Pi-Filter und Oberwellendämpfung
Ein Amateurfunksender darf keine Oberwellen abgeben, die nicht
mindestens um 40 dB unter dem Nutzsignal liegen. Für einen 100-W-Sender
bedeutet das, dass keine Oberwelle mit 10 mW abgestrahlt werden darf.
Während heutige Transistor-PAs mehrstufige Tiefpassfilter verwenden,
hat man sich bei den älteren Röhren-PAs ganz auf das Pi-Filter mit
einer Spule und zwei Drehkos verlassen. Es gab eine Faustregel dazu:
Wenn der PA-Kreis eine Güte von 12 hat, werden die Anforderungen
erfüllt. Diese Faustregel wollte ich nun einmal mit einer
LTspice-Simulation überprüfen. D1 und R1sollen ein vereinfachtes Modell
der Endröhre darstellen.
Die blaue Kurve zeigt den Stromverlauf der Diode. Die Sinusquelle
hat eine Amplitude von 10 V bei 7 MHz. Der Anodenkreis ist in Resonanz.
An C1 ergibt sich eine Amplitude von ca. 9.5 V. Die Ausgangsamplitude
an C2 beträgt ca. 0,6 V. Aus dem Verhältnis 9,5V/0,6V kann man
abschätzen, dass die Güte mindestens ca.16 ist.
Die
Fourier-Analyse des Ausgangssignals zeigt die gedämpften Oberwellen.
Die stärkste Oberwelle bei 21 MHz ist tatsächlich etwas besser als 40
dB unterdrückt. Wenn man die Spannungen auf einen Sender mit der
Anodenspannung 1000 V überträgt, bekommt man am Ausgang eine Amplitude
von ca. 60 V, also einen Pegel von 43 V und damit eine Ausgangsleistung
von 43 W.
Da ist noch
etwas mehr drin, denkt man dann und stellt den Load-Drehko auf eine
etwas kleinere Kapazität, also festere Kopplung. Der Plate-Drehko muss
dann meist etwas nachgestimmt werden. Tatsächlich, jetzt bringt die
Simulation eine Ausgangsamplitude von 0,9 V, entsprechend 90 V in der
Realität. die Ausgangsleistung an 50 Ohm ist damit 81 W. Aber natürlich
ist die Kreisgüte nun etwas geringer. Reicht die Oberwellendämpfung
noch?
Sie reicht gerade eben! Die stärkste Oberwelle liegt diesmal bei 14
MHz und liegt fast genau um 40 dB unter dem Nutzsignal. Das war alles
recht problemlos, weil die Betriebsspannung um ein Vielfaches über der
Ausgangsspannung lag. Deshalb steckt da eine erhebliche Energie im
Schwingkreis. Die Spule hat bei 7 MHz einen induktiven Widerstand von
430 Ohm. Da fließt also ein HF-Strom von ca. 2 A, also etwas mehr als
der Ausgangsstrom von 1,8 A, beides jeweils in den Spitzen. Die
HF-Amplitude an der Anode beträgt 850 V, entsprechend 607 V effektiv
bei 1,4 A effektiv. Damit schwingt eine Leistung von 850 W zwischen
Spule und Drehkos hin und her. Verglichen mit den 81 W Ausgangsleistung
käme man auf eine Güte von 10,5. Alles nur grob überschlagen und über
den Daumen gepeilt. Die Faustregel mit der Güte 12 scheint aber gut zu
stimmen.
Eine reale Messung an meinem alten TS-520S mit Röhrenendstufe hat
gezeigt, dass er sogar eine Oberwellenunterdrückung von 50 dB schafft.
Alles nur mit dem Pi-Filter, ein Sender in 50-Ohm-Technik muss sich da
etwas mehr anstrengen.
