اتصال کوتاه

.

.

برای هر رادیوآماتور بزرگ ترین چالش پیش رو برای اجرای یک پروژه ی «تلنگر بر ماه» (Moon Bounce)، که در آن کره ی ماه نقش رله و بازتابنده ی امواج رادیویی را بازی می کند و به آن به اختصار EME = Earth-Moon-Earth می گویند، و یا پژوهش در پراکندگی تروپوسفریک امواج الکترومغناتیسی در باند 13 سانتی متر، در «تامین توان رادیویی لازم» برای این نوع پروژه ها نهفته است. ابزارهای بسیار کمی در دسترس رادیوآماتورها هستند که به مدد آنها بتوانند یک فرستنده ی پرقدرت مایکروویو بسازند. اما نگارنده که از خیلی وقت پیش دنبال انجام این نوع کارها بوده است، حدود 25 سال پیش وسیله ای را یافتم که قادر به تحویل توان رادیوییِ بالایی در خروجی (500 تا 1000 وات) در محدوده ی طول موج های سانتی متری بود و همزمان قیمت کمی هم داشت. برخی از این وسایل روی انتهای بالایی باند آماتوری 13 سانتی متر کار می کنند. اشاره ی من به «مگنترون» مورد استفاده در اجاق های مایکروویو است.

پروژه ای را که در ادامه شرح داده می شود، در دهه ی 1990 با موفقیت به اجرا درآمده است. کسانی که علاقه مند باشند، می توانند به سلیقه ی خود تغییراتی در آن بدهند و به قول معروف آن را روزآمدتر کنند.

هدف نگارنده این بود که امکان پذیریِ طراحی یک فرستنده ی پرقدرت و ارزان قیمت را برای کار در باند 13 سانتی متر با استفاده از یک مگنترون اجاق مایکروویو در آرایش «قفل شده روی موج تزریقی» (Injection Locked) بررسی کند. پس از مقداری مطالعه، یک فرستنده ی یک کیلوواتیِ مایکروویو در باند 13 سانتی متر با استفاده از مگنترون اجاق طراحی و ساخته شد. در ادامه، شرح کار روی این پروژه تقدیم می شود.

.

مشخصه های مگنترون

یک مگنترون افزاره ی منفردی است که «بار» (مصرف کننده) مستقیماً به آن متصل می شود. هر گونه تغییری در جزءِ رآکتیوِ بار، فرکانس کار مگنترون هایی را که در «آرایش آزاد رو» (Free-Running mode) کار می کنند، تغییر می دهد. تصویر 1 دیاگرامِ بارِ تیپیک یک مگنترون است و نشان می دهد که چگونه فرکانس، با تغییر بارگزاری مگنترون، دچار تغییر می شود. مرکز دیاگرام با «حالت تطبیق» مترادف است و این حالتی است که هیچ برگشتی (رفلکسیون) در توان تولید شده پدید نمی آید. هنگامی که جزء رآکتیوِ بار تغییر می یابد، فرکانس نیز متناسباً تغییر پیدا خواهد کرد. نظر به این که مگنترون قادر به تشخیص و تمیز دادن بین توان برگشتی از یک بارِ پَسیو و توان تزریق شده به آن از یک منبع دیگر نیست، احتمال دارد که «مگنترون آزاد رو» فرکانس کار خود را روی فرکانس منبع پایدارتر قفل کند.

(جا دارد یادآور شوم که در ادبیات الکترونیک ایران، در ترجمه ی injection در این کاربرد به جای تزریق، واژه ی "تزویج" معمول شده است، اما من همان تزریق را که معادل گویاتری به نظرم می رسد به کار می برم.)

.

.

برای تزریق توان فرکانس بالا از یک منبع سیگنال بیرونی به مگنترون، لازم است که، مطابق تصویر 2، یک «چرخشگر» یا «سیرکولاتور» بین مگنترون و بار وصل شود. مقدار توان لازم برای قفل کردن مگنترون از این رابطه به دست می آید:

.

.

که در آن P1 توان تزریق شده، P توان خروجی مگنترون، Q_e عبارت از Q ی بارگزاری شده ی مگنترون، f_O و f_O∆ فرکانس و انحراف فرکانس به مگاهرتز هستند.

.

.

مقدار توان لازم برای قفل شدن روی یک سیگنال تزریقی در یک مگنترون معمولی اجاق در f_O برابر با 2448 مگاهرتز، Q_e برابر با 20، P معادل 750 وات، و یک بازه ی قفل فرکانس 20 مگاهرتزی، یعنی f_O برابر با 10 مگاهرتز، عبارت است از:

.

.

در عمل، توانی در حدود 10 وات باید به کار برده شود تا بر تلفات هم فایق آمده شود، که بهره ای در حدود 19 دسی بل به دست می دهد.

ترسیم معادله ی 1 در تصویر 3 برای چهار مقدار برای Q_e به همراه منحنی یک مگنترون اجاق معمولی داده شده است. چنان که دیده می شود، داده های تجربی به مقادیر محاسبه شده بسیار نزدیک هستند.

.

.

پاسخ فرکانس

برای تکمیل اطلاعات، لازم است تعیین گردد که مگنترون با چه سرعتی به تغییرات فرکانس تزریق شده به آن پاسخ می دهد. داده های ارایه شده در تصویر بالا بر اساس حالت های استاتیکِ مگنترون هستند و توانایی آن را در دنبال کردن مدولاسیون فرکانس بالا نمایش نمی دهند. پاسخگویی مگنترون زمانی به پایان می رسد که:

.

.

که در آن F_O بر حسب مگاهرتز است. برای مثال پیشین، زمان پاسخگویی در حدود 0/07 میکروثانیه است. این، زمانِ لازم برای طی شدن چرخه ی قفل کردن است. این عدد نماینده ی نصف هرتزِ مدولاسیون است. یعنی، بیشینه ی فرکانس مدولاسیون در حدود 7 مگاهرتز می باشد. مدولاسیون معمولاً به مقداری کمتر از کل بازه ی قفل کردن محدود می شود، به نحوی که معادله ی بالا به صورت زیر درمی آید:

.

.

که در آن F به مگاهرتز بیشینه ی فرکانس مدولاسیون است. F_O نیز برحسب مگاهرتز می باشد.

از رابطه ی بالا درمی یابیم که مگنترون با قفل سیگنال تزریقی می تواند در هر فرکانس مدولاسیون دلخواه، به انضمام ATV مورد استفاده قرار گیرد.

.

کنترل خودکار فرکانس یا به اختصار: AFC

تا موقعی که اختلاف فازها بیش از 90 درجه تغییر نکنند، مگنترون روی فرکانس منبع تزریق قفل شده باقی می ماند. در صورت وجود رانش (drift) روی منبع تغذیه و/یا رانش حرارتیِ آهنرباهای روی مگنترون، ممکن است از این حدّ تجاوز شود. برای پیش گیریِ از «از قفل خارج شدنِ» مگنترون، می توان از یک آشکارساز فاز برای نظارت بر سیگنال تزریقی در برابر سیگنال خروجی استفاده نمود. در مرحله ی بعدی، آشکارساز فاز خروجی می تواند با کنترل جریان کاتود مگنترون، قفل ماندن فاز را در محدوده ی چند درجه ابقا کند.

.

اول ایمنی!

پیش از آغازیدن به بحث در مورد فرستنده، مایلم تذکراتی را در مورد پیش بینی های ضروری ایمنی به خوانندگان عرضه کنم.

.

ولتاژ بالا

ولتاژ بالایی که در این فرستنده مورد استفاده قرار می گیرد، در محدوده ی کُشنده قرار دارد. هنگام کار، آزمایش، عیب یابی و تست این نوع از مدارهای فرستنده باید به شدت احتیاط کرد. ولتاژی که در این مدار موجود است، از ولتاژهای معمول در مدارهای آماتوریِ تقویت کننده ی قدرت بسیار بالاتر است. نظر به این که آنود مگنترون در پتانسیل زمین کار می کند، ولتاژ فیلامان آن روی یک ولتاژ بسیار بزرگ منفی قرار دارد. در اغلب تقویت کننده های قدرت آماتوری آنود به یک ولتاژ خیلی زیاد مثبت، و فیلامان به ولتاژ کمی، نزدیک به پتانسیل زمین، متصل است. آگاه باشید و فراموش نکنید که ولتاژ منفی به همان سرعتِ ولتاژ مثبت انسان را می کُشد!

.

پرتوهای رادیویی با فرکانس خیلی بالا

توان رادیوییِ خروجی از این فرستنده در همان سطح و ارتفاعی قرار دارد که در تقویت کننده های پرقدرت آماتوری وجود دارد. اما، احتمال قرارگرفتن تحت پرتویِ خطرناک رادیویی، در باند 13 سانتی متر به مراتب بالاتر از طول موج های بلندتر است. وجود یک شکاف به ابعاد 60 میلی متر در 0/4 میلی متر در دیواره ی کناری یک تقویت کننده ی قدرت HF به مقدار اندکی تشعشع اجازه ی فرار از محفظه ی دستگاه را می دهد. اما همین شکاف کوچک و بسیار باریک در یک فرستنده ی 13 سانتی متری یک «شکاف نیم لاندا» را شکل می دهدکه قادر است تمام توان این فرستنده را از خود انتشار دهد. این مقدار ممکن است به 250 وات بر سانتی مترمربع برسد که 250 هزار بار بزرگ تر از حد مجاز استاندارد ایمنی سطح 1 تشعشع تحت این فرکانس است!

.

طراحی فرستنده در طول موج 13 سانتی متر

فرستنده ی طول موج 13 سانتی متر شامل چهار بخش اصلی می باشد: عرشه ی فرکانس رادیویی، مبدّل (Transverter) 13 سانتی متر، رگولاتور جریان ثابت، و منبع تغذیه ی ولتاژ بالای مگنترون.

.

.

در تصویر زیر دیاگرام بلوکی فرستنده دیده می شود. خروجی RF از مگنترون به یک «پایانه ی فرستنده»ی یک «سیرکولاتور سه پایانه ای» داده می شود. «پایانه ی بارِ» سیرکولاتور یک «کوپلر دو سویه» (کوپلر دو جهتی) را که برای تست پیش بینی شده، تغذیه می کند و سپس از طریق آن به آنتن یا «بار مصنوعی» می رود. پایانه ی سوم سیرکولاتور، که من آن را «پایانه ی تزریق» می نامم، هنگامی که دستگاه در حالت فرستندگی باشد، از طریق یک رله ی انتخاب فرستنده/گیرنده (RY1)، و به وسیله ی توان تحویلی از یک تقویت کننده ی قدرت RF با توان خروجی10 وات، تغذیه می شود. توان ورودی این تقویت کننده از پایانه ی «فرستنده ی مبدل» (ترانسورتر) 13 سانتی متر تامین می شود که فرکانس 144 مگاهرتز را به فرکانس بالاتر تبدیل می کند.

.

.

در حالت گیرندگی، سیگنال رسیده از آنتن از طریق کوپلرِ دو سویه به پایانه ی بار سیرکولاتور می رود. پس از آن، سیگنال از پایانه ی تزریق سیرکولاتور خارج شده و از راه رله ی RY1 به پایانه ی گیرنده ی مدار مبدل فرکانس می رسد. در اینجا این سیگنال به صورت کاهشی تبدیل فرکانس پیدا کرده و به فرستنده-گیرنده ی 144 مگاهرتزی فرستاده می شود.

منبع تغذیه ی جریان مستقیم برای مگنترون توسط مدار اصلی تولید ولتاژ بالا در اجاق مایکروویو تامین می شود. اما باید به این منبع تغذیه یک مدار «رگولاتور جریان ثابت» اضافه کرد تا کارکرد صحیح مگنترون تضمین و ابقا شود. این رگولاتور جریان ثابت امکان کنترل توان خروجی و فرکانس مگنترون را به دست می دهد.

دستگاه مجهز به عقربه ها و نمایشگرهای مختلفی است که به کارکرد و تعمیر و نگهداری این سامانه کمک خواهند کرد.

.

عرشه ی فرکانس بالا

عرشه ی RF در تصاویر زیر شامل اجزای اصلی قدرت RF دیده می شود. در تصویر سمت چپ این بخش را از بالا، و در تصویر سمت راست آن را از پهلو می بینیم.

.

.

این اجزا و قطعات عبارتند از: مگنترون، ترانسفورماتور فیلامان، سیرکولاتور، تقویت کننده ی قدرت 10 واتی، رله ی انتقال RF، و تقویت کننده با نویز کم (LNA = Low Noise Amplifier). برای انجام آزمایش ها به یک کوپلر دو سویه و یک بار با توان بالا نیاز داریم که در محدوده ی این بخش از سامانه قرار دارند، اما این ها یک جزء فیزیکی عرشه ی RF نیستند و الزاماً به آن تعلق ندارند.

.

مگنترون

قلب این فرستنده یک «مگنترون» است. این افزاره برای تولید گرما و پخت و پز در اجاق های مایکروویو به کار می رود. مگنترون در واقع یک «لامپ خلاء دوقطبی» (لامپ دیود) است که در داخل یک میدان مغناتیسی ساکن کار می کند. قطب آنود مگنترون در بر دارنده ی گروهی تشدیدگر یا «رزوناتور» به شکل حفره (Cavity) است که قطب کاتود لامپ را در میان گرفته اند. هر حفره ی مشدّد دارای شکاف باریکی است که آن را به فضای پیرامونِ کاتود مرتبط می سازد. میدان مغناتیسی روی همان صفحه ای که کاتود بر آن واقع است، تمرکز داده شده است. این میدان به صورت موازی با محور کاتود-آنود عمل می کند. چون در لامپ مگنترون میدان الکتریکی بر یک میدان مغناتیسی ساکن عمود است، این لامپ یکی از انواع ابزارهای «میدان متقاطع» محسوب می شود .

بازده لامپ مگنترون خیلی خوب و در حدود 80% است، اما در مقابل نویز زیادی دارد که استفاده از آن را در کاربردهای پالسی با مشکل مواجه می کند.

.

میدان های مغناتیسی و الکتریکی

در صورتی که یک میدان ضعیف مغناتیسی و یک میدان قوی الکتریکی میان کاتود و آنود حاضر باشد، همان طور که در تصویر زیر دیده می شود، الکترونی که از کاتود منتشر شود، تقریباً به طور مستقیم به آنود جذب می شود و از این حرکتِ راست (مسیر 1) هیچ انرژی فرکانس بالایی تولید نخواهد شد.

.

.

هنگامی که میدان مغناتیسی شدت پیدا می کند، مسیر حرکت الکترون به سوی آنود دچار تغییر می شود و به شکل یک منحنی در می آید (مسیر 2). در نتیجه، الکترون به سرچشمه ی خود، به کاتود، باز می گردد و هرگز به آنود نمی رسد (مسیر 3).

در برخی مقادیر بحرانیِ میدان های الکتریکی و مغناتیسی، وقتی که تناسب میان بزرگی آنها نسبت به یکدیگر در تعادل سودمندی قرار بگیرد، الکترون ها در برخورد با حفره های تشدیدِ آنود، میدان های فرکانس بالایی در فرکانس تشدید حفره ایجاد می کنند. بر هم کنشِ این میدانِ فرکانس بالا و میدان مغناتیسی در شکاف های حفره ها سبب می شوند که الکترون های منتشر شده از کاتود مانند شکل زیر به صورت دسته و پشته هایی در کنار هم قرار گیرند و مانند پره های یک چرخ به چرخش درآیند و در یک همزمانی و هماهنگی با میدان فرکانس بالا، از همه ی شکاف های حفره ها عبور کنند و به این وسیله مقدار بسیار زیادی انرژی فرکانس بالا تولید شود.

.

.

پرش از روند عادی کاری Mode Skipping

یک «سوند» (Probe) در یکی از حفره ها فرو برده شده تا از طریق آن انرژی فرکانس بالا از مگنترون استخراج شده و به یک بارِ بیرونی منتقل گردد. اگر میدان مغناتیسی ثابت نگه داشته شده باشد و ولتاژ آنود افزایش یابد، حالت کارکرد مگنترون به جایی خواهد رسید که در آن ابرهای الکترونی پرّه ی جدیدی درست می کنند که یک ضریب زوج از تعداد حفره ها نخواهد بود. هنگامی که این اتفاق رخ دهد، همزمانی (سینکرونیزاسیون) چرخش ابر الکترونی با حفره ها مختل شده و یک توزیعِ فردِ (غیر یکنواختِ) انرژی به حفره ی خروجی اِعمال می گردد. این وضعیت را «پرش از روند عادی کاری» Mode Skipping می گویند و اگر ادامه پیدا کند، باعث تخریب مگنترون می شود. اجباراً و بدون هیچ قید و شرطی ضروریست که منبع تغذیه ی مگنترون به نحوی طراحی شده باشد که از بروز این پرشِ کاری پیش گیری کند.

.

انتخاب موجبَر ها (Waveguide)

برداشت انرژی فرکانس بالا از مگنترونِ یک اجاق مایکروویو توسط یک «سوند» یا «پراب یک چهارم طول موج» انجام می شود و در طول یک «موجبَر» رها می شود. تصویر زیر-چپ یک نمونه از مگنترون اجاق مایکروویو و بخشی از موجبر از نوع WR-284 را که برای مونتاژ آماده شده است، نشان می دهد.

.

.

تصویر بالا-راست مگنترونی را نشان می دهد که به یک موجبر وصل شده است.

مکان استقرار سوند (پراب) در مسیر موجبر، به ابعاد موجبر بستگی دارد. موجبرهای WR-284 یا سری RG48/U در دسترس ترین قطعات موجبرها در بازار فروش لوازم مازاد مایکروویو (در آمریکا) هستند. این موجبرها در مرز و حاشیه ی باند 13 سانتی متر قابل استفاده هستند، زیرا برای بازه ی فرکانسی 2/60 تا 3/95 گیگاهرتز ساخته شده اند. این بدین معناست که در خارج از این بازه، تضعیف سیگنال در موجبر بالا می رود. البته من در تجربیات عملی خود مشکلی با این موجبرها نداشتم، چون که از موجبرهای دراز استفاده نکرده ام. بهترین انتخاب برای موجبر در پروژه ی ما تیپ WR-340 و یا RG-112/U است که برای 2/2 تا 3/3 گیگاهرتز ساخته شده اند. اگر از WR-284 استفاده شود، «پرابِ» مگنترون باید در فاصله ی 25 میلی متری از سمت کوتاه نصب گردد. در صورت استفاده از WR-340 این فاصله باید 20 میلی متر باشد.

.

نویز و حالت کاریِ مگنترون

هر گاه صحبت از مخابره ی رادیویی با استفاده از مگنترون پیش می آید، اغلب می شنویم که "طیف مگنترون ها بسیار پراغتشاش و «نویزی» است. چگونه می توان از آن در مخابرات استفاده کرد؟" من در آزمایش های خود به این نتیجه رسیده ام که با خاموش کردن ولتاژ فیلامان پس از رسیدن خروجی مگنترون به توان اسمی آن، طیف فرکانس تولیدی بسیار تمیز خواهد شد.

.

.

در تصویر بالا-چپ (تصویر الف) طیف فرکانس در حالت روشن بودن فیلامان، و در تصویر بالا-راست (تصویر ب) همان طیف پس از خاموش کردن فیلامان مشاهده می شود.

تا موقعی که ولتاژ بالای تغذیه ی مگنترون وصل باشد، بمباران کاتود توسط الکترون هایی که به سوی کاتود برمی گردند، ادامه پیدا می کند و این بمباران دمای کاتود را به اندازه ی کافی بالا نگه می دارد که کاتود به انتشار الکترون ادامه دهد، همان الکترون هایی که توان خروجی فرکانس بالا را ایجاد می کنند و تداوم می دهند.

در این حال، در صورت قطع شدن ولتاژ بالا، مگنترون از نوسانگری بازمی ماند و دیگر توان رادیویی در آن تولید نمی شود. برای راه اندازی دوباره ی مگنترون بایستی علاوه بر وصل ولتاژ بالا، تغذیه ی فیلامان را هم باید برقرار نمود.

نظر به این که مگنترون یک «نوسانگر» است، نه یک «تقویت کننده»، امکان استفاده از آن در حالت های «تک باندجانبی» (SSB)، «موج پیوسته» (CW)، یا «مدولاسیون دامنه» (AM) وجود ندارد. تنها حالت های کاری قابل استفاده در مخابرات برای مگنترون ها «مدولاسیون فرکانس» (FM) و «منحرف کردن فرکانس با کلیدگری» (FSK) است. من از حالت کاری FSK برای تولید سیگنال از نوع CW با ایجاد یک انحراف فرکانس 10 کیلوهرتزی بین بسته و باز بودن کلید استفاده کردم. تا موقعی که به ایستگاه دیگر فرکانس صحیح را بدهم، مشکلی در کارکردن با یکدیگر نداریم.

فرکانس کار مگنترون های اجاق مایکروویو از 2440 تا 2460 مگاهرتز است، بنابراین از همه ی مگنترون ها نمی توان برای کار در باند آماتوری 13 سانتی متر استفاده کرد. من فقط دو نوع را تست کردم و در هر دو مورد توانستم آنها را، با داشتن تقریباً توان نامی خروجی، روی فرکانس 2448 مگاهرتز تنظیم کنم و به کار اندازم. پیدا کردن بهترین نوع لامپ مگنترون برای کار در این باند آماتوری مستلزم آزمایش نمونه های بیش تری است.

مگنترون هایی را که من به کار گرفتم، از اجاق های مایکروویو «بازنشسته» ای که منبع تغذیه یا زمانگیر آنها خراب شده بود، بیرون آوردم. من چندین لامپ دیگر را هم که فیلامان شان در وضعیت مناسبی قرار داشتند تست کردم، اما کاتود هیچ یک از آنها رمق انتشار الکترون کافی نداشت. مگنترون های نو را هم می توان به قیمت مناسبی سفارش داد و خرید.

.

سیرکولاتور (Circulator)

سیرکولاتور عضو کلیدی در تزریق یک سیگنال قفل کننده به داخل مگنترون، همزمان با تحویل توان RF به بار یا آنتن توسط خود مگنترون، است.

سیرکولاتورها به صورت افزاره هایی با سه یا چهار پایانه ساخته می شوند. من از یک نوع با سه پایانه استفاده کردم. پایانه هایی که در مجاورت هم قرار دارند، در داخل سیرکولاتور به طرز موثری در یک سو به یکدیگر وصل شده اند، اما در سوی مخالفِ آن از یکدیگر عایق می باشند. بنابراین، سیگنال ها می توانند به راحتی از پایانه ی فرستنده به پایانه ی بار، و از پایانه ی بار به پایانه ی تزریق بروند، اما این سیگنال ها در مسیر مخالف به شدت تضعیف می شوند.

موجبرِ سیرکولاتور با پیوند دادن سه بازوی موجبر، با زاویه ی 120 درجه نسبت به هم که در محل پیوندشان دربردارنده ی صفحه ای از جنس ماده ی فرومغناتیس باشند، ساخته می شود. ماده ی فرومغناتیس الگوی موج ایستاده را طوری می چرخاند که کوپلاژ RF فقط در یک جهت انجام می شود. در صورت طراحی سیرکولاتورها برای کار در توان های بالا، معمولاً بایستی آنها را با چسباندن لوله مسی که در آن آبِ سرد در گردش باشد، در پیرامون مرکز این افزاره که ماده ی فرّیتی را دربردارد، خنک کرد.

.

.

تصویر بالا نشان دهنده ی دو نوع سیرکولاتور توان بالا است. آن که در سمت چپ قرار دارد، مدل FCW-1521 ساخت شرکت Merrimac است و دیگری در سمت راست مدل 4095 ساخت Genesys Systems است.

چون سیرکولاتورها از جنس مواد فرومغناتیسی ساخته می شوند، هنگام کار با آنها باید دقت و احتیاط زیادی به کار برد. این افزاره ها را باید از مواد مغناتیسی دیگر دور نگه داشت و از آنها در برابر وارد شدن ضربات شدید یا لرزش پیش گیری کرد.

سیرکولاتورها فقط در پهنای باند بسیار باریکی کارکرد موثر و مفید دارند و نوعاً بازده آنها از موجبرها کم تر است.

.

کوپلر دو سویه

«کوپلر دو سویه» (Dual-Directional Coupler) توان پیشرونده ی فرستنده و تلفات برگشتی یا VSWR آنتن یا بار را می سنجد.

کوپلر برای کوپلاژ توان از خط انتقال فرستنده با مقدار محدودی تضعیف در یک جهت، و با مقدار بسیار زیادی تضعیف در جهت دیگر طراحی می شود. مقدار تضعیف کوپلاژ باید چنان باشد که سطح بیشینه ی قدرت در پایانه ی کوپلاژ نزدیک به مقدار اسمی توان ورودی به قدرت سنج، یا وسایل دیگر اندازه گیری باشد.

.

تقویت کننده ی قدرت 10 وات

در طی آزمایش های خود دریافته ام که برای مگنترون های اجاق مایکروویو، توان تزریقی در حدود 10 وات برای رسیدن به حالت قفل روی فرکانس مورد نظر در توان کامل خروجی، کافی است. من با استفاده از یک لامپ 7289 در داخل یک «حفره ی تشدید» (cavity) یک چهارم طول موج، تقویت کننده ای ساختم و آن را با ولتاژ آنود 300 ولت و بایاس صفر ولت به کار انداختم. البته ممکن است بتوان از حراجی ها هم تقویت کننده های قدرت ساخته شده با نیمه هادی که در همین حدود توان تولید می کنند، پیدا کرد.

.

تقویت کننده با نویز کم یا LNA

«تقویت کننده ی کم نویز» (Low Noise Amplifier = LNA) یک مدار تقویت کننده ی دو طبقه است که با «فت» های گالیوم-آرسناید ساخت شرکت Dexcel از نوع D432 ساخته شده است. این تقویت کننده 20 دسی بل بهره با عدد نویزی زیر 2 دسی بل ایجاد می کند.

.

بارِ موجبَر

برای آزمایش و تست فرستنده باید یک مصرف کننده یا «بار» طراحی شود که مقدار VSWR آن کم بوده و قابلیت جذب تمام توان فرستنده را داشته باشد، بدون این که دچار حرارت شدید یا overheat شود.

نمونه ای از «بارِ موجبر» قطعه ای بزرگ از یک میله ی مخروطی شکل کربنی (tapered carbon rod) است که در انتهای بسته ی موجبر نصب می شود. زاویه و طول مخروط تعیین کننده ی میزان خوبیِ تطبیق امپدانس بار خواهد بود. در حالتی که باری با توان بالا داشته باشیم، باید یک ارتباط دمایی خوب بین جاذب کربنی و گرماگیر برقرار باشد.

آب به خوبی انرژی فرکانس بالا را جذب می کند. بسیاری از بارهای مناسب برای توان بالا به این ترتیب ساخته می شود که جریان آب را در میان مقطعی از موجبر پمپ کرده و آب گرم شده بر اثر انرژی RF را از آن بیرون می رانند. این نوع بارها کوچک و سبک هستند، اما به مقدار بسیار زیادی آبِ پر فشار برای دفع کردن حرارت ناشی از تلفِ توان  فرکانس بالا دارند.

.

ترانسورتر 13 سانتی متر

دیاگرام بلوکی مدار ترانسورتر 13 سانتی متر در تصویر زیر دیده می شود. این مدار سیگنال RF را به کمک یک فرستنده-گیرنده ی 144 مگاهرتزی بالا و پایین می برد و آن را به سیگنالی در باند 13 سانتی متر تبدیل می کند.

.

.

توان خروجی این ترانسوِرتر 13 سانتی متری در وضعیت «فرستنده» در حدود یک وات است. در حالت «گیرنده» عدد نویز آن در حدود 4 دسی بل است. عکس های زیر از راست به چپ به ترتیب نماهای بالا و زیر این ترانسورتر را نشان می دهند.

.

.

مدار نوسانگر محلی یا Local Oscillator

در ترانسورترِ باند 13 سانتی متر ما یک مگنترون اجاق مایکروویو، یک مدار «نوسانگر محلی» LO = Local Oscillator با فرکانس نامی 2304 مگاهرتز ساخته ایم که سیگنالی را روی فرکانس 2448 مگاهرتز تولید می کند. اگر ترانسورتر باند 13 سانتی متر ما روی مرز پایینی باند 13 سانتی متر کار می کرد (فرکانس فاز 3 ماهواره ها)، فرکانس نوسانگر محلی را می شد با عوض کردن نوسانگر و مولد فرکانس مبنا به سادگی به 2256 یا 2160 مگاهرتز تغییر داد. نوسانگرهایی را که من به کار بردم، ساخت شرکت های California Microwave Corp.، Communications Technology Inc.، و یا Frequency Source West بودند. اجزا و افزاره های ساخت این شرکت ها در تجهیزات مخابراتی قدیمی (مربوط به دهه های 1970 و 1980) و در استوک های مربوط به آن دوران به فراوانی یافت می شوند.

.

مخلوط کننده یا Mixer

میکسر به کار رفته در این سامانه، همان طور که در دیاگرام بلوکی ترانسورتر در بالا دیدیم، یک افزاره ی قدیمی ساخت Watkins-Johnson از نوع M-40 است که بازه ی فرکانس 1 تا 5 گیگاهرتز را پوشش می دهد. بیشینه ی توان نوسانگر محلی برای میکسر dBm23 است. میکسر به راحتی صفر dBm روی پایانه ی خروجی RF تامین می کند، در صورتی که پایانه ی IF با dBm10 تغذیه شود.

یک «فیلتر اینتردیجیتال 4 قطبی» در خروجی پایانه ی میکسر به کار گرفته شده تا در زمان ارسال و دریافت سیگنال، فرکانس های نامطلوب (image frequencies) را سرکوب کند. لازم است که در ورودی این فیلتر تطبیق امپدانس خوبی تامین گردد.

مدول های A1 و A2 تقویت کننده های ترانزیستورس دو طبقه با بهره ی 20 دسی بل هستند که در ساختن آنها از افزاره ی «فت» گالیوم-آرسناید ساخت Dexcel به شماره ی D-432 استفاده شده است. مدول A3 یک تقویت کننده ی قدرت دو طبقه از نوع کواکسیال است که در ساخت آن از لامپ خلاء 7768 محصول GE در آرایش «شبکه ی زمین شده» (Grounded Grid) استفاده به عمل آمده است. هر طبقه دارای بهره ی توانی در حدود 12 دسی بل روی یک وات توان RF خروجی است. ورودی و خروجی «کَویتی»ها سه چهارم طول موج درازا دارند و دارای «حلزونی های تنظیم» (slugs) هستند که کلّ باند 13 سانتی متر را پوشش می دهند.

بنا به تجربه، وقتی می خواهیم مدل هایی از فرستنده-گیرنده ی Kennwood مانند TS711A یا TS811A را با توان کاهش یافته به کار بگیریم، مقدار قدرت خروجی ابتدا به مدت چند میکروثانیه به بیشینه ی خود (25 وات) بالا می رود و سپس روی توان کم تنظیم می شود. هنگامی که خروجی این دستگاه ها به یک دیود میکسر داده می شودف این ضربه ی کوتاه از توان فرکانس بالا می تواند در برخی موارد باعث آسیب دیدن دیود شود. نگارنده ی این سطور در حال حاضر هنگام ساختن ترانسورترها از یک تقسیم کننده ی توان استفاده می کند و در حضور این افزاره دستگاه فرستنده-گیرنده را در قله ی توان خروجی اش به کار می گیرد. این روش به یک رله ی RF با فرمان مرحله ای دقیق (sequencer) نیاز دارد، و این تنها راهی است که نگارنده برای حفاظت از دیودهای گران قیمت میکسر یافته است.

.

مسیر Push-to-Talk

هنگام رفتن از گیرنده به فرستنده، و یا برعکس، ضرورت دارد که رله ای که این انتقال را برعهده دارد، از لحاظ زمانی به درستی عمل کند. هنگام رفتن به حالت فرستندگی، رله های T/R باید پیش از این که ترانسیور 144 مگاهرتزی به حالت فرستندگی برود، در وضعیت فرستنده قرار گرفته باشد. همین طور، در زمان رفتن از فرستنده به گیرنده، توان خروجی ترانسیور 144 مگاهرتزی باید پیش از آن که رله های T/R به وضعیت گیرندگی برگردند، به صفر رسیده باشد. با به کار گیری یک «مسیر "پوش-تو-تاک" تاخیری» در سمت ترانسیور 144 مگاهرتز می توان به این مقاصد رسید.

.

بخش تثبیت کننده ی جریان ثابت

هنگامی که مگنترون شروع به کشیدن جریان می کند، هیچ چیز جلودار آن نیست و در صورت نبود نوعی از محدوکنندگی، جریان کشی به صورت رو به تزایدی ادامه پیدا خواهد کرد. تولیدکنندگان اجاق های مایکروویو برای پیش گیری از بروز این وضعیت، ترانسفورماتورهای قدرتی طراحی کرده اند که خودشان جریان را محدود می کنند و فقط ولتاژ و جریان مطلوب را تامین کنند. چون سطح جریانی که توسط این ترانسفورماتورها تامین می شود، در سطحی که آماتورها برای کار با مگنترون لازم دارند، نیست، چند تمهید اضافی برای کنترل جریان مگنترون مورد نیاز خواهد بود.

چندین راه برای ساختن تثبیت کننده ها یا «رگولاتورهای جریان ثابتی» که بتوانند این وظیفه را به عهده بگیرند، وجود دارند، اما بیش تر آنها تحت بار با سطح جریانی که برای یک مگنترون اجاق لازم است، به سادگی قابل تنظیم نیستند. چون در اینجا ولتاژ بالا حضور دارد، نگارنده احساس کرد که برای این کار باید از لامپ خلاء استفاده شود.

پس از مطالعه ی انواع مختلفی از لامپ هایی که می توانستند در دستگاه ما به عنوان تثبیت کننده ی جریان مورد استفاده قرار گیرند، نگارنده لامپ قدرت چهارقطبی (تترود) از نوع 4CX250B را انتخاب کرد. این لامپ یکی از خطی ترین منحنی های E_b/I_b را در میان لامپ های معمول در بازار دارد. با در نظر گرفتن بیشینه ی جریان 250 میلی آمپری به ازای هر لامپ، ما به چهار لامپ نیاز خواهیم داشت که به صورت موازی عمل کنند تا تثبیت جریان ثابت مطلوب برای مگنترون اجاق تامین شود.

نقشه ی شماتیک تثبیت کننده ی جریان ثابت در تصویر زیر دیده می شود.

.

.

در مدار بالا، آن پایانه ی مثبت منبع تغذیه که با نام «مگنترون HV» مشخص شده، از طریق مقاومت های محدودکننده ی 18 اهمی و یک عقربه ی جریان سنج با گام یک آمپر انحراف کامل عقربه، به آنود (پلیت) 4CX250B ها وصل شده است. وظیفه ی این آمپرمتر نمایش دایمی جریان کاتود مگنترون است. ولتاژ شبکه ی 4CX250B ها توسط یک منبع تغذیه ی تثبیت شده ی 100 میلی آمپری با ولتاژ خروجی 250 ولت تامین می شود. بایاس قابل تنظیم برای این لامپ ها توسط یک منبع تغذیه ی بایاس با ولتاژ خروجی تثبیت شده ی منفی 68 ولت تدارک دیده می شود.

برای متوازن کردن تفاوت اندکی که میان مشخصات لامپ ها وجود دارد، تنظیم بایاس برای هر لامپ به طور جداگانه انجام خواهد شد. کاتود، شبکه ی پرده و شبکه ی کنترل هر لامپ توسط خازن های سرامیک 10 نانوفاراد با ولتاژ کار 500 ولتی «بای پس» می شوند. بای پس آنودها به طور مشترک توسط یک «خازن میان گذر» (Feed-Through) 1200 پیکوفارادی با ولتاژ کار 2500 ولت تامین می شود. جریان هر لامپ تثبیت کننده را می توان توسط مولتی متر مشاهده کرد و از این طریق آنها را به حالت توازن درآورد. جمع جریان کاتود رگولاتورها را هم می توان از روی این عقربه ها خواند. این نمایش مقداری را نشان می دهد که با مجموع جریان شبکه ی پرده ی لامپ 4CX250B متناظر خواهد بود.

تصاویر زیر نماهای بالا و پشت رگولاتور جریان ثابت را نشان می دهند.

.

.

بخش منبع تغذیه ی ولتاژ بالای مگنترون

ولتاژ آنود به کاتود در مگنترون های اجاق های مایکروویو معمولی در حدود 2/3 کیلوولت روی جریانی میان 300 تا 800 میلی آمپر است. مصرف جریان به توان خروجی مگنترون بستگی دارد. ولتاژ فیلامان این لامپ ها در بازه ی 3 تا 5 ولت قرار دارد و جریان مصرفی آن در محدوده ی 20 تا 40 آمپر قرار دارد. با این مقدارها، معلوم است که جریان لحظه ی راه اندازی در مگنترون اجاق مایکروویو بسیار بزرگ است، و به این علت باید نوعی محدودکننده ی جریان، هم برای تغذیه ی آنود و هم برای تغذیه ی فیلامان لامپ پیش بینی شود. علاوه بر این، باید یک سامانه ی حفاظتی برای مگنترون در برابر آسیب ناشی از گرمایش بیش از حد مجاز نیز تدارک دید. این سامانه می تواند گرمای مگنترون را با جریان آب یا دمیدن هوا دفع و آن را خنک کند.

مگنترون اجاق های مایکروویو معمولی با یک منبع تغذیه ی مجهز به رگولاتور جریان، ترانسفورماتور ولتاژ بالا، و یک مدار یکسوساز تمام موج با ولتاژ خروجی فیلتر نشده تغذیه می شود. همچنین، باید دانست که این لامپ ها در حالت ضربانی (پالس مود) با ضریب وظیفه ی 50 درصد کار می کنند تا از بروز «پرش از روند عادی کاری» (که در بالا به آن اشاره شد) پیش گیری شود. در کاربرد آماتوری، لامپ باید با ضریب وظیفه ی صددرصد کارکند و تغذیه ی آن از یک منبع تغذیه که ولتاژ خروجی آن به خوبی صاف و فیلترشده باشد، تامین گردد، زیرا فرکانس مگنترون نسبت به تغییر در ولتاژ تغذیه اش حساس است. با در نظر داشت این موضوع که مگنترون در اجاق مایکروویو با ضریب 50درصد کار می کند، درمی یابیم که ترانس تغذیه ی اجاق به اندازه ی کافی برای ساخت فرستنده ی آماتوری ما توانمند نیست. ولتاژ فیلامانِ مگنترون از پیچشی بر روی ترانس ولتاژ بالا تامین می گردد. بنابراین، این ترانس می تواند بدون هیچ گونه تمهید حفاظتی در برابر اضافه ولتاژ برای فیلامان لامپ مورد استفاده قرار گیرد (در صورت استفاده از یک ترانس جداگانه، به کارگیری مدار حفاظت از اضافه ولتاژ ضرورت دارد). لازم است که با عایقکاری خیلی دقیق و قابل اعتماد پایانه های ولتاژ بالای این ترانس، که بیکارند، کاربر و مدار را از شوک کُشنده و اتصال کوتاه خطرناک محفوظ نگه داشت.

نگارنده، منبع تغذیه ی ولتاژ بالای مگنترون را با استفاده از یک ترانس صفر وسط 7200 ولتی (ثانویه 3600×2 ولت) به انظمام یکسوساز تمام موجی که ولتاژ را به یک شبکه ی «فیلتر پی» می دهد، مطابق مدار زیر ساخت.

.

.

ولتاژ خروجی توسط یک «واریاک» 30 آمپری کنترل می شود. یک رله ی تاخیری در سمت اولیه ی ترانس مهلت کافی برای گرم شدن فیلامان، پیش از وصل شدن ولتاژ آنود را ایجاد می کند. کلید قطع و وصل ولتاژ بالا با یک ترموستات که روی مگنترون بسته شده و دمای آن را حس می کند، سری بسته شده است. این ترموستات همزمان فرمان جریان ماده ی خنک کننده (باد یا جریان آب خنک) را نیز بر عهده دارد. به این ترتیب، در صورت گذر دمای مگنترون از مرز پیش بینی شده، ارتباط ولتاژ بالا با مگنترون قطع می شود.

برای تخلیه (دشارژ) خازن مدار فیلتر، یک مقاومت بزرگ به عنوان مصرف کننده (Bleeder Resistor) با خروجی تغذیه موازی بسته شده است. با خاموش کردن تغذیه ی ولتاژ بالا، بار باقی مانده در خازن مدار فیلتر در این مقاومت تلف خواهد شد. هنگام وصل ولتاژ بالا، این مقاومت از مدار خارج می شود تا از اتلاف انرژی در زمان فرستندگی پیش گیری شود. یک ولتمتر 5 کیلوولتی ولتاژ خروجی منبع تغذیه را نشان می دهد. «چراغ سیگنال» هایی برای نمایش وضعیت ولتاژ اصلی، وضعیت آماده باش (Standby)، و روشن بودن ولتاژ بالا تعبیه شده اند. منبع تغذیه ی ما در حدود یک صد کیلو وزن خواهد داشت. به این جهت آن را در پایین ترین جای محفظه ی فرستنده قرار می دهیم.

.

تست کردن فرستنده

دستگاه های اندازه گیری زیر برای آزمایش چند و چون کارکرد فرستنده ی 13 سانتی متری ما مورد نیاز هستند:

• یک فرکانس شمار با توانایی اندازه گیری فرکانس فرستنده در بازه ی یک مگاهرتزی.
• یک توان سنج (Power Meter) همراه با یک تضعیف کننده برای سنجش توان خروجی فرستنده.
• یک «کوپلر جهتی» (دایرکشنال کوپلر DC).
• یک «اسپکتروم آنالایزر».

همچنین لازم است که بتوانیم به نحوی بر طیف فرکانسی دستگاه نظارت کنیم تا مطمئن شویم که مگنترون در وضعیت «پرش از روند عادی کاری» قرار ندارد. گیرنده ای که فرکانس مورد نظر را پوشش دهد همراه با یک Panadapter با پهنای باند کمینه یک مگاهرتز می تواند جایگزین دستگاه اسپکتروم آنالایزر شود.

.

«آرایش آزاد رو» (Free-Running mode)

نخستین تست ها روی این فرستنده ی 13 مگاهرتزی در آرایش آزاد رو انجام می گیرد که بدین معنی است که مکنترون روی یک منبع فرکانس ثابت قفل نشده باشد. یک بار مناسب به خروجی فرستنده وصل می شود و اسپکتروم آنالایزر به پایانه ی پیشروی «کوپلر دو سویه» وصل می شود (تصویر زیر را ببینید).

.

.

در صورت لزوم، یک تضعیف کننده برای جلوگیری از خسارت دیدن دستگاه اسپکتروم در مسیر قرار داده خواهد شد. فرکانس شمار هم باید به شیوه ی معمول خود وصل شود.

هنگام روشن بودن تغذیه ی فرستنده، ولتاژ و جریان کاتود مگنترون، همزمان با تنظیم مقادیر تعیین شده، وضعیت خروجی فرستنده بر روی پرده ی اسپکتروم نظارت می شود. در این حال باید یک خط منفرد روی پرده پدیدار شود. اگر نشد، جریان کاتود بار دیگر آن قدر تغییر داده می شود تا آن خط منفرد روی پرده ی اسپکتروم نقش ببندد. این خط باید مانند تصویر (الف) باشد. سپس، باید ولتاژ فیلامان مگنترون خاموش گردد. در این حال، خط پیش گفته باید به سان تصویر (ب) تغییر شکل دهد. جریان کاتود مگنترون  روی کمترین مقدارها  و توان خروجی تنظیم می شود. در برخی از مقادیر کمِ جریان کاتود، مگنترون از کار خواهد افتاد. لازم است که این مقادیر فرکانس و جریان کاتود برای مراجعات بعدی به عنوان سابقه ثبت و نگه داری شوند.

.

مشخصه های «فشردگی» مگنترون (Pushing Characteristics)

مختصراً بگوییم که فرکانس خروجی هر مگنترون بر اثر پدیده ای که آن را فشردن (پوشینگ) نامیده اند، افزایش می یابد، به این ترتیب که فرکانس خروجی به صورت لحظه ای تابعی از جریان گذرنده از آنود و کاتود مگنترون می باشد. منحنی های فشردگی (Pushing Curves) مگنترون ها معمولاً به صورت ترسیم رابطه ی فرکانس بر حسب جریان و گاهی فرکانس بر حسب ولتاژ از طرف سازندگان ارایه می گردند.

با وصل مجدد ولتاژ فیلامان، و جریان کاتود مگنترون که برای کار در توان کامل خروجی تنطیم شده باشد، فرکانس اندازه گیری می شود. مقدار اندازه گیری شده، بیشینه ی فرکانس مگنترون خواهد بود. با کاسته شدن از جریان کاتود مگنترون، فرکانس و توان خروجی آن  نیز رو به کاهش می پذیرد. این مقادیر ضبط شده و روی یک نمودار جریان کاتود بر حسب فرکانس، مانند تصویر زیر، ترسیم می شود.

.

.

این منحنی، مشخصه های فشردگی مگنترون را نمایش می دهد. از این نمودار فرکانسی که فرستنده ی 13 سانتی متری ما روی آن کار خواهد کرد، تعیین می گردد و جریان کاتود مگنترون بر روی آن تنظیم خواهد شد.

.

مشخصه های «کششی» مگنترون (pulling Characteristics)

خروجی از تقویت کننده ی قدرت 10 واتی به پایانه ی «فرستنده» ی رله ی تبدیل فرستنده/گیرنده در عرشه ی RF متصل می شود. پایانه ی فرستنده ی ترانسورتر 13 سانتی متر از طریق یک تضعیف کننده ی مناسب وبا تضعیف کنندگیِ قابل تنظیم به ورودی تقویت کننده ی قدرت 10 وات وصل می شود. تضعیف کننده برای خروجی 10 واتیِ تقویت کننده تنظیم شده است. فرستنده ی 13 سانتی متر روی فرکانس از پیش تعیین شده به حالت فرستندگی درآورده می شود، و جریان کاتود مگنترون آن قدر بالا و پایین برده می شود تا مگنترون در حالت قفل شدگی واقع شود. مقادیر توان خروجی تقویت کننده و جریان کاتود یادداشت می شوند.

گام های گفته شده در بالا برای توان های خروجی کوچک تر و کوچک تر تکرار می شود، و گراف دیگری که شبیه منحنی داده شده در تصویر زیر است، از به هم پیوستن نقاط متناظر بر مقادیر «جریان کاتود» بر حسب «توان قفل کنندگی» یادداشت شده، شکل می گیرد.

.

.

این منحنی نشان دهنده ی «مشخصه های کششی» مگنترون است. با استفاده از گراف «مشخصه های فشردگی»، گراف «مشخصه های کششی»، و ثبت سطوح توان، توان قفل کنندگی تزریقی لازم به مگنترون برای کارکرد روی سطح توان خروجی و فرکانس دلخواه تعیین می گردد. تصویر زیر منحنی نمایش بازه ی قفل شدگی فرکانس نسبت به توان قفل کنندگی است.

.

.

جمع بندی و نتیجه گیری

نگارنده امیدوار است پیشنهادهایش برای استفاده از یک مگنترون ارزان قیمت با منشاء اجاق مایکروویو مورد توجه رادیوآماتورهایی که مایلند در باند فرکانس 13 سانتی متر در پروژه های EME کار کنند، قرار گیرد و توجه های بیش تری را به استفاده از این باند فرکانسی به خود جلب کند.

روشن است که این نگاشته، یک دستورالعمل ساده برای ساختن چیزی نیست و یافتن برخی از اجزا و قطعات سامانه ی معرفی شده در اینجا ممکن است بسیار دشوار باشد، اما تصور نگارنده بر این است که اطلاعات ارایه شده در این مقاله، ایده های نوینی به تجربه گران و سازندگانِ مصمم می دهد و به آنان نکات ارزشمندی را در خصوص ساختن یک فرستنده ی پرقدرت در باند 13 سانتی متر ارایه می دهد.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

مطالب مرتبط:

چگونه توان خروجی (واتاژ) یک اجاق مایکروفر را برآورد کنیم؟

آشنایی با ساز و کار درونی یک لامپ مگنترون با کاتود فعال شده با «توریوم»

.

.