Генераторы плавного диапазона

Версия для печатиОтправить по E-mail

Стабильность частоты излучаемого сигнала — одна из основных характеристик передающего тракта любительской радиостанции. Если нестабильный гетеродин приемника создает лишь неудобства в работе (его необходимо постоянно подстраивать), то для передающей аппаратуры нестабильность частоты излучаемого сигнала может привести уже к серьезному нарушению — работе вне любительских диапазонов.

В соответствии с «Инструкцией о порядке регистрации и эксплуатации любительских радиостанций коллективного и индивидуального пользования» уход частоты передатчика не должен превышать 0,02% в течение 15 мин, причем в любом случае излучаемый сигнал не должен оказываться вне пределов любительских диа-пазов. Следует отметить, что первое требование достаточно мягкое и выполнение его обеспечивает по существу на КВ диапазонах бесподстроечную связь в течение 15 мин лишь амплитудной модуляцией, уже не пользующейся популярностью у радиолюбителей. Действительно, в диапазоне 10 м допустимый уход частоты составит примерно 600 Гц — значение совершенно неприемлемое ни для однополосной, ни для телеграфной радиосвязи.

При конструировании любительской радиостанции более правильным является задание абсолютной нестабильности частоты излучаемого сигнала вне зависимости от используемого диапазона. Наиболее жесткие требо-вания_ будут для радиостанций, работающих однополосной модуляцией. Уход частоты приемника или Передатчика для беспрдстроечной радиосвязи не должен превышать 20—50 Гц за 10—15 мин. В противном случае разборчивость сигнала корреспондента снизится настолько, что возникнет необходимость подстроить приемник или трансивер. Для телеграфной связи требования к стабильности частоты менее жесткие—изменение тональности сигнала радиостанции на 100 Гц будет, конечно, отмечено нашим слухом, но практически не повлияет на разборчивость принимаемых сигналов. Однако не следует забывать, что полоса занимаемых частот для телеграфного сигнала не должна превышать 100 Гц, и выход за эти пределы по стабильности частоты, по существу, переход на другой, соседний, канал связи со всеми вытекающими отсюда последствиями (помехи для работы других любительских радиостанций, возможность потерять в помехах своего корреспондента).

Помимо кратковременной (за время одной радиосвязи) стабильности частоты важна еще и долговременная стабильность, гарантирующая работу любительской радиостанции в пределах соответствующего любительского диапазона. В самом деле, постоянный дрейф частоты передатчика со скоростью даже 50 Гц за 15 мин в течение 10 ч непрерывной работы ( например, в соревнованиях) изменит шкалы трансивера уже на 2 кГц. А это значит, что при работе вблизи границ любительских диапазонов (или поддиапазонов по видам работы) возможно нарушение частотного распределения. Хорошая аппаратура должна обеспечивать долгосрочную стабильность примерно 1 кГц за 10—12 ч непрерывной работы. Во всяком случае владелец любительской радиостанции должен точно знать ее долгосрочную стабильность и не работать вблизи границ диапазонов без проверки калибровки шкалы приемника, передатчика или трансивера. Естественно, что при такой проверке нельзя ориентироваться на сигналы других любительских радиостанций, а следует воспользоваться кварцевым калибратором частоты.

Подавляющее большинство современной аппаратуры для радиоспорта выполняется по схемам со смешением частоты и, следовательно, имеет несколько гетеродинов. В общем случае стабильность частоты излучаемого сигнала зависит, конечно, от всех гетеродинов трансивера, но нестабильностью частоты низкочастотных, а также высокочастотных гетеродинов с кварцевой стабилизацией можно обычно пренебречь. Наибольшие трудности с точки зрения обеспечения высокой стабильности частоты возникают, если трансивер выполняется по схеме с перестраиваемым первым гетеродином и фиксированным значением первой промежуточной частоты. Подобные схемные решения тем не менее пользуются очень большой популярностью среди радиолюбителей, поскольку в ряде случаев заметно упрощают конструкцию трансивера, позволяют* избежать применения дефицитных кварцевых резонаторов, обеспечивают некоторые эксплуатационные удобства.

В аппаратуре, выполненной по схеме с перестраиваемым первым гетеродином, максимальная частота на выходе генератора плавного диапазона (ГПД) может достигать 25—27 МГц, а сам ГПД неизбежно содержит коммутируемые частотозадающие элементы (конденсаторы, катушки индуктивности). Возможны два варианта построения ГПД: либо он работает сразу на основной частоте, либо в нем используется умножение частоты.

Принципиальная схема ГПД первого типа (его применил в КВ приемнике Я. Лаповок) приведена на рис. 4.4. Гетеродин рассчитан на первую промежуточную частоту 5,5 МГц, поэтому его частота изменяется в пределах: 9—9,4 МГц (диапазон 3,5 МГц); 12,5— 12,7 МГц (диапазон 7 МГц); 8,5—8,85 МГц (диапазон 14 МГц); 15,5—16,1 МГц (диапазон 21 МГц); 22,5— 24,2 МГц (диапазон 28 МГц); 11,5—17,5 МГц (обзорный диапазон 6—12 МГц, охватывающий вещательные диапазоны 49, 41, 31 и 25 м).

Задающий генератор выполнен по схеме индуктивной «трехточки» на транзисторе Т2. Необходимая растяжка на всех используемых диапазонах обеспечивается в этом ГПД подключением конденсаторов СЮ—С25 как параллельно, так и последовательно основному конденсатору настройки.

Для простоты мы в дальнейшем будем говорить о трансиверах как о наиболее распространенном в настоящее время виде спортивной радиоаппаратуры, но все сказанное, естественно, относится и к приемникам, и к передатчикам.

На смеситель приемника сигнал поступает непосредственно с задающего генератора, поскольку смеситель выполнен на двухзатворном полевом транзисторе КП350А и не нагружает его. Для того чтобы приемник можно было использовать совместно с трансиверной приставкой, в ГПД введен эмиттерный повторитель на транзисторе Т2. Применение в этом каскаде достаточно мощного сверхвысокочастотного транзистора позволило подключать трансиверную приставку через коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 75 Ом. Нагрузка транзистора 77 (резистор сопротивлением 75 Ом) находится в трансиверной приставке. Цепочка С2К.ЗС4 обеспечивает постоянство амплитуды гетеродина во всем рабочем диапазоне. Этот ГПД развивает напряжение 1—1,5 В на нагрузке 75 Ом.

Конструкция. Катушка Ы намотана внатяг медной шиной 2X0,3 мм по клею БФ-2 с последующей сушкой на керамическом каркасе диаметром 18 мм. Она содержит пять витков. Длина намотки 15 мм. Катушку Ь1 можно намотать и проводом ПЭВ-2 диаметром 1,5 мм, укладывая витки в канавки каркаса. Сердечник катушки представляет собой латунный стакан диаметром 10 мм и длиной 8 мм. Стенки стакана должны быть толщиной 0,5—1 мм.

Конденсатор переменной емкости использован от радиостанции РБМ. Может быть применен и другой КПЕ, статорные пластины которого укреплены на керамике, а роторные — на шариковых подшипниках. При использовании высококачественных деталей и тщательном исполнении такой ГПД способен обеспечить очень хорошие параметры трансивера. Однако трудности в реализации высокой стабильности гетеродина возрастают примерно пропорционально квадрату его рабочей частоты, поэтому радиолюбители чаще используют второй вариант построения ГПД, когда собственно генератор работает на относительно низких частотах, а требуемая выходная частота получается умножением (обычно удвоением или, максимум, утроением) частоты в отдельном каскаде. Такое решение требует несколько большего числа элементов для ГПД, но упрощает его налаживание.

Примером несложного ГПД подобного типа служит другая конструкция Я. Лаповка. Этот ГПД рассчитан иа применение в трансиверах с промежуточной частотой 5,5 МГц. Естественно, что изменив соответствующим образом номиналы частотоопределяющнх элементов, его можно использовать и в аппаратах с другими значениями промежуточной частоты.

Принципиальная схема такого ГПД приведена на рис. 4.5. Задающий генератор собран на транзисторе 77 по схеме емкостной «трехточки». Выбор рабочего диапазона осуществляется переключателем В1, плата В1а которого подключает к колебательному контуру задающего генератора И1С15С14* конденсаторы С16— С23. В зависимости от положения переключателя диапазонов В1 задающий генератор вырабатывает колебания частотой 9000—9150 кГц (пои работе в диапазоне 80 м), 6250—6300 кГц (40 м), 8500—8850 кГц (20 м), 7750—7975 кГц (15 м) и 11250—12100 кГц (10 м). При таком выборе частот задающего генератора блок формирования 55В-сигнала (тракт ПЧ приемника) должен обеспечивать формирование (прием) сигнала с верхней боковой полосой. Тогда принятое в любительской практике распределение полос (нижняя — в диапазонах 40 и 80 м, верхняя — в остальных диапазонах) будет соблюдаться автоматически. Необходимое перекрытие по частоте (с запасом на краях по 10—20 кГц по отношению к приведенным выше значениям) устанавливается на диапазоне 10 м подстроечником катушки индуктивности Ы1, а прн необходимости и подбором конденсатора С14. На остальных диапазонах перекрытие по частоте достигается соответствующим подстроечным конденсатором.

Каскад на транзисторе Т2 — усилитель-удвоитель. Цепочка %7С4 обеспечивает необходимое автоматическое смещение для этого каскада. В диапазонах 80 и 20 м он работает как усилитель, а в остальных — как удвоитель частоты. Высокочастотное напряжение, выделенное одним из контуров в коллекторной цепи этого транзистора (12С7, Ь4С8. Ь6С9, 18С10, Ы0С11 в зависимости от выбранного диапазона), поступает через соответствующую катушку связи на смесители трансивера.

Разделительный конденсатор С13 и конденсаторы С5, С6 в цепи обратной связи также влияют в некоторой степени на частоту задающего генератора.

Генератор плавного диапазона развивает выходное напряжение до 1—1,5 В на нагрузке 75 Ом, что вполне достаточно даже для работы двух балансных смесителей на диодах, имеющих, как известно, низкое входное сопротивление. Поскольку выходное сопротивление ГПД около 75 Ом, то его можно также использовать в качестве отдельного выносного гетеродина для трансивера, обеспечивающего (при соответствующей коммутации) независимые частоты приема и передачи.

Конструкция. Катушка Ы1 такая же, как и в предыдущем ГПД. Остальные катушки ГПД намотаны на пластмассовых каркасах диаметром 9 мм с подстроеч-ником СЦР-1. Намотка рядовая, виток к витку, проводом ПЭШО 0,44. Катушки связи Ь1, ЬЗ, Ь5, Ь7 и Ь9 намотаны соответственно поверх катушек Ь2, Ь4, Ь6, Ь8 и ЫО ближе к их «холодным», соединенным с конденсатором С12, концам. Катушка Ы имеет 2 витка; ЬЗ—3 витка; Ь2, Ь5, Ь7 и Ь9 — 4 витка; Ь6 и Ь10 — 7 витков; Ь4—8 витков, Ь8—10 витков.

Большая часть деталей ГПД установлена на. плате из стеклотекстолита (рис. 4.6). Монтаж — навесной, на стойках. Заштрихованные участки — проводники, выполненные из латунной фольги. Конструкция ГПД должна обеспечивать хорошую развязку между контуром задающего генератора и контурами удвоителя-усилителя.

При налаживании ГПД после предварительной установки границ диапазонов производят термокомпенсацию задающего генератора. Эту операцию начинают с диапазона 10 м подбором по ТКЕ конденсатора С14.

Затем подбирают на других диапазонах г» ТКЕ конденсаторы С17, С19, С21 и С23. При тщательном подборе указанных конденсаторов уход частоты ГПД за час работы не превышает 50 Гц в диапазонах 20 и 80 м и 100 Гц в остальных диапазонах. Эти данные относятся к ГПД, размещенному в отдельном корпусе, т. е. в отсутствие мощного источника тепла в виде лампы оконечного каскада. Такие параметры можно реализовать и в транзисторном приемнике, но в лампово-полупроводниковом трансивере достичь их достаточно трудно.

Как следует из принципиальной схемы ГПД (рис. 4.5), генератор питается от отдельного выпрямителя со стабилизатором напряжения на транзисторе ТЗ. Подобное схемное решение позволяет свести к минимуму взаимодействие ГПД с другими каскадами трансивера. От этого же выпрямителя целесообразно питать и все остальные гетеродины трансивера.

Подобный ГПД с умножением частоты применили в своем трансивере КРС-78 В. Кобзев, Г. Рощин и С. Севастьянов. По структурной схеме (задающий генератор, усилитель на диапазонах 80 и 20 м или удвоитель на остальных диапазонах) он совпадает с ГПД, описанным Я. Лаповком. Из-за другого значения промежуточной частоты (5280 кГц) ГПД трансивера КРС-78 имеет, естественно, другие выходные частоты. Но главное его отличие — более сложный задающий генератор, обеспечивающий стабильность частоты примерно 100 Гц в час после 15-минутного прогрева трансивера.

Принципиальная схема задающего генератора от ГПД трансивера КРС-78 приведена на рис. 4.7. Собственно генератор выполнен на транзисторе 77. Выбор рабочего диапазона осуществляется переключателем В, который подключает к основному колебательному контуру ЫС11 конденсаторы С/—СЮ. Рабочие частоты генератора; 8780—9080 кГц (в диапазоне 80 м); 6140— 6240 кГц (40 м); 8720—9070 кГц (20 м); 7860— 8085 кГц (15 м); 11 360—12 210 кГц (10 м). На транзисторе Т2 собран буферный усилитель, а на ТЗ — эмиттерный повторитель. Применение в буферном усилителе полевого транзистора позволило практически полностью исключить влияние последующих каскадов на частоту задающего генератора. Выходное напряжение составляет примерно 1,5 В (оно поступает на удвоитель-усилитель, схема которого здесь не приведена).

Варикап Д1 дает возможность при необходимости расстраивать переменным резистором R10 приемный тракт трансивера относительно передающего. Включается расстройка переключателем В1, а переключатель В2 — совместно с реле Р1 (Прием-Передача, на схеме показаны только его контакты Р1.1) определяет, какую частоту (по отношению к основной настройке) будет изменять резистор R10 — частоту приема или передачи. При выключенной расстройке на варикап Д1 через делитель, образованный резисторами Я6 и Я2, поступает стабилизированное стабилитроном До напряжение. Когда расстройка включена, то напряжение на варикап поступает либо с этого стабилитрона, либо с переменного резистора R10. Диоды ДЗ и Д4 развязывают две цепи питания варикапа. Частоты приема и передачи при включенной расстройке и среднем положении движка переменного резистора R10 совмещают подстроечным резистором Я6.

В целом задающий генератор (так же как и другие гетеродины трансивера КРС-78) питается от стабилизированного источника питания — 12 В. Однако напряжение питания собственно генератора и напряжение на варикапе (при выключенной расстройке) дополнительно стабилизировано соответственно стабилитронами Д2 и Д5. Следует отметить, что здесь применены стабилитроны Д818Е, имеющие низкий температурный коэффициент стабилизированного напряжения. Это особенно важно для цепей питания варикапа, поскольку нестабильность питающего напряжения может внести заметный вклад в температурный дрейф частоты задающего генератора. При отсутствии подобных стабилитронов можно использовать и обычные (Д808, Д814А), включив последовательно с ними термокомпенсирующий кремниевый диод (любой маломощный, рассчитанный на прямой ток 20—30 мА).

Конструкция. Катушка Ы имеет индуктивность 0,7 мкГ. Она выполнена на керамическом каркасе диаметром 13 и длиной 20 мм. Катушка содержит восемь витков посеребренного медного провода диаметром 0,25 мм. Шаг намотки — 0,6 мм.

Рассмотренные выше варианты генераторов плавного диапазона ориентированы на первую промежуточную частоту, лежащую вблизи частот 5—5,5 МГц. Для популярной у радиолюбителей промежуточной частоты 9 МГц выбор частот задающего генератора естественно будет иным. Один из возможных вариантов приведен ниже. Хотя он несколько сложнее предыдущих (используется не только удвоение, но и утроение частоты), здесь в принципе можно получить более высокие параметры ГПД, поскольку частота задающего генератора при переходе с диапазона на диапазон изменяется незначительно (от 5 до 6,9 МГц). Вот данные для частот такого ГПД: диапазон 3,5 МГц—6,76—6,325 МГц (удвоение), диапазон 7 МГц — 5,333—5,367 МГц (утроение), диапазон 14 МГц—5,0—5,35 МГц (усиление), диапазон 21 МГц — 6,0—6,225 МГц (удвоение), диапазон 28 МГц — 6,333—6,9 МГц (утроение).

При конструировании ГПД особое внимание следует обращать на частотозадающие элементы. Если катушка индуктивности задающего генератора будет изготовляться самим радиолюбителем, то лучше всего использовать варианты схем, где вообще не требуется под-строечник. Неплохие (с точки зрения стабильности ГПД) результаты получаются при использовании латунного подстроечника или даже подстроечника из карбонильного железа. Не рекомендуется применять в основном контуре ГПД ферритовые подстроечники — они имеют невысокую температурную стабильность магнитной проницаемости.

Катушку основного контура задающего генератора лучше всего намотать на фарфоровом и тефлоновом каркасе. Особенно удобен в любительской практике тефлон: он имеет отличные электрические характеристики и легко обрабатывается механически. Однако'не следует забывать, что тефлон обладает заметной «плывучестью», поэтому толщина стенок каркаса катушки должна быть не менее 4—5 мм.

В отсутствие высококачественного конденсатора переменной емкости (на фарфоре с толстыми пластинами, обязательно с двумя подшипниками) в ГПД можно применить обычные КПЕ от радиовещательной аппаратуры. Предпочтение здесь следует отдавать конденсаторам старых выпусков (от ламповых приемников): они имеют более толстые пластины и в целом лучшую механическую стабильность.

Подстроечные конденсаторы на керамике имеют плохую температурную, да и механическую стабильность, поэтому в ГПД желательно использовать только конденсаторы с воздушным диэлектриком. Если у радиолюбителя их нет, то лучше вообще отказаться от подстроечных конденсаторов. Правда, установка границ диапазонов и температурная компенсация ГПД потребует большего времени и настойчивости, но при таком варианте исполнения можно достичь лучших параметров ГПД.

В целом ГПД необходимо размещать подальше от выделяющих тепло узлов трансивера (оконечный каскад, блок питания), ограничивая передачу тепла к ГПД как из-за конвекции воздуха внутри корпуса трансивера, так и из-за теплопроводности шасси. Хорошие результаты можно получить, разместив ГПД в отдельной экранированной коробке, которая устанавливается на шасси трансивера на теплоизолирующих стойках (например, из тефлона). Для уменьшения разогрева ГПД потоками теплого воздуха коробку хорошо обклеить снаружи толстым (до 10 мм) слоем теплоизолирующего материала, например пенопласта.

Меры, принятые радиолюбителем по обеспечению высокой стабильности ГПД, в передатчике или трансивере могут быть сведены на нет из-за возможного влияния последующих каскадов на работу задающего генератора. Это влияние приводит к появлению в режиме передачи паразитной частотной модуляции сигнала ГПД либо при нажатии на ключ (телеграф), либо на пиках модулирующего напряжения (55В). Подобное явление наиболее часто встречается в трансиверах, поскольку в них отсутствует объективный контроль излучаемого сигнала, а оценки его качества в эфире, как известно, бывают весьма завышенными.

Паразитная частотная модуляция возникает в основном по двум причинам: из-за изменения напряженнй источника питания вследствие резкого возрастания потребляемой мощности при модуляции или манипуляции трансивера или из-за прямого (не через источник питания) воздействия последующих каскадов на задающий генератор через внутренние обратные связи.

Если частотная модуляция вызвана первой причиной, то устранить ее можно, как уже отмечалось выше, питанием всех гетеродинов от отдельного выпрямителя, а также тщательной регулировкой стабилизатора в динамическом режиме. Для осуществления последней операции трансивер включают на передачу и, посылая серию точек или тире (конечно, не в эфир — трансивер должен быть нагружен на эквивалент антенны), наблюдают с помощью низкочастотного осциллографа переменную составляющую выходного напряжения. Изменения выходного напряжения стабилизатора, вызванные манипуляцией передатчика, должны быть одного порядка со значениями других переменных составляющих (фон, пульсации с частотой 100 Гц).

Прямое воздействие последующих каскадов на задающий генератор устраняется тщательной экранировкой ГПД по каскадам и в целом, введением развязок по высокой частоте для всех проводов, поступающих в ГПД (за исключением, естественно, ВЧ выхода). Однако пытаться минимизировать внутренние связи следует еще при разработке схемы ГПД. В буферных каскадах лучше применять полевые транзисторы, обеспечивающие хорошую развязку между выходными и входными цепями, а если в ГПД используются биполярные транзисторы, то предпочтение следует отдать самым высокочастотным из числа имеющихся у радиолюбителя.

В любом случае после настройки необходима объективная проверка качества излучаемого трансивером сигнала с помощью отдельного контрольного приемника.

Хотя выше речь шла о высокочастотных коммутируемых ГПД, все сказанное относится и к любому гетеродину трансивера.