В. Лифарь, ex RA3DVK
"РД" №4 1996г.
Данный QRP трансивер является экспериментальной SSB конструкцией для KB диапазонов и был разработан в начале 1982 г. после выхода в свет двух книг [1] и [2]. Идеи, высказанные в них, а также публикации на эту тему в журнале "Радио", привлекали своей удивительной простотой и довольно высокими параметрами. Первоначально предполагалось, что данная конструкция будет работать в трансвертере [2], вместо исходного модуля 21 МГц (предназначенного для работы только ТЛГ и также построенного по принципу прямого преобразования), что позволяло сделать из трансвертера неплохую УКВ SSB радиостанцию.
Однако, по ряду причин данная идея на УКВ так и не была реализована. А собранный модуль был переделан под конструкцию для экспериментов на низкочастотных KB диапазонах 160, 80 и 40 метров для работы SSB с нижней боковой полосой. Трансивер в однодиапазонном варианте достаточно прост для повторения даже начинающими радиолюбителями, но конечный результат при его повторении зависит от настойчивости и трудолюбия, — потребуется изготовить и настроить семь НЧ катушек.
На рис.1 приведена структурная схема трансивера.
В режиме приема трансивер работает следующим образом. Входной сигнал с антенны через 2-х контурный полосовой фильтр 1 поступает на ВЧ фазовращатель 2, с выхода которого два сигнала, сдвинутые на 90° относительно друг друга, подаются на балансные смесители 3 и 4, на которые поступает сигнал с гетеродина 5 с частотой в 2 раза ниже принимаемой.
Преобразованные сигналы приходят на НЧ фазовращатель 6, в котором подавляется нерабочая и выделяется нужная боковая полоса.
Принимаемый SSB сигнал через 2-х звенный ФНЧ 7, которым определяется селективность трансивера в полосе 3 кГц и УНЧ 8 поступает на наушники или громкоговоритель.
При переходе на передачу все указанные на блок-схеме переключатели переводятся во второе положение и одновременно подается питание на блоки 9 и 10. Сигнал с микрофона через микрофонный усилитель-формирователь 9 НЧ сигнала проходит в обратном порядке ФНЧ 7, НЧ фазовращатель 6, обратимые смесители 3 и 4 со сдвигом фазы 90° и поступает на ВЧ фазовращатель 2, в котором вычитается нерабочая боковая полоса. Сформированный SSB сигнал через полосовой фильтр 1 усиливается до мощности 1 Вт в УМ 10 и поступает в антенну. В основе трансивера лежит реверсивный фазовый SSB смеситель, состоящий из блоков 2, 3, 4, 5, 6 и 7. Смена рабочей боковой полосы в смесителе может производится путем перемены местами выводов ВЧ фазовращателя или НЧ фазовращателя. В таком виде трансивер пригоден для работы на всех KB диапазонах без УВЧ. Многодиапазонность реализуется путем смены диапазонных полосовых фильтров на входе приемника, а также установкой умножителей частоты в тракте гетеродина. Возможен вариант сменных гетеродинов. В этом случае легко реализовать барабанную конструкцию переключателя диапазонов, аналогичную применявшейся в приемниках типа "Спидола", "ВЭФ", "Океан", в корпусе от которого вполне возможно разместить весь трансивер.
Принципиальная схема трансивера представлена на рис. 2 (часть 1, часть 2). Трансивер построен по блочно-модульному принципу. Это позволяет настраивать каждый модуль в отдельности или производить модернизацию каждого модуля, не затрагивая остальных. Ключевой идеей трансивера является реверсивный двойной балансный фазовый недетектирующий диодный смеситель. ВЧ фазовращатель смесителя стоит в цепи сигнала. Это на практике выгоднее — все внеполосные сигналы, поступающие с антенны, взаимно компенсируются, даже если они проходят через проходные емкости диодов и монтажа. Главное отличие состоит в том, что в каждом плече диодного моста смесителя установлено по два встречно включенных диода.
Такая схема обладает более высокой динамикой, не детектирует ни входные сигналы, ни сигналы гетеродина, а выполняет функции линейного перемножителя типа fc ±2fr, где fc --частота входного сигнала, a fr — частота гетеродина, которая в два раза меньше принимаемого сигнала, и меньше "шумит". Шумы гетеродина поступают в противофазе и взаимно уничтожаются. НЧ фазовращатель 4-го порядка LC-типа вносит небольшое затухание сигнала и обеспечивает подавление нерабочей боковой полосы до уровня — 46 дБ. ФНЧ содержит звено типа m и звено типа К, что позволяет повысить крутизну ската ФНЧ и, тем самым, повысить избирательность приемного тракта по соседнему каналу до 70 — 80 дБ. При анализе тракта обычно забывают, что дополнительная избирательность достигается за счет того, что все мешающие сигналы за пределами полосы пропускания НЧ фазовращателя на вход ФНЧ поступают в противофазе и взаимно компенсируются. Кроме того, на входе НЧ фазовращателя установлены Г-образные фильтры с частотой среза 260 — 270 кГц. Это полностью устраняет возможность просачивания сигналов мощных местных станций СВ диапазона на вход УНЧ и прямое их детектирование входным каскадом. К недостаткам смесителя можно отнести потребность в подборе диодов и величины напряжения гетеродина для достижения максимальной чувствительности при приеме и максимальной отдачи в режиме передачи.
Я сознательно отказался от применения более простых RC-фазовращателей, — стремился достичь минимального ослабления сигнала и получить максимально достижимые чувствительность и избирательность. В результате получился линейный смеситель с очень малым уровнем собственных шумов и динамическими характеристиками, ограниченными сверху нелинейными эффектами в магнитных сердечниках НЧ фазовращателя и ФНЧ. Именно поэтому не рекомендуется использовать сердечники с внешним диаметром менее 16 мм. Более того, рекомендуется использовать кольца с внешним диаметром 20 мм в катушках, настраиваемых на частоты менее 1 кГц, где сосредоточена наибольшая энергетика входного сигнала.
С коллегами по эфиру неоднократно обсуждался вопрос о динамических характеристиках приемных связных устройств, считая необходимым повысить его до уровня 100 ... 120 дБ, что во времена засилья 2-го варианта UW3DI казалось просто нереальным. Как бы ответом оппонентам являлась данная конструкция, динамика которой не хуже 100 дБ. Точнее измерить было в то время просто нечем. В последствии появились "дроздиверы", которые подтвердили реальность и достижимость таких характеристик и в классических супергетеродинах. Однако я считаю, что снижение шумов гетеродинов путем многократного деления частоты — не самый простой вариант решения проблемы расширения динамики снизу. В любом случае два смесителя шумят больше, чем один. Поэтому с точки зрения предельной чувствительности, ограниченной шумами, трансивер с однократным преобразованием частоты лучше, чем с двухкратным. Любой SSB супергетеродин имеет минимум два смесителя. Приемники же прямого преобразования имеют принципиально только один смеситель. Такие смесители при хорошей балансировке, применении малошумящих транзисторов в гетеродине и при пониженной в 2 раза частоте шумят даже меньше, чем гетеродины с делением частоты. Особенно это относится к низкочастотным KB диапазонам.
Чувствительность трансивера по приему обеспечивает УНЧ с изменяемым коэффициентом усиления, выполненный на малошумящем транзисторе КТ3102Е, микросхеме К244УН5 и выходном каскаде на комплементарной паре транзисторов, рассчитанный на нагрузку 30...60 Ом. При использовании громкоговорителей с сопротивлением 4...12 Ом и мощностью до 0,5 Вт необходим согласующий трансформатор. Коэффициент шума УНЧ получился 1,19 при использовании транзистора с b=450. Это соответствует в пересчете на вход идеального приемника с входным сопротивлением 50 Ом в полосе частот 3 кГц уровню шумов 0,01 мкВ. В реальном приемнике следует учесть шумы остальных элементов цепи, что примерно в 10 — 15 раз больше. Таким образом, чувствительность приемника, ограниченная шумами, составляет 0,1 ... 0,15 мкВ и зависит, главным образом, от шумов гетеродина. Максимальное неискаженное выходное напряжение УНЧ составляет 7В — можно применять высокоомные наушники.
Регулятор громкости отсутствует, — УНЧ охвачен цепью АРУ, которая управляет режимом усиления первого каскада при помощи регулирующего транзистора, работающего в режиме управляемого резистора, выполненного на малошумящем транзисторе КТ3107, хотя здесь применимы любые НЧ транзисторы. Уровень шумов в режиме переменного резистора без подачи напряжения на коллектор весьма мал. Общее усиление регулируется 8R8. Здесь и далее первая цифра означает номер блока, внешнее обрамление имеет номер 0. Применение АРУ мгновенного типа устраняет перегрузку УНЧ при настройке на мощных местных корреспондентов. АРУ начинает срабатывать при напряжении на нагрузке более 0,4 ... 0,5 В. Слабые сигналы не ослабляются. При желании можно добавить узкополосный фильтр для приема ТЛГ и регулятор громкости. Известно, что УНЧ с большим коэффициентом усиления страдают микрофонным эффектом, что является их принципиальным недостатком. Устраняется он как за счет АРУ, так и за счет специальных конструктивных мер. Об этом будет сказано ниже. Высокая линейность смесителя и УНЧ допускает одновременное преобразование двух сигналов без взаимного забития. При этом оба корреспондента слышны одновременно, как это бывает в быту, когда два человека разговаривают одновременно, не слушая друг друга, но вы прекрасно слышите о чем они говорят. Тоже самое происходит с шумами эфира. На слух эфир воспринимается в приемнике прямого преобразования намного чище, можно сказать прозрачнее, чем в супергетеродине, где к шумам эфира добавляются шумы преобразования. Шумы гетеродинов необходимо снижать до минимально возможных уровней путем применения малошумящих транзисторов и установки оптимальных режимов работы с точки зрения шумов. Немаловажное значение имеет здесь снижение шумов источника питания. В качестве примера, установка стабилитрона Д814А в цепь питания гетеродина привела к резкому увеличению его шумов, — попался сильно шумящий экземпляр, пригодный только для генераторов шума, или замена КТ315 на КТ3102 более чем в два раза снизила уровень шумов.
Проверку уровня шумов гетеродинов удобно производить с применением УНЧ приемника, на входе которого устанавливают обычный диодный детектор с нагрузочным резистором 500 ... 1000 Ом, зашунтированным конденсатором 22 ... ЗЗН. Диод желательно использовать с барьером Шоттки, например, КД514 или аналогичный примененному в смесителе. Германиевые диоды старых типов применять нельзя. Через емкость 500 ... 1000 пФ детектор подключается к выходу гетеродина. Выпрямленное напряжение образует постоянную составляющую с наложенными на нее шумами гетеродина, хорошо слышными в наушниках или видимыми на экране осциллографа. Источниками дополнительных шумов могут быть некоторые типы электролитических конденсаторов. Их проверяют при подаче напряжения питания через резистор 1 кОм, подключив ко входу УНЧ без детектора. Подбор нешумящих элементов и установка режимов транзисторов по току дает очень хороший результат для снижения шумов гетеродина. Малошумящие гетеродины, как правило, более стабильны.
В режиме передачи сигнал с динамического микрофона МД-200 поступает на вход микрофонного формирователя, состоящего из усилителя на микросхеме К237УН1. Возможна за мена на операционные усилители К140УД1, УД8, УДИ или другие типы со своими цепями коррекции и 2-х каскадного фазового НЧ ограничителя [1], который дает неплохой выигрыш при работе QRP, сравнимый с ВЧ ограничителями. Правильно собранный микрофонный усилитель-формирователь в наладке практически не нуждается. Подбором 9R6 устанавливают требуемый спектр ограниченного сигнала по минимуму искажений, что лучше всего сделать по контрольному приемнику. Все высшие гармоники подавляются в ФНЧ.
Широкополосный 2-х каскадный усилитель мощности SSB-сигнала работает в линейном режиме в диапазоне частот 1,5—8 МГц. Первый каскад выполнен по каскодной схеме. Для согласования с выходным каскадом применен широкополосный трансформатор с объемным витком. На ферритовых кольцах К10х6х2 из материала 400НН или 600НН намотано 60 и Ю витков проводом ПЭЛШО 0,1 и 0,15 соответственно. Оба кольца помещены в общий экран из зеркальной жести размерами 20х20х40 мм, внутри которого в середине впаяна перегородка с отверстием 3,3 мм. Торцевые стенки экрана по центру имеют отверстие 2,5 мм, сквозь которые и сквозь оба сердечника пропущен отрезок медного облуженного провода толщиной 2 мм и длиной 42 мм таким образом, чтобы не касаться внутренней перегородки. Для надежности в середине стержня можно одеть изолирующую трубочку из кембрика. Кольца фиксируются на стержне клинышками из спичек и приклеиваются клеем "Момент". Торцы стержня впаяны в торцевые стенки экрана. Выходной каскад дроссельный. Усиление и линейность его выравнивается отрицательной обратной связью с коллектора на базу транзистора. Согласующие цепи с антенной отсутствуют. Мною применялся отдельный внешний узкополосный матч-бокс для согласования с высокоомной антенной (наклонный луч L/2, запитываемый с торца). Выходной каскад на нагрузке 50 Ом развивает при напряжении питания 12 В мощность порядка 1,0 ... 1,3 Вт, поэтому опасаться большого уровня гармоник не приходилось. Кроме того, УМ работает в режиме А, имеет малый уровень искажений и допускает прямое подключение к фидеру с волновым сопротивлением 50 ... 75 Ом. Выходной транзистор КТ603А работает в режиме близком к предельному по мощности и для охлаждения снабжен небольшим радиатором, одетым сверху на транзистор. Для устранения паразитных связей в УМ входной каскад отделен собственным экраном от выходного каскада.
В трансивере использованы широко распространенные в прежнее время радиодетали. В настоящее время практически все из них с успехом можно заменить на более современные. Вместо К224УН5 можно применить современные операционные усилители в типовом режиме включения, применить малошумящие полевые транзисторы в гетеродине, малошумящие диоды в смесителе и др. При повторении трансивера особое внимание должно быть уделено изготовлению намоточных деталей ФНЧ и НЧ фазовращателя. Параметры НЧ фазовращателя и ФНЧ приведены в Таблице 1.
| Катушка | Индуктивность Li,(мГ) | Частота звена, (Гц) | Число витков | Сi(мкФ) |
| 6L1 | 880 | 170 | 810 | 1,0 |
| 6L2 | 81 | 1850 | 250 | 0,09 |
| 6L3 | 244 | 610 | 430 | 0,275 |
| 6L4 | 22 | 6700 | 130 | 0,025 |
| 7L1 | 47 | 2700 | 220 | 0,12 |
| 7L2 | 37 | 3000 | 195 | 0,1 |
Все катушки фазовращателя рекомендуется намотать на ферритовых кольцах К16х8х4 из материала 2000НН проводом ПЭВ или ПЭЛШО-0,1.
Каждое плечо фазовращателя рассчитано на нагрузку 1000 Ом с тем, чтобы при их параллельном соединении они были согласованы с ФНЧ. Катушки ФНЧ рассчитаны на нагрузку 500 Ом и намотаны на таких же ферритовых кольцах и таким же проводом. При использовании других сердечников не рекомендуется брать меньшие типоразмеры, чтобы не снижать динамику. При меньших диаметрах лучше склеить вместе 2—3 кольца. Количество витков придется пересчитать и подобрать экспериментально. Кроме того, это приводит к уменьшению требуемого числа витков и уменьшению собственной емкости катушки. При отсутствии колец можно использовать Ш-образные трансформаторные сердечники от малогабаритных трансформаторов, что несколько хуже, — они более подвержены внешним наводкам. ФНЧ и НЧ фазовращатель обязательно должны быть помещены в раздельные экраны. Связь ФНЧ с УНЧ выполнять только короткими экранированными проводами.
НЧ фазовращатель и ФНЧ можно настраивать до установки в трансивер, прямо на столе. Каждая катушка фазовращателя наматывается в два провода одновременно, а ФНЧ — одним проводом. Для настройки используется звуковой генератор, подключенный через резистор 5 ... 10 кОм к началу одной из обмоток, второй конец которой подключен через заданную емкость на землю. Индикатором служит милливольтметр переменного тока или осциллограф, подключенный к точке соединения резистора и индуктивности. Один из выводов катушки остается свободным, но отматывать или доматывать следует оба провода сразу. На частоте настройки возникает последовательный резонанс, который определяется по минимуму показаний прибора. Не следует проводить настройку на больших амплитудах сигналов во избежание возникновения нелинейных эффектов в магнитных сердечниках. Для достижения требуемых номиналов емкостей используется параллельное соединение нескольких (2—4) стандартных номиналов емкостей. Настройка ВЧ фазовращателя почти не отличается от настройки ВЧ полосового фильтра и выполняется после установки на плату. ФНЧ настраивают в соответствии со схемой, нагрузив на резистор 500 Ом.
Настройка ВЧ полосового фильтра сводится к установке границ полосы пропускания согласно выбранного диапазона и особенностей не имеет. Данные катушек для KB диапазонов приведены в таблице 2.
| Катушка | Число витков | Катушка | Число витков |
| 1L1, 1L9 1L2, | 10 | 1L5,1L10 | 6 |
| 1L3,1L4 | 35 | 1L6, 1L7,1L8 | 20 |
Используются стандартные катушки от KB диапазонов радиоприемников с сердечниками СЦР-1 или 100НН.
Настройка гетеродина сводится к установке диапазона перестройки с учетом того, что его частота в 2 раза ниже рабочей частоты. Конденсаторы контура, при необходимости, следует подобрать по ТКЕ с учетом обеспечения термостабильности. Весь гетеродин, кроме выходного каскада, установленного на основной плате, желательно поместить в массивный металлический экран. В любом случае задающий контур (или сменные контурные катушки) гетеродина должен быть отдельно экранирован. Питание гетеродина должно производиться через дополнительный стабилизатор. Напряжение гетеродина на выходной каскад обязательно подается по экранированному проводу. Выходной каскад гетеродина также заключен в экран вместе с диодным смесителем. Диоды смесителя подбираются по прямому току попарно в каждое плечо. Метод подбора может быть любым, но выполнить его необходимо.
Можно попробовать применить диодные микросборки. Без подбора диодов трудно обеспечить требуемую симметрию моста, тем более, что никаких симметрирующих элементов не предусмотрено. Симметрия гетеродинного напряжения достигается тем, что катушка связи наматывается одновременно двумя скрученными проводами и размещается на ферритовом кольце строго симметрично. Расположение диодов на плате должно быть строго симметричным относительно окружающих элементов и экранов. Такой конструктив обеспечивает требуемую балансировку со стороны гетеродина без дополнительных элементов.
Дальнейшая настройка трансивера не вызывает особых затруднений при наличии ВЧ и НЧ генераторов и осциллографа. ВЧ фазовращатель настраивается на середину SSB участка диапазона. Режимы работы УНЧ устанавливаются просто. На коллекторе первого каскада должно быть +(2,5 -- 3,0) В, а в средней точке выходного каскада +6 В. Правильно выполненный монтаж позволяет запустить приемник сразу. В дальнейшем требуется только выполнить тонкую подстройку по максимуму подавления верхней боковой полосы приема. Для этого желательно иметь ГКЧ. Можно обойтись осциллографом и генератором. С выхода осциллографа (если такого выхода нет, то его нужно сделать самостоятельно) берут пилообразный сигнал амплитудой 1 ... 5 В, который подают на варикап, подключенный к контуру гетеродина через разделительную емкость в несколько сотен пФ. На частотах до нескольких мегагерц вполне подходит на эту роль обыкновенный стабилитрон Д808—Д814 с любой буквой. На вход приемника подают любой немодулированный сигнал с частотой, близкой к середине рабочего диапазона. Эта система работает как ГКЧ. Если на выход УНЧ подключить осциллограф, то можно увидеть выделенную и подавляемую боковые полосы.
Подстройка производится сначала изменением индуктивности ВЧ фазовращателя по максимуму подавления нерабочей полосы, а затем подстроечными резисторами в каждом плече НЧ фазовращателя. Должны быть видны 4 точки бесконечного затухания в подавляемой полосе приема и небольшие горбики между ними. Процедура повторяется несколько раз до достижения наилучших результатов. Далее при помощи ГСС и осциллографа настраивают УМ, предварительно подключив нагрузку — резистор 50 Ом и мощностью 2 Вт. Подав на вход сигнал амплитудой 30—40 мВ на частоте 1,9 МГц, на осциллографе наблюдают выходной сигнал. При наличии искажений подбирают такой минимальный ток выходного каскада, при котором синусоида не имеет искажений, а затем увеличивают его на 10—15 %. Для получения большей мощности потребуется еще один каскад усиления или внешний усилитель, что предпочтительнее. После этого в многодиапазонном трансивере производится проверка работы на остальных диапазонах. Закончив настройку, можно подключить наружную антенну и проверить прием сигналов с эфира.
Конструкция трансивера состоит из 4-х основных модулей: основной платы, гетеродина, полосовых ВЧ фильтров вместе с ВЧ фазовращателями и УМ. Вся конструкция требует хорошей экранировки всех узлов. Основная плата целиком помещена в экран из листовой меди, внутри которого установлены перегородки, образующие для каждого модуля свой экран. Штырями, проходящими сквозь плату, все перегородки соединены с земляной шиной. Все вместе образует жесткую конструкцию, резонансные характеристики которой смещены вверх за пределы звукового диапазона. Для увеличения модуля затухания отсеки с НЧ фазовращателем и ФНЧ дополнительно залиты слоем парафина толщиной 4—5 мм. Выводы деталей делают максимально короткими. Для питания трансивера используется внешний аккумулятор на 12 В (или 3 плоских батарейки). Для работы от сети требуется внешний блок питания со стабилизатором очень хорошего качества. Типовые блоки питания для приемников не годятся, — не обеспечивают требуемый уровень пульсации. При установке силового трансформатора в общий корпус могут быть проблемы с виброизоляцией трансформатора. В любом случае его следует устанавливать в экранированном отсеке и питание подавать через проходные конденсаторы.
Испытания с полуволновым диполем и наклонным лучом L/2, запитанным с конца через согласующий параллельный контур, показали очень хорошие результаты. Для сравнения применялись два трансивера UW3DI -2 и "Радио - 76". Оба трансивера не слышали и половины того, что было слышно на приемник прямого преобразования. Результаты работы на передачу проводились путем сравнения с 10 Вт "Радио - 76". В 1 - 9 районах не замечали особой разницы по силе сигналов, что, вероятно, связано с применением НЧ ограничителя.
