Для мастеров своего дела: схемотехника современного УКВ/СВЧ трансивера
Dipl.-Ing. Helmut Oeller – DC6NY. Из журнала FUNKAMATEUR № 2, стр. 209…211 и № 3, стр. 294…295
Японские трансиверы ориентированы в основном на японских и американских потребителей на мировом рынке. Большинство же работающих на УКВ и СВЧ любителей во всём мире для экипировки своих станций вынуждены исходить из своих собственных возможностей.
С другой стороны, современная доступная элементная база позволяет создавать довольно простые по конструкции трансивера, параметры которых удовлетворяют современным требованиям.
DX и Contest-менам, тем, кто занимается радиосвязью с отражением от Луны
и следов метеорных потоков и в других случаях необходимы устойчивые к воздействию сильных сигналов и, в то же время, обладающие достаточной чувствительностью для применения в наших земных условиях, приёмные устройства. Исследование примерно 20 наиболее часто применяемых радиолюбителями УКВ/СВЧ трансиверов промышленного изготовления дали лишь только приближающиеся к удовлетворительным результаты в вышеупомянутом плане, да и то, - лишь у устаревших моделей.
Рис. 1. Фото опытного образца трансивера. Вид со стороны передней панели.
Ограничение количества регулировочных элементов и удобство обслуживания компромиссны.
Чтобы упростить задачу и сохранить высокие параметры аппаратуры при довольно простом исполнении активными и опытными контест-менами было разработано новое семейство трансиверов, в которое вошли однодиапазонные трансиверы на диапазоны 50, 144 и 432 МГц. В качестве устройства, на основе которого были разработаны трансиверы, явился микроволновый трансвертер Kuhne electronic [1], который, путём обустройства и модернизации, был доведён до “полнокровного” микроволнового трансивера.
Цели разработки. Перед собой была поставлена цель довести у разрабатываемых устройств устойчивость к воздействию сильных сигналов (динамический диапазон, забитие – UA9LAQ) до уровня, превышающего таковую у трансиверов промышленного изготовления. Эти параметры у последних в рекламных проспектах на них и, даже в специальной технической литературе, упоминаются всколзь, на словах, без приведения конкретных и точных данных. Не вдаваясь в подробности всего написанного по поводу проблемы, суть остаётся одной: приёмник должен одинаково хорошо принимать как сильные так и слабые сигналы на фоне одного или нескольких сильных.
Слабые места в этом случае:
- избирательность по соседнему каналу входного устройства, (УВЧ) и УПЧ;
- интермодуляционные эффекты во входном устройстве (входном фильтре) и УВЧ;
- Блокирование, при этом, в УКВ/СВЧ диапазонах решающее значение имеет и фазовый шум местного генератора (гетеродина).
Важной при оценке качества
аппарата является также достижимая реальная чувствительность, вытекающая из соотношения
сигнал/шум, уровень шумов.
Рис. 2. Температурно-компенсированный ГПД помещён в толстостенный алюминиевый экран.
Из этих значений складывается, так называемый, динамический диапазон (в данном случае, приёмного устройства), сокращение, принятое в англоязычной литературе для данного параметра – SFDR. Он определяется как уровень постороннего сигнала (сигналов), который создаёт в приёмном канале помеху на уровне шумов. Здесь нужно строго различать интермодуляцию и блокирование. Требования относительно блокирования, интермодуляции и чувствительности на КВ и УКВ(СВЧ) различны: на КВ, вследствие наличия постоянного уровня помех нет смысла да и необходимости в достижении предельной чувствительности приёмных устройств. Но требования устойчивости к интермодуляции весьма высоки из-за постоянно действующих (особенно в Центральной Европе) радиопередающих (вещательных) станций, частоты которых лежат вблизи пределов любительских диапазонов. Интермодуляционные помехи возникают всегда при наличии, по крайней мере, двух сигналов на входе приёмного устройства, которые расположены на определённом расстоянии от частоты на которой присутствует помеха.
На УКВ/СВЧ максимально достижимая величина чувствительности не только нужна, но и оправдана. Но, к сожалению, достигнуть устойчивости к интермодуляции лучших КВ-приёмников эдесь не удастся. Не спасает положения рекламируемая комбинация УКВ/СВЧ трансвертеров с “хорошим базовым приёмником”. Обычное проходное усиление трансвертерного приёмного устройства составляет примерно 20 дБ, что на столько же ухудшает динамический диапазон базового приёмника. С другой стороны, требования к УКВ/СВЧ приёмному устройству ниже, так как внеполосные сигналы, как правило, отстоят далеко по частоте и могут быть отфильтрованы входным устройством, а вероятность появления мощного местного постоянно действующего сигнала очень мала. Таким образом, резко уменьшается и вероятность появления интермодуляционных помех.
Известно, что устойчивость к сильным сигналам определяется эффектом блокирования, т. е., таким уровнем местного нежелательного внеполосного сигнала (помехи), который достаточен, чтобы “заткнуть”, заблокировать Ваш приёмник, сделав его неспособным принимать полезные сигналы (эффект используется в военном деле для блокирования каналов связи противника – UA9LAQ). Для того, чтобы численно определиться с достаточностью динамического диапазона без блокирования приёмного устройства, считают, что таковой необходим в более чем 100 дБ, при частоте помехи, отстоящей от частоты приёма на 20 кГц. А это означает, например, что при соотношении сигнал-шум в 10 дБ, сигнал с уровнем S3 (-129 дБм) чистым сигналом S9+60 дБ (-33дБм) подавится (уменьшится) только на 3 дБ. Более высокие значения динамического диапазона возможны пока лишь на бумаге, так как сталкиваются с практическими проблемами, с одной стороны, недостаточна добротность доступных кварцевых канальных фильтров (вот бы поставить на входе! – UA9LAQ), а, с другой стороны, возможны различного рода перегрузки (деталей, а ещё и под большим вопросом достижение линейности в таком большом диапазоне уровней – UA9LAQ). Усиление УВЧ должно выбираться таким образом, чтобы только-только обеспечить достаточную системную чувствительность приёмника. Каждый новый децибел не повышает реальной чувствительности в земных условиях, а только на столько же ухудшает динамический диапазон. С нашей точки зрения, чувствительности приёмника лучше -127 дБ (0,08 мкВ) при соотношении сигнал-шум 10 дБ и полосе пропускания 2, 2 кГц (SSB), вполне достаточно. Остальные цели, поставленные перед разработкой серии трансиверов сведены в Табл.1.
Конструктивно базовый трансивер на диапазон 50 или 144 МГц должен состоять в основном из двух блоков: собственно платы трансивера и платы аналоговой ФАПЧ / ГПД.
Дополнительные модули различного назначения служат для усиления мощности или преобразования на более высокочастотные диапазоны. Все необходимые основные узлы уже должны быть заложены в базовой модели, чтобы потом, на её основе, можно было создать целый ряд трансиверов, и, например, подключить уже имеющийся микроволновый трансвертер DB6NT.
Предусмотренный способ поверхностного монтажа (SMD) обеспечивает минимальные объёмы трансивера и минимальный его вес. Следует также найти компромисс между удобством обслуживания (ремонта) и удобными формами и размерами при использовании аппарата в качестве стационарного и переносного.
Таблица 1.
Цели и задачи к разработке серии трансиверов.
- Блокирование: свободный от него диапазон - 100 дБ
- Чувствительность со входа приёмника - лучше – 127 дБм (0,08 мкВ) при отношении сигнал/шум 10 дБ и полосе пропускания 2,2 кГц (SSB)
- Компрессор речевого сигнала на передающей стороне
- ЗЧ фильтр для SSB и CW (автоматически переключаемый)
- Roger- Peep
- Проверочный вид работы для передатчика (тактируемый тест-сигнал)
- Ограничение количества отдельных функциональных блоков
- Возможность подключения микроволновых трансвертеров (DB6NT)
- Получение готового сигнала в базовом трансивере на 144 МГц и дальнейший его перенос в готовом виде на другие диапазоны
- Небольшие размеры и масса, пригодность для подвижной связи
- Простота обслуживания
- Защита от перегрузок как при CW так и при SSB
- Плавная перестройка частоты, без пошагового переключения по сетке частот и переключения поддиапазонов VXO
- Линейное изменение частоты (примерно 15 кГц на оборот)
- Быстрое изменение частоты настройки в пределах каждого из двух 500 кГц участков (CW/SSB или маяк)
- Цифровая шкала с дисплеем на жидких кристаллах (5 разрядов, разрешение 100 Гц)
- Плавная регулировка выходной мощности.
На составляющих системных частях трансивера, таких как, входное устройство (УВЧ), ГПД с аналоговой ФАПЧ хотелось бы остановиться поподробнее, так как от того, насколько грамотно они будут выполнены зависит как полная работоспособность трансивера, так и максимально достижимые его параметры.
Рис. 4. На этой экспериментальной плате размерами 147 х 72 мм находятся: входное устройство с УВРЧ, ПЧ и ЗЧ тракты, практически полный трансивер, кроме частотообразования ГПД.
Вход трансивера (Frontend). На Рис.
5 приведена принципиальная схема входной части приёмника и выходной части передатчика
базового трансивера на двухметровый диапазон.
Рис. 5. “Frontend” (вход и выход, т. е., то что “контачит” с антенной) трансивера на диапазон 2 м. Схема принципиальная электрическая.
Сигнал из антенны поступает в приёмный тракт на затвор транзистора BF991 с собственным уровнем шумов на частоте 144 МГц 0,8 дБ (SMD-вариант BF981-го) через входное устройство, подавляющее зеркальный канал. Наибольшую устойчивость к интермодуляции этого усилительного каскада обеспечивает минимизация внутренних обратных связей. Типичное значение усиления обратной связи (S12) двухзатворного полевого транзистора в схеме с общим истоком составляет - 20…-30 дБ. В применённой здесь схеме используется автонейтрализация (известная ещё со старых добрых ламповых времён), при этом усиление обратной связи уменьшается до - 50 дБ. Последующий фильтр осуществляет необходимую селекцию. Переключением “приём-передача” “занимается” миниатюрное реле. Чтобы реализовать уровень интермодуляции IP3 = +22 дБм, на кольцевой смеситель TUF-1MH фирмы Mini Circuits необходимо подать напряжение +13 дБм от местного гетеродина. Проходное усиление в режиме приёма с антенного гнезда до входа кварцевого фильтра составляет 12 дБ. Микросхема MSA 0886 обеспечивает в тракте передачи спектрально-чистый сигнал мощностью 20 мВт, достаточной для раскачки модуля усилителя мощности или подключаемого трансвертера. Необходимое подавление гармонических составляющих осуществляется в модуле усилителя мощности, как видно из Рис.3.
ГПД. Особое значение для качественной работы трансивера имеет получение гетеродинного напряжения с минимальным фазовым шумом.
Рис. 6. Фрагмент принципиальной схемы трансивера: ГПД на 133,3…134,3 МГц.
ГПД, собранный на сверхмалошумящем полевом транзисторе SST310-T1, помещён в толстостенный алюминиевый корпус и к тому же термокомпенсирован (Рис. 2). Рабочий диапазон ГПД, из-за желания получить минимальный фазовый шум, разбит на два поддиапазона по 500 кГц. Таким образом, отпадает надоедающее переключение кварцевых резонаторов в схеме с уводом частоты. Версия трансивера на 144 МГц, в основном, использует первый поддиапазон, где целиком помещаются чисто CW и чисто SSB участки. На Рис. 6 переключающий поддиапазоны PIN - диод D301 включен таким образом, что в критическом нижнем по частоте участке диапазона не происходит увеличение фазового шума из-за потери добротности колебательным контуром генератора. Через делитель R305/R307 напряжение с задающего генератора ГПД подаётся на буферный усилитель, собранный на микросхеме MMIC MSA 0886, который поднимает уровень напряжения гетеродина до требуемых смесителем + 13 дБм. Спектр напряжения гетеродина достигает качественных показателей промышленных измерительных передатчиков. Собственная стабильность ГПД достаточна для проведения коротких SSB QSO и без подключения системы ФАПЧ.
Схемотехника ФАПЧ. Из-за огромного желания получения минимального уровня фазового шума была выбрана схема аналоговой ФАПЧ с линией задержки в качестве опорного элемента, принцип которой изложен на Рис. 7 [ 2 ].
Рис. 7. Функциональная схема ФАПЧ с линией задержки.
По сравнению с более ранними конструкциями [3], здесь не только заложена современная элементная база, но и, благодаря собственной достигнутой высокой стабильности ГПД, путём дополнительного регулирования, ещё уменьшается фазовый шум.
Если на вход линии задержки подать синусоидальное (ГПД) напряжение частотой fo, то через время t л.з. это напряжение появится на её выходе. Для расчёта распределения фаз между входом и выходом линии задержки служит равенство:
φ л.з. = 360˚ · t л.з. · to (1)
Графическое представление этого даёт изменение фазы, представленное на Рис. 7. Задержанный сигнал ГПД питает порт 1 схемы сравнения фаз (фазовый детектор). Незадержанный сигнал поступает на порт 2 схемы сравнения фаз через устройство с устанавливаемым сдвигом фазы на угол φ. В свою очередь схема сравнения выдаёт напряжение ошибки, которое управляет частотой ГПД таким образом, чтобы фазы обоих сигналов совпадали и выходное напряжение схемы сравнения будет равно, в этом случае, нулю. Для частоты ГПД существует тогда равенство:
fo = φv / 360˚ · 1 / t л.з. (2)
Полный поворот фазы устройства сдвига фазы (фазовращателя) осуществляет линейное изменение частоты за время 1/64 мсек = 15,625 кГц. Каждый поворот фазы на угол 360 градусов даёт сдвиг частоты на 15,625 кГц, знак сдвига частоты (выше или ниже) зависит от ухода частоты ГПД. Вышеизложенное обеспечивает долговременное линейное поддержание частоты в данном поддиапазоне.
Рис. 8. Фото платы ФАПЧ. Плата ФАПЧ имеет размеры 109 х 72 мм и опаяна
полосами белой жести по периметру (экран). Такая экранировка и развязка
всех подключаемых проводов обеспечивает отсутствие свистов при
перестройке частоты по диапазону.
Генераторы с ФАПЧ на основе линии задержки имеют одну особенность: при включении, ГПД “встаёт” на непредсказуемую случайную частоту в пределах выбранного поддиапазона. Как было ясно из Рис. 7, существует вполне определённый сдвиг фазы для различных частот. Полученный сигнал проходит в счётчик, чтобы теперь на жидкокристаллическом дисплее получить действительное значение частоты. Так что, совсем без цифровой техники обойтись здесь не удастся.
Рис. 9. Фрагмент схемы трансивера. ФАПЧ. S1 служит в качестве переключателя Fast/Lock.
Рис. 10. Внизу в центре фото передней панели трансивера расположен
переключатель Fast/Lock, рядом ручка грубого выбора частоты, справа
внизу ручка расстройки - RIT.
В положении Fast (быстрый) соответствующего переключателя (см. Рис. 10), посредством обозначенного на Рис. 9 потенциометра быстрой установки частоты - G2, возможна не только быстрая установка частоты трансивера, находящегося во включенном состоянии, но и предустановка частоты перед включением трансивера, причём, с точностью до нескольких килогерц. При установке переключателя в положение Lock (захват), частота ГПД будет снова контролироваться ФАПЧ с точностью до фазы. Известные по синтезаторам с ФАПЧ, спектры частот и гармоник, возникающих в них помех, благодаря выбранной и применённой здесь схеме не могут возникнуть, так как единственная частота, получаемая от устройства есть сама частота ГПД. Из-за проходного затухания линии задержки, сравнение фаз возможно только в диапазоне частот, примерно, 3…6 МГц.
На Рис. 9 показана схема блока ФАПЧ, в которой напряжение ГПД с помощью микросхемы IC2 переносится в диапазон 3…6 МГц. Эта ПЧ раздельными путями подводится к аналоговому устройству сравнения фаз (фазовому детектору) IC4. Получаемое там напряжение ошибки проходит через буферный фильтр IC8 и управляет затем частотой ГПД. Один из вышеупомянутых путей содержит линию задержки VL (ЛЗ), другой - управляемый аналоговый фазовращатель Ph-C, выполненный в форме специального дифференциального КПЕ. Стабильность частоты гетеродина определяется большей частью стабильностью частоты кварцевого генератора IC1/Q1. В диапазоне температур 0…+40˚С уход частоты составляет менее 5 ppm. Расстройка в режиме приёма (RIT) возможна в пределах +/- 1,5 кГц.
Рис. 10а. Вид на трансивер со стороны задней стенки.
За свободной от соединителей задней стенкой аппарата может быть
расположен трансвертер или выходной усилитель мощности.
Трансивер на 70 см диапазон. Дополнив вышеописанный трансивер модулем 70 см диапазона (блок схема на Рис. 11), получаем отличный трансивер на 432 МГц. К достоинствам такого построения трансивера для 432 МГц с двойным преобразованием частоты следует отнести тот факт, что и чувствительность и динамический диапазон остаются такими же как на 144 МГц. Чтобы иметь возможность минимизировать избирательные цепи, частоты первого преобразования выбраны в диапазоне 122…123 МГц. При этом приём сильных сигналов по ПЧ в диапазоне 2 м исключён.
В любом случае, необходим высокоуровневый кольцевой смеситель, предварительным усилителем РЧ выступает здесь арсенид-галлиевый полевой транзистор (GaAs MESFET) CF739. Переключение “приём-передача” после общего фильтра (Helixfilter) осуществляется с помощью PIN-диодов с низким уровнем интермодуляции BAR63-03W фирмы Siemens. Особое внимание мы опять уделяем здесь низкому уровню фазового шума местного генератора (гетеродина), чтобы сохранить высокую устойчивость базового аппарата (приёмника трансивера на 2 м) к блокированию. Чувствительность приёмника здесь лучше чем - 128 дБм при соотношении сигнал/шум 10 дБ и SSB (2,2 кГц) полосе пропускания (соответствует 0,09 мкВ). Многокаскадный усилитель мощности с фильтром гармоник поднимает уровень сигнала передатчика 432 МГц до + 40 дБм (10 Вт).
Рис. 11. Блок – схема Front-End’а - модуля трансивера на 432 МГц (трансвертера на
432 МГц) к базовому трансиверу на 144 МГц.
Ряд типов трансиверов. Модульная конструкция позволяет довольно просто и дёшево изготовлять однодиапазонные конструкции трансиверов. Трансвертеры можно монтировать на задней стенке корпуса, они вместе с базовым трансивером образуют единую конструкцию, причём без “интервенции” в сам базовый трансивер и легко сменяемы. Для индивидуального применения существует целый набор пустых модулей, ряд которых систематизирован в таблице Tabelle 1. Базовый трансивер для трансвертеров может быть также изготовлен специально, при этом первую ПЧ лучше всего выбрать в диапазоне 143…144 МГц.
Tabelle 1.
Заключение. Статья не содержит инструкций к изготовлению трансиверов, в узком смысле этого слова (носит рекламный характер – UA9LAQ). Поэтому приведены только схемы поясняющие принцип работы того или другого узла без простановки номиналов деталей. SMD (поверхностный) монтаж на основной плате не каждому по плечу, а настройка и согласование требуют расширенного парка измерительных приборов. По поводу готовых аппаратов обращайтесь к автору [ 4 ]. Для тех, кто хочет собрать трансивер своими руками и, при этом, внести свои изменения и дополнения, также предусмотрены отдельные настроенные модули. В таблице Tabelle 2 приведены технические данные базового трансивера.
Tabelle 2.
Особую благодарность заслуживает Willi Stark – DK2GR за разработку блоков генераторов и за многочисленные измерения и иследования, подбор деталей перед монтажом.
Литература:
1. Kuhne electronic: Microwave components. www.db6nt.com
2.Kesler, J.,DK1OF: PLL-Oszillatoren mit Verzögerungsleitung, Teil 1:
Theoretische Grundlagen. UKW-Berichte 24 (1984), H. 3, S. 130…139
3. Kesler, J.,DK1OF: PLL-Oszillatoren mit Verzögerungsleitung, Teil 3:
Oszillator-Baugruppe für das 2-m-Band. UKW-Berichte 25 (1985), H. 1,
S. 13…21
4. Helmut Oeller, DC6NY, Wolkersdorfer Berg 27, 91126, Schwabach,
Tel./Fax (09 11) 63 64 83
E-mail: oeller@01019freenet.de
Свободный перевод с немецкого: Виктор Беседин (UA9LAQ) ua9laq@mail.ru
г. Тюмень октябрь, 2002 г
