Б.Родин (RW3AY)
"Радио-дизайн" №15
Наконец-то собран или куплен самый, самый лучший трансивер (приемник). Все работает просто замечательно, казалось бы, что еще нужно. До той поры пока не столкнешься с какой-нибудь нештатной ситуацией. Пройдет время и снова начинаешь задумываться, опять что-то не так, опять чего-то не хватает. Поэтому предлагаю продолжить разговор об улучшении некоторых приемных характеристик: снижении шума и, как следствие, повышении чувствительности и улучшении избирательности. В целом, поговорим об извечной радиолюбительской мечте. И мне кажется, что известная пословица, используемая в заголовке, как нельзя кстати, характеризует то, чем я хотел бы поделиться с интересующимся читателем.
В одном их ранних сборников "Р-Д" я вскользь упоминал о возможных вариациях включения узкополосного телеграфного фильтра в тракте ПЧ SSB приемника с одним преобразованием частоты. После нескольких экспериментов (результаты измерений, к сожалению, растворились во времени), опробовав несколько известных схемных включений, остановился на редко используемом в любительской практике варианте, структурно представленном на рис.1
Собственно говоря, я ни коим образом не претендую на авторство - идея не моя, и я лишь воспользовался ей. Хочу отметить, что не встречал подобное в любительских конструкциях. Хотя следует оговориться. Нам хорошо известны случаи, когда подобным образом согласуются, например, два 4-х кристальных фильтра SSB. Или широко распространенный способ снижения шумов - "подчисточный" фильтр на выходе УПЧ (с легкой руки RA3AO). В общем виде это выглядит точно также: на входе и выходе усилительного каскада устанавливаются кварцевые фильтры. Сегодня это неоспоримое и единственно возможное выполнение тракта ПЧ любительского связного радиоприемника с одним преобразованием частоты, а 20 лет назад подобными "примочками" почти никто не занимался. Я предлагаю воспользоваться точно таким же методом для повышения чувствительности.
Общеизвестно, что основная селекция (фильтрация) осуществляется в области малых сигналов. Фильтр основной селекции (ФОС) устанавливается на входе УПЧ, а не на его выходе . Только в этом случае следует ожидать сопоставимых показателей от работы тракта ПЧ в целом, что, собственно, и подтверждается многочисленными экспериментами. Включение телеграфного кварцевого фильтра вслед за фильтром SSB, а не как это делается обычно, на мой взгляд, выглядит еще более предпочтительно. А возражение "... мол, при таком включении увеличивается суммарное затухание...", несущественно, поскольку его легко скомпенсировать.
Удивительное наблюдение. Почему-то в большинстве любительских конструкций SSB фильтры ставятся на входе УПЧ, a CW на его выходе, причем об их качестве заботятся в самую последнюю очередь. Опрос самодеятельных разработчиков несколько озадачивает. Подавляющее большинство ответов сводится либо к дефицитности узкополосных фильтров, либо к их дороговизне. Тем самым качество работы отодвинуто на второй план. Складывается такое впечатление, что не только в первых SSB трансиверах, да и будущих моделях, напрочь забыли о телеграфном режиме и вводили его как-бы по необходимости.
Мне также довелось испытывать подобные трудности и приходилось всячески выкручиваться, вплоть до установки ужопалосных ЛЧ фильтров. В большинстве случаев они, несомненно, полезны и оказывают положительное воздействие, особенно, современные цифровые DSP системы.
Здесь же рассматриваются любительские конструкции, а не современная промышленная аппаратура, например, ICOM-756PRO, в котором полосовая фильтрация отдана на откуп аппаратурно-программнои цифровой обработке, пока еще недоступной подавляющему большинству самодельщиков. Поэтому разговор идет не о простых одно-двухзвенных фильтрах с неизвестными характеристиками. Все кварцевые фильтры, используемые для осуществления основной селекции, должны быть самым тщательным образом изготовлены, настроены и согласованы.
Компенсация дополнительного затухания, возникающего при последовательном включении кварцевых фильтров, производится компенсационным усилителем, обеспечивающим недостающую разницу. В режиме SSB включен только один кварцевый фильтр, в режиме CW - оба. Телеграфный фильтр и компенсационный усилитель составляют единое целое, и в SSB режиме не участвуют Реле обхода одновременно отключает связку "усилитель - CW фильтр".
Для чего в данном случае нужен компенсационный усилитель? Только для выравнивания уровней SSB и CW сигналов на входе УПЧ, чтобы разница при переходе из одного режима в другой не ощущалась по уровню, отображаемому S-метром и на слух.
Еще раз оговорюсь - приведенное выше схемное включение кварцевых фильтров не представляет ничего необычного, просто нечасто встречается в любительской практике. Собственно говоря, этим бы все и ограничилось, но спустя некоторое время ...
Казалось бы, что тут особенного. Подумаешь - соединил два фильтра подряд. Так-то это так, но интересное наблюдение: суммарная АЧХ не всегда совершенного кварцевого телеграфного фильтра при таком включении иногда выглядит даже предпочтительнее (как иногда выражаются специалисты - уши меньше торчат).
Встроив телеграфный режим в уже готовый SSB трансивер, какое-то время наслаждался работой CW в эфире до тех пор, пока не пришла мысль попробовать изменить (увеличить) усиление компенсационного усилителя. В результате получился практически пропорциональный прирост силы телеграфного сигнала. К сожалению, схема используемого усилительного каскада не обеспечивала "добавку" более 15...18 дБ. Но этого было уже достаточно, чтобы "визуально" оценить происходящее на слух. Сила сигнала на выходе приемника, как я уже упоминал, росла пропорционально добавке усиления, а собственные шумы радиоприемника оставались практически на том же уровне (незначительное увеличение). Отсюда вывод: добавка усиления между двумя кварцевыми фильтрами практически не ухудшает соотношение сигнал/шум. Говоря иначе, появилась возможность увеличивать чувствительность радиоприемника при практическом постоянстве соотношения сигнал/шум. (Чувствительность самого приемника в телеграфном режиме до эксперимента была не хуже 0,35 мкВ на 14 МГц) Прием слабых телеграфных радиостанций существенно улучшился. В сравнении с тем же действием при включении УВЧ на входе приемника, выигрыш был не в пользу последнего, причем на всех KB диапазонах.
Воодушевившись полученным результатом, решил проделать тоже самое в режиме SSB, Правда, какое-то время потребовалось на изготовление еще одного кварцевого SSB фильтра. Структурную схему пришлось немного переделать, и она преобразовалась к виду, приведенному на рис.2.
Компенсационный усилитель остается в телеграфном режиме, добавляется еще один регулируемый УВЧ. Его можно сделать с фиксированным усилением +6, +12, +18 дБ, соответственно, или с плавно изменяемым по желанию.
В эксперименте использовались самодельные лестничные фильтры. Первый некоммутируемый фильтр - 8-ми кристальный SSB фильтр с полосой пропускания 2,4 кГц, два других - 6-ти кристальные. CW фильтр с полосой пропускания 0,6 кГц. SSB фильтр получился с полосой пропускания около 2,8 кГц. Расчет кварцевых фильтров проводился по методике Жалнераускаса.
Как правило, связной радиоприемник оснащается УВЧ по входу. В моем приемнике тоже был, модный по тем временам, двухтактный УВЧ на 2-х КТ939А. Функционально он включался-отключался, и усиление его было фиксировано - около 20 дБ. К усилителю высокой частоты на входе радиоприемника предъявляются достаточно высокие требования и, прежде всего, он должен работать в широком диапазоне частот и обладать большим динамическим диапазоном.
Для сравнения: требования к усилителю, установленному между двумя кварцевыми фильтрами, значительно ниже. Во-первых, он работает в узкой полосе кварцевого фильтра, причем, во много раз меньшей "диапазонных ворот". Во-вторых, всегда на одной фиксированной частоте (ПЧ). Поэтому не исключено применение резонансного каскада на частоту ПЧ, но его динамические свойства должны оставаться достаточно высокими во всем диапазоне регулировок усиления.
Забегая вперед, хочу отметить следующее обстоятельство: во время эфирной работы практически забываешь о существовании входного УВЧ, а пользуешься только новым усилителем. Несмотря на то, что ВЧ каскад находится после смесителя в тракте ПЧ, его действие аналогично действию УВЧ на входе приемника до смесителя. Его можно называть прямым текстом, например, "УПЧ1". Мне же нравится название "УВЧ2" по аналогии с первым УВЧ. Но не в названии дело, а в практичности.
Каково его конечное усиление? Думаю, достаточно иметь запас около 18 дБ (3 балла по 6 дБ) плюс дополнительное усиление 6...8 дБ для компенсации потерь в пассивном преобразователе и согласующих цепях, если таковые имеются. Для активного преобразователя с коэффициентом передачи больше единицы компенсацию потерь можно не проводить. В любом случае усиление подбирается экспериментально. Нужно обратить внимание на усилитель промежуточной частоты. Если он не терпит десятикратную перегрузку по входу (как минимум, 20 дБ), будут проявляться неприятные искажения. Конечный результат определится конкретным приемником и соответствующим прослушиванием. Экспериментирование лежит в основе любительского конструирования.
Я намеренно не привожу конкретную схему усилительного каскада, а ограничиваюсь только структурной схемой. Подобные схемы хорошо известны из любительской литературы (в нашем сборнике они есть практически в каждом выпуске), также я не акцентирую внимание на согласующих и коммутационных цепях. Ведь, любительская аппаратура разнообразна и, что сгодится одному, другому может не подойти. Тем более, у каждого конструктора существуют собственные пристрастия и любимые наработки. Главное, на мой взгляд, это идея. Попытайтесь реализовать ее в своем радиоприемнике, исходя из имеющейся в наличии элементной базы. Я же использовал для этой цели транзистор КТ939А, включенный по схеме с общим эмиттером --- дорого, но сердито...
Необходимо помнить, что ни компенсационный усилитель, ни регулируемый усилитель не должны охватываться АРУ. Поэтому он должен обладать достаточно хорошей односигнальной амплитудной характеристикой (избирательностью.
Исходя из структурной схемы, принципиальную схему, предлагаю прорисовать самостоятельно. Попробуйте различные вариации УВЧ: широкополосные апериодические, если они обеспечат нужное усиление; резонансные с конечным усилением или с регулированием; на мощных биполярных или полевых транзисторах. Выбор практически неограничен, он определяется только личным пристрастием. Кому-то может показаться, что внедрение еще одного кварцевого фильтра, усложняет или даже удорожает конечную конструкцию. Спорить не берусь. Экономия на фильтре или существенное улучшение параметров приемного тракта, в любом случае выбор индивидуален. Но, если уж, принято решение провести подобную модернизацию, то следует следить за тщательными межкаскадными согласованиями.
Кстати, подобное включение УВЧ подходит и для приемников с преобразованием вверх. Наилучшее место для него после первого смесителя, до первого каскада усиления, охватываемого АРУ.
Подведем итог.
Чем же интересно такое расположение УВЧ, в структуре связного приемника? Прежде всего, тем, что в большинстве спучаев может отпасть необходимость использования традиционного УВЧ, по крайней мере, на KB диапазонах. Ни для кого не секрет, УВЧ на входе приемника снижает динамический диапазон, а на выходе смесителя, да еще между двумя узкими фильтрами — никогда! Это касается приемника с одним преобразованием частоты, но и в приемнике с несколькими преобразованиями, полагаю, можно получить положительный результат. Правда, на практике мне это утверждение проверить не удалось. Буду признателен, если кто-то повторит мои эксперименты, и подтвердит или опровергнет мои результаты. Что касается улучшения селекции за счет добавления второго фильтра, то кроме положительного эффекта, ничего другого и быть не может.
Приведенный выше способ усиления в узкой полосе можно использовать на самом входе приемника - в преселекторе. В "Р-Д" №1-96 была опубликована схема гетеродинного преселектора, созданного группой австрийских радиолюбителей. К сожалению, эта публикация осталась незамеченной, и я решил продолжить разговор. Попытаюсь еще раз привлечь внимание к теме предварительной селекции. Судя по полученным отзывам, сама тема интересна, но по понятным причинам ею интересуются, прежде всего, обладатели аппаратуры невысокого класса. Как правило, на создание устройств повышенной сложности отважится далеко не каждый.
Обладатели "разных кенвудов", несмотря на некоторые преимущества импортной аппаратуры, крепко сжав зубы, как-то сживаются и мирятся с помехами. Они практически не занимаются усовершенствованием своей аппаратуры, считая возможным решать проблемы за счет замены ее на еще более дорогую и совершенную, наивно полагая, что отмеченные недостатки отпадут сами собой.
У меня вроде бы "приличный кенвуд", но мне хорошо известно, каково приходится при работе на НЧ диапазонах среди "ошметков", которые сплошь и рядом излучаются нашими "доброжелателями".
А существуют ли еще какие-нибудь способы улучшения эфирной (приемной) атмосферы, кроме совершенствования антенн? Может быть и существуют. Допустим, убрать полностью мощную комбинационную помеху практически невозможно, а ослабить ее воздействие все-таки представляется возможным. Анализируя свой предыдущий опыт, и опыт своих коллег, хочу предложить немного измененную структуру входного пресепектора. Он структурно повторяет конструкцию австрийских радиолюбителей, отличие лишь в том, что вместо одного кварцевого фильтра в нем используются два, а между ними установлен регулируемый усилитель, как показано на рис.3.
Тем самым производится совмещение узкополосной фильтрации с одновременной аттенюацией уровня принимаемого сигнала. Вот здесь и находится то местечко, куда может быть установлена связка "фильтр - усилитель - фильтр".
В связном радиоприемнике любому из входящих в него узлов отводятся определенные функции и предъявляются повышенные требования. Не секрет, любой приемник, от самого простого до сверхсложного, начинается с антенны. Входная цепь, непосредственно примыкающая к антенному гнезду, называется преселектором (сокращение от выражения предварительный селектор). В большинстве любительских приемников чаще всего используются пассивные преселекторы, иногда, активные, содержащие усилительный каскад. Самым простым преселектором может служить обычный колебательный контур, настроенный на нужную частоту (подразумевается частота принимаемого диапазона). Одиночный контур (с высокой добротностью) обладает двумя существенными недостатками: его приходится подстраивать в пределах даже одного любительского диапазона, и довольно трудно оптимально согласовать по входному сопротивлению с фидерами нескольких антенн. В простых конструкциях этими недостатками пренебрегают, поэтому и качество диапазонной селекции невысокое.
Для улучшения селектирующих свойств, входную цепь усложняют и составляют из двух и более связанных контуров. В этом случае создается резонансная система для каждого из любительских диапазонов. Подстройки в пределах диапазона не требуется - полоса пропускания выбирается соответственно ширине диапазона. Достаточно лишь скоммутировать нужный диапазон. Согласование с антенным фидером на нужное волновое сопротивление производится без проблем. Иногда, входная цепь еще более усложняется: полоса пропускания сужается и вводится элемент настройки (многосекционный конденсатор переменной емкости). Здесь также отмечаются некоторые недостатки и, прежде всего, полоса пропускания, в зависимости от выбранного диапазона, не постоянна; сложная настройка, сопряжение и большие габариты всей резонансной системы в целом. Но в ряде случаев и такой селекции бывает недостаточно. Мне не довелось попробовать различные Q-умножители, поэтому этот класс селектирующих устройств здесь не рассматривается.
Загруженность любительских диапазонов, взаимные помехи, некачественные сигналы и т.п. создают предпосылки к созданию более сложных устройств, с помощью которых можно было бы уже на самом входе радиоприемника ослабить или полностью отстроиться от мешающей станции или помехи.
В современных условиях создавать высокодобротные узкополосные резонансные системы вряд-ли кому захочется. В домашних условиях осуществить подобное далеко не просто. Поэтому и вспомнился метод переноса радиочастотного спектра на некоторую промежуточную частоту, выделение узкого частотного участка кварцевым фильтром и обратное восстановление на частоте входного сигнала. Если при этом вместо фиксированного использовать генератор переменной частоты, то таким своеобразным "частотным окном" можно перемещаться в пределах требуемого диапазона. Исходя из того, что в основе метода используется генератор частоты - гетеродин, такой узел и получил название "гетеродинный преселектор". Структурная реализация подобного узла приводится на рис.3.
Любой радиолюбительский приемник - высокочувствительное устройство. На НЧ диапазонах в большинстве случаев его чувствительность даже чрезмерна и приемник сам по себе становится "собирателем" помех. С целью снижения уровня принимаемого сигнала находит применение антенный аттенюатор, особенно, на НЧ диапазонах. Вводимое затухание в 20...30 дБ, конечно же, помогает ослабить воздействие эфирных помех, но не всегда позволяет освободиться от нежелательной помехи, да и принимаемую станцию можно потерять.
Хорошо бы "соорудить" преселектор, совмещающий функции аттенюатора с вносимым затуханием 20...30 дБ (суммарное) и узкополосного усилителя-компенсатора с усилением, скажем до +20 дБ или больше.
Если поступить, таким образом, как показано на структурной схеме, то от входа до выхода преселектор сам по себе внесет ослабление принимаемого сигнала около 30 дБ (за счет пассивных элементов схемы). Такого ослабления, на мой взгляд, многовато, и его желательно, хотя бы частично, скомпенсировать. Частичная компенсация производится с помощью согласующих по сопротивлению, повышающих ВЧ-трансформаторов 1:4 или 1:9, установленных после каждого из кварцевых фильтров. Они помогают практически полностью скомпенсировать затухание в самих фильтрах.
Регулируемый резонансный усилитель в данном случае будет тем самым плавным аттенюатором - он либо полностью скомпенсирует затухание (максимум усиления), либо еще более его подчеркнет (минимум усиления). Необходимое усиление может обеспечить 20-децибельный резонансный каскодный усилитель. Других усилительных каскадов в преселекторе не предусматривается.
Небольшое отступление. Если в приемнике или трансивере имеется УВЧ, было бы интересно узнать, в каком случае прием будет лучше - с усилителем преселектора или с встроенным УВЧ?
К схеме местного гетеродина особых требований не предъявляется. Можно собрать свою любимую испытанную схему или повторить схему австрийских любителей. Главное, гетеродин должен устойчиво работать на низкоомную нагрузку 50 Ом и его следует хорошо эаэкранировать. Какое-либо просачивание ВЧ сигнала должно быть полностью исключено. В противном случае Вы получите еще один источник нежелательных помех.
Способность самостоятельной реализации того или иного устройства ~ отличительная черта наших радиолюбителей. Была бы предложена интересная идея. Предлагаемый для реализации преселектор не сложнее ВЧ каскадов любого связного приемника, и самостоятельная работа над ним может послужить хорошей экспериментальной практикой в конструировании ВЧ узлов приемной аппаратуры. На мой взгляд, у рассмотренного здесь преселектора, будут некоторые преимущества по сравнению с конструкцией австрийских любителей.
На что следует обратить внимание при самостоятельной разработке принципиальной схемы. Преселектор включается между антенной и 50(75)-омным входом радиоприемника, поэтому к его реализации предъявляются повышенные требования. Для упрощения согласования все структурные элементы преселектора соединяются между собой через однотипные истоковые повторители на полевых транзисторах, например, КП903А. Буквально их четыре: на входе первого и второго смесителей, а также перед первым кварцевым фильтром и s буферном каскаде. Каждый из повторителей работает при токе не менее 40 мА, исходя из этого, проектируется источник питания преселектора.
Регулируемый усилитель можно собрать по каскодной схеме на паре мощных транзисторов, например, КП903А и КТ606А. Схематично он в точности повторяет усилительный каскад УПЧ с "двухтактным" эмиттерным повторителем (см, "Р-Д" №№ 4-96, 1-97). Изменяются лишь величины резисторов. Коллекторный ток (не менее 40 мА) задается базовым делителем. Каскад может быть широкополосным, но при этом не удастся реализовать в полной мере его усиление, или резонансным.
При разработке принципиальной схемы преселектора-аттенюатора и ее дальнейшей реализации можно воспользоваться отдельными узлами из австрийского преселектора. Мне же представляется, что предпочтительнее использовать два высокоуровневых кольцевых смесителя, я не привожу их принципиальную схему, они хорошо известны и в большом количестве содержатся в книгах Э.Рэда и других. В сборниках "Р-Д" разных лет также приводились схемы любопытных высокоуровневых смесителей, которые могут подойти для реализации гетеродинного преселектора, но в данном случае я не сторонник многоэлементных решений.
Отдельный разговор - на какую частоту осуществлять перенос спектра принимаемого сигнала и какова полоса пропускания используемых фильтров. Здесь следует вспомнить о некоторых особенностях супергетеродинного приемника:
зеркальном канале и комбинационных составляющих. В конечном итоге идет речь о непосредственном выборе кварцевых фильтров. Тут уж следует опираться на имеющиеся возможности. Можно начать с доступных ЧМ фильтров на частоту 10,7 МГц с полосой пропускания 15 кГц. Или изготовить их самостоятельно.
На входе преселектора для защиты 1-го смесителя установлен дискретный аттенюатор от 0 до -18 дБ (три ступени по 6 дБ). Для удобства настройки на нужную станцию вводится переключатель "Полоса". Узкая полоса пропускания определяется, непосредственно, кварцевыми фильтрами, широкая обеспечивается "узкополосным" LC-фильтром. Его полоса пропускания зависит от конфигурации и не должна превышать 50...70 кГц. В преселекторе предусмотрена возможность обхода с выхода аттенюатора через эмиттерные повторители.
Конструктивно преселектор собирается на секционированной плате из фольгированного стеклотекстолита, с тем, чтобы полностью исключить высокочастотное просачивание между каскадами. Размещается он в хорошо экранирующем и удобном для работы корпусе. Для обхода пресепектора могут быть использованы любые высокочастотные реле и небольшие отрезки тонкого коаксиального кабеля. Все каскады низкоомные (50 Ом), поэтому межкаскадные согласования должны производиться соответствующим образом. На самом деле не все уж так и сложно, это всего лишь рекомендации, которые всегда учитываются при изготовлении любой высокочастотной аппаратуры.
Собственный опыт работы на НЧ диапазонах подсказывает - да, стоит. Хорошая диапазонная селекция плюс ступенчатый аттенюатор в какой-то степени улучшают общую приемную атмосферу. Но в ряде случаев может понадобится еще что-то. Вот этим чем-то и будет гетеродинный преселектор.
Можно однозначно утверждать, что при совместной работе с большинством известных радиоприемников Р-326, Р-250, Р-399 и т.п., не говоря уже о самодельной аппаратуре UW3DI, UA1FA и им подобным, в большом количестве используемым до сих пор, будет отмечен более чем положительный эффект.
Следует ожидать ощутимый выигрыш при совместной работе с большинством известных импортных трансиверов. Известно, что во многих из них практически полностью отсутствует (в нашем понимании) диапазонная селекция.
Как правило, подобные "примочки" оснащаются органами управления. Понятно, что дополнительные ручки не прибавляют оперативности, но кто утверждает, что ими нужно пользоваться постоянно. Входная узкополосная селекция обеспечивает сравнительно комфортные условия приема в довольно сложных эфирных условиях и не более того. Большую часть времени гетеродинный преселектор может пребывать в выключенном состоянии. Хотя в большинстве случаев все определяется местными условиями и используемой аппаратурой.