Встречайте: ГПД по схеме Вакара - собственной персоной

Ищете ГПД с высокой стабильностью частоты? Боитесь выскочить за пределы диапазона? Для крутого телеграфиста, для работы без "чирикания" при минимальном долговременном уходе частоты и предназначен этот ГПД. Floyd E. Carter, K6BSU (Из QST September 1978, pp. 15…18).

Посвящённый CW оператор должен предъявлять к своей аппаратуре весьма жёсткие требования. Он знает, что нельзя попросить оператора редкой DX-станции выставить частоту его сигнала, который плывёт по диапазону или упрекнуть его за "чирикающий" сигнал. Но, всё-таки, для CW оператора важно, чтобы сигнал его передатчика был стабильным и приятно звучал, два этих признака формируют своеобразный телеграфный "голос" (почерк), по которому его будут узнавать даже самые дальние станции. Современные электронные ключи делают реальностью "машинную" (похожую на другие, не имеющую индивидуальных особенностей, наконец, "бездушную") манипуляцию сигналов передатчиков. Добавьте к такому ключу высококачественный ГПД и DX-станция не устоит перед Вашим вызовом - обязательно ответит!

При разработке этого ГПД смесительного типа была поставлена задача: создать такой манипулируемый генератор, в котором бы отсутствовало малейшее "чирикание" сигнала и уход частоты. Манипуляция ГПД промышленного изготовления неизбежно приводит к нестабильности, выдаваемого им сигнала, поскольку во время длительности переднего и заднего фронтов импульсов манипуляции в схеме генератора нарушается точный баланс между компонентами постоянного и переменного тока, а при каждом нажатии на ключ такое равновесие должно поддерживаться. Во время этого переходного периода, частота заметно изменяется, вызывая эффект "чирикания". Манипуляция, в последующем за ГПД буферном каскаде, обычно способствует прохождению части сигнала постоянно работающего ГПД на вход приёмника (чем маскируется сигнал корреспондента в паузе между телеграфными посылками), если радиостанция включена в режим полудуплекса (прослушивания эфира в паузе между посылками). Экранировка ГПД не устраняет этот эффект полностью, а лишь снижает интенсивность прямого излучения ГПД, что, однако, недостаточно для высокочувствительного приёмника, для которого сигнал, всё равно, "пролазит" и при не нажатом ключе. Применение генератора, работающего на принципе смешения частот, полностью устраняет проблему, так как ГПД работает на частоте не равной выходной рабочей частоте передатчика и даже не на её гармонике, а которая впоследствии переносится на рабочую частоту в смесителе или балансном модуляторе.

Рис. 3 Блок-схема ГПД смесительного типа.

Оба, - и манипулируемый кварцевый генератор и ГПД работают на частотах, которые далеки от рабочей. Поэтому, несмотря на то, что ГПД работает постоянно, никакого присутствия его работы в выходном сигнале передатчика не ощущается.

На Рис. 3 приведена блок - схема ГПД, работающего по смесительному принципу со значениями частот для нашего примера применения.

Нормальный смеситель или небалансный модулятор содержит на выходе, по крайней мере, четыре частотные составляющие - две входные частоты, их суммарную и разностную частоты. В зависимости от потребности, суммарная или разностная частота выделяются полосовым фильтром на выходе смесителя. Более сложным решением и улучшением простого смесителя является балансный смеситель, поскольку в нём колебания обеих входных частот при смешении подавляются и на его выходе присутствуют только колебания суммарной и разностной частот. В конце-концов и фильтрацию на выходе смесителя осуществлять легче.

Рис. 4. Принципиальная схема ГПД смесительного типа (схема Вакара). Все резисторы имеют мощность рассеяния 1/4 ватта и допуск 5%.

Схема генератора плавного диапазона, применяемая в данном смесительном ГПД, была впервые описана Vackar' ом в 1949 году. Эта схема создала базу для последующих исследований Clapp'а, результат которых был опубликован в 1954 г. Схема Вакара является почти точной копией схемы Клаппа, за исключением способа осуществления обратной связи. В схеме Вакара, так же как и в схеме Клаппа используется последовательный резонансный контур, который, как и сам транзистор, шунтируется необычно низкими реактивными сопротивлениями, которые уменьшают действия реактивностей транзистора. Дальнейшее улучшение схемы Вакара было описано в 1968 году Jordan' ом, который также привёл расчёт схемы для работы на любых частотах.

Конструкция

На фото предложен один из вариантов исполнения ГПД. Для случая возможной модификации и экспериментов, прототип ГПД был смонтирован в модульном корпусе, снабжённом соединителями. Всего несколько условий нужно соблюдать, разрабатывая конструкцию ГПД: во-первых, как и в любом ГПД, механическая прочность и стабильность имеют первостепенное значение.

Рис. 4 (Продолжение).

Для монтажа ГПД выбрано основание - толстый алюминиевый прокат (пластина). Компоненты контура привёрнуты к этой пластине, а остальные детали ГПД размещены на печатной плате, привёрнутой к одному краю пластины. Для соединения элементов колебательного контура применен толстый медный провод, чтобы предотвратить изменения распределённых емкостей в схеме при ударном воздействии на ГПД и вибрации. Интегральные микросхемы имеют более широкий диапазон рабочих частот, чем требуется, и могут самовозбуждаться на частотах УКВ диапазона. Поэтому развязывающие конденсаторы монтируются как можно ближе к выводам ИМС и короткими выводами. Ось конденсатора переменной ёмкости настройки соединёна с ручкой настройки с помощью верньера планетарной системы. Это не является лучшим решением проблемы точной настройки, так как не позволяет нанести на ручку шкалу из-за проворачивания шариков в верньере в конце хода КПЕ, но всё - таки, это лучше, чем ничего… Хотя, может быть, точная настройка для ГПД не столь обязательна, как наличие хороших кварцевых калибраторов-маркеров на концах участков (любительских) диапазонов, особенно, для тех, кто любит "побалансировать над пропастью" (поработать у края диапазона).

Проверка и настройка

Единственным не настраиваемым в устройстве является полосовой фильтр с частотой настройки 3 МГц, состоящий из катушки L2 и конденсатора С19. Этот фильтр настраивается на начальной стадии настройки с помощью ГИРа, число витков его катушки, намотанной на кольце, определяется заранее: обмотка наматывается с избыточным числом витков, затем по витку с кольца удаляется, до тех пор, пока катушка в контуре зарезонирует на нужной частоте (3 МГц). Фильтр устраняет гармоники кварцевого резонатора и уменьшает проникновение паразитных колебаний на вход балансного модулятора.

При работающем ГПД и манипуляции, необходимо контролировать сигнал на выходе U1, при этом, подстроечным резистором R21 производится настройка на нуль выходного напряжения (балансировка) на обеих частотах 3 и 4 МГц. Нулевое значение выходного напряжения должно появляться одновременно на той и другой частоте. Далее, замерьте выходное напряжение на гнезде J2, несмотря на то, что соединительный кабель подключен, например, к передатчику. Наличие кабеля обязательно, поскольку его ёмкость входит в контур L4C38 и составляет часть общей ёмкости его настройки. Настройте катушки L3 и L4 по максимуму раскачки передатчика.

Рис. 5. Блок питания ГПД. Схема принципиальная электрическая. U4 - диодная минисборка MDA-950-2 или эквивалент.

При быстрой манипуляции кварцевого генератора, подбором ёмкости конденсатора С14 настройте форму передних фронтов манипуляционных импульсов (видимо, нужно запустить от электронного ключа "точки" и посмотреть форму сигнала на экране осциллографа). Наконец, конденсатором С1 устанавливается перекрытие диапазона 4,0…4,1 МГц. Операция осуществляется с помощью перестройки конденсатора С3 и подгибанием - отгибанием пластин конденсатора С1 для получения полного и равномерного перекрытия всех вышеупомянутых частот при повороте оси КПЕ на полный его рабочий угол.

Если у Вас имеется анализатор спектра, то окончательная настройка может быть легко достигнута по максимальному подавлению нежелательных частотных составляющих. В прототипе ГПД нежелательные побочные частоты подавлены, по крайней мере, на 40 дБ. При не нажатом ключе просачивание сигнала ГПД с частотой 4 МГц составляет менее 30 дБ. Такой уровень сигнала не распознаётся уже с помощью собственного приёмника и настроенные контуры в раскачиваемом ГПД (как блок) передатчике окончательно вырежут составляющую с этой частотой.

С помощью переключателя S2, установив его в положение "Настройка", питание с буферного усилителя отключается и манипулируется кварцевый генератор. При этом, на приёмнике радиостанции можно наблюдать слабый сигнал на частоте настройки на корреспондента (т. е., таким образом совмещаются частоты приёма и передачи - приём, которым пользуются владельцы раздельных приёмника и передатчика, в трансивере такая функция осуществляется автоматически - UA9LAQ). В положении переключателя "Работа" управление передаётся манипулятору. Любой электронный ключ промышленного изготовления с открытым слаботочным коллекторным выходом будет работать совместно с этой конструкцией ГПД. Если есть сомнения на этот счёт, изучите подробно конструкцию ключа или обратитесь за помощью к его изготовителю.

Рис. 6. Плата кварцевого генератора и балансного смесителя. Маленькая катушка на плате генератора, намотанная на кольце - это L2. Балансный смеситель (микросхема с 10 выводами) расположена на основной плате. U2 и Q6 расположены вдали слева. Как обычно бывает, на плате видны следы модернизаций. ГПД по схеме Вакара смонтирован на толстом прокате (профиле). Все детали его соединены толстым одножильным проводом (шинкой). Катушка L1 намотана на керамическом каркасе и покрыта эпоксидным компаундом. С1 - КПЕ хорошего качества, двухсекционный, количество оставленных пластин в каждой секции: одна в статоре и одна в роторе.

Конечно же, и выход ключа с реле будет отлично работать с этим ГПД. Номинальная выходная мощность приводимого ГПД смесительного типа составляет примерно 20 мВт на нагрузке 75 Ом. Раскачиваемый передатчик работает прямо (без преобразований) в диапазоне 40 метров (7,0…7,1 МГц = 3 МГц - кварцевый генератор + 4,0…4,1 МГц ГПД). При использовании умножителей можно эксплуатировать ГПД и в диапазонах 14 МГц (14,0…14,2 МГц) и 28 МГц (28,0…28,4 МГц). Раскачиваемый передатчик должен быть оснащён фиксированным напряжением смещения, чтобы исключить перегрев оконечного каскада при разомкнутом ключе (в паузе должен запираться). В передатчиках с катодным или эмиттерным ключеванием (манипуляцией в цепи катода или эмиттера), необходимо наличие смещения, чтобы отключать оконечный усилитель в положении не нажатого ключа.

Описываемый смесительный ГПД находился в эксплуатации с передатчиком Viking II на радиостанции, оснащённой для полнокровной работы в эфире телеграфом. Это - единственный вид ГПД, которым я пользуюсь уже годы и не трясусь, что за время проведения длительного QSO в DX участке диапазона частота моего передатчика уедет за пределы диапазона.

Данные катушек: L1 - 19 мкГн - 31 виток провода #22, длина намотки 7/8 дюйма на керамическом каркасе диаметром 1 дюйм. L2 - на кольцевом ферритовом сердечнике (Ferroxcube no. 1041TO60/4C4), примерно, 50 витков обмоточного провода #28.
L3 - Miller no. 42A000CB1-2 - 26 витков обмоточного провода #24.
L4 - Miller no. 42A000CB1-2 - первичная обмотка - 26 витков обмоточного провода #28, длина намотки 3/8 дюйма, вторичная обмотка - 12 витков того же провода поверх L4. (Указаны номера изделий по унифицированным прейскурантам на радиодетали, проще, нужно взять обычный каркас катушки с ферритовым подстроечным сердечником и индивидуальным экраном и применить - UA9LAQ).

- От автора перевода: эта статья - не только дань истории, но и предназначена, в основном, для конструкторов радиопередающей и радиоприёмной аппаратуры, которым иметь в арсенале простой и стабильный ГПД просто необходимо.

Свободный перевод с английского: Виктор Беседин (UA9LAQ) ua9laq@mail.ru
г. Тюмень январь, 2004