Итак,
было решено повысить, пусть даже ценой уменьшения выходной мощности,
линейность передающего тракта. Казалось бы, всё просто – уменьши
мощность, и всё будет О'К! Достаточно войти в меню (как в моём TS-50),
или повернуть соответствующую ручку. Ан нет. Снижение "раскачки" в
усилительных каскадах, работающих в режиме класса В (а именно такие
используются в качестве оконечных и предоконечных в большинстве
импортных трансиверов) не только не приводит к уменьшению
интермодуляционных искажений (далее – IMDx, где х – порядок продукта),
их относительный уровень может даже возрасти (знакомые всем искажения
типа "ступенька") Не даром буржуи обычно указывают уровень IMD,
измеренный относительно максимальной выходной мощности. Тщательным
подбором тока покоя транзисторов можно, безусловно, оптимизировать
уровень IMD для какого-нибудь одного уровня мощности, но при изменении
частоты, мощности либо температуры вся оптимизация сойдёт на нет
(меняется угол отсечки). Из всех возможных способов выхода из данной
ситуации, ввиду ограниченности объёма уже существующего конструктива, я
выбрал самый примитивный – переход в режим класса А. Плата за это –
низкий КПД, и, как следствие, повышенное тепловыделение, в связи с чем
выходную мощность пришлось снизить до 10 Вт – при таком уровне на
трансивере рассеивается порядка 80 Вт при самом неблагоприятном раскладе
(максимальное напряжение питания, передача включена, режим молчания) и
около 60 Вт в номинальном режиме. И с тем, и с другим система охлаждения
трансивера успешно справляется даже при максимально допустимой
температуре окружающей среды для данного аппарата. Для сравнения:
примерно столько же рассеивает непеределанный аппарат в режиме FM при 10
Вт на выходе. Таким образом, возможность длительной работы на передачу
сохраняется – практически 100% цикл в любых условиях, что важно для
работы цифровыми видами. Помимо переделок усилителя мощности, были
приняты меры по улучшению формы посылок в режиме CW. Для оценки
линейности передающего тракта проводились измерения уровня IMD3, в
некоторых случаях измерялись также уровни IMD5 и IMD7. Для измерений
использовался спектроанализатор "Tektronix-492". Трансивер запитывался
от стабилизированного лабораторного источника питания, напряжение
выставлялось 13.8 В. Для проверки стабильности полученных результатов
трансивер испытывался также на повышенном и пониженном напряжении
(11...18 В).
Возникает
закономерный вопрос – а может быть, всё и так прекрасно, стоило ли
тратить время на какие-то весьма сомнительные доработки? Предлагаю
простой эксперимент. Берём осциллограф с полосой пропускания канала Y не
хуже 20...30 МГц (лично я использовал С1-74 и С1-99). Из
безындукционных резисторов, например, типа МОН, собираем П- или
Т-образный аттенюатор на 20...30дБ с входным и выходным сопротивлениями
50 Oм, способный хотя бы несколько минут выдержать 100 Вт. Вход
аттенюатора подключаем к выходу трансивера, а с выхода аттенюатора
подаём сигнал на осциллограф, не забыв при этом конец кабеля со стороны
осциллографа нагрузить на 50 Ом. Частоту трансивера устанавливаем пониже
и вблизи точки переключения выходных фильтров (трансивер "раскрытый"). В
моём TS-50 это была частота 1999.9 кГц. Нажимаем на ключ или подаём на
микрофонный вход немодулированный тон, и наблюдаем форму сигнала –
чистый "синус". Переходим на приём и перестраиваем частоту вверх, пока
не услышим лёгкий щелчок – частота 2000.0 кГц, включился следующий
выходной фильтр, его частота среза примерно в два раза выше. Переходим
на передачу, и что мы видим – от "чистого синуса" не осталось и следа –
"ступенька" видна невооружённым глазом, а синусоида больше смахивает на
"пилу". И это при том, что даже этот ФНЧ прилично ослабляет гармоники
сигнала. Входим в меню, меняем мощность – результат, естественно,
примерно тот же. Форма сигнала при этом симметричная, что говорит о
преобладании нечётных гармоник, а уровень последних тесно связан с
уровнем IMD, ответственных за расширение полосы сигнала. Это,
собственно, и послужило сигналом тревоги. Трансивер был не на гарантии,
поэтому первое, что пришло в голову – раздобыть "Service manual",
пройтись по контрольным точкам, проверить исправность элементов и
соответствие всех режимов, что и было сделано. Однако всё оказалось в
полном порядке. Тогда я решил измерить уровень IMD с помощью
спектроанализатора. Уровень IMD3 составил –23...–26дБ, IMD5
-35...–40дБ, IMD7 – порядка –50дБ, были видны и продукты более высоких
порядков. При изменении выходной мощности либо частоты несколько
изменялось соотношение различных составляющих спектра, но общий характер
картины сохранялся. Очень похожие "картинки" можно увидеть в [2], хотя
они и относятся к совершенно другим трансиверам, некоторые из которых на
порядок "покруче", чем мой TS-50. Схемотехника выходной части-то,
практически, одна и та же. Цифры, приведённые в [3], также неплохо
увязываются с этими "картинками", хотя некоторые мне показались
несколько завышенными.
Что
означают подобные уровни IMD? Станция с полосой полезного сигнала
2.5кГц, принимаемая с уровнем S9+20дБ будет слышна на уровне S8 в полосе
6...8 кГц, полоса по уровню S6...S7 составит 8...13 кГц, а по уровню S4
– от 15...20 кГц до полдиапазона. При работе с необитаемого острова на
антенну типа "случайная верёвка" этого вполне достаточно, а вот в
варианте трансивер+усилитель+нормальная антенна – у соседей, да и не
только, на мой взгляд, могут возникнуть проблемы с приёмом вне
зависимости от "динамики" их аппаратов.
Результаты измерений уровня IMD и ширины полосы излучаемого сигнала после переделки трансивера приведены в таблицах.
| Р вых. | "H" (10Вт) | "M" (5Вт) | "L" (1Вт) |
| IMD3, dB/PEP | -36... -39 | -45...-46 | -56...-58 |
| IMD5, dB/PEP | -51...-56 | - | - |
Таблица 1. Уровень интермодуляции 3-го и 5-го порядков
при испытании двухтоновым сигналом.
| Уровень выходной мощности |
"H" (10Вт) | "M" (5Вт) | "L" (1Вт) | Уровень измерения | |
| Относительный, дБ | По шкале "S" | ||||
| Ширина полосы излучаемого сигнала, кГц |
2.5 3.0 5.0 6.0 7.0 8.0 |
2.5 2.7 3.0 3.5 6.0 7.0 |
2.5 2.6 2.8 3.0 4.0 6.0 |
0 -30 -35 -40 -50 -60 |
S9+20дБ S8-4дБ S7-3дБ S6-2дБ S4 S3-4дБ |
Таблица 2. Ширина полосы излучения при подаче
на вход белого шума.
Имевшемся
в моём распоряжении спектроанализатором удалось отчётливо рассмотреть
составляющие максимум 5-го порядка, и то при максимальной мощности. В
положениях "M" и "L" отчётливо видны были продукты только 3-го порядка.
Суммарный
ток потребления трансивера после переделки составил примерно 5А в
режиме передачи независимо от выходной мощности. КПД выходного каскада
при Рвых=10 Вт при этом около 25...30%.
На
рис.1 представлен фрагмент схемы узла "FINAL UNIT", в который были
внесены изменения. Здесь и далее на схемах изображены лишь основные
элементы и соединения. Позиционные обозначения элементов соответствуют
указанным на принципиальной схеме, прилагаемой к пользовательскому
описанию. Дополнительно введённые элементы, а также те, тип или номиналы
которых были изменены, изображены жирными линиями. Элементы, которые
были удалены, изображены пунктиром. Позиционные обозначения
дополнительно введённых элементов содержат символ " ' ", и имеют
собственную нумерацию, например R'5.
Суть
внесённых в схему изменений следующая. Резисторы R'2 и R'3 образуют ООС
по току в драйвере. На линейность каскада она влияет мало, её главное
назначение – стабилизация режима транзисторов Q2 и Q3 при работе с
большими токами покоя и повышение устойчивости каскада. R'4 –
положительная ОС, частично компенсирующая сильное уменьшение усиления,
возникающее из-за введения глубокой ООС. Назначение резисторов R'5, R'6,
и R'7, установленных в оконечном каскаде, аналогично назначению R'2,
R'3 и R'4 в драйвере. Необычный вариант ПОС обусловлен тем, что
"классические" варианты с применением емкостей негативно сказываются на
устойчивости усилителя и требуют тщательного подбора элементов, повышают
требования к монтажу. Попытка применения ПОС с использованием емкостей
привела к возникновению генерации в виде паразитных шумовых полос,
отстоящих на несколько сотен КГц от несущей, возникающих при охлаждении
трансивера, и от этой идеи пришлось отказаться.
Диод
D2 исключён, резистор R'1 позволяет установить необходимое смещение для
транзисторов Q2, Q3 с помощью резистора VR1. В цепь формирования
напряжения смещения транзисторов Q5, Q6 введены элементы R'8, R'9.
Сохранено размещение диода (D'5) на корпусе транзистора Q5,
терморезистор R'9 размещён вблизи Q5, под резисторами, образующими R'5.
Резисторы R'2...R'7 – обязательно безындукционные, например типа МОН.
R'5 и R'6 состоят каждый из 4-х включенных параллельно резисторов по 1.2
Ом, R'7 – из 2-х по 1.0 Oм, для уменьшения паразитной индуктивности
длина их выводов должна быть минимальной. Транзисторы Q2, Q3 были
заменены на КТ920В. Попытка установить "родные" 2SC3133 через слюдяные
прокладки закончилась плачевно – спустя некоторое время один из них
вышел из строя из-за КЗ эмиттера (корпуса) на землю. Транзисторы КТ920В
установлены на места Q2, Q3 при помощи дюралевых уголков толщиной
3,5...4 мм – на одну поверхность уголка привинчивается транзистор,
другая поверхность привинчивается к радиатору. Поверхности,
обеспечивающие тепловой контакт, должны иметь минимальные шероховатости.
Применение теплопроводящей пасты также обязательно. Крепёжные отверстия
в уголках сделаны так, чтобы транзисторы располагались как можно ближе к
основному радиатору.
Изменения
коснулись и выходного трансформатора (L13) – количество витков
вторичной обмотки уменьшено с 4-х до 2-х. Таким образом, коэффициент
трансформации по сопротивлению уменьшился в 4 раза, что эквивалентно
увеличению во столько же раз сопротивления нагрузки каждого из
транзисторов. Это положительно сказывается на линейности (для
обеспечения одного и того же уровня IMD требуется существенно меньший
ток покоя). Мощность 1дБ компрессии при этом составляет примерно 30...35
Вт, чего вполне достаточно, чтобы при Рвых=10 Вт иметь уровень IMD3
порядка –36дБ, что и подтвердилось на практике. Кроме этого, такая
переделка дала ещё один положительный эффект – уменьшилась индуктивность
рассеяния трансформатора (компенсирующие ёмкости С38, С44 оказались при
этом ненужными, даже вредными). В результате уменьшились потери в
трансформаторе и его собственная неравномерность АЧХ. Как следствие,
величина IMD стала практически одинакова на всех диапазонах, при пробном
переводе каскада в класс В исчез разброс тока потребления в зависимости
от диапазона, наблюдавшийся ранее. АЧХ усилителя мощности (сигнал
подавался на вход платы "FINAL UNIT") приобрела практически монотонный
характер с максимумом в районе 7...14 МГц и завалом на частотах 1.5 и 30
МГц порядка 3дБ, что несколько лучше, чем было изначально, и вполне
нормально для трёхкаскадного усилителя, тем более, что в TS-50
постоянство выходной мощности в зависимости от диапазона поддерживается
за счёт работы ALC. Исполнение вторичной обмотки выходного
трансформатора имеет одну особенность – "фирменный" провод заменён на
вчетверо сложенный наш родной МГТФ. Диаметр провода при этом подбирался
так, чтобы обмотка плотно, но без деформации изоляции провода, заполняла
трубки (фторопласт обладает текучестью, особенно под нагревом, это
нужно учитывать). Использование одиночного или двойного "фирменного"
провода давало худшие результаты в отношении неравномерности АЧХ,
возможно, из-за меньшего и менее равномерного заполнения объёма трубок.
Режимы
транзисторов следующие: токи через каждый из транзисторов Q2, Q3 – по
450 мА, Q5, Q6 – примерно по 1.4...1.5А – как в режиме покоя, так и в
режиме максимальной мощности, не должны сколько-нибудь заметно
различаться во всём диапазоне рабочих температур трансивера.
Уровень
максимальной мощности задаётся регулировкой резистора VR14 на плате
TX/RX UNIT, а регулировкой резистора VR1 микросборки IC11, размещённой
на плате TX/RX UNIT, устанавливается чувствительность системы защиты от
превышения КСВ. В принципе, после уменьшения выходной мощности
трансивера эту регулировку можно было и не трогать, но я всё же выставил
её так, чтобы при КСВ=3 мощность уменьшалась до 30% от номинала.
Кстати, об эффективности этой защиты. Как я заметил в ходе
экспериментов, если сопротивление нагрузки, приведённое к выходу
трансивера, будет чисто активным, хотя и сильно отличающимся от 50Oм
(например, Rн=15Ом, соответствует КСВ>3), защита отреагирует на это
слабо, или вовсе не отреагирует, что при Рвых=100Вт может закончиться
весьма печально, хотя, конечно, вероятность возникновения такой нагрузки
в реальной жизни крайне мала. При Рвых=10Вт подобная ситуация ничем не
грозит, т.к. запасы по предельным параметрам достаточно велики. Во время
возни с трансивером после всех его переделок пришлось несколько раз
нечаянно столкнуться ещё и с ситуациями КЗ и холостого хода
непосредственно на выходном разъёме, но и с этим аппарат успешно
справился.
Следует
отметить также, что попытки улучшить линейность передающего тракта без
изменений в схеме, например, простым увеличением тока покоя
транзисторов, пригодного для практики результата не дали – это приводило
к тому, что диоды термокомпенсации даже при относительно небольшом
увеличении тока уже не справлялись со своей задачей, при переходе на
передачу ток покоя начинал довольно быстро расти, грозя выйти из-под
контроля – используемые в УМ транзисторы, вообще-то, не предназначены
специально для работы в режимах класса АВ или А, в связи с чем без
глубоких ООС, стабилизирующих режимы, было не обойтись. Кроме того,
простое увеличение токов покоя в ряде случаев приводило к потере
устойчивости и возникновению "подвозбуда", маскируемого полезным
сигналом.
Следующая
переделка коснулась режима CW. При наблюдении на осциллографе формы
телеграфных посылок было обнаружено, что длительность фронтов составляет
всего лишь примерно 0.5мс, вдобавок на переднем фронте посылки
наблюдается выброс около 15...20% по амплитуде. После переделки
длительность фронтов приблизилась к рекомендуемым в [1] 5мс, а выброс
амплитуды на переднем фронте посылки при первом нажатии на ключ (переход
с приёма на передачу) уменьшился до 5...10%, при дальнейшей манипуляции
он практически отсутствует. При скорости манипуляции 10...50 Гц полоса
излучаемого сигнала составила примерно 1кГц по уровню –60дБ.
На рис.2 и рис.3 представлены фрагменты схем, в которые были внесены
изменения. Изменения на плате Z10 (TX/RX UNIT), рис 2, влияют на
длительность фронтов телеграфной посылки.
Введены
элементы C'1 и R'1, увеличены ёмкости C3, C4 и C5. Следует отметить,
что изменение соотношений номиналов элементов в этой части схемы может
вызвать серьёзное искажение формы посылки, в связи с чем необходимо в
обязательном порядке контролировать форму посылки, причём не только в
вершине радиоимпульса, но и вблизи нулевых уровней (в самом начале и в
самом конце импульса), при разных, в т.ч. сильно превышающих
"нормальные", скоростях манипуляции.
Изменения
в микросборке IC11 (ALC, TX/RX UNIT) заключается в увеличении емкостей,
уже имеющихся в схеме – параллельно им установлены С'1 и С'2 (рис.3) –
это существенно уменьшает выброс на переднем фронте телеграфной посылки,
не ухудшая работу схемы, в т.ч. и с другими видами излучения.
Помимо описанных выше довольно серьёзных изменений, были сделаны небольшие, но, на мой взгляд, полезные доработки.
Последовательно
в цепь питания трансивера был введён диод для защиты от переполюсовки
источника питания. В трансивере уже имеется диод для подобной защиты, но
включен он параллельно, видимо, весь расчёт разработчиками делался на
то, что в случае переполюсовки либо сгорит предохранитель, входящий в
состав "родного" шнура питания, либо сработает защита от КЗ "фирменного"
источника. На мой взгляд, на подобные вещи лучше не полагаться
(трансивер, всё-таки, стоит недёшево), а чтобы падение напряжения на
диоде было минимально, был использован диод с барьером Шоттки 40CPQ045
(сборка из двух диодов, катод – общий, аноды я включил параллельно).
Падение напряжения на диоде при токе 5А составило примерно 350 мВ, что
ненамного увеличило минимальное рабочее напряжение трансивера, а
эффективность защиты повысило многократно.
Для
стыковки трансивера с компьютером через СОМ-порт, над платой
процессора, непосредственно на его экране, была установлена "буферная"
плата. Главная цель её установки – защитить дорогостоящие "мозги" от
всевозможных казусов с линией управления. Схема платы приведена на
рис.4.
Входы/выходы
платы со стороны трансивера были соединены с соответствующими дорожками
на плате процессора вблизи разъёма CN6, а входы/выходы, идущие к
компьютеру, были выведены экранированным проводом на заднюю панель, для
чего разъём подключения тюнера был заменен на другой, имеющий большее
количество выводов, куда и были заведены концы управления как тюнером,
так и трансивером. Может быть, не совсем удобно, но другого подходящего
места на корпусе TS-50 я не нашёл.
Преобразователь уровней интерфейса RS-232, во избежание помех приёму, я в
корпус трансивера "запихивать" не стал, он собран в отдельном корпусе,
соединённом с трансивером кабелем длиной около 50см. В качестве
преобразователя я использовал микросхему МАХ-242, но, в принципе,
подойдёт любая другая аналогичного назначения. Схему её включения
приводить здесь смысла нет, она типовая, и взята из соответствующего
справочника. На данный момент трансивер успешно опробован с программами
"RIG-EQF", "TRX-Manager", "Kentrol", "DX4WIN", "Logger", а использование
различных программ DSP даёт возможность в полной мере насладиться
"прибамбасами" более "крутых" аппаратов. Для начала я попробовал "Chroma
Sound" и остался доволен, но это уже тема для отдельного разговора.
Последняя
доработка – чисто механическая (спасибо за идею UA3AIC). На ось
валкодера была одета плотно пригнанная к передней панели втулка,
внутренний диаметр которой точно соответствует диаметру оси валкодера.
Всё дело в том, что ручка валкодера достаточно массивная, а собственная
его втулка, как и ось, выполнена из силлуминового сплава. В результате
при длительной эксплуатации аппарата возникает износ, приводящий к
ощутимому "болтанию" ручки, от чего и защищает дополнительная втулка, на
которую перераспределяется основная нагрузка при вращении. Идеальный
вариант в данном случае – вообще вставить подшипник, но мне в TS-50 это
сделать не удалось – слишком всё маленькое.
На
этом мои доработки трансивера закончились. В таблице представлены
результаты проделанных мной измерений некоторых параметров трансивера.
| Параметр | Измеренное значение | Режим измерения |
| Подавление несущей | 56дБ 60дБ |
USB LSB |
| Подавление нерабочей боковой | 40дБ 50дБ |
Частота модуляции: 300Гц 400Гц |
| Подавление побочных составляющих | 60дБ 70дБ |
Выходная мощность: "L" "H" |
| Спектральная плотность фазовых шумов (измерено на диапазоне 28МГц) | -88дБ/Гц -93дБ/Гц -110дБ/Гц -117дБ/Гц |
Отстройка относительно несущей: 500Гц 1КГц 5КГц 10КГц |
К
сожалению, имевшаяся в моём распоряжении измерительная техника не
позволяла измерить динамический диапазон приёмного тракта. Анализ
схемотехники и режимов работы узлов до ФОС позволяет сделать вывод, что
результаты измерений, проведённых в лаборатории ARRL, приведённые в Р/Д
№13, с 88, заслуживают доверия. Нужно только учитывать, что кварцевый
фильтр, стоящий в тракте первой ПЧ, имеет довольно большую полосу
пропускания (в TS-50, например, около 14 кГц), соответственно, при малых
отстройках реальная избирательность будет определяться линейностью уже
не первого, а второго смесителя, либо обратным преобразованием шумов
гетеродина, и будет уже существенно хуже. Это, видимо, и является
причиной возникающих порой даже сейчас в эфире споров, хорошая у
"иномарок" "динамика", или плохая – а всё зависит, как измерять.
Что
касается возможных доработок приёмного тракта, я о них много слышал,
кое-что считаю полезным, но делать ничего не стал, т.к. получить
серьёзное улучшение параметров готового трансивера сложно, а из-за
несерьёзного, на мой взгляд, не стоит усложнять себе жизнь – аппарат и
так неплохо работает. По крайней мере, при регулярной работе в эфире на
этот аппарат в течение 2-х лет мне ни разу не приходилось сталкиваться с
перегрузкой приёмного тракта, несмотря на то, что в радиусе 100м...3км
от меня расположено ещё несколько р/любительских станций, а несколько
дальше размещён довольно мощный р/вещательный центр. А вот "сплэттеры"
от довольно далеко расположенных станций время от времени встречаются,
причём как от станций, где используется самодельная аппаратура, так и от
оснащённых "фирменной" техникой. А проверяется просто: если при
включении на вход приёмника "честного" резистивного аттенюатора
отношение сигнал/помеха улучшается – виноват приёмник, слабовата
"динамика", а если при этом данное отношение не изменилось - "грязь" на
передающей стороне. При этом, конечно, S-метр приёмника должен быть
нормально отградуирован.
В
заключение, хотелось бы процитировать "Маркса" (в лучшем смысле слова)
[1]: "Реализация … достаточно жёстких требований в приёмнике, однако,
окажется бесполезной, если аналогичных значений плотности мощности
внеполосных излучений не обеспечить в передатчиках…"
73 from RW3FY!
Литература:
1. В.Дроздов "Любительские КВ трансиверы".2. "Радиолюбитель КВ и УКВ" №10, 11 – 2000г., №2 – 2001г.,
3. "Радио - Дизайн" №10, с. 74 – 76.
4. "TS-50S service manual"
5. "TS-50S instruction manual"
6. "TS-450 instruction manual"
7. "TS-570 instruction manual"
8. "TS-870 instruction manual".