ВЧ модем KB трансивера

Создание простого радиочастотного тракта для коротковолнового трансиве-ра 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, с описаниями которых читатель уже успел познакомиться в предыдущих номерах "KB журнала" [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 подчисточ-ных 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 3Ч 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.

 

Принципиальная схема ВЧ модема

 

Принципиальная схема ВЧ модема

Далее усиленный сигнал через цепи согласования Т4 ,С10 ,С11 поступает на ФОС, в качестве которого применен ЭМФ-500-9Д-ЗН. 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 УПЧ 1 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 (3Ч). Этот сигнал выделяется на конденсаторе С37 и через разделительный конденсатор С38 подается на вход высокочувствительного усилителя 3Ч. 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 КЗ. Принцип изменения направления прост и понятен из рис. 1.

Сигнал DSB через УПЧ 1 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 СМ1, происходит его смешивание с сигналом ГПД.

На выходе смесителя (Т1) образуется рабочий однополосный сигнал с частотами 1860... 1930 кГц, т.е. лежащий в SSB-участке диапазона 160 метров. Однако наряду с рабочим SSB-сигна-лом 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 КЗ подается на усилитель мощности и далее в антенну. Конструктивно ВЧ модем выполнен в корпусе спаянном из фольгированно-го 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)
УПЧ2
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 ТЗ...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 безиндукци-онные. При установке на платы их выводы и выводы конденсаторов оставляют минимально возможной длинны.

Реле К1 - КЗ 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 (500м).

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 маг-нитопровод 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 подстроенного резистора R23 (при этом) должен находиться в верхнем по схеме положении. Подбором емкостей конденсаторов С10.С11,С 12,С 13 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 подстроечнымн 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.

 

Схема ОКГ для модема с кварцевым ФОС
Puc.2

Для установки частоты ОКГ на нижний скат характеристики фильтра, по уровню -20 дБ, возможно придется последовательно с кварцевым резонатором включить конденсатор или индуктивность.

Владислав Артеменко (UT5UDJ), г. Киев. Украина

ЛИТЕРАТУРА

1. Артеменко В. РЧ-тракт транснвера с ЭМФ. - " КВ-журнал". 1997, N 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, N 4;5

6. Артеменко В. "SSB-минитрансивер с ЭМФ на 160 М." - "КВ-журнал". 1997, N 6.

KB ЖУРНАЛ N 6, 1998 г.