В.АРТЕМЕНКО (UT5UDJ),
Украина, 01021, г.Киев-21, а/я 16.
Улучшение работы гетеродинов многодиапазонных трансиверов
Часто бывает, что собранный трансивер не реализует
полностью заложенные в схему возможности, и иногда работает
очень плохо. Как правило, основная причина его неудовлет
ворительной работы - нарушение оптимального режима работы
смесителей, т.е. неправильная установка уровня гетеродинного
напряжения, подаваемого на смеситель. Для смесителя,
работающего на одной частоте, установить оптимальный уровень
гетеродинного напряжения довольно просто - достаточно
воспользоваться универсальными рекомендациями и схемами,
приведенными в [1]. Оптимальный уровень опорного кварцевого
генератора, работающего на частоте 500 кГц, легко подбирается в
конструкции, описанной в [2]. Аналогичное решение можно
применить в схеме генератора плавного диапазона (ГПД)
однодиапазонного трансивера, однако для многодиапазонного
аппарата такое решение оказывается малопригодным, поскольку
довольно трудно обеспечить постоянство выходного напряжения
генератора в широкой полосе частот. Это приводит к значительным
изменениям чувствительности приемника и выходной мощности
передатчика при переключении диапазонов.
На примере доработки схемы ГПД трансивера "Урал-84" [3]
рассмотрим один из вариантов исправления этой ситуации. В
рассматриваемой схеме буферный каскад выполнен на биполярном
транзисторе, включенном по схеме эмиттерного повторителя, на
груженного на широкополосный усилитель, имеющий, к сожалению,
недостаточную развязку между входом и выходом. В целом такая
схема не обеспечивает эффективную буферизацию между ГПД и
нагрузкой, и, кроме того, в ней трудно получить одинаковые
выходные напряжения на разных диапазонах.
Как видно из рис.1, при доработке трансивера "Урал-84" в
схему ГПД добавляют подстроечный безындуктивный резистор R4,
который позволяет в широких пределах регулировать выходное
напряжение ГПД на каждом диапазоне. Кроме того, увеличено число
буферных каскадов - применены три последовательно включенных
эмиттерных повторителя на транзисторах VT2...VT4, что позволяет
полностью устранить изменение частоты при переходе с приема на
передачу и обратно и значительно увеличить стабильность частоты
задающего генератора.
Номиналы резистора R1* и конденсатора СЗ* подбирают
опытным путем, так чтобы при установке движка подстроечного
резистора R4 каждого из диапазонных блоков BAND 1...BAND N в
крайнее верхнее положение, выходное напряжение на разных
диапазонах отличалось не более чем в 1,5...2 раза.
Затем выходное напряжение выравнивают при помощи резистора
R4 для каждого из диапазонных блоков. Измерять выходное
напряжение лучше всего ВЧ-вольтметром, имеющим 50-омный вход.
Известно, что получение высокостабильных во времени
колебаний ГПД приемника или трансивера является достаточно
сложной задачей. Этому вопросу посвящено большое число
публикаций. В [4] была предпринята попытка кратко обобщить
причины, влияющие на временную стабильность колебаний ГПД:
- изменение частоты задающего контура ГПД (температурная
нестабильность элементов контура);
- изменение режима работы активного элемента задающего
генератора. Однако имеется еще ряд причин, не упомянутых в [4],
которые влияют на качество работы ГПД, связанных с
nqnaemmnqrlh их настройки и проверки. Автор, занимаясь
проблемой достижения высокой временной стабильности колебаний
ГПД, обратил внимание на следующий интересный факт.
Часто, даже при скрупулезном выполнении всех рекомендаций
по созданию высокостабильных схем ГПД, приведенных в [4, 5],
наблюдается очень большая нестабильность частоты. Обычно это
проявляется в "уходе" частоты либо в сторону ее уменьшения,
либо в сторону увеличения. Принято считать, что весь процесс
получения высокостабильных во времени колебаний сводится к
следующему - собирается схема ГПД, т.е. его плата помещается в
корпус; температура в помещении, где осуществляются монтаж и
настройка генератора, постоянна, и отсутствуют сквозняки; для
питания ГПД используется отдельный стабилизатор напряжения,
частотомер подключается через хороший буферный каскад и т.д.
Поскольку при монтаже схемы происходит нагрев деталей,
после его окончания оставляют ГПД в покое примерно на 2...4
часа (за это время все детали ГПД охлаждаются до температуры
окружающей среды). Кроме того, следует учитывать, что канифоль,
используемая при пайке, начинает со временем растрескиваться,
вызывая микросотрясения схемы ГПД, что вполне может стать даль
нейшей причиной внезапных "перескоков" частоты. Поэтому
рекомендуется всегда тщательно удалять все следы канифоли
(желательно медицинским этиловым 96%-ным спиртом).
Итак, выждав 2...4 часа, включают ГПД. Частотомер включают
несколько раньше, чтобы он успел хорошо "прогреться". Как
указывалось ранее, частотомер должен быть подключен к буферному
каскаду ГПД. Далее, после прогрева в течение 15...60 минут,
измеряется стабильность частоты ГПД.
Хорошо, если после "предварительного" прогрева ГПД за
следующий час работы его частота "уходит" ("вверх" или "вниз")
на 50...100 Гц. Уход частоты в указанных пределах можно
признать удовлетворительным.
Однако радиолюбители, которые занимаются сборкой и
настройкой ГПД, хорошо знают, что часто ГПД ведет себя
нестабильно - может получиться, что уход частоты составляет 500
Гц/час и более!
В таком случае ГПД обычно разбирается, и начинается
мучительный поиск причин его странной и непредсказуемой работы
- бесконечная замена конденсаторов, катушки задающего
генератора, транзисторов... Вроде бы, все в порядке. Вновь
собран ГПД, проверяется и... все начинается сначала! Частота
вновь нестабильна...
Мною замечена одна интересная особенность настройки ГПД,
имеющего рассмотренные выше дефекты. Если такой "нестабильный",
но качественно изготовленный ГПД не разбирать сразу, а просто
отложить на несколько суток (лучше на неделю), а затем вновь
испытать, то стабильность частоты этого ГПД может оказаться (и
реально в большинстве случаев оказывается!) удовлетворительной.
Логичным объяснением такого странного поведения ГПД может быть
тот факт, что физические и электрические параметры радиодеталей
изменяются в процессе монтажа схемы. При этом детали испытывают
различные механические, термические и другие напряжения. Ясно,
что такие напряжения после снятия внешних воздействий сразу не
исчезают, и в первое время происходит значительное изменение
свойств материалов, которые с течением времени стабилизируются,
а затем уже практически не меняются.
По-видимому, наиболее сильно материалы меняют свои
свойства в течение нескольких суток (до недели), и именно в
течение этого времени и наблюдается большой "уход" частоты
генерируемых колебаний.
Приведенное объяснение возможных причин нестабильной
работы ГПД после монтажа является всего лишь одной из попыток
объяснить это явление. Возможно, читатели также выскажут свое
мнение по затронутой проблеме.
Можно предложить еще один, более простой, хотя и менее
эффективный способ усовершенствования ГПД, который лучше
применить именно при модернизации готового трансивера. В
качестве буферных устройств используются резистивные
аттенюаторы, а выравнивание гетеродинных напряжений
обеспечивают один или нескольких включенных последовательно ШПУ
с логарифмической характеристикой (так называемых логарифми
ческих ШПУ). На практике часто оказывается достаточно
установить один такой ШПУ. Этот простейший случай рассмотрим на
примере модернизации ГПД того же трансивера "Урал-84" [3].
Проведенные измерения показали, что выходное напряжение ГПД при
смене диапазонов изменяется примерно в 2,5 раза (после
изготовления аппарат не был тщательно настроен). По этой
причине трансивер не работал на некоторых диапазонах, где на
пряжения ГПД было явно недостаточно для нормального
функционирования первого смесителя.
Принципиальная схема устройства, устанавливаемого при
доработке ГПД, изображена на рис.2. Далее рассмотрим конкретный
случай, когда выходное напряжение ГПД изменяется в пределах
100...250 мВ, а оптимальное гетеродинное напряжение должно быть
равно 1,5 В.
В этом случае при включении ШПУ с коэффициентом усиления
20 дБ между ГПД и входом смесителя, выходное напряжение при
переходе с диапазона на диапазон будет изменяться от 1,0 до 2,5
В, что нарушит работу смесителя - напряжение 1,0 В для него
будет слишком мало, а 2,5 В - велико. Как указывалось выше, ШПУ
гетеродина "Урал-84" имеет слабую развязку входа с выходом и
обладает недостаточными буферирующими свойствами. Улучшить
буферизацию ГПД дорабатываемого трансивера можно включенением
аттенюатора 1, ослабляющего поступающий сигнал на 10 дБ
(заметим, что аттенюатор можно заменить эмиттерным повтори
телем, но в этом случае придется пересчитать соответствующие
напряжения). На выходе аттенюатора 1 получаем напряжение,
изменяющееся от диапазона к диапазону приблизительно от
100/3,16=32 мВ до 250/3,16=80 мВ. Здесь число 3,16
соответствует ослаблению по напряжению на 10 дБ.
Далее сигнал усиливается ШПУ 1 (как и показанные на схеме
ШПУ 2 и ШПУ 3, он полностью идентичен ШПУ указанного
трансивера). При коэффициенте усиления +20 дБ, ВЧ-напряжение на
его выходе изменяется в пределах 320...800 мВ. Для простоты рас
четов будем считать, что ШПУ 1 и ШПУ 3 работают в линейном
режиме и начинают ограничивать сигнал только при выходном
напряжении более 2,5 В. Это справедливо и для ШПУ 2 (при
удалении ограничительных диодов VD1 и VD2).
Входные и выходные сопротивления всех показанных на
рисунке узлов одинаковы и равны 50 Ом. Усиленный ШПУ 1 сигнал
поступает на аттенюатор 2 (-3 дБ), который служит для
предотвращения паразитного самовозбуждения устройства (если
самовозбуждение отсутствует, этот узел можно исключить).
Пониженное до 230...570 мВ ВЧ-напряжение подводится ко
входу ШПУ 2. Если бы этот усилитель работал в линейном режиме
(при отсутствии диодов VD1 и VD2), на его выходе присутствовало
бы напряжение 2,3...5,7 В (при коэффициенте усиления +20 дБ).
Однако реальный ШПУ, применяемый в трансивере "Урал-84", как
указывалось выше, начинает ограничивать сигнал при напряжении,
opeb{x`~yel 2,5 В (т.н. явление компрессии).
Как известно, кремниевые диоды начинают открываться при
подаче на них напряжения около 0,6...0,65 В. При включении в
коллекторную цепь транзистора VT2 двух диодов, включенных
встречно-параллельно, происходит достаточно эффективное и сим
метричное ограничение напряжения на уровне 0,6...0,65 В
(срезаются пиковые значения сигнала, превышающие по амплитуде
порог 0,6...0,65 В) [5].
При этом, конечно, форма выходного напряжения после ШПУ 2
уже отличается от синусоиды, приближаясь к прямоугольной,
однако на работе смесителя это практически не сказывается.
Таким образом, при введении в схему ШПУ 2 двух
ограничительных кремниевых диодов, включенных встречно-
параллельно, напряжение на его выходе понижается примерно до
0,3...0,33 В (поскольку оно снимается с ВЧ-трансформатора L2).
Следовательно, если изначально ВЧ-напряжение при переходе с
диапазона на диапазон изменялось в 2,5 раза, применение
логарифмирующего ШПУ 2 позволило уменьшить изменение напряжения
на выходе до 0,325/0,300=1,08 раза. Такое изменение напряжения
гетеродина при переходе с диапазона на диапазон можно считать
уже достаточно приемлемым для нормальной работы смесителя, что
и подтверждается практикой эксплуатации модернизированного
трансивера. С выхода логарифмирующего ШПУ 2 напряжение
гетеродина через аттенюатор 3 (-7 дБ) поступает на оконечный
ШПУ 3, к выходу которого и подключается 1-й смеситель
трансивера. С помощью аттенюатора 3 можно обеспечить подбор
оптимального гетеродинного напряжения на выходе ШПУ 3. На
пример, если уровень оптимального гетеродинного напряжения,
подаваемого на смеситель, равен 1,5 В, а коэффициент усиления
по напряжению ШПУ 3 равен +20 дБ, на его вход должно поступать
напряжение 0,15 В. Учитывая, что с выхода ШПУ 2 подается
напряжение 0,3...0,325 В, ослабление, вносимое аттенюатором 3,
должно быть равно (0,3...0,325)/0,15=2...2,17, т.е.
приблизительно -6...-7 дБ.
Однако на практике не всегда известно, какое именно
напряжение гетеродина является для смесителя оптимальным,
поэтому при налаживании ГПД с устройством, приведенным на
рис.2, вместо фиксированного (постоянного) аттенюатора 3
следует включить технологический плавный аттенюатор
(допускается и ступенчатый, с шагом изменения затухания 1 дБ).
После этого подбором величины ослабления этого аттенюатора
находим необходимое затухание, при котором на смеситель
поступает оптимальное гетеродинное напряжение. Затем тех
нологический аттенюатор заменяется на постоянный, имеющий такое
же ослабление. Сопротивления резисторов R19...R21 50-омного
аттенюатора для разных уровней ослабления сигнала можно найти в
[7, 8], а схему ступенчатого аттенюатора с шагом регулирования
1 дБ - в [9]. Методика определения оптимального гетеродинного
напряжения рассмотрена в [10, 11].
Следует учесть, что для ШПУ 2 существует нижний предел
входного напряжения, при котором он перестает выполнять функцию
логарифмического усилителя и начинает вести себя как обычный
линейный усилитель. Этот нижний предел входного напряжения UBX
min, в отсутствие ограничительных диодов VD1 и VD2 и без учета
их порогового напряжения открывания, зависит от коэффициента
усиления Ку (в "разах") следующим образом:
U0TKp/UBxmin=(UOTKp/2)/Ky=UOTKp/2Ky.
При использовании кремниевых ограничительных диодов
(UOTKp=0,6...0,65 В) минимальное входное напряжение:
UBxmin=(0,3...0,325)/Ky. Тогда для ШПУ 2 с Ку=+20 дБ
UBxmin=(0,3...0,325)/10=0,03...0,0325B,
т.е. примерно 30 мВ.
Таким образом, сигнал с напряжением менее 30 мВ будет
усиливаться линейно, т.е. не будет ограничиваться.
Следовательно, для эффективной работы предложенного устройства
необходимо проследить за изменением уровней ВЧ-напряжения при
прохождении его через все узлы этого устройства.
Если, например, входное напряжение ШПУ 2 окажется меньше
указанной величины, придется добавить еще один ШПУ (по схеме
ШПУ 1 или ШПУ 3), или уменьшить ослабление, вносимое ат
тенюатором 1. Намоточные данные широкополосных ВЧ-
трансформаторов L1 ...L3 - такие же, как и в трансивере "Урал-
84". Все соединения ГПД с предложенным устройством, а также
внутри устройства выполняют отрезками коаксиального кабеля с
волновым сопротивлением 50 Ом минимальной длины. При этом узлы
устройства желательно экранировать один от другого.
В заключение следует отметить, что по сравнению с
доработкой ГПД, приведенной на рис.1, применение схемы с
логарифмическим ШПУ все же ведет к некоторому повышению уровня
шумов в сигнале гетеродина. Это не позволяет рекомендовать его
для доработок высокочувствительных приемных трактов, не имеющих
УРЧ.
Разумеется, рассмотренные способы выравнивания напряжения
ГПД не являются единственно возможными. Для этой цели,
например, можно использовать устройства, аналогичные НЧ-
компрессорам (на основе полевых транзисторов, включенных в
качестве аттенюаторов с переменным затуханием).
Литература
1. Артеменко В.А. О методах налаживания приемников и
трансиверов прямого преобразования. - Радюаматор, 1995, N6,
С.24-25.
2. Артеменко В.А. РЧ-тракт трансивера с ЭМФ. - KB журнал,
1997, N2, С.20-23, 26-27.
. 3. Першин А. Коротковолновый транси-вер "Урал-84".
Лучшие конструкции 31 и 32 выставок творчества радиолюбителей.
- М.: ДОСААФ, 1989, С.58...70.
4. Гончар Г. Стабилизация частоты ГПД.
- Радиолюбитель, 1998, N4, С.35...36.
5. Бунин С.Г., Яйленко Л.П. Справочник радиолюбителя-
коротковолновика. - Киев, Техника, 1984.
6. Артеменко В.А. Доработка ГПД многодиапазонного
трансивера. - Радюаматор, 2000, N5, С.20.
7. Ред Э.Т. Схемотехника радиоприемников. - М.: Мир, 1989,
С.152.
8. Ред Э.Т. Справочное пособие по высокочастотной
схемотехнике. - М.: Мир, 1990, С.256.
9. Скрыпник В. Ступенчатый аттенюатор.-Радио, 1984, N5,
С.21.
10. Артеменко В.А. Обратимый ВЧ-тракт SSB-трансивера. -
Радюаматор, 1997, N4, С.35...37; N5, С.36...37.
11. Артеменко В.А. Особенности налаживания смесителей. -
KB журнал, 1997, N4, С.29...30; N5,0.22,27...28.
