ПРИМЕНЕНИЕ СПИРАЛЬНЫХ РЕЗОНАТОРОВ В ЛЮБИТЕЛЬСКОЙ УКВ АППАРАТУРЕ

В современной приемо-передающей аппаратуре предъявляются высокие требования по избирательности, спектральной чистоте сигналов передатчиков и гетеродинов. Особенно это сказывается при проектировании аппаратуры на СВЧ. Хороших результатов можно добиться только при использовании в процессе проектирования комплекса приемов повышения качества аппаратуры. Перечислим основные из них. Это прогрессивная схемотехника, применение современных малошумящих компонентов, рациональный монтаж, экранировка, стабилизация питающих цепей и, конечно же, фильтрация ВЧ и СВЧ сигналов.

Ни одна конструкция УКВ аппаратуры не может обойтись без фильтров. При проектировании часто возникают затруднения. Какого типа и конструкции фильтр более приемлем? Ставится задача выбора.

Основными критериями здесь являются: - центральная частота, - полоса пропускания, - добротность, - потери в полосе пропускания, - способ согласования, - габаритные размеры, -стоимость.

Чаще всего в повседневной практике радиолюбители используют LC фильтры с проволочными катушками до 200 МГц, проволочные и печатные линии на частотах выше 200 МГц.

При применении подобных фильтров на частотах выше 30 МГц возникают проблемы с добротностью катушек. Так, на частоте 30 МГц, при сохранении приемлемых размеров катушки, можно получить добротность около 200. Добротность катушек, применяемых в серийной аппаратуре, не превышает 150. Использование печатных линий ограничено применяемым материалом и размерами линий, в зависимости от частоты. Отличные результаты получаются при использовании коаксиальных четвертьволновых резонаторов. Такие резонаторы обеспечивают добротность до 5000, но в малогабаритной аппаратуре применение их становится неприемлемым из-за больших размеров. Так резонатор на частоту 30 МГц имеет длину 2.5 метра, а на частоту 500 МГц-15см.

В 1950 году американец Александр Хорват опубликовал сообщение, а в 1956 году получил патент США N2.753.530 на HIGH Q FREQUENCY TUNER. Изобретение произвело переворот в области теории фильтров и резонаторов. Мир узнал о принципиально новом типе резонатора - спиральном.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Добротность спиральных резонаторов, в зависимости от конструкции и частоты, находится в пределах 200.. .5000 и достигает 85% добротности коаксиальных четвертьволновых резонаторов. Зато длина спиральных резонаторов может быть уменьшена в 30 раз. Простота настройки, высокий КПД, разнообразие форм согласования открыло широкую дорогу практическому применению спиральных резонаторов и фильтров.

Спиральный объемный резонатор имеет круглый или прямоугольный экран, внутри которого размещена однослойная катушка. Один ее конец замкнут на экран, а второй разомкнут. Металлический сердечник, вводимый со стороны разомкнутого вывода спирали, изменяет емкость резонатора - так происходит перестройка по частоте.

Puc.1

При расчетах спиральных резонаторов следует помнить о физических ограничениях, накладываемых на элементы, способах настройки, взаимных связях резонаторов между собой и с нагрузками. На рис.1 изображен спиральный резонатор классической формы. (D - внутренний диаметр экрана, d - средний диаметр спирали, do - диаметр провода, S - шаг спирали, b - высота спирали, В - внутренняя высота экрана). Величины эти выбираются в следующих соотношениях: 0.5<d/D<0.39; 0.55<do/S<0.73; 2<b/d<3.

РАСЧЕТ СПИРАЛЬНЫХ РЕЗОНАТОРОВ ПО НОМОГРАММАМ

Теоретические выкладки и вывод уравнений, описывающих параметры спиральных резонаторов очень громоздки и никогда в практике не используются. Наиболее приемлемый метод расчета спиральных резонаторов-использование номограмм, где все теоретические выводы укладываются в 5 линейносвязанных номограмм.

Электрическая длина, краевая емкость на разомкнутом конце катушки и длина провода в обмотке будут примерно следующими:
электрическая длина - 94% от четверти длины волны, краевая емкость-0.15пф, длина проводника - 28% от длины волны в свободном пространстве.

Рассмотрим примеры расчета спиральных резонаторов. Для расчета будем использовать номограмму (рис.2).

Первый пример.

Требуется рассчитать резонатор на частоту 10 МГц и добротность без нагрузки, равную 1000. Соединив линией 1 точку на оси fo=10 МГц с точкой на оси Q= 1000, определим, что внутренний диаметр экрана D=150мм. Зная диаметр D, соединим точку fo=10 МГц с точкой D=150 мм и, продолжив линию до пересечения с осью N, Z0, получим число витков N=30. Выбрав d/D=0.55, получим средний диаметр катушки d =83.5 мм. При этом приемлемыми значениями будут: S=4.5 витка на см, Ь=125 мм, В=200мм. Как видно из расчета, спиральный резонатор на 10 МГц имеет очень большие габариты.

Второй пример.

Требуется рассчитать резонатор на частоту 70 МГц.

Добротность ненагруженного резонатора должна быть не менее 850. Резонатор монтируется в экране с квадратным поперечным сечением. Из номограммы видно (линия 2), что экран с круглым поперечным сечением должен иметь диаметр D=60мм. Внутренний размер стороны квадратного экрана равен D/1.2 - 50 мм. Требуемое число витков равно 11. При d/D - 0.55 диаметр катушки будет равен 33 мм. Длина катушки равна 50мм. Длина экрана равна 95мм.

Третий пример.

Рассчитаем резонатор на частоту 400 МГц добротностью без нагрузки Q - 2000. По номограмме определим, что внутренний диаметр экрана D - 50мм, а число витков n - 2.25 витка. Средний диаметр катушки будет равен 27мм, а шаг намотки - 19мм. Длина катушки - 40мм, длина экрана - 55мм.

При конструировании спиральных резонаторов необходимо помнить следующее: материал, из которого изготовлен каркас катушки, не должен вносить потерь. Рекомендуется применять полистирол, радиокерамику или фторопласт. Если катушки выполняются толстым жестким проводом или шиной, лучше вообще обойтись без каркаса. Для обеспечения хорошей проводимости желательно применять посеребренный провод и посеребренную внутреннюю поверхность экрана. На частотах до 100 МГц можно применять и обычный медный провод (в том числе и ПЭВ), однако посеребренный провод дает приращение добротности примерно на 3%. Помните, что чистота обработки внутренней поверхности экрана имеет гораздо большее значение, чем последующее серебрение. Экран не должен иметь швов, расположенных параллельно оси катушки, и если таковые существуют, то для обеспечения малого сопротивления контакта их необходимо хорошо пропаивать. Нижний конец катушки должен быть подведен к боковой стенке экрана как можно более прямо и подпаян к ней. В случае, если конец катушки подводится к нижней стенке экрана, последняя для уменьшения потерь в стыках должна быть тщательно припаяна к экрану. Катушка должна доходить до края экрана на расстояние не ближе четверти диаметра экрана. Если катушка будет опущена чрезмерно низко ко дну экрана, то нижние несколько витков будут неэффективны для накопления энергии, внесут значительные потери, что отрицательно скажется на добротности резонатора. Зазор в верхней части экрана служит для уменьшения паразитной емкости и для избежания дугового разряда в мощных резонаторах. Следует помнить, что если спиральный резонатор включен на выходе УКВ передатчика с выходной мощностью 10 Вт, то на конце спирали амплитуда напряжения составит 60-80 кВ.

В качестве элемента настройки целесообразно использовать латунный сердечник диаметром от 3 до 8 мм. При настройке следует следить, чтобы сердечник входил не глубже чем на 5-10% длины катушки. Хорошие результаты дает сердечник с диском на конце диаметром 60-80% от диаметра (стороны) экрана. На наружном конце подстроенного сердечника делают прорезь. После настройки сердечник надежно контрят (можно с помощью контрогайки). Особое значение имеет сопротивление контакта сердечника с экраном. Оно должно быть как можно меньшим.

Сергей КУЗНЕЦОВ (UC2CAM), Владимир ЧЕПЫЖЕНКО (RC2CA)

(РЛ 4-91)