Создание
простого радиочастотного тракта для коротковолнового трансивера давно
волновала умы радиолюбителей-конструкторов. Впервые ее разрешили
разработчики трансивера "РАДИО-76" — конструкции на долгие годы ставшей
популярной не только для начинающих коротковолновиков, но и для более
опытных. Автор этих строк разработал несколько конструкций [1,6].
Несмотря на ряд достоинств они не обладали универсальностью при
построении всеволновой аппаратуры. Их применение ограничивалось НЧ
диапазонами (160, 80 и 40 метров) вследствие использования относительно
низкого значения промежуточной частоты (обычно 500 кГц). Очередной
ступенью стало создание ВЧ модема (высокочастотного
модулятора/демодулятора). По сравнению с вышеупомянутыми РЧ трактами, он
имеет ряд преимуществ, а именно:- использованные решения позволяют выбирать без значительных переделок в схеме любое значения ПЧ;
- применение 50-омных узлов при дальнейшей модернизации упрощает согласование вновь вводимых узлов;
- использование в схеме транзисторов средней мощности при большом токе
коллектора повышает перегрузочные характеристики усилителей.
Данный
модем в составе трансивера конструкции автора сравнивался в режимах RX и
ТХ с трансивером "Урал—84" (преимущественно на диапазонах 160, 80 и 40
метров). Авторский вариант имел большую "прозрачность" эфира и позволял
принимать слабые станции на фоне сильных помех даже тогда, когда этого
не мог сделать "Урал-84" с выключенной системой АРУ. Подавление несущей
превосходило аналогичный параметр "Урала" более чем на 20 дБ. Небольшое
усиление по ПЧ позволило получить очень чистый и объемный сигнал в
режимах RX и ТХ. Субъективно модем работает значительно лучше (даже без
подчисточных фильтров), чем трансивер со значительным (основным)
усилением по ПЧ. На основе ВЧ модема можно построить вседиапазонный KB
трансивер. В качестве ФОС возможно использование электромеханического
(ЭМФ) или кварцевого фильтра. Применение кварцевого фильтра на частоты
40...50 МГц позволяет построить трансивер с преобразованием "вверх", а
применяя фильтры на частоты 5... 10 МГц несложно изготовить аппарат на
все любительские KB диапазоны с одним преобразованием частоты.
Возможность
выбора практически любого значений промежуточной частоты достигнуто
применением в качестве усилителей ПЧ и гетеродинного буфера-усилителя
широкополосных усилителей (ШПУ) с использованием широкополосных
трансформаторных линий (ШПТЛ). В качестве активного элемента ШПУ
применяются распространенные СВЧ транзисторы.
Измерение
параметров трансивера на основе ВЧ модема проводились в диапазоне 160
метров, поэтому в дальнейшем мы будем говорить об одно диапазонном
варианте. В ходе испытаний были получены следующие результаты:
— чувствительность (при отношении сигнал/шум 10 дБ на выходе усилителя ЗЧ трансивера) — 0,25 мкВ;
— избирательность по зеркальному каналу — не менее 50 дБ;
— избирательность по соседнему каналу (зависящая от качества применяемого ЭМФ) составила 75 дБ.
Высокая
чувствительность получена с антенного входа, без применения усилителя
РЧ и при затухании в входном полосовом фильтре 10 дБ.
Принципиальная схема ВЧ модема приведена на рис.1 .
Для
упрощения, все стыкуемые с ним узлы показаны условно. В режиме приема
РЧ сигнал из антенны через ступенчатый аттенюатор , двухзвенный
полосовой фильтр проходит на обмотку трансформатора Т1 первого смесителя
(СМ1) . Смеситель выполнен на кремниевых диодах VD1-VD4 по двойной
балансной кольцевой схеме. На обмотку трансформатора Т2 СМ1 через
буфер-усилитель, выполненного по схеме ШПУ на СВЧ транзисторе VT3 типа
КТ606А, подается напряжение с ГПД. Генератор плавного диапазона может
быть выполнен по любой схеме. Сигнал промежуточной частоты 500 кГц
снимается со средней точки симметрирующего трансформатора Т1 и через
нормально замкнутый контакт реле К1 подается на вход первого каскада
усилителя ПЧ. УПЧ1 выполнен по схеме широкополосного усилителя (ШПУ) с
отрицательно обратной связью [2] на транзисторе VT1. Усилители данного
типа обладают низким уровнем шумов, высокой линейностью АЧХ, мало
зависящим от частоты входным и выходным сопротивлением (близким к 50
Ом), сравнительно большим динамическим диапазоном. Коэффициент усиления
таких ШПУ составляет 20...22 дБ.
Далее усиленный сигнал через цепи согласования Т4 ,С10 ,С11 поступает на
ФОС, в качестве которого применен ЭМФ-500-9Д-3Н. Фильтр выделяет сигнал
ПЧ с нижней боковой полосой. На выходе фильтра так же установлены цепи
согласования Т5, С12, С13 аналогичные входным. Если назначение
трансформатора Т4 (коэффициент трансформации 1:4) согласовать низкое
выходное сопротивление УПЧ 1 (50 Ом) с высоким входным сопротивлением
ЭМФ (типовое 100...200 Ом) , то назначение Т5 сделать обратное. После
ФОС установлен УПЧ 2 на транзисторе VT2 , повторяющий схему УПЧ 1.
Применение
двух идентичных каскадов УПЧ диктуется некоторыми потерями полезного
сигнала в ЭМФ и цепях его согласования, достигающих уровня 15 дБ. Если в
распоряжении радиолюбителя окажется ЭМФ с малым затуханием и его
удастся хорошо согласовать, то есть вероятность возникновения излишнего
усиления по ПЧ. В таком случае можно попробовать снизить усиление
каскадов до 10 дБ. Для этого в УПЧ1 следует поменять местами резисторы
R4 и R5, а в УПЧ2 соответственно R10 и R11.
Сигнал
НБП с выхода УПЧ2 через нормально замкнутые контакты реле К2 подается
на второй смеситель (СМ2) , выполненный аналогично первому. Сюда же
поступают колебания частотой 500 кГц от опорного кварцевого генератора
(ОКГ) выполненного на транзисторах VT4 и VT5 . Оба транзистора ОКГ
включены по схеме с общим коллектором, по этому схема обладает хорошими
нагрузочными способностями. Имеется также возможность при помощи
резистора R23 устанавливать уровень выходного напряжения генератора
необходимого для нормальной работы СМ2.
Продуктом преобразования сигналов ПЧ и ОКГ в смесителе 2 является сигнал
звуковой частоты (ЗЧ). Этот сигнал выделяется на конденсаторе С37 и
через разделительный конденсатор С38 подается на вход
высокочувствительного усилителя ЗЧ. Схема УЗЧ не приводится, но следует
иметь ввиду, что как и в предыдущих конструкциях автора он должен
обладать чувствительностью в несколько единиц микровольт [4]. Критерий
годности УЗЧ для работы с ВЧ модемом: он должен чувствовать шумы УПЧ2
при его подключении к СМ2.
В
режиме передачи (ТХ) сигнал с микрофонного усилителя-ограничителя через
конденсатор С38 подводится к средней точке симметрирующего
трансформатора Т8 СМ2, а именно к конденсатору С37. На второй
трансформатор Т9, как и в режиме приема, поступают колебания 500 кГц от
ОКГ В результате на обмотке Т8 образуется DSB-сигнал с частотой 500 кГц.
Несколько слов о микрофонном усилителе-ограничителе. Поскольку в
конструкции не предусмотрена регулировка усиления по ПЧ, то совместно с
ВЧ модемом следует применять микрофонный усилитель-ограничитель с
плавной регулировкой выходного напряжения после каскадов ограничителей.
Такое решение полностью исключает перегрузку всего тракта в режиме ТХ и
дает возможность регулировать выходную мощность передатчика.
Итак,
DSB-сигнал через коммутатор поступает на УПЧ. Для изменения направления
прохождения сигнала при переходе с приема на передачу применен
коммутатор выполненный на реле К1 , К2 и К3. Принцип изменения
направления прост и понятен из рис. 1.
Сигнал
DSB через УПЧ1 поступает на ФОС, где из него выделяется SSB сигнал с
нижней боковой полосой 497,2...499,8 кГц. Далее сигнал усиливается УПЧ2.
Применение двух каскадов УПЧ в режиме ТХ (как и в режиме RX) позволяет
полностью скомпенсировать потери в СМ1 , СМ2 , ФОС, коаксиальных
соединительных линиях (даже с некоторым запасом, которого хватает и на
ПФ). С выхода УПЧ2 усиленный SSB-сигнал подается на СМ 1, происходит его
смешивание с сигналом ГПД.
На
выходе смесителя (Т1) образуется рабочий однополосный сигнал с
частотами I860... 1930 кГц, т.е. лежащий в SSB-участке диапазона 160
метров. Однако наряду с рабочим SSB-сигналом на выходе смесителя
образуется и зеркальный сигнал с частотами 860...930 кГц, создающий
паразитные излучения вне частот любительского диапазона.
С
подавлением более чем на 40 дБ зеркального канала прекрасно справляется
полосовой фильтр (ПФ) используемый без переключения в режимах ТХ и RX.
Отфильтрованный сигнал через контакты реле К3 подается на усилитель
мощности и далее в антенну.
Конструктивно
ВЧ модем выполнен в корпусе спаянном из фольгированного
стеклотекстолита на 8-ми печатных платах, тщательно экранированных друг
от друга. Межплатные соединения выполнены 50-Омным коаксиальным кабелем
минимальной длинны. На каждой отдельной плате монтируется по одному
самостоятельному узлу:
Смеситель 1
УПЧ 1
Релейный коммутатор
ФОС (ЭМФ и его цепи согласования)
УПЧ 2
Буфер-усилитель ГПД
ОКГ на 500 кГц
Смеситель 2
Трансформаторы
Т1-Т9 наматывают проводом ПЭВ-2 диаметром 0,3...0,4 мм на ферритовых
(1000НН, 2000НН) кольцах типоразмера К10х6х4 мм. Каждая из обмоток
трансформаторов должна содержать по 7-8 витков. Намотку Т1, Т2, Т8 и Т9
ведут одновременно двумя, а намотку Т3...Т7 — тремя скрученными
проводами, равномерно распределяя витки по периметру кольца. Отвод от
середины получают соединением начала одной обмотки с концом другой.
Резисторы, используемые в конструкции, обязательно должны быть
безиндукционные. При установке на платы их выводы и выводы конденсаторов
оставляют минимально возможной длинны.
Реле
К1 — К3 герконовые типа РЭС55А на рабочее напряжение 12В.
Для настройки ВЧ модема потребуются некоторые измерительные приборы —
авометр, генератор стандартных сигналов (ГСС), милливольтметр
переменного тока и эквивалент нагрузки (50 Ом).
Перед
установкой в корпус каждую плату проверяют на соответствие монтажа
принципиальной схеме и налаживают отдельно. Начинают настройку блоков
модема с усилителей на VT1,VT2 и VT3. Прежде всего необходимо убедиться,
что ток потребления каскадов УПЧ имеет величину порядка 25 мА, а ток
потребления буфер-усилителя ГПД около 45 мА. Чтобы полностью исключить
возможность самовозбуждения ШПУ при измерении, необходимо на вход и
выход ШПУ подключить безиндукционные резисторы номиналом в 50 Ом.
Желательно проверить диапазон рабочих частот усилителей и при
необходимости провести соответствующую коррекцию. Для смещения рабочего
диапазона вверх по частоте, уменьшить число витков или взять
магнитопровод с меньшим значением проницаемости.
Налаживание
ОКГ производится при отключенном от схемы кварцевом резонаторе и
конденсаторах С29 и С30. Постоянное напряжение +6 В на эмиттерах
транзисторов VT4, VT5 устанавливают подбором резисторов R21 и R25
соответственно. После этого необходимо убедиться в отсутствии какой-либо
паразитной генерации. При установке в схему кварца и конденсаторов
должна возникать устойчивая генерация с частотой 500 кГц и амплитудой до
1,5...2,5 В на нагрузке 50 Ом подключенной к конденсатору С36. Движок
подстроечного резистора R23 (при этом) должен находиться в верхнем по
схеме положении. Подбором емкостей конденсаторов С10, С11, С12, С13
производится согласование блока ФОС с 50-омной нагрузкой по минимуму
затухания в полосе прозрачности ЭМФ. Для этого в среднюю точку
трансформатора Т4 подается напряжение от генератора стандартных сигналов
(ГСС) с 50-омным выходом, например Г4-18. А к средней точке Т5
подключают 50-омный милливольтметр [1]. Для "нижних" ЭМФ частота ГСС
устанавливается около 499 кГц, для "верхних" — около 501 кГц.
Резисторы
R30-R33 устанавливаются только в случае возникновения самовозбуждения
каскадов УПЧ, их номинал подбирается опытным путем. Однако следует
учесть, что установка этих резисторов заметно ухудшает чувствительность
модема в режиме приема.
Следующий
этап настройки — установка оптимальных напряжений гетеродинов для СМ1 и
СМ2. Движки резисторов R1 и R28 устанавливаем в среднее положение. На
вход модема подают сигнал от ГСС частотой 1900 кГц, а на выход УЗЧ
подключается милливольтметр переменного тока. Постепенно увеличивая
напряжение гетеродинов, на соответствующих входах смесителей, и подбирая
номиналы резисторов R2 и R29 необходимо добиться максимальных показаний
милливольтметра [1,5,6].
Далее переводят модем в режим ТХ. Подключив микрофонный усилитель,
который будет в дальнейшем использоваться в трансивере, добиваемся
максимального подавления несущей оперируя вначале подстроечными
элементами первого смесителя R1,C1,C2 , а затем элементами второго
смесителя R28, С39, С40. Степень подавления контролируют
милливольтметром, подключенном к выходной обмотке Т1 (прибор и методика
описаны в [ 1, 5, 6]) по минимальным показаниям прибора. Затем,
подключив микрофон и прослушивая сигнал контрольным приемником,
устанавливают такой уровень модулирующего НЧ сигнала , чтобы не было
заметно на слух искажений сформированного SSB-сигнала.
Как
было отмечено выше, на базе данного ВЧ модема возможно построить
вседиапазонный KB трансивер. Для этого необходимо в блоке ФОС заменить
ЭМФ на кварцевый фильтр. Автор рекомендует 8-резонаторный, лестничного
типа, как наиболее простой в изготовлении и настройке. Так же как и ЭМФ,
кварцевый фильтр необходимо согласовать с 50-омными нагрузками. Проще
всего это сделать при помощи широкополосных трансформаторов [2].
Усиление каскадов ПЧ необходимо ограничить уровнем 10 дБ на каскад, по
методике описанной выше. Так как затухание в полосе прозрачности у
кварцевых фильтров меньше, чем у ЭМФ, упомянутого уровня усиления по ПЧ
вполне хватает для сохранения высокой чувствительности (авторский
многодиапазонный вариант имел этот параметр около 0,1 мкВ!).
Схема ОКГ для модема с кварцевым ФОС показана на рис. 2.
Конструкция
работоспособна до 20 МГц, кварц возбуждается на основной гармонике.
Номиналы деталей помеченные звездочкой при налаживании схемы подбирают
исходя из следующих соображений:
-- С*3 = С*4 (их емкость в пикофарадах численно равна длине волны в
метрах генерируемой кварцем). Иногда емкость С*4 выбирают в 1,5 раза
больше емкости — С*3 для улучшения возбуждения резонаторов;
-- емкостное сопротивление переходных конденсаторов С*5 и С*9 на частоте генерации кварца должно быть около 1к0м.
Для
установки частоты ОКГ на нижний скат характеристики фильтра, по уровню
—20 дБ, возможно придется последовательно с кварцевым резонатором
включить конденсатор или индуктивность.
Литература
1. Артеменко В. РЧ-тракт трансивера с ЭМФ. - " КВ-журнал", 1997, № 2.
2. Рэд Э. Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике. М. Изд. "Мир", 1990
3. Рэд Э. Схемотехника радиоприемников. — М. Изд. *Мир", 1989.
4. Поляков В.Т. Радиолюбителям о технике прямого преобразования. М "Патриот", 1990.
5. Артеменко В. "О методах налаживания смесителей." — "КВ-журнал", 1997, № 4; 5
6. Артеменко В. "SSB-минитрансивер с ЭМФ на 160 М." — "КВ-журнал", 1997, № 6.