Amplificatori per UHF/SHF a valvole in cavità....

Lo studio sul funzionamento e la costruzione di amplificatori in gamma UHF e SHF ha da sempre appassionato chi si diletta su queste frequenze. Questo argomento e' forse un po' retrò dato che ultimamente si possono trovare sul mercato del surplus dispositivi a stato solido di discreta potenza a prezzi contenuti ma secondo me il tubo elettronico ha ancora un fascino particolare e forse, per potenze molto elevate e' ancora conveniente rispetto al dispositivo discreto. 

Specialmente sopra i 1000MHz la metodologia usata per progettare gli amplificatori di potenza a valvola e' l'uso della cavita'risonante. I due modelli base sono la cavità circolare o cilindrica e la cavità coassiale.

CAVITA' CIRCOLARE o CILINDRICA

La cavità circolare può essere rappresentata come circuito induttivo che risuona in parallelo con la capacità griglia - anodo del tubo. Il calcolo matematico delle dimensioni fisiche della cavità è molto difficile dato che vi sono molte variabili in gioco. Per la messa a punto di questo tipo di cavità e' necessario avere un analizzatore di spettro con tracking o generatore RF o almeno uno sweep generator e oscilloscopio.

Sotto il disegno di YU1AW per la 2C39B, 3CX100 o 7289 per i 1296MHz .

Il modo di propagazione della RF all'interno della cavità circolare e' TE1,1 (transverse Electric). Il campo elettrico E (E-field) e' parallelo al piano del tubo e concentrato vicino al tubo stesso, mentre il campo elettrico H (H-field) e' perpendicolare al piano del tubo. Un vantaggio di questo tipo di cavità sono le dimensioni molto ridotte rispetto ad una cavita' coassiale che lavora sulla stessa frequenza. Uno svantaggio e' invece, che questo tipo di cavità non funziona con tubi di grandi dimensioni e che hanno un'elevata capacità griglia-anodo. Un'altro fattore di attenzione e' dato dalle dimensioni della cavita' che devono essere il piu' esatte possibile per la frequenza di utilizzo pena la possibilità che la cavità risuoni in modi indesiderati. Questo tipo di cavità può essere anche di forma quadrata o rettangolare oltre che tonda senza un apprezzabile decadimento dell'efficenza. Come si nota nel disegno di YU1AW, il piccolo piattello per la sintonia fine deve essere parallelo e vicino alla valvola dove e' concentrato il campo elettrico E mentre il prelievo del segnale amplificato deve avvenire tramite un piccolo loop.

CAVITA' COASSIALE      

La cavita' coassiale e' rappresentata qui sotto. Disegno di RW1AW

Questo tipo di cavità, al contrario del modello precedentemente descritto, e' facilmente calcolabile matematicamente. Nell' utilizzo di triodi come la 2C39, TH308 o la russa GS34 si hanno due linee di trasmissione in configurazione coassiale, una linea per il catodo (ingresso) e una per l'anodo (uscita). La griglia e' a massa. La lunghezza della linea di anodo dipende sopratutto dalla reattanza capacitiva griglia-anodo (Xc) della valvola che si intende usare e dall'impedenza caratteristica della sezione coassiale (Zo) della cavità. L'impedenza della linea coassiale di anodo puo' essere compresa fra i 25 e gli 80 ohm anche se alcune cavità commerciali usano 14 ohm per avere una banda passante ampia. 

Per esempio possiamo calcolare la dimensione di una cavità di anodo per un triodo 2C39. Questo tubo ha una capacita' griglia-anodo di 2,5pF circa. Per calcolare la reattanza capacitiva a 1296 MHz si usa la formula 1/(2 x 3,14 x f x C) ed il risultato e' 49,1 ohm. Si usa poi la formula per calcolare la lunghezza della cavita' che occorre per annullare la reattanza capacitiva della valvola: atan(Xc/Zo) dove come impedenza della linea abbiamo preso 60ohm. Il risultato e' espresso in gradi e vale 39,9

Per chi non si ricorda, l'impedenza di una linea coassiale si calcola facendo il rapporto fra il diametro interno del tubo esterno con il diametro interno del tubo interno.

Il risultato della operazione precedente  occorre trasformarlo in mm per comodità. Usiamo la formula: (Gcav x lambda)/360. Il risultato e' 25,4mm. La prima cosa che notiamo è che la cavità deve essere lunga 2,54 cm per risuonare a 1296 MHz, troppo corta per essere efficente ed estrarre potenza da essa. E' quindi necessario allungarla addizionando alla misura calcolata 1/2 lunghezza d'onda. La nostra cavità a questo punto diventa lunga 141 mm. Ovviamente questo e' calcolo della lunghezza teorica dato che occorre considerare diversi fattori che modificano leggermente le condizioni operative quali le capacita' del piattello di uscita e di accordo fine, l'effetto della chiusura della linea coassiale e l'induttanza parassita introdotta dai finger. Queste componenti parassite fungono da accorciamento della linea coassiale. Di solito, nel calcolo, si aggiunge alla capacità griglia-anodo, 3 pF in piu' per compensare gli effetti sopra esposti.

Per il calcolo della linea coassiale di catodo, si usa il medesimo sistema. Supponendo sempre la 2C39, la sua capacità catodo-griglia e' circa 6,5pF che a 1296 MHz ha una reattanza capacitiva di 18,9 ohm. La lunghezza della linea coassile per neutralizzare la reattanza capacitiva, assumendo una impedenza di 40 ohm, e' 16,3mm (25,3 gradi). Anche questa linea e' troppo corta per i motivi prima esposti. Per determinare la lunghezza della linea di catodo usabile, occorre tenere presente che una parte di essa fa parte della linea di anodo e quindi rimane interna alla cavità anodica. Nell' esempio di prima abbiamo che la cavità di anodo e' lunga 141mm poiche' abbiamo aggiunto 1/2 lunghezza d'onda. Ora dobbiamo aggiungere 1 lunghezza d'onda alla linea di catodo per fare in modo che una parte di questa linea sia esterna. Abbiamo quindi 16,3mm + 231mm =  247,3mm . Per rendere la cavità facilmente accordabile su frequenze vicine a quella del calcolo e' uso mettere un disco di cortocircuito interno che ha la funzione di allungare-accorciare fisicamente la lunghezza della cavita'. Per la sintonia fine basta mettere un piccolo piattello perpendicolare rispetto alla linea coassiale ed un altro piattello funge da prelievo del segnale d'uscita. Infatti il modo di propagazione interno alla cavità e' TEM (Transverse ElectroMagnetic) cioè i campi E ed H sono perpendicolari al conduttore centrale.

Le cavità coassiali si usano anche per i Tetrodi es. TH327, TH347 ecc. occorre però isolare la griglia schermo e portargli la necessaria tensione di polarizzazione aggiungendo un ulteriore elemento all'interno della cavita'. L'impedenza che si viene a creare tra i conduttori di griglia schermo e catodo non e' critica e puo' essere molto bassa. La lunghezza del conduttore di schermo e' la stessa di quella del catodo.

Per la messa a punto, occorre applicare un segnale in ingresso, e rilevare lo stesso in uscita. Si aggiusta la linea di schermo in modo da avere una riduzione di 20 dB del segnale in uscita.

Come per la cavità cilindrica, per verificare il funzionamento di questo tipo di cavità occorre un analizzatore di spettro con tracking o generatore RF oppure uno sweep generator e oscilloscopio. Un semplice metodo di collaudo consiste nel dare tensione al filamento della valvola, applicare una tensione di 30 - 40 Vcc sull'anodo e portare a massa con una resistenza da 100 ohm (valore non critico...va bene da 10 a 220 ohm) la linea del catodo. In questo modo si fa scorrere un po' di corrente nella valvola simulando le condizioni di funzionamento. E' bene ventilare durante queste prove per evitare il surriscaldamento del tubo dato dall'accensione del filamento.    

Da un articolo di N7ART Russ Miller