Приемники и трансиверы с прямым преобразованием частоты завоевали широкую
популярность, но их параметры, достигнутые к концу 80-х годов, с тех пор практически
не улучшились. Заметный прогресс в этом направлении получается, как показывает
автор публикуемой статьи, при использовании в смесителе трансивера (приемника)
полевых транзисторов, включенных в пассивном режиме управляемого сопротивления.
Достоинства гетеродинных приемников (прямого преобразования) широко
известны. Это - простота, практически полное отсутствие побочных каналов
приема, высокое качество демодулированного сигнала и т д. Но есть у них и
недостатки. Это - двухсигнальный прием и небольшой динамический диапазон, не
превышающий для приемников с диодными смесителями 80 дБ
Перспективным представляется применение смесителей на полевых транзисторах,
включенных в режиме управляемого сопротивления. Подобный смеситель, выполненный
на одном полевом транзисторе и описанный в [1], обеспечивал чувствительность
гетеродинного приемника 1 мкВ и динамический диапазон 65 дБ.
Здесь уместно сказать, что динамический диапазон смесителя гетеродинного
приемника ограничен сверху не интермодуляционными искажениями третьего порядка,
как в приемниках с высокой ПЧ, а прямым детектированием мешающих сигналов.
Нижнюю границу динамического диапазона полагают равной чувствительности (при
заданном отношении сигнал/шум - обычно 10 или 12 дБ) а верхнюю границу
определяют, подавая на вход приемника AM сигнал с коэффициентом модуляции 30 %
(т = 0,3), расстроенный по частоте на 50 или 100 кГц, с амплитудой,
обеспечивающей такой же выходной сигнал 34, как и при определении
чувствительности. В американской литературе разницу между границами
динамического диапазона приемника прямого преобразования часто называют AMRR -
AM rejection ratio
Теория радиотехнических цепей говорит, что при переходе от однотактной схемы
смесителя к балансной динамический диапазон расширяется на 30 40 дБ, что
позволяет надеяться получить его значение для балансного смесителя на полевых
транзисторах порядка 100 дБ. Один из вариантов балансного смесителя на полевых
транзисторах описан в [2], но он содержит симметрирующий низкочастотный
трансформатор, который трудоемок в выполнении и подвержен наводкам сети с
частотой 50 Гц
Вниманию читателей предлагается новый вариант смесителя. Он использовался в
гетеродинном приемнике на диапазон 160 метров, схема которого показана на
рисунке.
Разумеется, ничто не
мешает использовать смеситель и в других диапазонах, изменив соответствующим
образом данные контуров и трансформаторов.
Входной сигнал от преселектора (двух, трехконтурный полосовой фильтр, на
рисунке не показан) поступает на ВЧ трансформатор Т1 и далее на смеситель,
выполненный на полевых транзисторах VT1 — VT4
Гетеродин приемника собран на транзисторе VT5.
Так как гетеродин практически не нагружается смесителем, он выполнен
однокаскадным по схеме емкостной трехточки.
По той же причине оказалось возможным отказаться и от буферного каскада
Стабильность сравнительно низкой частоты гетеродина (1,8 МГц) оказалась вполне
достаточной
Преобразованный сигнал 34 проходит через ФНЧ C1L3C2 и поступает на УЗЧ,
собранный на двух биполярных транзисторах VT6 и VT7 по обычной схеме с
непосредственной связью между каскадами. К его выходу можно подключать
высокоомные чувствительные телефоны, а лучше - оконечный УМЗЧ, выполненный по
любой известной схеме
Устройство работает следующим образом при положительном полупериоде напряжения
гетеродина на затворах транзисторов VT2 и VT3 они открываются. При этом нижний
по схеме вывод вторичной обмотки трансформатора Т1 замыкается на общий провод
через открытый канал транзистора VT2, а верхний по схеме вывод той же обмотки
через открытый канал транзистора VT3 оказывается подключенным ко входу ФНЧ.
Транзисторы VT1 и VT4 при этом закрыты, так как на их затворы напряжение
гетеродина подается в противофазе и на них действует отрицательная полуволна. В
следующий полупериод гетеродинного напряжения открываются транзисторы VT1 и
VT4, а транзисторы VT2 и VT3 закрываются. При этом полярность подключения
вторичной обмотки трансформатора Т1 ко входу ФНЧ меняется на противоположную.
Если частота и фаза гетеродина и сигнала совпадают, то на выходе смесителя
появляются импульсы положительной полярности.
При изменении фазы гетеродина на противоположную на выходе смесителя
импульсы будут отрицательной полярности. Сглаженные в ФНЧ, они дают на выходе
постоянный ток. В обоих случаях происходит синхронное детектирование сигнала.
Если же частоты не совпадают, то на выходе появляется сигнал биений
Данный смеситель отличается следующими особенностями:
- в нем отсутствует симметрирующий низкочастотный трансформатор,
-обмотка ВЧ трансформатора не содержит средней точки, что исключает влияние
несимметричности обмоток трансформатора,
- паразитные емкости сток-затвор транзисторов VT1 и VT3, а также VT2 и VT4
подключены к противофазным выводам катушки связи с гетеродином L2 и образуют
сбалансированный мост, не позволяющий напряжению гетеродина попадать во входную
цепь, что существенно снижает излучение гетеродина через антенну.
Излучение гетеродина, кроме очевидного вреда - создания помех
близкорасположенным приемникам, - чревато паразитным приемом того же сигнала,
но уже промодулированного фоном переменного тока и другими помехами где-нибудь
на проводах сети или в посторонних источниках питания [2]. При этом
прослушивается трудно устранимый рычащий звук, пропадающий при отключении
антенны.
Несколько слов о входном и выходном сопротивлениях смесителей. Как известно,
входное и выходное сопротивления пассивного смесителя зависят друг от друга, но
их значения могут выбираться в значительной степени произвольно. Классическим
способом выбора оптимального нагрузочного сопротивления смесителя является
определение среднегеометрического сопротивления открытого и закрытого канала
смесителя.
Определение сопротивления открытого канала трудностей не вызывает. Оно
составляет десятки ом. Что касается сопротивления закрытого канала Rзакр. оно
носит активно-емкостный характер. Если допустить паразитную емкость закрытого
канала 1 пФ, то его сопротивление уменьшается от 80 кОм в диапазоне 160 м до 5
кОм в диапазоне 10 м, не говоря уже об УКВ диапазонах.
Приняв Rоткр = 50 Ом, получим Rнагр =2 кОм в диапазоне 160 м и
Rнarp =500 Ом в диапазоне 1-0 м Кроме того, высокие сопротивления нагрузки
смесителя в гетеродинном приемнике требуют установки ФНЧ с высоким характеристическим
сопротивлением.
Индуктивности такого ФНЧ содержат много витков и трудоемки в изготовлении.
Поэтому, по мнению автора, имеет смысл снижать нагрузочное сопротивление
смесителя до величины порядка 10R0“P, т. е. примерно до
500 Ом. При этом дополнительные потери в смесителе составляют 10 %, уменьшение
коэффициента передачи смесителя не превосходит 1 дБ относительно случая
идеального согласования, что представляется вполне допустимым.
Вернемся к схеме приемника. Транзисторы КП305Ж, использованные в смесителе,
при нулевом напряжении на затворе имеют сопротивление канала около 400 Ом, а в
открытом состоянии - около 25 Ом. Кроме того, у них довольно велик разброс
сопротивлений от экземпляра к экземпляру. При переходе гетеродинного напряжения
через нуль одновременно открытые транзисторы VT1 и VT2, а также VT3 и VT4
шунтируют вторичную обмотку трансформатора, уменьшая коэффициент передачи. Поэтому максимальный коэффициент передачи
смесителя достигается при подаче на затворы запирающего напряжения -1,5 В.
Лучше применить транзисторы КП305 А или Д, практически закрытые при нулевом
напряжении на затворе и не требующие постоянного смещения на затворе.
В случае применения более качественных элементов стоит ожидать улучшения
параметров. В продаже уже имеются ключевые транзисторы с сопротивлением открытого
канала 1...5 Ом. К сожалению, с уменьшением сопротивления (ростом проводимости)
канала транзистора растет и паразитная емкость затвор-исток. Интересно, что
произведение проводимости канала на паразитную емкость - величина,
приблизительно постоянная для разных маломощных транзисторов одного поколения.
Уровень сигнала гетеродина, просочившегося через паразитную емкость
затвор-исток, примерно пропорционален этому произведению.
Однако все эти соображения становятся несущественными при переходе смесителя
в ключевой режим, Это достигается простым увеличением напряжения гетеродина,
ведь при мгновенном напряжении на затворе более +5 В транзисторы открываются
полностью.
В описываемом приемнике после повышения напряжения питания с 9 до 15В
амплитуда напряжения гетеродина на затворах транзисторов также повысилась с 8
до 14 В. Транзисторы практически стали работать в ключевом режиме, что
благоприятно сказалось на линейности смесителя, а именно; чувствительность
приемника повысилась на 4 дБ, а верхняя граница динамического диапазона - на 6
дБ.
Интересно заметить, что схема смесителя в точности повторяет схему диодного
мостового выпрямителя, только вместо диодов включены каналы полевых
транзисторов. Кроме того, в выпрямителе диоды открываются входным переменным
напряжением с обмотки трансформатора, а в смесителе - напряжением гетеродина.
Подобные устройства можно с успехом применять и для синхронного выпрямления
вторичного напряжения в высокочастотных преобразователях источников питания,
поскольку потери в мощных полевых транзисторах меньше, чем в диодах.
Входной трансформатор смесителя Т1 намотан на кольцевом магнитопроводе
К10х6x4 из феррита с магнитной проницаемостью 400. Первичная обмотка содержит
30, а вторичная - 100 витков провода ПЭЛШО 0,1. Катушка гетеродина намотана в
навал на обычном пластмассовом каркасе со щечками диаметром 8 и длиной 10 мм.
Для подстройки индуктивности служит цилиндрический резьбовой сердечник (СЦР) из
карбонильного железа. Намотка ведется тремя сложенными вместе проводами ПЭЛ или
ПЭЛШО 0,2...0,3.
Число витков - 30, оно уточняется в зависимости от размеров каркаса, при
подгонке диапазона частот гетеродина. Из трех получившихся обмоток одна
используется в контуре гетеродина (L1), а две другие, соединенные
последовательно, образуют катушку связи (L2).
Средняя точка катушки получается соединением начала одного провода с концом
другого. Катушка ФНЧ L3 намотана на кольцевом магнитопроводе К16х10х8 из
феррита 2000НМ. Она содержит 200 витков любого тонкого изолированного провода,
рекомендуется ПЭЛШО - 0,1.
Налаживание УЗЧ сводится к подбору резистора R1 до получения напряжения на
коллекторе VT7, равного половине напряжения питания. При налаживании гетеродина
емкость конденсатора С8 рекомендуется подбирать максимально возможной, при
которой еще существует устойчивая генерация.
Испытания приемника показали следующие результаты. При работе на прием
смеситель обеспечил динамический диапазон, ограниченный прямым детектированием,
равный 100 дБ при чувствительности 0,3 мкВ. Другими словами, мешающий AM сигнал
с расстройкой 50 кГц, m = 0,3 и уровнем 30 мВ создавал на выходе такое же
напряжение 34, как и полезный CW сигнал с уровнем 0,3 мкВ.
Приведенный ко входу уровень собственных шумов приемника составил 0,1 мкВ.
При проведении экспериментов выключение гетеродина не слишком значительно
уменьшало общий шум приемника, что говорит о резервах чувствительности
смесителя. Надо заметить, что при экспериментах прослушивались и собственные
шумы транзисторного ГСС, свидетельствуя о невысоком качестве его выходного сигнала.
Описанный смеситель, как и все пассивные смесители, может передавать сигнал
в любом направлении, т. е. является реверсивным.
При работе на передачу, когда на низкочастотный вход смесителя (в точке
подключения ФНЧ) подавался сигнал 34 напряжением 2 В, амплитуда выходного
напряжения DSB сигнала составила 1 В на нагрузке 50 Ом. Неподавленный остаток
несущей оказался равным 5 мВ.
Это означает, что подавление несущей без применения специальных мер по
балансировке достигает 46 дБ. Разумеется, чтобы не ухудшить столь высокое
подавление несущей, необходима хорошая экранировка входных цепей и гетеродина.
М. СЫРКИН (UA3ATB)
ЛИТЕРАТУРА:
1. Поляков В. Т. Приемники прямого преобразования для любительской
связи. - М.:ДОСААФ, 1981.
2 Поляков В. Т. Трансиверы прямого преобразования - М • ДОСААФ. 1984.
3. Дроздов В. В. Любительские KB трансиверы. - М • Радио и связь, 1988.
4 Логосов А. Модуляторы и детекторы на полевых транзисторах. - Радио,
1981, № 10,с. 19 - 21.
