В. Артеменко (UT5UDJ),
"КВ-журнал" №6 1998г.
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.
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.