tab. 2. Uvedená hodnota Cvst je zde jako pomocná pro pøípad, že bychom chtìli hodnotu XA
poèítat pomocí vzorce v tab. 1. Na obr. 4A až
4C je na zjednodušených blokových schématech znázornìn vliv délky propojovacího vedení
mezi mìøièem impedance a svorkami PA. Na
propojení byl použit kabel RG213 s konektory
PL259. Všimnìte si obzvláštì zrádné situace
na obr. 4C. RA je sice v úrovni „padesátiohmové“ techniky a SWR vychází také pomìrnì nízký, ale ohmický odpor RS na zaèátku propojovacího kabelu je jen 18,2 Ω!!! A zkuste nìco
pøenést po takøka zkratovaném vedení. Proto
propojení musí být realizováno velmi krátkými
vodièi.
Pro další èásti øešení úkolù je nezbytná
znalost namìøených hodnot RA a XA.
3A:
3B:
GU74b (GU34, 43, 84)
Vstup
50 Ω
Cb
Cb
10n
30 pF
60 pF
100 pF
300 pF
Kapacitní odpor Xc [Ω] podle pásma
1,8
3,5 7,05 14,2 21,2 28,5
2870 1500 750 370 250 190
1450 760 370 190 125
90
860 450 225 110
75
56
290 150
75
37
25
18
1
Xc =
ωC
Obr. 3 - PA s buzením do pasivní møížky.
50 Ω
100 Ω
200 Ω
450 Ω
-
GU84b
GU43b
GU74b
GU50, 72, 80
N20
l = 0,1 m
l=1m
MI
PA
f = 28,5 MHz
SWR = ?
RA = ? Ω
XA = ? Ω
MI
Obr. 4A - Správné mìøení
PA
RS = 37,7 Ω
XS = 79,1 Ω
f = 28,5 MHz
SWR = 5,2
l = 2,36 m
MI
RA = 56 Ω
XA = 98 Ω
f = 28,5 MHz
SWR = 2,7
Obr. 4B - Chybné mìøení
PA
RS = 18,2 Ω
XS = 0
RA = 56 Ω
XA = 98 Ω
Obr. 4C - Chybné mìøení
SWR = 1 : 1,01
TRX
L
SWR
C1
R0 = 50 Ω
X0 = 0 Ω
PA
PWR
C2
R2 = 50 Ω
RX/TX
RX/TX
Obr. 4D - Uspoøádání pracovištì pøi mìøení impedance PA
Obr. 4 - Zapojení obvodù pro mìøení impedance a kompenzaci vstupní kapacity.
je vìtší než 1,5 a PA se nedá vybudit na požadovaný výkon. Øíkáme, že musíme pøizpùsobit
impedanci PA vykompenzováním jalové složky.
Jedním z øešení je zaøadit na vstup PA π-èlánek
s typickým oznaèením svých vnitøních prvkù
C1, L, C2 (viz obr. 1, 3A, 4D). Pokud jsme nuceni takovýto vstupní filtr vyrobit, dobøe nám
poslouží pomùcka popsaná v èlánku OK1IEC
„Jak si pohrát s π-èlánkem“ [4]. Je zde popsána excelovská aplikace „piclanek.xls“ pro návrh
a výpoèet π-èlánku, umožòující jeho odladìní v grafické podobì mùžeme na obrazovce poèítaèe sledovat zmìnu prùbìhù všech velièin až
po vykompenzování složky X0.
Práce s programem je velmi jednoduchá.
Již namìøené hodnoty RA a XA spolu s kmitoètem zapíšeme do tabulky programu (obr. 5)
a mìníme hodnoty C1, L, C2 tak, až získáme
vyhovující R0 a X0. Vyhovující znamená, že
reálný odpor R0 se blíží 50 Ω a jalová složka X0
je vykompenzována. Pøíklad èlánku, který transformuje RA ze 100 Ω na 50 Ω je na obr. 5A.
Celý zmiòovaný proces mùžeme sledovat na
obrazovce a navíc barevnì - urèující jsou prùseèníky prùbìhù jednotlivých velièin s osou x.
Je to podobné, jako když ladíme skuteèný
π-èlánek a sledujeme SWR, zda se blíží k nízké hodnotì. Výhodou této vizualizace je, že
názornì vidíme smìr ladìní každého z prvkù.
A kdo nìkdy zkusil toèit knoflíky skuteèného
èlánku, ten ví, že to není zase tak jednoduché.
Nakonec odladìné hodnoty z tabulky na
obrazovce (C1, L, C2, R0, X0) pøepíšeme do
druhé èásti tab. 2.
i kombinaci - pevný a otoèný kondenzátor paralelnì. Cívky mají malou indukènost a je snadné
je vyrobit na kostøièce o prùmìru 8 až 10 mm.
Výhodné je použití laditelného jádra. Vlastní
seøízení π-èlánku provedeme jemným dolaïováním všech prvkù v okolí hodnot dané tabulkou 2 na minimální SWR.
f = 18,080 MHz
+50
C2
+jX0
[Ω]
0
C1
0
-jX0
[Ω]
-50
RA
50
L
XA
R0 = 49,9 Ω
X0 = -0,9 Ω
100
R0
[Ω]
C1 = 36
L = 0,549
C2 = 113
RA = 100 Ω
XA = 27 Ω
mluvíme o SWR mezi zdrojem signálu a koncovým stupnìm. Platí zde daleko pøísnìjší mìøítka, než pøi mìøení SWR na anténì, protože
v pøípadì, že SWR smìrem do PA bude vìtší
než 1,5, nejen že PA nevybudíme, ale zhoršíme tím kvalitu modulace, èímž budeme na obtíž
ostatním uživatelùm elektromagnetického spekMinimum:
Nastaveno:
Maximum:
fmin= 18 068 kHz f= 18 080 kHz fmax= 18 168 kHz
R1min= 100 Ohm R1= 100 Ohm R1max= 1000 Ohm
XAmin= 0 Ohm
XA= 27 Ohm
XAmax= 100 Ohm
C1min= 5,0 pF
C1= 36,0 pF
C1max= 80,0 pF
Lmin= 200 nH
L= 549 nH
Lmax= 5 000 nH
C2min= 10,0 pF
C2= 113,0 pF C2max= 500,0 pF
Výsledek:
R0=
49,9 Ohm
X0=
-0,9 Ohm
f
RA
XA
C1
L
C2
Ovladaèe
A
B
Obr. 5 - Obrazovka pøi ladìní π -èlánku pomocí programu piclanek.exe (C1, C2, RA, XA se protínají v souøadnicích X0/R0 ).
Protože π-èlánek má pomìrnì znaèný útlum
(okolo 3,3 dB), což nám urèitì pøi provozu na
vyšších pásmech bude vadit, najdeme na
obr. 4D propojku, která jej mùže v poloze pøepínaèe RX pøemostit.
Výsledky kompenzace lze pro názornost graficky znázornit. Pøíklad je uveden na obr. 6, kde
jsou vyneseny prùbìhy SWR v závislosti na
kmitoètu. Všimnìte si, jak nízkého SWR se dá
3. Mìøení a seøízení vstupních π-èlánkù PA
pøi úspìšné kompenzaci dosáhnout.
Podle hodnot v tab. 2 sestavíme π-èlánky
V další fázi je tøeba takto pøipravený obvod
pro jednotlivá pásma. Pro zkoušení využijeme
pøipojit
k PA, a to co nejblíže k jeho vstupnímu
pøípravek podle obr. 4D. Místo C1 a C2 použiobvodu. Výše zmínìný „by pass“ již odpadá,
jeme laditelné kondenzátory, mùžeme zvolit
protože je vìtšinou již souèástí PA.
Koneèné seøízení pak provedeme
Tab. 2 - Hodnoty vstupních a výstupních velièin
již pøi finálním zapojení a umístìní
f
[MHz]
3,7
14,2 18,1 21,2 28,5 28,5 28,5
π-èlánku, vèetnì optimalizace délky
Cvst [pf]
300
100
50
200
100
60
300
kabelu mezi TRX a PA.
RA [Ω]
79
75
90
90
85
56
60
XA
[Ω]
190
106
180
52
48
98
18
C1
L
C2
R0
X0
[pF]
[µH]
[pF]
[Ω]
[Ω]
1750
3,9
790
51,4
-1,0
222
1,0
208
50,6
-1,7
222
1,0
132
52,4
0,1
47
0,54
110
51,5
-2,2
47
0,42
92
50,8
-0,3
47
0,59
94
49,3
2,5
145
0,32
160
50,9
-1,5
4. Mìøení pøizpùsobení pomocí
SWR-metru
Dobrý SWR-metr patøí již mezi
takøka povinné vybavení radiostanice
s výstupním výkonem vìtším než
10 W. V tomto našem pøípadì ale
tra. (Je dobré si nìco nastudovat o produktech
IMD3...) Takže pokud v zapojení podle obr. 4D
ukazuje nᚠSWR-metr hodnotu 1,01 až 1,2
a PA odevzdává oèekávaný nebo uvádìný výkon, mùžeme zkoušky ukonèit, protože pøizpùsobení TRX k PA je dobré. Pokud jsme ale
obdrželi hodnotu 1,5 a vyšší, je pøizpùsobení
špatné a vysílání se odkládá (zakazuje).
Nìkteré PA s buzením do møížky mají na
vstupu pasivní odpory v rozsahu 20 až 450 Ω
(viz obr. 2 a 3). Vše závisí na velikosti vstupní
kapacity elektronky a její strmosti. SWR vychází na nižších pásmech obvykle kolem 1,5, ale
na vyšších se zhoršuje. Èím vìtší je Cvst, tím
horší je SWR (pokud není provedena kompenzace Cvst). Na obr. 3C jsou uvedeny obvyklé
hodnoty vstupního odporu pro nìkteré elektronTab. 3 - Vstupní odpory elektronek a hodnoty
filtrù podle Èebyševa (obr. 2)
Rvst
C1, 3
L1, 2
C2
[Ω]
[pF]
[µH]
[pF]
50
154
0,35
243
75
100
0,5
162
100
77
0,7
120
200
39
1,4
60
300
25
2,0
40
450
17
3,1
27
ky. Souvisí to nejen s Cvst, ale i se strmostí
a potøebou budicího napìtí. Pøíklad vhodné
kompenzace pomocí Èebyševova filtru s fmax =
30 MHz najdete na obr. 2. Pro jiné velikosti Rvst
jsou hodnoty všech prvkù filtru v tab. 3. Pozor!
Od kapacity C2 se musí odeèíst hodnota
vstupní kapacity elektronky! Proto se jako C2
èasto používá laditelný kondenzátor. Výhodou
tohoto pìtipólového filtru „CLCLC“ je podstatnì
menší útlum v propustném pásmu oproti πèlánku. Reálná hodnota je okolo 0,5 dB.
Mìøení pøizpùsobení pomocí SWR-metru je
kontrolní a slouží hlavnì pro ovìøení správné
funkce kompenzace. Mìøíme vždy v širším kmitoètovém rozsahu, hodnoty jako vždy zapisujeme do tabulek. Pro vyvození závìrù je v tomto
pøípadì vhodná i grafická forma (viz obr. 6).
Výsledkem musí být hodnota SWR 1,0 - 1,1
v celém rozsahu uvnitø pásma a to na všech
používaných pásmech.
ního zapojení. Cílem bylo naznaèit zpùsob, jak
provìøit impedanèní pøizpùsobení mezi TRX
a PA. Zabývali jsme se pouze otázkou impedanèního pøizpùsobení, nikoliv ztrát ve vstupním π-èlánku nebo filtrací nežádoucích IMD
produktù. Vliv na kvalitu výstupního signálu
a efektivnost buzení PA byl pouze naznaèen.
Opìt jsme se ujistili, že modelování problému na poèítaèi ve vhodném programu výraznì
usnadní a zrychlí jeho øešení.
A praktické zkušenosti? Díky výše naznaèené pozornosti vìnované problematice vstupních obvodù PA používajících soudobé moderní elektronky otevøely se nìkterým PA možnosti
pracovat i na pásmech 21 a 28 MHz.
2,5
SWR
1
2,0
2
1,5
2
2
3
1,0
3,5
7
14
21
28
f [MHz]
1 - nekompenzováno
2 - kompenzováno π-èlánkem
Závìr
Úkolem tohoto mìøení nebylo pøedložit kuchaøku, jak zlepšit funkci PA nìjakého konkrét-
48
3 - kompenzováno CLCLC èlánkem
(Èebyševùv filtr)
Obr. 6 - Závislost SWR na kmitoètu u vstupních obvodù
koncového stupnì.
Použité prameny:
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
Rádiožurnál 6/98 (Mìøení impedancí)
Rádiožurnál 2/99 (Mìøení støídavých velièin)
Rádiožurnál 5/99 (Mìøení kapacit)
Rádiožurnál 4/00 (Mìøení na PA)
Program piclanek.xls (http://www.radioamater.cz)
Amatérská radiotechnika a elektronika, 1984
PA Notebook, DL3FM (CQ-DL, 1-6/94)
Støídavá mìøení v amatérské radiotechnice, Svazarm 1987
RŽ 2/02