PA на 2М на лампе ГУ84Б

Часть первая

При проектировании усилителя была поставлена задача построить усилитель с максимально возможным КПД при приемлемых размерах.

Обычно при построении усилителей выходная цепь строится по принципу коаксиального резонатора. При этом анодная линия и все внутренние стенки резонатора участвуют в работе. В этом случае на пути распространения ВЧ тока оказываются различные винтовые соединения (боковые стенки, крышка и т.д.), приводящие к активным потерям. Не исключены и потери на излучение. У меня возникла идея построить резонатор со свойствами микрополосковой линии, чтобы исключить выше указанные потери.

Микрополосковая линия , это линия расположенная над проводящей поверхностью. Она не излучает в пространство и не предусматривает  дополнительного экрана. Но если таковой имеется, он должен быть удален от линии на достаточное расстояние, чтобы не изменить её свойства. В этом случае расстояние от боковых стенок до линии должно быть не меньше ширины линии, а расстояние от верхней крышки до линии по крайней мере должно быть равно двум расстояниям от линии до проводящей поверхности.Токи  ВЧ   при этом текут по линии и проводящей поверхности.

Для получения минимальных потерь в резонаторе кроме прочего необходимо правильно выбрать его  волновое сопротивление, которое в основном зависит от выходной емкости лампы, частоты и типа резонатора.

Исходя из этой теории я начал проектировать усилитель. Прежде всего я хотел знать, что можно ожидать от этого усилителя?Поэтому был выполнен электрический расчет анодной цепи.

Для расчета я задался следующими параметрами:

Напряжение анода- Ua=3000B

Ток анода-                 Ia=2A

Напряжение

второй сетки-            Uc2=350B

Расчет  провел для трех режимов:

• класс В, с углом отсечки 90 градусов
• класс С с углом отсечки  50 градусов
• глубокий класс С с углом отсечки 20 градусов.

Меня особенно интересовал КПД в классе С, т.к. это очень благоприятный режим для работы WSJT.

Думаю, не имеет смысла приводить здесь полный рассчет, приведу лишь те цифры, из-за которых он был выполнен.

КПД анодной цепи

• в классе В- 67%,
• в классе С-77%,
• в глубоком классе С-93%.

Теперь необходимо измерить холостую и нагруженную добротности резонатора.Отсюда вычислить потери в резонаторе, а уже потом - общий КПД усилителя.Но для этого его необходимо еще изготовить.

Выбор волнового сопротивления

Если уж стремиться построить хороший усилитель, неплохо выбрать оптимальное волновое сопротивление резонатора, а я решил применить четверть волновой резонатор.Слишком низкое волновое сопротивление приводит к дополнительным потерям по двум причинам:

первая - чем меньше волновое сопротивление резонатора, тем он длиннее,  следовательно больше активное сопротивление, а значит и потери;

вторая - чем меньше волновое сопротивление, тем больше (по закону Ома) ток в линии, а значит опять выше потери. И эти потери суммируются.

Высокое волновое сопротивление делает линию короче, что с одной стороны хорошо.Но с другой стороны в слишком короткой линии существует опасность возникновения паразитных колебаний, что также может привести к дополнительным потерям.

Для выбранной лампы я вычислил оптимальное волновое сопротивление, которое получилось 50-70 ом.

Решено было принять сопротивление резонатора 60 ом.

При изготовлении усилителя я не стал соблюдать все  теоретические условия для работы микрополоска, т.к. размеры усилителя при этом получались очень большими. Но я подобрал такое расстояние от боковых стенок до линии, при котором влияние их на полосок минимально.После изготовления резонатора мне было интересно знать, что  получилось. Поэтому решено было измерить потери в нем , а затем вычислить КПД.Для этого необходимо измерить добротность холостого хода Qxx и нагруженную добротность Qн.

КПД резонатора после этого вычисляется по формуле:

КПД=(1- Qн/ Qxx)*100%

В результате измерений  получилось:

Qxx=700, Qн=100

Отсюда КПД резонатора равен 86%

Хочу отметить, что нагруженная добротность измерена достаточно точно.Но при измерении добротности холостого хода имеет место погрешность измерения потому, что измерительные приборы хоть и слабо, но пришлось связать с резонатором.Поэтому  реально эта добротность выше и следовательно лучше КПД резонатора.Для дальнейших рассчетов я принял КПД резонатора 90% и думаю, что не сильно ошибся.Теперь можно вычислить ожидаемый КПД всего усилителя в каждом из рассчитанных выше режимов:

класс В                   КПД= 67*0,9=60%,

класс С                   КПД=77*0,9=69%,

глубокий класс С  КПД=93*0,9=83%.

При измерениях были получены следующие результаты:

класс В                  КПД=65%,

класс С                  КПД=70%,

класс С2                КПД=77%.

Измерения проводились двумя разными приборами и результаты были похожи.

Некоторое, хоть и небольшое, отличие рассчетных значений от практических  можно объяснить следующими причинами:

• высоковольтный источник обеспечивает напряжение холостого хода на аноде лампы 3500-3600 вольт. Под нагрузкой , в результате падения напряжения на конденсаторах и токоограничительном резисторе, напряжение получилось несколько больше 3000 вольт,
• при измерениях я точно не придерживался выбранных углов отсечки анодного тока. Также, я не смог провести измерения в глубоком классе С , т.к. на тот момент  не имел возможность обеспечить достаточную мощность возбуждения в этом режиме.
• реально добротность холостого хода, а следовательно и КПД резонатора получились еще выше.
• некоторая погрешность приборов.

Хочу отметить, что боковые стенки и крышка действительно почти не влияют на работу резонатора. При удалении крышки и боковых стенок расстройка резонатора очень небольшая. 

Фотографии можно посмотреть в техническом разделе - http://www.vhfdx.ru/component/option,com_zoom/Itemid,99/catid,324/

Продолжение следует....