Мощный генератор ВЧ на MOSFET-транзисторе

Предисловие

Радиосигнал, однажды сгенерированный, уносится в глубь Вселенной со скоростью света… Эта фраза, прочитанная в журнале «Юный техник» в далеком детстве произвела на меня очень сильное впечатление и уже тогда я твердо решил, что обязательно пошлю свой сигнал нашим «братьям по разуму», чего бы мне это не стоило. Но путь, от желания до воплощения мечты долог и непредсказуем…

Когда я только начинал заниматься радиоделом, мне очень хотелось построить портативную радиостанцию. В то время я думал, что она состоит из динамика, антенны и батарейки. Стоит только соединить их в правильном порядке и можно будет разговаривать с друзьями где-бы они не находились… Я изрисовал не одну тетрадку возможными схемами, добавлял всевозможные лампочки, катушки и проводки. Сегодня эти воспоминания вызывают у меня лишь улыбку, но тогда мне казалось, что еще чуть-чуть и чудо-устройство будет у меня в руках…

Я помню свой первый радиопередатчик. В 7 классе я ходил в кружок спортивной радиопеленгации (т.н. охоты на лис). В один из прекрасных весенних дней наша последняя «лиса» — приказала долго жить. Руководитель кружка, недолго думая, вручил мне её со словами — «… ну, ты там её почини…». Я наверное был страшно горд и счастлив, что мне доверили столь почетную миссию, но мои знания электроники на тот момент не дотягивали до «кандидатского минимума». Я умел отличать транзистор от диода и приблизительно представлял как они работают по отдельности, но как они работают вместе — для меня это было загадкой. Придя домой, я с благоговейным трепетом вскрыл небольшую металлическую коробочку. Внутри неё оказалась плата, состоящая из мультивибратора и генератора РЧ на транзисторе П416. Для меня это была вершина схемотехники. Самой загадочной деталью в данном устройстве была катушка задающего генератора (3,5МГц.), намотанная на броневом сердечнике. Детское любопытство пересилило здравый смысл и острая металлическая отвертка впилась в броневой кожух катушки. «Хрясь» — раздался хруст и кусок броневого корпуса катушки, со стуком упал на пол. Пока он падал, мое воображение уже нарисовало картину моего расстрела руководителем нашего кружка…

У этой истории был счастливый конец, правда случился он через месяц. «Лису» я все-таки починил, хотя точнее сказать — сделал её заново. Плата радиомаяка, сделанная из фольгированного гетинакса, не выдержала пыток моим 100 ваттным паяльником, дорожки отслоились от постоянной перепайки деталей… Пришлось плату делать заново. Спасибо моему папе, что принес (достал где-то с большим трудом) фольгированный гетинакс, а маме — за дорогой французский красный лак для ногтей, который я использовал для рисования платы. Новый броневой сердечник мне достать не удалось, но зато удалось аккуратно склеить старый клеем БФ… Отремонтированный радиомаяк радостно послал в эфир свое слабое «ПИ-ПИ-ПИ», но для меня это было сравни запуску первого искусственного спутника Земли, возвестившего человечеству о начале космической эры таким-же прерывистым сигналом на частоте 20 и 40 МГц. Вот такая история…

Схема устройства

В мире существует огромное количество схем генераторов, способных генерировать колебания различной частоты и мощности. Обычно, это достаточно сложные устройства на диодах, лампах, транзисторах или других активных элементах. Их сборка и настройка требует некоторого опыта и наличия дорогих приборов. И чем выше частота и мощность генератора, тем сложнее и дороже нужны приборы, тем опытнее должен быть радиолюбитель в данной теме.

Но сегодня, мне бы хотелось рассказать о достаточно мощном генераторе ВЧ, построенном всего на одном транзисторе. Причем работать этот генератор может на частотах до 2ГГц и выше и генерировать достаточно большую мощность — от единиц до десятков ватт, в зависимости от типа применяемого транзистора. Отличительной особенностью данного генератора, является использование симметричного дипольного резонатора,

своеобразного открытого колебательного контура с индуктивной и емкостной связью. Не стоит пугаться такого названия — резонатор представляет собой две параллельные металлические полоски, расположенные на небольшом расстоянии друг от друга.

Свои первые опыты с генераторами подобного вида я проводил ещё в начале 2000-х годов, когда для меня стали доступны мощные ВЧ-транзисторы. С тех пор я периодически возвращался к этой теме, пока в середине лета на сайте VRTP.ru не возникла тема по использованию мощного однотранзисторного генератора в качестве источника ВЧ-излучения для глушения бытовой техники (музыкальных центров, магнитол, телевизоров) за счет наведения модулированных ВЧ-токов в электронных схемах этих устройств. Накопленный материал и лег в основу данной статьи.

Схема мощного генератора ВЧ, достаточно проста и состоит из двух основных блоков:

Непосредственно сам автогенератор ВЧ на транзисторе;
Модулятор — устройство для периодической манипуляции (запуска) генератора ВЧ сигналом звуковой (любой другой) частоты.

Схема простейшего генератора ВЧ

Генератор высокой частоты ( ГВЧ, на Рис. ) является источником высокочастотных синусоидальных колебаний. Их частоту изменяют с помощью переменного конденсатора С4 в пределах от 100 до 550 кГц. Выходное напряжение регулируется в пределах 0 … 2 В. Транзистор VT1 включён по схеме с ёмкостной обратной связью, которая осуществляется через конденсатор С3. В цепи коллектора транзистора находится колебательный контур, состоящий из катушки L1 и конденсатора переменной ёмкости С4. Резисторы R1, R2, R4 включены для обеспечения необходимого режима работы транзистора по постоянному току. Для подгонки используют подстроечный резистор R1. Напряжение высокой частоты снимается с движка переменного резистора R5, используемого в качестве регулятора выходного напряжения генератора. Конденсатор С6 – разделительный. Если сопротивление подключаемой к ГВЧ цепи превышает 20 … 30 кОм ( ламповый каскад ), то выходное напряжение снимается через разделительный конденсатор С5 с гнезда Х4.

Генератор можно использовать в режиме с амплитудной модуляцией. Модулирующее напряжение звуковой частоты подают на гнездо Х1 и через разделительный конденсатор С1 – на базу транзистора. Модулирующее напряжение изменяет с частотой модуляции режим транзистора и соответственно амплитуду высокочастотных колебаний. Источник модулирующего напряжения должен иметь регулятор уровня выходного сигнала для подбора глубины модуляции. В качестве источника модулирующего сигнала может быть генератор ЗЧ.

Генератор питается от источника – 10В. Катушка L1 намотана на каркасе диаметром 8 и длинной 25 мм и содержит 80 витков провода ПЭВ-0,1, намотанных внавал. Ширина намотки 10 мм. Концы катушки закрепляют на каркасе с помощью липкой ленты. В качестве конденсатора С4 можно применить любой сдвоенный блок переменных конденсаторов с подходящей ёмкостью, желательно с воздушным диэлектриком. Вместо транзисторов П416 можно применить любой высокочастотный транзистор структуры p-n-p. При замене транзистора, возможно, потребуется регулировка резистора R1. При исправных деталях и правильной сборки генератор начинает работать сразу же после подачи питающего напряжения. При отсутствии генерации следует вместо резистора R4 установить резистор с номиналом 51 кОм и регулировкой резистора R1 добиться нормальной работы. В противном случае необходимо заменить транзистор и вновь подобрать режим с помощью резистора R1.\

Массовая радиобиблиотека. А.М. Пилтакян “РАДИОЛЮБИТЕЛЬСКИЕ ПРИБОРЫ И ИЗМЕРЕНИЯ”, издательство “Радио и связь”, 1989 г, стр. 48 – 49.

Похожее

Детали и конструкция

«Сердцем» нашего генератора является высокочастотный MOSFET-транзистор. Это достаточно дорогостоящий и мало распространенный элемент. Его можно купить за приемлемую цену в китайских интернет-магазинах или найти в высокочастотном радиооборудовании — усилителях/генераторах высокой частоты, а именно, в платах базовых станций сотовой связи различных стандартов. В своем большинстве эти транзисторы разрабатывались именно под данные устройства. Такие транзисторы, визуально и конструктивно отличаются от привычных с детства многим радиолюбителям КТ315 или МП38 и представляют собой «кирпичики» с плоскими выводами на мощной металлической подложке. Они бывают маленькие и большие в зависимости от выходной мощности. Иногда, в одном корпусе располагаются два транзистора на одной подложке (истоке). Вот как они выглядят:

Линейка внизу, поможет вам оценить их размеры. Для создания генератора могут быть использованы любые MOSFET-транзисторы. Я пробовал в генераторе следующие транзисторы: MRF284, MRF19125, MRF6522-70, MRF9085, BLF1820E, PTFA211801E — все они работают. Вот как данные транзисторы выглядят внутри:

Внутренняя структура мощного MOSFET транзистора PTFA211801E

Вторым, необходимым материалом для изготовления данного устройства является
медь. Необходимы две полоски данного металла шириной 1-1,5см. и длинной 15-20см (для частоты 400-500 МГц). Можно сделать резонаторы любой длинны, в зависимости от желаемой частоты генератора. Ориентировочно, она равна 1/4 длинны волны. Я использовал медь, толщиной 0,4 и 1 мм. Менее тонкие полоски — будут плохо держать форму, но в принципе и они работоспособны. Вместо меди, можно использовать и латунь. Резонаторы из альпака (вид латуни) тоже успешно работают. В самом простом варианте, резонаторы можно сделать из двух кусочков проволоки, диаметром 0,8-1,5 мм.
Помимо ВЧ-транзистора и меди, для изготовления генератора понадобится микросхема 4093 — это 4 элемента 2И-НЕ с триггерами Шмитта на входе. Её можно заменить на микросхему 4011 (4 элемента 2И-НЕ) или её российский аналог — К561ЛА7. Также можно использовать другой генератор для модуляции, например, собранный на таймере 555. А можно вообще исключить из схемы модулирующую часть и получить просто ВЧ-генератор.

В качестве ключевого элемента применен составной p-n-p транзистор TIP126 (можно использовать TIP125 или TIP127, они отличаются только максимально допустимым напряжением). По паспорту он выдерживает 5А, но очень сильно греется. Поэтому необходим радиатор для его охлаждения. В дальнейшем, я использовал P-канальные полевые транзисторы типа IRF4095 или P80PF55.

ГЕНЕРАТОР НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ

Генератор НЧ собран на транзисторах VT1 и VT3. Положительная обратная связь, необходимая для возникновения генерации снимается с резистора R10 и подается в цепь базы транзистора VT1 через конденсатор С1 и соответствующую фазосдвигающую цепочку, выбранную переключателем В1 (например С2,С3,С12.). Один их резисторов в цепочке – подстроечный (R13), с помощью которого можно подстраивать частоту генерации низкочастотного сигнала. Резистором R6 устанавливается начальное смещение на базе транзистора VT1. На транзисторе VT2 собрана схема стабилизации амплитуды генерируемых колебаний. Выходное напряжение синусоидальной формы через С1 и R1 подается на переменный резистор R8, который является регуляторов выходного сигнала НЧ генератора и регулятором глубины амплитудной модуляции ВЧ генератора.

ГЕНЕРАТОР ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ

ВЧ генератор реализован на транзисторах VT5 и VT6. С выхода генератора через С26 сигнал подается на усилитель собранный на транзисторах VT7 и VT8. На транзисторах VT4 и VT9 собран модулятор ВЧ сигнала. Эти же транзисторы используются в схеме стабилизации амплитуды выходного сигнала. Не плохо бы для этого генератора изготовить аттенюатор, или Т, или П типа. Рассчитать такие аттенюаторы можно с помощью соответствующих калькуляторов для расчета Т-аттенюаторов и П-аттенюаторов. Вот вроде и все. До свидания. К.В.Ю.

Скачать схему.

Сборка устройства

Устройство может быть собрано как на печатной плате, так и навесным монтажом с соблюдением правил для ВЧ-монтажа. Топология и вид моей платы приведены ниже:

Эта плата рассчитана на транзистор типа MRF19125 или PTFA211801E. Для него прорезается отверстие в плате, соответствующее размеру истока (теплоотводящей пластины). Одним из важных моментов сборки устройства является обеспечение теплоотвода от истока транзистора. Я применил различные радиаторы, подходящие по размеру. Для кратковременных экспериментов — таких радиаторов достаточно. Для долговременной работы — необходим радиатор достаточно большой площади или применение схемы обдува вентилятором. Включение устройства без радиатора, чревато быстрым перегревом транзистора и выходом из строя этого дорогостоящего радиоэлемента.

Для экспериментов, мною были изготовлены несколько генераторов по разные транзисторы. Также я сделал фланцевые крепления полосковых резонаторов, чтобы можно было их менять без постоянного нагрева транзистора. Представленные ниже фотографии помогут вам разобраться в деталях монтажа.

Фланец для крепления резонаторов

Генератор ВЧ со сменными резонаторами

Генератор ВЧ работает даже при напряжении 3,6 вольта, потребляя ток 2,5А

Тыльная сторона ВЧ-генератора

кусочек текстолита — тоже резонатор)))

Фланец для сменного резонатора

Генератор ВЧ на маленьком MOSFET MRF284 со съемными резонаторами

875 МГц. 5Вт. без особых напрягов…

Генератор ВЧ на маленьком MOSFET MRF284 со съемными резонаторами

Семейство генераторов ВЧ на MOSFET транзисторах различной мощности

Отвод энергии резонатора на затвор при помощи конденсатора

Двухтранзисторный ВЧ-мультивибратор

Модулятор для ВЧ-генератора

Эксперименты с двухтранзисторным ВЧ-мультивибратором

Модулятор-мультивибратор-балластное сопротивление

Мощный генератор-мультивибратор на транзисторах PTFA211801

Маленький генератор на MRF284 1300-1500 МГц.

Сэндвич из 3-х транзисторов MRF19125

Экспериментальный генератор ВЧ на 3-х MOSFET транзисторах

Автогенератор — мультивибратор

Коллекторная плата трехтранзисторного генератора

Проверка работы ВЧ-генератора на PTFA211801E. 6,5 В при токе 4,6 А.

ВЧ-генератор с резонатором со вставкой из органического стекла (для фиксации формы резонансных пластин).

Проверка работы ВЧ-генератора.

Плата мощного ВЧ-генератора с вырезом под MOSFET транзистор.

Тыльная сторона ВЧ-генератора: коммутация, предохранитель, конденсаторы и радиатор

Плата ВЧ-генератора, вид со стороны основного монтажа.

ВЧ-мультивибратор + усилитель

ВЧ-мультивибратор + усилитель на MOSFET

Плата генератора 950-1100МГц

Генератор 950-1100МГц (экспериментальный)

Запуск устройства

Перед запуском генератора, необходимо еще раз проверить правильность его соединений, чтобы у вас не образовалась весьма не дешёвая кучка транзисторов с надписью «Сгорел».

Первый запуск, желательно производить с контролем потребляемого тока. Этот ток, можно ограничить до безопасного уровня использовав резистор на 2-10 Ом в цепи питания генератора (коллектор или сток модулирующего транзистора). Работу генератора можно проверить различными приборами: поисковым приемником, сканером, частотомером или просто энергосберегающей лампой. ВЧ-излучение, мощностью более 3-5 Вт, заставляет её светиться.

ВЧ-токи легко нагревают некоторые материалы вступающие с ними в контакт в т. ч. и биологические ткани. Так, что будьте осторожны, можно получить термический ожог прикоснувшись к оголенным резонаторам (особенно при работе генераторов на мощных транзисторах). Даже небольшой генератор на транзисторе MRF284, при мощности всего около 2-х ватт — легко сжигает кожу рук, в чем вы можете убедиться на этом видео:

При некотором опыте и достаточной мощности генератора, на конце резонатора, можно зажечь т.н. «факел» — небольшой плазменный шарик, который будет подпитываться ВЧ-энергией генератора. Для этого достаточно просто поднести зажженную спичку к острию резонатора.

Т.н. «факел» на конце резонатора.

Помимо этого, можно зажечь ВЧ-разряд между резонаторами. В некоторых случаях, разряд напоминает крошечную шаровую молнию хаотично перемещающуюся по всей длине резонатора. Как это выглядит вы можете увидеть ниже. Несколько увеличивается потребляемый ток и во всем доме «гаснут» многие каналы эфирного телевидения))).

Плазменная дуга между резонаторами ВЧ-генератора на транзисторе MRF284

Аналоговые измерительные устройства

Рис. 9.5.

Высокочастотные измерительные генераторы выполняются на базе LC—

генераторов

Резонансная частота LC–цепи равна

. (9.7)

В генераторе сигнал этой частоты усиливается и поступает на выход, причем часть сигнала поступает в цепь обратной связи для компенсации потерь в LC-цепи.

Рассмотрим в качестве примеров LC-генераторов индуктивный и емкостный трехточечные генераторы.

Один из вариантов выполнения индуктивного трехточечного
генератора
показан на рис. 9.6.

Рис. 9.6. Рис. 9.7.

На схеме рис. 9.6 емкость С шунтирует индуктивность с отводом L, и вместе они образуют LC-контур. Обратная связь осуществляется через RC-цепь. Транзистор обеспечивает фазовый сдвиг на 1800, а сдвиг еще на 1800 между выходом и петлей обратной связи достигается с помощью отвода от индуктивности L. Конденсатор С имеет переменную емкость для изменения частоты генератора.

Один из вариантов емкостного трехточечного

генератора показан на рис. 9.7. В схеме используется трансформаторный выход. Схема похожа, на ранее рассмотренную схему, только вместо индуктивности с отводом используются две емкости. Частота генерации рассчитывается по той же формуле (9.7), в которой С = С1С2 /(С1 + С2). Величина обратной связи зависит от значений С1 и С2, она возрастает, когда С1 уменьшается. Резистор R2 вызывает затухание колебаний, так что оно не должно выбираться слишком малым, а R1С3 обеспечивает подачу смещения на базу транзистора.

Для получения необходимого диапазона частот генераторы выполняются многодиапазонными с малым перекрытием по диапазонам. Для получения большого перекрытия по диапазону при заданной неравномерности частотной характеристики применяют схемы на биениях. Структурная схема генератора на биениях представлена на рис. 9.8.

ГФЧ– генератор фиксированной частоты f0; ГПЧ–генератор перестраиваемой частоты f + ∆f; СМ – смеситель; ФНЧ – фильтр нижних частот

Рис. 9.8.

Частота выходного сигнала изменяется от 0 до Δf при относительно небольшой перестройке частоты генератора перестраиваемой частоты (ГПЧ), что и позволяет обеспечить заданную неравномерность частотной характеристики.

Стабильность частоты выходного напряжения определяется стабильностью частоты генераторов ГФЧ и ГПЧ и зависит от отношения f0/Δf. Чем больше это отношение, тем более высокие требования предъявляются к генераторам ГФЧ и ГПЧ. Схемы этих генераторов выполняются идентично для того, чтобы различные факторы одинаково влияли на оба генератора и в итоге разностная частота оставалась постоянной.

К недостаткам схемы на биениях следует отнести ее относительную сложность. Кроме того, при частотах выходного сигнала, близких к нулю, возможен захват частот генераторов (самосинхронизация). Для того чтобы избежать этого явления, схемы генераторов тщательно экранируют и развязывают по питанию, между генераторами и смесителем ставят буферные усилители, а это усложняет схему и конструкцию генераторов на биениях.