Приемник на 80м.
Идея создания миниатюрного приемника пришла в связи с необходимостью иметь для работы в экспедициях или на выездах малогабаритное устройство, потребляющее незначительную энергию от автономных источников питания. Попросту говоря так- пока основной трансивер выключен, этот приемник работает как дежурный в ожидании вызова корреспондента. Однако результат превзошел все ожидания - достаточно простое устройство оказалось весьма высококачественным! Конечно, открытий здесь никто не сделал, принцип прямого преобразования известен очень давно и подробно описан в литературе, надо отдать должное В.Т. Полякову, как идейному вдохновителю и пионеру. Просто захотелось создать приемник, который будет работать у всех и сразу и при минимуме затрат обеспечивать вполне приемлемое качество работы. Должен заметить, чтобы полностью реализовать заявленные параметры необходимо тщательно отладить приемник, поэтому наладке и подробному описанию работы того или иного блока приемника, а также выбору схемотехнического решения будет уделено максимум внимания. Принципиальная схема приемника приведена на рис.1
Правильно настроенный приемник обладает крайне высокой чувствительностью, порядка 0,12 мкВ при соотношении сигнал/шум 12 дБ, что позволяет слушать ночной эфир на подсоединяемую штыревую антенну длиною 1м. Это особенно удобно, когда находишься в движении или погода не позволяет расположить трансивер прямо на открытом воздухе.
Также приятно удивило качество принимаемых сигналов – эфир ожил, стали различаться индивидуальные особенности передаваемых сигналов, шум изменился и перестал быть назойливым. А вот назойливостью шума особенно грешат недорогие импортные трансиверы (а порой и дорогие), где шумы синтезатора, УПЧ и других каскадов складываясь, превращаются в «водопад» шумов, в которых тонет шум самого эфира. Знатоки сразу зададут вопрос - для чего на 80 метровом диапазоне, где уровни шума и сигналов в десятки раз больше пороговой чувствительности приемника реализовано значение лучше 0,12 мкВ? Ответ прост. Штыревая антенна длиной 1 м является сильно укороченной по отношению к полноразмерной и соответственно обеспечивает необходимое для нас ослабление входных сигналов. Также, как известно, динамическим диапазоном приемника является диапазон уровней входных сигналов, ограниченных снизу пороговой чувствительностью, а сверху, например, интермодуляционными искажениями третьего порядка. Это верно, если мы говорим о динамическом диапазоне по интермодуляции. Также, если верхним критерием будет уровень сигнала, вызывающий ослабление чувствительности приемника на 3 дБ, то это будет динамический диапазон по блокированию ( по уровню -3дб). Так что, общим параметром является здесь нижняя граница динамического диапазона, то есть чувствительность. Соответственно, отодвигая нижнюю границу вниз (повышая чувствительность) мы увеличиваем динамический диапазон приемника. При наличии слабых сигналов при приеме на штырь нам высокая чувствительность крайне необходима и если ее нет, то и взять ее неоткуда, а вот сильный сигнал всегда проще ослабить при помощи пассивного аттенюатора. Как показывает практика, применение разного рода управляемых нелинейных элементов во входной части нелучшим образом влияет на помехоустойчивость приемника.
Более подробно проблема многосигнальной селективности описана В. Дроздовым,
Б. Реуттом, учебником для ВУЗов «Радиоприемные устройства» и другие источники. Конструкторы современной аппаратуры связи относят приемник прямого преобразования (DCR Direct Conversion Receiver) как к несерьезной конструкции начинающего радиолюбителя, хотя практика показывает, что создание высококачественного приемника выливается в весьма нетривиальную задачу, ведь по сути по своей это главная часть практически любого приемника , то есть основной блок «смеситель-гетеродин», отвечающий за чувствительность и помехоустойчивость приемника.
Как известно, особое значение в работе приемника принимает коэффициент шума гетеродина, а также форма его сигнала. Если же мы выбрали режим работы смесителя на линейном участке характеристики, то для достижения наилучших характеристик необходимо, чтобы форма сигнала также была наиболее приближена к синусоидальной. Эту проблему легче всего решить, включив истоковый повторитель VT3 непосредственно к катушке индуктивности гетеродина L4. Сразу замечу, что на стабильность частоты этот способ включения влияет незаметно, зато преимущества при получении нужной нам формы сигнала неоспоримые – мы лишаем себя удовольствия подбирать рабочую точку транзистора задающего генератора VT2, достаточно лишь установить исправные элементы. Шумы гетеродина минимальны и чистота спектра выходного сигнала будет всегда выше, чем у синтезатора, даже высококлассного.
Стабильность частоты обеспечивается жестким монтажом и использованием высококачественных элементов. Например, КПЕ с воздушным диэлектриком C13 и конденсаторы с нормированным низким ТКЕ C11. Проблемам осуществления высокой стабильности также посвящено немало статей и работ. Конструктивное исполнение приведено на рис.2
Применение электронной настройки приводит к значительному снижению стабильность частоты и увеличению Кш гетеродина из-за низкой добротности варикапов, в тоже время точная подстройка с помощью переменного резистора R6 избавляет нас от применения громоздкой механики. Был найден компромисс- расстройка с помощью варикапов V1 V2 и составляет около 10% от общего перекрытия по частоте и составляет примерно 15 кГц. Использование транзистора типа КП601 VT2 обусловлено высокой крутизной его характеристики при достаточно низком напряжении питания, а также низким Кш (около 2 дБ на f= 100МГц). С некоторой натяжкой его можно заменить на КП903А, а маломощные полевики в этом случае не развивают мощности, достаточной для раскачки смесителя. Сказывается низкая крутизна характеристики 3-7 мА/В, по сравнению с 35-70 мА/В для транзисторов большой и средней мощности. Однако это не препятствие для создания гетеродина на маломощных полевиках, возможно придется добавить дополнительный каскад усиления. Биполярные транзисторы достойная альтернатива полевым и их использование в данной конструкции никакими убедительными доводами не ограничено, хотя заявленные характеристики были реализованы используя именно этот тип транзисторов. Применение повторителя на полевом транзисторе VT3 позволяет осуществить помимо развязки цепи «гетеродин-смеситель» еще и согласование импедансов между ними. Это особенно необходимо для нормального функционирования смесителя T2T3 V3-V6, рассогласование входных сопротивлений которого ухудшает коэффициент передачи и, как следствие ухудшает чувствительность приемника. Данное утверждение справедливо в отношении всех портов смесителя. Аналогично выполнено согласование смесителя по сигнальному порту смесителя, ведь в теории он полностью идентичен с гетеродинным портом, да и на практике тоже. Помимо согласования, каскад по схеме с общим стоком на транзисторе VT1 усиливает сигнал по току, то есть выполняет функции УВЧ и предотвращает попадание сигнала гетеродина в антенну. Сигнал разностной частоты F1+_F2 поступает на простейший диплексер выполненный на C21 R11, обеспечивающий нагрузку смесителю и на ФНЧ, собранный по схеме П-контура на С22 С23 и L5 , который срезает частоты выше 3 кГц и не дает сигналу гетеродина попасть на вход УНЧ. Просачивание этого сигнала нередко приводит к самовозбуждению УНЧ или значительному увеличению нелинейных искажений. Обнаружить это явление можно пронаблюдав форму сигналов на выходе УНЧ или на входе- уровень шума должен быть в пределах, указанных для данного типа усилителя. Также очень хорошо подходит для этих целей анализатор спектра. ФНЧ здесь еще определяет и избирательность приемника, аналогичную с избирательностью по соседнему каналу в супергетеродине. В нашем случае она невысокая и составляет примерно 30дБ при расстройке на 6 кГц. Выполнен он на торе из феррита 1000НМ и содержит около 200 вит. провода ПЭЛ 0,1. Применение двух и трехзвенных ФНЧ вызывает специфический «звон» в канале приема, а фильтры на ОУ, а тем более цифровые фильтры неоправданно усложняют конструкцию. Более подробное описание ФНЧ находится в книгах В.Т Полякова. Предварительный УНЧ преднамеренно создан на дискретных элементах VT4 VT5 , так как в данном включении обеспечивается минимальный шум при возможности легко подкорректировать АЧХ и Ку усилителя. Увеличение емкости С28 уменьшает усиление на высших частотах, ее значение варьируется в пределах 10-33 нФ и подбирается индивидуально на слух оператора. Емкость С30 регулирует общий коэффициент усиления и в случае самовозбуждения ее можно уменьшить, опытное значение составляет 0,1-1,0 мкФ. Использование транзисторов типа КТ208 более предпочтительно, хотя бы потому, что они обладают невысокой граничной частотой и уменьшают риск самовозбуждения на ВЧ. Использование обычных ОУ не обеспечивает приемлемых характеристик, хотя бы потому, что справочные данные верны при использовании двуполярного источника питания и напряжений порядка 15В на каждое плечо усилителя, а нестандартное включение напрочь перечеркивает все, что написано в справочнике. В идеале бы применить специально разработанную микросхему однополярного УНЧ с высоким Ку и низким коэффициентом шума. Подобные микросхемы выпускаются импортными производителями типа Analog Devices, мало того, они оснащены системой глубокой АРУ. К сожалению, они непомерно дороги и найти их весьма сложно. Усиление мощности по НЧ выполняет неплохой усилитель DA1 на доступно микросхеме LM386, где 100 мВт более чем достаточно для работы на низкоомные наушники или небольшой динамик.
Неплохой альтернативой может служить МС типа К174УН31 или 34. Их потребляемый ток в покое не более 7 мА, а выходная мощность в мостовом включении достигает 1 Вт, кроме того они требуют минимума внешних элементов и совсем недороги.
УНЧ в нашем случае требует к себе особого внимая по части качества изготовления, потому как является блоком, главным образом определяющим общий коэффициент усиления приемника, достигающим 90-100дБ. Электролитические конденсаторы желательно применять танталовые серии К53, а керамические типа КМ. Использование же различных суррогатов иногда приводит к непобедимому самовозбуждению. Малосигнальные цепи выполняются экранированным проводом возможно меньшей длины. Блок гетеродина более сложен для исполнения, так как требует глухой экранировки и применения теперь уже дефицитных КМ.
Входной полосовой фильтр выполнен на диэлектрических каркасах диаметром 8мм и содержат по 35 вит. Провод ПЭЛ 0,3. Отводы сделаны от 3 и 7 витков, начиная с первого.
Трансформаторы Т2 и Т3 выполняются на тороидальных сердечниках типа 7х4х2 и содержат 3х10 витков скрученного с шагом 3 скрутки на см провода ПЭЛ 0,3. Т1 содержит 4 вит. первичной и 10 вит. вторичной обмотки из того же провода. Методика изготовления широкополосных трансформаторов на линиях описана у Бунина и Яйленко, также в книге Э. Реда «Схемотехника радиопремников».
Настройка приемника начинается с определения границ перестройки гетеродина. Установив КПЕ в положение минимальной емкости, что соответствует наивысшей частоте приема, увеличиваем емкость до максимальной и получаем полный диапазон перекрытия по частоте. Если перекрытие больше, чем нужно, последовательно с КПЕ включаем постоянную емкость и добиваемся перекрытия в нашем случае 150 кГц от 3600 кГц до 3750кГц, что попадает в SSB участок диапазона 80м. Границы перекрытия абсолютно некритичны и выбираются исходя из предпочтений конструктора. Точкой подключения отвода находим место, где амплитуда сигнала на выходе повторителя оптимальна для работы смесителя, а это около 0,8 В эффективного значения на нагрузке 30-70 Ом. Точные значения специально не привожу, ибо сколько Ом точно вряд ли кто скажет, а сколько должно быть тем более. Сложившееся убеждение, что сопротивление должно быть ровно 50 Ом верно для тех, кто собирает «50 Омный радиоконструктор», а для нас главное, чтобы оно было одинаковым в точках сопряжения. После окончательного подбора всех значений емкостей и положения отвода, добиваемся нужного перекрытия при помощи варикапов (касается тех, кто решился отказаться от верньера). Процедура аналогична. После окончательной настройки гетеродина его необходимо наглухо запаять, а цепи питания и управления вывести через проходные емкости. Выход ВЧ осуществляется экранированным кабелем минимальной длины.
Окончательно выполненный гетеродин выглядит так, как показано на рис.3
Настроив гетеродин, не следует сразу окончательно запаивать экран, он обязательно внесет свои коррективы в предыдущую настройку. Если удалось подстроечным конденсатором вернуть прежние значения настроек, то только теперь можно окончательно изолировать гетеродин от окружающей среды. Снаружи корпус гетеродина обклеивается тонким поролоном или пенопластом толщиной около 4-5 мм, с целью исключения быстрых уходов частоты при резком изменении внешней температуры. Правильно собранный и настроенный гетеродин не должен менять частоты настройки даже при заметных ударах по корпусу и допустимый уход частоты не должен превышать 20 –50 Гц за час работы. Столь высокая стабильность частоты достигается применением катушки из керамики с вожженым серебром, из радиостанций военпрома СССР (см.рис 2). Также можно и желательно применить термокомпенсацию. Термостатирование неоправданно усложнит конструкцию и увеличит на порядок потребляемый ток. Столь жесткие требования к гетеродину вызваны желанием использовать приемник в любых погодных условиях, и при механических нагрузках. Если же приемник дальше комнаты не уедет, катушку допускается намотать самостоятельно на керамическом каркасе D20мм или выполнить в броневом сердечнике.
Настроив гетеродин, приступают к настройке входного фильтра по максимуму сигнала, процедура подробнейше описана в литературе и сводится к подбору емкостей и точной подстройки сердечниками катушек по максимуму принимаемого сигнала. Один нюанс- настройка ведется на штырь, с которым приемник в дальнейшем будет работать. Если сделать наоборот, разница в импедансах лишает нас главной возможности -слушать эфир на короткий штырь в силу сильного рассогласования. Работа же на наружную антенну порой требует включения аттенюатора порядка 20-30дБ. Подстройка ФНЧ сводится к добавлению или уменьшению емкостей п-фильтра до получения заметного ослабления частот свыше 3 кГц. АРУ в приемнике реализована не была, хотя и желательна. Сопротивление R_ между выводами 1 и 8 МС1 позволяет установить желаемый постоянный Ку.
При желании приемник можно пересчитать для работы на других диапазонах, следует изменить частоты гетеродина и входного фильтра или вообще сделать многодиапазонным. Нетронутой в этом случае остается весьма широкополосная конструкция смесителя с цепями согласования и блок НЧ.
После окончательной настройки платы приемника крепятся в корпусе из фольгированного текстолита размером 100х100х45 мм.Рис5.
При монтаже блока гетеродина в корпус следует исключить значительные механические напряжения, а ось ротора должна плавно поворачиваться с одинаковым усилием. Окончательную настройку входного фильтра осуществить непосредственно в корпусе, после чего зафиксировать каплей парафина.
Приемник выполнен на платах из двустороннего стеклотекстолита, где одна сторона используется для дорожек, а другая в качестве сплошной земли, через отверстия в которой вставляются выводы элементов. Блок ВЧ-НЧ изображен на рис.4
Питание приемника осуществляется от аккумуляторов с напряжением 7,2 В. Стабилизация напряжения не применяется. Общий потребляемый ток составляет 60 мА в отсутствии сигнала. Такое относительно высокое потребления связано в первую очередь с необходимостью обеспечить нормальный режим работы гетеродина и раскачку смесителя, все остальные каскады потребляют значительно меньший ток. Тем не менее при емкости аккумулятора 600 мА/ч время непрерывной работы составляет 6-10 часов и зависит от интенсивности поступающих на вход приемника сигналов.
Внешний вид приемника на рис.5
