Сверхмощные коротковолновые передатчики: детали истории

Т. Г. Хвиливицкий

В “ЭИС” (№ 3, 2005 г.) была опубликована статья о сооружении в Советском Союзе в 1970-1980-е годы прошлого века сверхмощных радиовещательных станций, в том числе с 1000 и 2000 кВт КВ-передатчиками – самыми мощными в мире. Этот выдающийся результат был достигнут в ходе масштабной работы по умощнению существующего парка радиовещательных передатчиков, проводившейся на радиоцентрах Министерства связи СССР под руководством автора статьи В. Г. Буряка -талантливого инженера, разработавшего оригинальные технические методы умощнения находившейся в эксплуатации передающей аппаратуры, в том числе 500 кВт КВ-передатчиков “Боб-2” (ПКВ-500) – до 1000, а затем до 2000 кВт. В его статье подробно описаны реализованные им новые технические решения, позволившие удвоить, а затем и учетверить мощность прототипа.

Однако за рамками статьи осталась предшествующая 20-летняя история развития в Советском Союзе техники сверхмощных КВ-передатчиков, в первую очередь, важнейшей их части – ВЧ-трактов, в ходе которой впервые в мировой практике решались новые проблемы, возникшие при многократном увеличении выходной ВЧ-мощности в сравнении с достигнутым ранее уровнем. Первое поколение советских сверхмощных КВ-передатчиков – “Боб” и “Боб-2” – мощностью 500 кВт разработали специалисты НПО им. Коминтерна. Руководил этими работами выдающийся инженер и организатор, лауреат Ленинской и Государственной премий Ю. А. Нефедьев.

Первой проблемой при разработке ВЧ-тракта 500 кВт КВ-передатчика “Боб” в начале 1950-х стали лампы. Наиболее мощный в то время 100 кВт триод был мал по мощности для 500 кВт передатчика и, кроме того, плохо приспособлен для работы в очень удобной для КВ-диапазона схеме с общей сеткой (ОС) из-за большого индуктивного сопротивления вывода его управляющей сетки на частотах этого диапазона. Проблему решили специалисты НПО “Светлана”, разработавшие семейство триодов мощностью до 250 кВт в единице на базе новой конструкции, идеально приспособленной для схемы с ОС -с кольцевым безындукционным выводом сетки. Ещё одну проблему – как заземлить по ВЧ в схеме с ОС вывод сетки триода, одновременно изолировав его по постоянному току для подачи сеточного смещения – помогли решить специалисты НПО “Позитрон”, создавшие ВЧ-керамику с высокой диэлектрической проницаемостью и на её основе – конденсаторы большой ёмкости различного назначения, в том числе для заземления по ВЧ в схеме с ОС кольцевых выводов сетки новых ламп. Казалось тогда, что все проблемы схемы с ОС – первоосновы мощных ВЧ каскадов КВ-передатчиков – благополучно решены. Так оно и было, пока позднее специалисты НПО “Светлана” не разработали для передатчика “Боб-2” ещё более мощный 500 кВт триод, при включении которого в классической схеме с ОС неожиданно возникли осложнения.

Ю. А. Нефедьев[1]

Из-за в четыре раза большей ВЧ-мощности нового передатчика в сравнении с существующими и значительно большей выходной ёмкости новых 250 кВт триодов (по два в параллель в каждом плече двухтактной схемы) ВЧ-ток в анодном контуре выходного ВЧ-каскада в несколько раз превосходил ток в аналогичных цепях менее мощных передатчиков. Сопротивление нагрузки, необходимое для оптимального режима работы ламп, напротив, в несколько раз уменьшилось. Для таких новых условий контурные индуктивности и элементы связи с нагрузкой выходных ВЧ-каскадов менее мощных КВ-передатчиков оказались непригодными. Для реализации 500 кВт ВЧ-каскада необходимы были новые идеи, новые конструкции.

Первую проблему разработчики решили, выполнив индуктивность анодного контура выходного ВЧ-каскада в виде короткозамкнутого отрезка двухпроводной линии из медных труб большого диаметра, размещенного вертикально в экранированной двухэтажной шахте. Такая необычная для КВ-диапазона конструкция позволяла настроить анодный контур на высшие частоты диапазона при существенно большей его начальной ёмкости, обусловленной крупногабаритными лампами, и, кроме того, выдерживала без перегрева выросшие в несколько раз ВЧ-токи. Позднее усовершенствованный вариант индуктивности такого типа был использован в анодных контурах выходного и предоконечного ВЧ-каскадов новой модели 500 кВт КВ-передатчика – “Боб-2”, а затем, с минимальными доделками, при умощнении этого передатчика до 1000 и 2000 кВт.

Для согласования в новых необычных условиях анодной цепи ламп выходного ВЧ-каскада с нагрузкой – входным сопротивлением антенного фидера, меняющимся в широких пределах при смене рабочих частот и антенн -разработчики использовали опыт сооружения антенно-фидерных устройств КВ-диапазона. В полностью экранированном помещении разместили согласующее устройство (СУ), схожее по схеме и конструкции с аналогичными устройствами наружной установки, используемыми в антенно-фидерной технике. СУ настраивалось так, чтобы независимо от рабочей частоты или антенны нагрузкой выходного ВЧ-каскада служило постоянное по величине активное входное сопротивление коаксиальных фидеров, соединяющих выход каскада с СУ. Опыт включения СУ на выходе ВЧ-тракта сверхмощного КВ-передатчика оказался столь эффективным, что устройство такого назначения было применено позднее – в значительно более компактном конструктивном исполнении - в 500 кВт КВ-пере-датчике “Боб-2” и опять-таки усовершенствованное, в 1000 и 2000 кВт модификациях.

Ещё одной новинкой, впервые использованной в первом 500 кВт КВ-передатчике, была модуляция на анод трёх мощных ВЧ-каскадов: выходного, предоконечного и предшествующего ему, вместо двух в менее мощных передатчиках, где лампы включались по схеме с ОС. Благодаря этому качественные показатели сверхмощного передатчика ничем не уступали показателям его менее мощных собратьев. Модуляция трех каскадов впоследствии использовалась в передатчике “Боб-2” и его умощнённых модификациях.

При разработке десятилетием позднее 500 кВт КВ-передатчика “Боб-2” специалисты НПО им. Коминтерна использовали все перечисленные, хорошо оправдавшие себя новшества предыдущей 500 кВт модели. Однако появились также совершенно новые проблемы. Одна из них – подавление излучений высших гармоник рабочей частоты на ВЧ-выходе (такое требование во время создания первой 500 кВт модели к КВ-передатчикам ещё не предъявлялось). В менее мощных КВ-передатчиках эта задача решалась с помощью выходной контурной системы (ВКС), в последовательном звене П-контура которой использовалась типовая спиральная катушка индуктивности с подвижным замыкателем витков. Для ВКС 500 кВт передатчика индуктивности такого типа по ряду причин были неприемлемы. Разработчики решили эту проблему, построив ВКС на основе иного, необычного для КВ-диапазона принципа – в виде расположенной горизонтально в экранированном коридоре двухпроводной длинной линии из медных труб большого диаметра, вдоль которой на одной неподвижной и двух подвижных каретках размещались наборы вакуумных конденсаторов постоянной ёмкости, образующие совместно с отрезками линии между точками их подключения два П-контура, обеспечивающих эффективную фильтрацию высших гармоник. Новая конструкция отличалась двумя чрезвычайно важными для особо больших мощностей качествами –способностью выдерживать без перегрева самые большие ВЧ-токи и отсутствием нерабочих частей, неизбежных в обычных спиральных катушках индуктивности с подвижным замыкателем (паразитная ёмкость этих частей создавала труднорешаемые проблемы, усугубляющиеся с увеличением мощности).

Новая 500 кВт ВКС на основе длинной линии оказалась чрезвычайно удобной базой для дальнейшего умощнения. В. Г. Буряк изобретательно увеличил число П-контуров прототипа и электрическую прочность их ёмкостных ветвей – всё это в тех же габаритах. Фрагмент такой ВКС, ёмкостные ветви П-контуров которой доработаны до 2000 кВт, показан на фото, приведенном в статье В. Г. Буряка (“ЭИС”, 2005, № 3, с. 14).

Ещё одна проблема возникла на заключительном этапе разработки в ходе регулировки опытного образца передатчика “Боб-2” на Кубанском радиоцентре в виде интенсивной паразитной генерации в выходном ВЧ-каскаде, построенном на новых 500 кВт триодах ГУ-65, более крупногабаритных, чем их менее мощные предшественники. Частота этой паразитной генерации была близка к верхней границе рабочего диапазона передатчика, из-за чего обычные антипаразитные меры оказались неприемлемыми. Причина этой неприятности была нестандартной – электрический резонанс в заземляющем сетку по ВЧ кольцевом керамическом конденсаторе, диаметр которого у нового триода был существенно больше, чем у менее мощных ламп, а частота резонанса по этой причине ниже и близка к рабочим. Эта неожиданная проблема была решена путем гальванического – без конденсатора – заземления вывода сетки. Для обеспечения при этом отрицательного сеточного смещения пришлось включить резистор в цепь постоянной составляющей катодного тока вместо обычного источника смещения в цепи сетки. Новый вариант схемы с ОС не только кардинально решил проблему устойчивости ВЧ-каскада на триодах ГУ-65, но, как оказалось, обеспечил хорошие и стабильные качественные показатели при модуляции независимо от режима лампы, чего старая схема не гарантировала. Эта особенность новой схемы была обусловлена отрицательной обратной связью по модулирующему НЧ-сигналу за счёт катодного резистора. В дальнейшем стабильность качественных показателей независимо от режима лампы – неожиданная особенность нового варианта схемы с ОС – позволила В. Г. Буряку при умощнении до 2000 кВт так изменить режим триодов ГУ-65 в сравнении с 500 кВт прототипом и его 1000 кВт модификацией, чтобы вдвое увеличить мощность на несущей, получаемую от каждой лампы, сохраняя в этом форсированном режиме, благодаря новой схеме, хорошие качественные показатели при модуляции. В условиях, когда более мощных ламп, чем триод ГУ-65, не существовало, схема с гальваническим заземлением сетки и катодным резистором помогла В. Г. Буряку решить проблему получения 2000 кВт на имевшихся в наличии лампах. В передатчике “Боб-2” была использована П-образная компоновка оборудования в генераторном зале, как в первой 500 кВт модели. Указанная компоновка и занимаемая оборудованием площадь были сохранены при дальнейших умощнениях. Это можно видеть на фото, приведенном на с. 16 “ЭИС”, № 3, 2005 г., представляющем фронтальный вид 2000 кВт передатчика, сооруженного путём умощнения передатчика “Боб-2” на Ангарском радиоцентре.

Общий вид КВ - передатчика мощностью 2 МВт

При создании 500 кВт КВ-передатчиков “Боб” и “Боб-2” были найдены новые схемно-конструктивные решения ВЧ-трактов, которые наилучшим образом и с большим запасом соответствовали специфическим условиям и требованиям самых больших мощностей. Многолетний опыт эксплуатации подтвердил высокую эффективность, а В. Г. Буряк умело использовал их потенциальные возможности для реализации 1000 и 2000 кВт.

Фрагмент выходной контурной системы КВ - передатчика мощностью 2 МВт

При сооружении 1000 кВт модификации В. Г. Буряк разработал и реализовал не только технические решения, необходимые для удвоения мощности, но также новую чрезвычайно удачную технологию самого процесса умощнения – с использованием дополнительных узлов и установок, входящих в комплекты умощнения, поставляемые промышленностью. При разработке 2000 кВт модификации поначалу планировалось осуществлять её по такой же технологии, как 1000 кВт – на месте установки передатчиков “Боб-2” с использованием поставляемых промышленностью комплектов умощнения. Но для таких комплектов необходимы были в четыре раза более мощные, чем существовавшие тогда, элементы внутреннего фидерного тракта: коаксиальные фидеры, фидерные переключатели внутренней установки и фидерные телевизионные фильтры, более мощные тиристорные выпрямители анодного питания, а также специфические узлы и детали для доработки аппаратуры ВЧ-тракта, которые невозможно было изготовить в условиях радиоцентров. Разработать рабочие чертежи этих новых узлов и установок и изготовить их могло только специализированное предприятие промышленности. Министерство связи СССР обратилось за помощью к НПО им. Коминтерна.

В соответствии с соглашением о совместной работе экспериментальное производство НПО изготовило для умощнения до 2000 кВт существующего на Ангарском радиоцентре передатчика комплект дополнительного оборудования, в состав которого вошли новые узлы и установки, в том числе специально разработанные в НПО элементы более мощного внутреннего фидерного тракта, новые тиристорные выпрямители и др. Сотрудники НПО – лаборанты и конструкторы – трудились затем на Ангарском радиоцентре в ходе работ по умощнению вместе со специалистами группы В. Г. Буряка и эксплуатационным персоналом без какого-либо ведомственного разделения – задача была общей.

В ходе работ в Ангарске стало очевидно, что технология умощнения, столь хорошо оправдавшая себя в 1000 кВт модификации, для 2000 кВт не годится из-за значительно большего объема нового оборудования и доработок старого. Все согласились, что 2000 кВт в дальнейшем целесообразнее реализовать в новом передатчике такой мощности, а не умощняя существующие передатчики “Боб-2”. Соответственно Ангарский, умощненный до 2000 кВт передатчик, послужил основой для разработки в НПО им. Коминтерна конструкторской документации (КД) для серийного производства новых комплектных 2000 кВт КВ-передатчиков. В это же время НПО “Светлана” разработало модификацию ГУ-6 5 с керамическим баллоном – триод ГУ-88. Этим была снята проблема перегрева коварового спая стеклянного баллона ГУ-65 при работе на верхних частотах КВ-диапазона. Первый серийный 2000 кВт КВ-передатчик был установлен на радиоцентре в Украине.

Помимо 2000 кВт КВ-передатчиков, Министерству связи необходимы были КВ-передатчики мощностью 1000 кВт. НПО им. Коминтерна разработало КД для серийного производства передатчика такой мощности, отличающегося от 2000 кВт образца менее мощными источниками электропитания и облегченными режимами ламп выходных ВЧ- и НЧ-каскадов. И для завода НПО, и для заказчика (Министерства связи СССР) выпуск новых 1000 и 2000 кВт унифицированных КВ-передатчиков был технически, экономически и организационно рациональнее, чем изготовление и поставка (наряду с новыми мощностью 2000 кВт) старых 500 кВт передатчиков “Боб-2” с их последующей доработкой до 1000 кВт на месте установки, при которой использовалась лишь часть только что изготовленного оборудования. Первый серийный унифицированный 1000 кВт КВ-передатчик был установлен на радиоцентре в Молдавии.

История сверхмощных КВ-передатчиков в Советском Союзе заняла три десятилетия. Пиковой точкой этой эпопеи стал 2000 кВт передатчик, в котором технические предпосылки дальнейшего увеличения мощности, заложенные разработчиками первого и второго 500 кВт образцов, успешно реализовались благодаря остроумным усовершенствованиям, предложенным В. Г. Буряком. Эпоха сверхмощных КВ-передатчиков завершилась. “Ахиллессовой пятой” этих огромных машин было их большое энергопотребление, не приемлемое в условиях стремительного роста стоимости всех видов энергии в конце XX - начале XXI вв. Спутниковое радиовещание и эфирное цифровое радиовещание на KB позволят решать те задачи, которые ранее были по силам только сверхмощным КВ-передатчикам, при меньших на порядок энергетических затратах на передающем конце. Поэтому за ними – будущее.

Примечание

1.Ю. А. Нефедьев (1910-1983), лауреат Ленинской и Государственной пре мий, д. т. н., руководитель разработки нескольких поколений мощных и сверхмощных стационарных КВ - передатчиков, а также мощных подвижных КВ - радиостанций для армии и флота

Статья опубликована в журнале «Электросвязь: история и современность» №1, 2007 г.
Перепечатывается с разрешения редакции.
Статья помещена в музей 30.01.2008