Б. Степанов (UW3AX)
Г. Шульгин (UA3ACM)
"Радио" №9 1983
Хотя в принципе известны методы, позволяющие формировать однополосный сигнал сразу на рабочей частоте и сразу же на высоких уровнях мощности, в радиолюбительской, да и в профессиональной связной аппаратуре, они распространения не получили. Вот почему в большинстве современных SSB передатчиков и трансиверов всегда есть несколько каскадов, где происходит «линейное» усиление сформированного одноиолосного сигнала до требуемого уровня.
Слово «линейный» взято здесь в кавычки не случайно. Во-первых, в чисто линейном режиме (класс А) обычно работают лишь каскады предварительного усиления сигнала. При больших уровнях мощности (начиная примерное одного ватта) режим класса А становится весьма невыгодным, так как на аноде лампы или коллекторе транзистора постоянно рассеивается значительная мощность. Помимо чисто энергетических потерь это может привести к весьма тяжелому тепловому режиму аппаратуры. Именно поэтому в усилителях мощности обычно используют режимы классов АВ или В. Особенности усиления высокочастотного сигнала позволяют п в этом случае получить достаточно линейную амплитудную характеристику даже для однотактных каскадов. Во-вторых, при больших уровнях сигнала нельзя рассматривать как линейные уже и усилители, работающие в режиме класса А. Нелинейность (пусть даже незначительная) амплитудных характеристик усилителей в сочетании с достаточно сложным по спектру усиливаемым сигналом приводит к появлению побочных излучений, обусловленных интермодуляционными явлениями. Кроме того, при больших уровнях сигнала всегда есть опасность просто винти за пределы «линейных» участков амплитудных характеристик усилителей, что также приводит к увеличению побочных излучений.
Качество усилительных каскадов трансивера оценивают обычно по результатам испытаний двухтональным низкочастотным сигналом (1). Если два одинаковых по амплитуде, но различающихся по частоте (например, 1 кГц и 1,8 кГц) сигнала подать на микрофонный вход трансивера, то сформированный SSB сигнал должен иметь вид, показанный на рис. 1 а.
Отклонение формы выходного сигнала трансивера от идеальной свидетельствует о неправильном выборе режимов каких-то каскадов аппарата по постоянному току и (или) поступающих на ннх уровней высокочастотных напряжений. Для при мера на рис. 1б показана анодносеточная характеристика лампового усилителя, работающего в режиме класса В. Если уровень возбуждающего напряжения выбран правильно, то огибающая импульсов тока I` повторяет по форме огибающую двухтонального SSB сигнала 1. «Осциллограммы» 2 и 2' на рис. 1б иллюстрируют случай, когда одновременно выбраны слишком большими смещение на управляющей сетке лампы и уровень возбуждающего напряжения. Первая причина обусловпивает отсечку анодного гока Iа, а вторая — ограничение пиков сигнала, начиная примерно с уровня Ia max. Соответствующим образом будет искажена и осциллограмма выходного высокочастотного напряжения передатчика.
Осциллографический контроль двухтонального SSB сигнала позволяет устранить в основном лишь грубые просчеты в выборе режимов каскадов трансивера и в этом смысле он обязателен хотя бы на этапе налаживания аппарата. Количественные оценки соответствия SSB аппаратуры современным требованиям можно получить лишь, измеряя уровни внеполосных составляющих при испытании аппаратуры двухтональным сигналом.
Если на усилитель высокой частоты подать два одинаковых по амплитуде, но несколько отличающиеся по частоте сигналы, то из-за интермодуляционных явлений в усилителе его выходной сигнал помимо составляющих с основными частотами f1 и f2 будет иметь составляющие вида mf1+f2
Самыми интенсивными обычно являются составляющие нечетных порядков (3-го: 2f1 - f2, и 2f2 - f1 , 5-го: 3f1 - 2f2 и 3f2 - 2f1), которые находятся в непосредственной близости от основного сигнала.
На практике двухтональный ВЧ сигнал получают подачей на микрофонный вход трансивера двухтонального низкочастотного сигнала. Возможный спектр (упрощенный) SSB передатчика показан на рис. 2 (рабочая частота 14 200 кГц, НЧ сигналы — 1 и 1,8 кГц).
Здесь ИМ3 и ИМ5 — интермодуляционные составляющие 3-го и 5-го порядков соответственно. Составляющая 2 — остаток несущей, 1 — остаток второй боковой полосы (для сигнала частотой 1 кГц), 3 — составляющая, обусловленная второй гармоникой НЧ сигнала частотой 1 кГц. Для хорошей аппаратуры уровень интермодуляционных составляющих должен быть не хуже — 30...35 дБ по отношению к уровню основного двухтонального сигнала. Реальная картина спектра передатчика несколько сложнее. На рис. 3 показаны спектры выходного сигнала лампового SSB передатчика заводского изготовления (модель Т4ХС фирмы «Дрейк», США) при испытании его двухтональным сигналом [2].
Спектр рис. 3, а соответствует случаю, когда уровень сигнала, поступающего на микрофонный вход передатчика, не превышает некоторый максимально допустимый (с точки зрения перегрузки усилителя мощности). Здесь интермодуляционные составляющие 3-го порядка имеют уровень около — 34 дБ, а более высоких порядков — около — 50 дБ. Повышение уровня НЧ сигнала на 10 дБ и 20 дБ при отключенной системе ALC приводит к существенному возрастанию уровня интермодуляционных составляющих всех порядков (рис. 3б и 3в). Рис. 3г иллюстрирует эффективную работу системы ALC этого передатчика — увеличение уровня НЧ сигнала на 10 дБ (как и для рис. 36) не повышает уровня иитермодуляционных составляющих. Как и на рис. 2, здесь рабочая частота передатчика 14200 кГц, а частота модулирующих НЧ сигналов — 1 и 1,8 кГц.
Разумеется проще всего это сделать анализатором спектра заводского изготовления: с осциллографической индикацией или с ручной установкой частоты (селективным высокочастотным микровольтметром), но подобные приборы недоступны большинству радиолюбителей. Роль селективного микровольтметра может сыграть связной приемник, имеющий узкополосный фильтр по промежуточной частоте. Для того чтобы можно было для составляющих третьего порядка надежно измерить уровни - 30... - 40 дБ, подавление основного (двухтонального) сигнала фильтром при расстройках на 800...1000 Гц должно составлять 40...55 дБ. Подобные характеристики имеет далеко не каждый связной приемник.
Между тем сравнительно нетрудно изготовить простой анализатор спектра передатчика (селективный милливольтметр), используя технику прямого преобразования (например, [3]). Действительно, вся селективность приемника прямого преобразования определяется элементами низкочастотного тракта, где реализовать фильтры с достаточно крутыми скатами не представляет особой трудности. Наличие специфического зеркального канала приема прилегающего непосредственно к основному каналу не является в этом случае помехой: просто полоса пропускания приемника будет в два раза больше полосы пропускания селективных каскадов усилителя НЧ.
Структурная схема подобного селективного ВЧ милливольтметра приведена на рисунке.
Сигнал исследуемого передатчика, пройдя через входной аттенюатор АТТ, поступает на смеситель СМ, на который также подается и ВЧ напряжение с гетеродина ГЕТ. Продукты смешивания проходят через фильтр нижних частот ФНЧ и измеряются милливольтметром MB. Устанавливая частоту гетеродина вблизи частоты какой-нибудь составляющей исследуемого сигнала (разница между этими двумя частотами должна быть меньше частоты среза ФНЧ), мы можем измерить уровень этой составляющей милливольтметром. На практике на самом деле вовсе нет необходимости иметь в таком приборе перестраиваемый гетеродин. Он, кстати, должен быть весьма стабильным — ведь полоса пропускания приемника не может превышать 100 Гц, иначе будет крайне трудно эффективно подавить остальные составляющие сигнала. Гетеродин селективного ВЧ милливольтметра удобно застабилизировать кварцевым резонатором, а «подводить» составляю щие сигнала к частоте, на которую настроем милливольтметр, генератором плавного диапазона трансивера.
Очевидно, что в таком приборе лучше всего иметь автономное питание — это позволит исключить наводки передатчика на смеситель по цепям питания, а также наводки с частотой сети (они попадают в полосу пропускания селективных каскадов) от сетевого трансформатора.
Один из возможных вариантов схемного решения селективного ВЧ милливольтметра на основе приемника прямого преобразования показан на рис. 4.
Прибор предназначен для анализа спектра SSB передатчиков в диапазоне 7 МГц.
С входного разъема X1 сигнал передатчика поступает через регулируемый аттенюатор (резистор R1) и развязывающий аттенюатор (R2 - R4) на кольцевой смеситель (диоды V1 - V4). Нагрузка гетеродина — низкоомная (смеситель на диодах), поэтому между генератором (транзистор V6) и смесителем введен эмиттерный повторитель на транзисторе V5. Он работает при относительно большом токе эмиттера (около 30 мА), что обеспечивает малые искажения формы сигнала гетеродина.
Низкочастотный сигнал с выхода смесителя проходит через два фильтра нижних частот (LC-фильтр на элементах C2L1C3 и активный, 2-го порядка, на операционном усилителе А1). Коэффициент передачи активного фильтра в полосе прозрачности выбран равным единице. Оба фильтра имеют частоту среза около 100 Гц и вместе обеспечивают крутизну ската амплитудно-частотной характеристики прибора примерно 20 дБ на октаву. На выходе активного фильтра включен низкочастотный милливольтметр переменного тока на операционном усилителе А2. Милливольтметр имеет несколько пределов измерения, которые выбирают переключателем S1.
Суммарная амплитудно-частотная характеристика обоих фильтров и милливольтметра приведена на рис. 5.
При указанных на схеме номиналах элементов полоса пропускания по уровню — 3 дБ составляет примерно 80 Гц, а подавление сигналов, отстоящих от частоты среза ФНЧ на 800 Гц достигает 50...60 дБ. Как уже отмечалось, из-за зеркального канала приема полоса пропускания со входа милливольтметра в два раза больше (около 160 Гц), а сквозная АЧХ имеет провал точно посередине, в области нулевых биений между сигналами передатчика и гетеродина приемника.
Максимальный завал АЧХ в области низших частот определяется емкостью конденсатора С22 и сопротивлением резистора R26. На других пределах этот завал будет меньше, чем показано на рис. 5.
Питание прибора двуполярное, напряжением ±9 В, осуществляется от четырех батарей 3336 Л. Светодиод V9 служит индикатором включения прибора. Ток, потребляемый милливольтметром от источников питания,составляет примерно 40 мА и определяется в основном эмиттерным повторителем в гетеродине.
Поддиапазоны измерений в низкочастотном милливольтметре отличаются друг от друга в 3,16 раза, т. е. на 10 дБ. Это дает возможность при измерениях пользоваться одной, отградуированной в децибелах шкалой микроамперметра .
Большинство деталей селективного ВЧ милливольтметра собрано на печатной плате, которая показана на рисунке.
Плата рассчитана под установку следующих деталей:
резисторы — МЛТ-0,125;
конденсаторы (кроме электролитических) — КМ;
электролитические конденсаторы — К53-1;
дроссель L1 - Д1,3;
дроссель L2 - Д0,1;
кварцевый резонатор в корпусе Б1.
Трансформатор Т1 намотан проводом ПЭВ-2 0,3 (каждая обмотка — 13 витков) на кольцевом магнитопроводе типоразмера К7Х4Х2 из феррита с начальной и магнитной проницаемостью 400...600. Намотку ведут одновременно тремя проводами: начало и конец одного из них — обмотка I, соединенные вместе начало и конец оставшейся пары — средняя точка обмотки II. Провода перед намоткой можно свить вместе, но можно подготовить их к намотке и другим способом. Болванку (из любого материала — металла или диэлектрика) подходящего диаметра (так чтобы длина окружности была не меньше требуемой длины провода обмоток с учетом выводов) обматывают лентой из тефлона. Поверх нее наматывают плотно виток к витку (всего не менее трех витков) провод требуемого диаметра и, закрепив его копии, несколько pas промазывают обмотку тонким слоем клея («Суперцемент», «Момент» и им подобные). Перед нанесением очередного слоя клея необходимо убедиться, что предыдущий слой уже высох (не прилипает к пальцам). Затем обмотку перерезают в одном месте по образующей болванки и снимают получившийся плоский жгут. Он отстает от болванки свободно, так как клей практически не держится на тефлоне. Отделив полоску из трех проводов, наматывают таким плоским жгутом трансформатор Т1.
Диоды V1-V4, V7 и V8 - любые современные кремниевые высокочастотные диоды (КД503 и т. п.). Операционные усилители могут быть также практически любые (кроме К1УТ401 и К1УТ402). Разумеется при замене ОУ придется соответствующим образом изменить цепи коррекции и конфигурацию проводников печатной платы прибора. Кварцевый резонатор — на любую частоту в пределах любительского диапазона 7 МГц. В качестве L2 можно использовать, например, корректирующие дроссели индуктивностью 150... 320 мкГ от ламповых черно-белых телевизоров. При отсутствии стандартного дросселя индуктивностью 5 Г его можно намотать на Ш-образном магни-топроводе от низкочастотного трансформатора. Полевой транзистор V6 — любой из серий КП303 и КП302. Вместо транзистора КТ606 подойдут маломощные транзисторы КТ312 и им подобные в металлических корпусах. При такой замене к корпусу транзистора следует припаять легкоплавким припоем небольшую металлическую пластину — радиатор.
Микроамперметр РА1 может быть на ток полного отклонения 50...200 мкА с сопротивлением рамки в пределах 500... 1500 Ом. Указанные на схеме номиналы резисторов R26 — R30 являются исходными для прибора М24 на 100 мкА (сопротивление рамки 820 Ом).
Печатную плату и остальные детали (батареи, конденсатор С22 и т. д.) размещают в металлическом корпусе размерами примерно 200 х 120 х 120 мм. Внешний вид прибора в корпусе и расположение органов управления на его передней панели показаны здесь.
Его начинают с проверки режимов транзисторов по постоянному току. При необходимости ток коллектора транзистора V5 (его контролируют по падению напряжения на резисторе R11), устанавливают подбором резистора R12.
Затем подбором резистора R31 устанавливают минимальный ток (что-то около 5 мА), при котором еще четко регистрируется свечение светодиода V9.
Подав сигнал от звукового генератора на вывод 5 микросхемы А2, проверяют линейность шкалы низкочастотного милливольтметра ни самом нижнем пределе измерений. Образцовый милливольтметр следует подключить также непосредственно к выводу 5 ОУ, так как из-за малого выходного сопротивления каскада на микросхеме А1 возможны ошибки при отсчетах по собственному вольтметру звукового генератора. После этого, подав сигнал от звукового генератора в точку соединения резисторов R10 и R6 (образцовый милливольтметр по-прежнему должен быть подключен к выводу 5 микросхемы А2), снимают амплитудно-частотную характеристику тракта низкой частоты. Она должна иметь вид, показанный на рис. 5. Если образцовый милливольтметр широкополосный (ВЗ-38 и т. п.), то следует предварительно тем или иным способом сорвать генерацию гетеродина, так как иначе измерение больших затуханий будет невозможно из-за наводки сигнала гe теродина на образцовый милливольтметр. Появление «полки» на АЧХ до достижения уровня - 60 дБ (ее начало показано на рис. 5) свидетельствует о том, что есть наводки с частотой сети. В этом случае может потребоваться дополнительная экранировка платы. Иногда достаточно лишь изменить положение корпуса прибора по отношению к возможным источникам наводок (в большинстве случаев — сетевые трансформаторы аппаратуры).
После этого на вход анализатора спектра подают высокочастотный сигнал с генератора стандартных сигналов. Установив движок резистора R1 в левое по схеме положение, регулировкой выходного напряжения ГСС добиваются, чтобы ВЧ напряжение на первичной обмотке трансформатора Т1 было примерно 0,2 В (при больших значениях амплитудная характеристика смесителя на диодах V1 - V4 будет уже нелинейной). Изменяя частоту ГСС, добиваются отклонения стрелки микроамперметра. Переключатель S1 должен при этом быть в крайнем правом по схеме положении. Затем подбором резистора R30 добиваются отклонения стрелки микроамперметра на деление, соответствующее 0,8 от тока полного отклонения (это будет деление 0 дБ). Резисторы R26 - R30 удобнее подбирать, шунтируя их дополнительными, устанавливаемыми со стороны печатных проводников. Для этого исходные номиналы резисторов следует выбрать несколько большими, чем указано на схеме. После этого сигнал от ГСС уменьшают в 3,16 раза (на 10 дБ), переводят переключатель S1 в следующее положение и подбором резистора R29 вновь устанавливают стрелку микроамперметра на деление 0 дБ. Эту процедуру последовательно повторяют на всех поддиапазонах, постоянно контролируя правильную установку частоты
ГСС по максимальному отклонению стрелки микроамперметра.
Завершив подбор резисторов R26 - R30, градуируют шкалу прибора в децибелах . Расчетные значения точек для градуировки шкалы микроамперметра с током полного отклонения 100 мкА приведены в таблице. На этом налаживание прибора заканчивается.
| Деление шкалы микроамперметра | 101 | 89,8 | 80 | 71,3 | 63,6 | 56,6 | 50,5 | 45 | 40,1 |
| Уровень сигнала, дБ | + 2 | + 1 | 0 | — 1 | — 2 | — 3 | — 4 | — 5 | — 6 |
| Деление шкалы микроамперметра | 35,7 | 31,8 | 28,3 | 25,3 | 22.5 | 20,1 | 17,9 | 16 | 14,2 |
| Уровень сигнала, дБ | —7 | —8 | —9 | — 10 | — 11 | — 12 | —13 | — 14 | —15 |
Для проверки передающей SSB аппаратуры и анализа спектра ее выходного сигнала собирают установку, функциональная схема которой показана на рис. 6 в тексте (ДТГ — двухтональный генератор, ПЕР — исследуемый передатчик, R — эквивалентантенны, ОСЦ — осциллограф, АС — анализатор спектра).
Уровень сигнала генератора устанавливают таким, чтобы получить максимальный неискаженный (по осциллографическому контролю) сигнал передатчика. Часть этого сигнала снимается с делителя на резисторах R' и R", образующего эквивалент нагрузки, и подается на анализатор спектра. Уровень ВЧ напряжения, необходимый для нормальной работы прибора,составляет 2...20 В. Установив переключатель пределов измерения в положение «0 дБ», а ручку «Уровень» в среднее положение, изменением частоты ГПД передатчика добиваются максимального отклонения стрелки измерительного прибора (при необходимости регулируют ручкой «Уровень» поступающий на анализатор спектра сигнал). При перестройке ГПД должны наблюдаться два максимума, соответствующие выходному двухтональному сигналу. Максимумы эти «двойные», поскольку АЧХ анализатора, как уже отмечалось, имеет провал. Уровни этих двух составляющих могут несколько отличаться из-за неравномерности АЧХ микрофонного усилителя, (в них нередко умышленно ослабляют низшие частоты), а также АЧХ фильтра передатчика. В этом случае регулировкой уровня одного из НЧ сигналов генератора следует добиться того, чтобы амплитуды этих составляющих были по возможности близкими. Затем регулировкой чувствительности анализатора устанавливают стрелку измерительного прибора на деление «0 дБ».
Незначительно изменяя частоту ГПД «подводят» к рабочей частоте анализатора интермодуляцнонную составляющую и регистрируют ее уровень (не трогая ручки «Уровень», а лишь переключая пределы измерения). Отсчет производят по шкале прибора и по положению переключателя пределов. Так, если переключатель находится в положении «—20 дБ», а стрелка прибора находится на делении « — 8 дБ», то уровень данной интермодуляционной составляющей по отношению к уровню двухтонального сигнала будет — 28 дБ. На практике обычно измеряют только составляющие 3-го и 5-го порядков.
В заключение следует отметить, что анализ спектра передатчика, равно как и осциллографический контроль формы сигнала позволяют лишь наладить SSB аппаратуру, определить, в частности, предельные пиковые уровни выходного сигнала. В дальнейшем нормальная работа аппаратуры должна обеспечиваться либо эффективными автоматическими регулировками (ALC), либо постоянным контролем выходного уровня пиковыми индикаторами, из которых самым простым и надежным является обыкновенная неоновая лампочка.
1. Шульгин Г. Двухтональный генератор.— "Радио", 1981, № 4, с. 19—20.
2. Ganter Schwazbeck, SSB—QRM,— Es Slaml in tier cq - D1, Band 1 (1972—1977). DARС е. V.
3. Поляков В. Приемники прямого преобразования.— Москва, изд-во ДОСААФ GC'GP, 1981.
