Шлифуем свой сигнал до блеска!
"…Трамвай построить - это не ишака купить."
И. Ильф, Е. Петров, "Двенадцать стульев"
Только дилетанту, поверхностно перелиставшему пару популярных книжек, может показаться, что "радио - это очень просто". На самом деле, без специального образования далеко не каждому по силам вникнуть во все тонкости функционирования и взаимодействия даже базовых радиоэлементов и устройств. Однако если аккуратно и без излишней самоуверенности следовать известным правилам и рекомендациям специалистов, то можно, по крайней мере, избежать грубых ошибок. Это особенно важно при конструировании и эксплуатации радиопередающих устройств. Мои заметки, конечно, не могут охватить и сотой доли того, что следовало бы знать каждому, кто берется строить и регулировать любительский КВ-передатчик, сигналы которого рано или поздно достигнут практически всех уголков Земли (и список рекомендуемой литературы далеко не является исчерпывающим!). Некоторые из рекомендаций могут показаться банальными, но я их вынужден повторять, потому что слишком многие снова и снова наступают на одни и те же грабли. Надеюсь, что эти советы все же хоть чем-то помогут вдумчивому, заинтересованному (а, значит, настоящему!) радиолюбителю.
Формирование сигнала
1) Сформировать хороший CW сигнал можно по следующей схеме: при передаче кварцевый генератор непрерывно работает на частоте F, в N раз выше, чем частота ПЧ. Манипуляция осуществляется ключеванием делителя частоты F/N. (За основу взята идея UA3DB [13], но это еще не всё.)
Далее, с выхода делителя сигнал поступает на двух-трехзвенный RC-фильтр нижних частот с частотой среза, равной частоте ПЧ, и с уровнем около 1 В поступает на узкополосный фильтр ПЧ с полосой 200…350 Гц (ЭМФ или кварцевый: можно использовать один из тех, что используются в режиме приема CW); в крайнем случае сойдет и фильтр с шириной полосы до 600 Гц. Нужный уровень сигнала, подаваемого на вход фильтра ПЧ, устанавливается резистивным аттенюатором, имеющим выходное сопротивление, равное входному сопротивлению фильтра.
Частота F/N обязательно должна точно соответствовать центральной частоте узкополосного фильтра, только тогда телеграфные посылки будут правильной формы после фильтра. Естественно, частота F и ее гармоники не должны быть близки ни к промежуточным частотам передатчика, ни к частотам любительских диапазонов. Весь этот узел надо хорошо заэкранировать и развязать по цепям питания. Готовый сигнал CW после узкополосного фильтра основной селекции поступает на дальнейшие каскады преобразования частоты и усиления линейного тракта трансивера. Разумеется, клиппер и прочие телефонные каскады должны быть при этом отключены.
В трансиверах важно, чтобы сигнал телеграфного гетеродина (CW-BFO) приемного тракта (который выше или ниже частоты ПЧ на 500-1000 Гц) совершенно не просачивался в тракт передачи. Полезно на время передачи снижать напряжение питания BFO, чтобы его выходное напряжение уменьшалось до минимального, достаточного для самопрослушивания уровня, или этот гетеродин просто отключать, а самоконтроль вести с помощью вспомогательного звукового генератора, подключенного к УНЧ приемника. Если имеется отдельный опорный генератор для формирования SSB, то он, конечно, тоже должен быть выключен при переходе на CW.
2) Недостаточно подавленная несущая, смешиваясь с полезной боковой полосой в любом нелинейном каскаде, воссоздаёт в виде комбинационного продукта ранее подавленную фильтром вторую боковую полосу. Именно так на выходе SSB передатчика может получиться сигнал с недостаточным подавлением второй боковой, хотя фильтр основной селекции имеет хорошие параметры. Это же явление очень часто является причиной возникновения целой сетки частот при попытках формировать CW и RTTY тональным способом в SSB тракте.
Если и в приемном, и в передающем трактах трансивера используется один и тот же хороший фильтр основной селекции, то при приеме он "выглядит" хорошо (т.е. обеспечивает однополосный прием), а при передаче может "выглядеть" плохо, но "не по своей вине", а по вине неудовлетворительной работы балансного модулятора и нелинейности в одном из последующих каскадов.
Несущая должна быть надежно подавлена (сразу в балансном модуляторе!) никак не меньше, чем на 50 дБ, а при клиппировании SSB на ПЧ и при цифровых видах работы - не меньше 65 дБ. Очень важна хорошая развязка по питанию опорного генератора, тщательная экранировка его и всех связанных с ним цепей.
3) Формирование RTTY и других цифровых видов работы можно делать по той же схеме, которая рекомендована для CW (см. п. 1) - для этого нужно манипулировать частоту (или фазу - для PSK) кварцевого генератора (это не трудно, поскольку требуемый относительный сдвиг частоты не велик). Если уж неизбежно применение тонального способа в SSB режиме, то нужно обязательно очищать тональные посылки хорошим полосовым активным RC или пассивным LC фильтром на низкой частоте [7] и подавать их с надлежащим уровнем прямо на балансный смеситель, а не через микрофонный усилитель.
В любом случае использование фильтра ПЧ основной селекции, предназначенного для речи (2,4 - 2,8 кГц) при передаче RTTY или PSK31 недопустимо, а следует применять ЭМФ или кварцевый фильтр с полосой 300 - 600 Гц (можно тот же, что и для приема RTTY/CW). При всех видах работы, кроме телефонного, питание микрофонного усилителя должно выключаться автоматически!
4) Мощность колебаний опорного генератора, подаваемых на диодный балансный модулятор DSB, должна превышать пиковую мощность НЧ-сигнала примерно на 20 дБ. То есть, если, например, входные сопротивления обоих входов БМ одинаковы, то пиковое напряжение звукового сигнала должно быть на порядок меньше, чем от генератора несущей. Форма колебаний генератора должна быть симметричной на реальной нагрузке (на входе БМ). Выходы опорного генератора и микрофонного усилителя должны быть низкоомными (т.е. достаточно мощными). То же и для высокочастотных смесителей.
5) Чтобы сохранялась линейность ЭМФ, на него нельзя подавать сигналы с пиковым уровнем больше, чем 1,5 В, и нельзя допускать протекание постоянного тока через его входные и выходные цепи. Перегрузка ЭМФ - очень распространенная причина сплэттера, в частности, в "вечнозеленом" ламповом UW3DI. В то же время, при слишком низких уровнях сигнала в цепях передатчика увеличивается относительный уровень шумов и помех, вызванных различными наводками.
Кроме того, с годами ЭМФ'ы (особенно "круглые" на 500 кГц) стареют, размагничиваются и перемагничиваются, у них может сильно увеличиться затухание и неравномерность в полосе прозрачности. Из-за увеличения затухания ЭМФ в полосе прозрачности со старением, начинает не хватать раскачки. Попытки восстановить прежний уровень отдачи увеличением усиления в НЧ или DSB каскадах приводят к перегрузке самого фильтра и увеличению сплеттера.
6) Настраивать конденсаторами вход и выход ЭМФ надо не на максимум сигнала, а по максимальной равномерности АЧХ в полосе прозрачности. Эта настройка весьма критична и может со временем "уходить". Со временем, а также при изменениях температуры расстраиваются и самодельные кварцевые фильтры. Согласование сопротивлений как на входе, так и на выходе любого фильтра очень важно. Если используется один и тот же фильтр для приема и для передачи, нужно обеспечить его согласование в обоих режимах, но в первую очередь - на передачу. (При нынешней доступности и небольшой цене вполне приличных фильтров украинского и российского производства, гораздо разумнее строить полностью отдельные тракты приема и передачи даже в простых приемо-передатчиках.)
При формировании SSB недопустимо использовать фильтры с коэффициентом прямоугольности более 1,25 (по уровням 6/60 дБ). Чтобы улучшить прямоугольность, полезно включать два фильтра каскадно (особенно после SSB-клиппера), но следует тщательно настроить их результирующую частотную характеристику в полосе прозрачности. Вся вторая боковая полоса должна подавляться никак не меньше, чем на 65 дБ, а при пиковой выходной мощности порядка киловатта - не меньше 75 дБ. Вполне достижимы и очень желательны более высокие показатели. Часто причиной недостаточной фильтрации является не сам фильтр, а прямое просачивание сигнала мимо него из-за плохой экранировки и слабой развязки каскадов по питанию.
7) Амплитудно-частотная характеристика всего тракта по звуковому давлению - от микрофона до выхода готового SSB сигнала - должна иметь крутые спады на частотах ниже 250…300 Гц и выше 2800…2950 Гц. В полосе 300…1100 Гц АЧХ должна быть почти горизонтальна, и только от 1100…1300 Гц должен начинаться подъем до +12…15 дБ с максимумом около 2400 - 2500 Гц (в среднем для мужского голоса, а точные границы желательно уточнить для себя индивидуально).
То есть в рабочей полосе нужно не заваливать низкие (300…800 Гц), а поднимать высокие частоты (1500…2700 Гц), что не одно и то же. Это легко достигается, например, с помощью резонансного LC-контура (добротностью порядка 4…8) в цепи ООС или в нагрузке одного из каскадов микрофонного усилителя. Такой сигнал звучит заметно лучше, чем с равномерным подъемом АЧХ. При клиппировании подъем высоких должен быть обеспечен до клиппера, а у самого клиппера и у последующих каскадов АЧХ должна быть горизонтальной в полосе 2,5 - 2,7 кГц, с крутыми скатами и надлежащим подавлением за пределами полосы.
Делать частотную полосу меньше, чем 2,3 - 2,4 кГц не следует, так как на более узкий сигнал труднее настраиваться, да и звучит он неприятно. В то же время, если полоса SSB cигнала шире, чем 2,7 - 2,8 кГц, то часть мощности передатчика расходуется и излучается зря, так как все равно не попадает в полосу пропускания приемника корреспондента.
8) Как правило, наилучшее звучание получается, когда используется высококачественный широкополосный, но узконаправленный микрофон (на достаточном, правильном расстоянии ото рта! - обычно 7…15 см), а формирование надлежащей частотной характеристики и необходимое усиление с автоматической регулировкой целиком возложены на микрофонный усилитель. Уменьшить наводки поможет малошумящий линейный предусилитель, встроенный прямо в микрофон.
Качество работы многих микрофонов зависит от сопротивления их нагрузки, поэтому должно быть обеспечено входное сопротивление микрофонного усилителя, соответствующее паспортным данным микрофона. Ухудшение качества звучания "фирменных" трансиверов при подключении динамических микрофонов во многих случаях обусловлено рассогласованием сопротивлений микрофона и входа трансивера и/или протеканием постоянного тока через катушку микрофона из-за присутствия постоянного напряжения на микрофонном входе (для питания предусилителя "штатного" электретного микрофона).Динамический микрофон к такому входу следует подключать через конденсатор достаточной емкости.
9) Во всех случаях очень полезно применение АРУ в микрофонном усилителе - не быстроходной (разряд 4…6 сек.) и не слишком глубокой (сжатие 25…30 дБ в 3 дБ) - и в случае последующего клиппирования сигнала, и без него. АРУ нужно отрегулировать так, чтобы она начинала снижать усиление при уровне громкости речи чуть ниже обычного, при нормальном расстояниии от микрофона до рта, а при значительном повышении голоса вблизи микрофона - удерживала пиковое выходное напряжение на том же уровне. Однако добиться малых нелинейных искажений в регулируемом каскаде во всем рабочем диапазоне частот и амплитуд - не самая простая задача. Можно применять соответствующие микросхемы АРУЗ для кассетных магнитофонов.
10) Клиппирование речевого сигнала непосредственно в тракте SSB на промежуточной частоте 128 - 500 кГц дает наилучшие результаты, но только при условии применения очень (очень!) хорошего дополнительного фильтра ПЧ после клиппера, особо тщательного подавления остатка несущей и надежного экранирования всех каскадов.
Хорошие результаты дает клиппирование на НЧ с фазовым подавлением гармоник по многоканальной параллельной схеме [4] , однако, для того, чтобы получить действительно красивый сигнал, и фазовращатель, и сумматор этого клиппера все же нужно тщательно настроить с использованием фазометра и измерителя нелинейных искажений. В частности, весовые коэффициенты суммирования должны быть различны для разных фаз (в схеме клиппера трансивера RA3AO [3] это не учтено!). На выходе такого устройства обязателен фильтр нижних частот с частотой среза 2,8 кГц (-3 дБ) и подавлением не меньше 20…25 дБ в полосе частот от 3,5 до 6 кГц. Применение широкополосных фазовращателей (2-го порядка и выше, не менее пяти каналов) улучшает качество сигнала и позволяет обходиться более простым ФНЧ на выходе клиппера.
Для двусторонних диодных ограничителей надо подбирать все диоды с одинаковыми вольт-амперными характеристиками, лучше использовать диодные сборки.
Оптимальная степень клиппирования 12…15 дБ для связи в тяжелых условиях и порядка 5…6 дБ в нормальных. Большее сжатие совершенно бесполезно и только снижает разборчивость [1]. При всех иных, чем SSB, видах работы, SSB-клиппер обязательно должен отключаться или усиление бустерного каскада перед ограничителем должно автоматически снижаться так, чтобы пиковый уровень сигналов не достигал порога ограничения.
Степень клиппирования определяется как отношение максимально достигаемого (при наиболее громких звуках) пикового напряжения, подаваемого на вход ограничителя, к пиковому значению напряжения ограничения (около 0,7 В на кремниевых диодах без дополнительного смещения). Таким образом, на вход простого параллельного диодного ограничителя следует подавать речевой сигнал с амплитудой на пиках не более 4,5 В (ее следует измерять пиковым вольтметром или осциллографом!). Для поддержания постоянства степени клиппирования, в микрофонном усилителе следует применять автоматическую регулировку усиления с достаточно большой постоянной времени.
11) Во всех, без исключения, каскадах любого передатчика, работающих с уровнями сигнала ниже 2 В, и во всех гетеродинах нужно применять самые малошумящие из доступных компонентов. Шумят не только транзисторы, но и почти все другие детали! Следует помнить также, что "малошумящие" транзисторы на самом деле мало шумят только при вполне определенных режимах работы.
12) Регулирование выходной мощности (усиления в передающем тракте, или "раскачки") изменением смещения (и вообще изменением режима) - так, в частности, как это было сделано в трансивере UW3DI (в каскаде усиления DSB на пентоде с "короткой" проходной характеристикой) - недопустимо. При "подзапирании" каскада для уменьшения усиления, режим его работы приближается к принципиально нелинейному классу "С" и, как это ни парадоксально выглядит, хотя "раскачка" последующих каскадов снижается, но относительный уровень искажений передатчика в целом не уменьшается, а может даже расти - из-за "нижней отсечки" в регулируемом каскаде.
Для автоматической регулировки уровня раскачки (ALC) следует применять двухзатворные полевые транзисторы или резисторные оптроны, а для ручной регулировки - резистивные аттенюаторы (простой проволочный потенциометр прямо в сигнальной цепи ПЧ и даже ВЧ вполне справляется с такой задачей).
Усиление мощности и питание
1) Активные элементы - лампы, транзисторы - надо использовать в их "родных" режимах. Мало мощности - поставь лампу покрупнее, много - поставь помельче: не надо ни насиловать, ни стрелять из пушки по воробьям.
"Выжимание" 150 Вт из ГУ-50 - никакая не доблесть, а простая радиотехническая неграмотность. С другой стороны, если каскад рассчитан на работу в классе АВ (и тем более, в классе B) с мощностью 100 Вт, а раскачивается только до 10…15 Вт, то относительный уровень его искажений может оказаться выше, чем при полной мощности (т.к. вся работа протекает на нижнем изгибе амплитудной характеристики). Когда стандартный 100-ваттный трансивер используется таким образом для раскачки мощного усилителя (например, на лампе, включенной по схеме с общим катодом), относительное увеличение сплэттера становится уже абсолютным. В таких случаях следует или переводить выходной каскад трансивера в "чистый" класс А, или раскачивать трансивер до 60-80% номинальной мощности, а весь ее излишек превращать в тепло в поглощающей нагрузке (аттенюаторе).
2) Для сохранения линейности режим работы анодной (коллекторной) цепи всех усилительных каскадов обязательно должен быть недонапряженным. Это достигается снижением эквивалентного сопротивления нагрузки лампы, т.е. увеличением связи выходного контура с нагрузкой (в классе АВ "провал" постоянной составляющей анодного тока при резонансе, по сравнению с расстроенным контуром, должен быть не глубже 15%,) и использованием источников анодного (коллекторного) питания с наибольшим напряжением, разрешенным для использования данного усилительного прибора в "официальном" рабочем режиме.
Так называемый "облегченный", по сравнению с рекомендованным, режим работы ламп (пониженное анодное напряжение), как правило, ухудшает линейность. На самом деле, при росте входного сигнала и низком напряжении питания режим работы анодной цепи (а нередко - и сеточной цепи) быстрее становится перенапряженным. Облегчение режима может состоять только в уменьшении пикового (но ни в коем случае не начального!) анодного тока (по сравнению с максимально допустимым расчетным) за счет снижения уровня входного сигнала.
3) При использовании большинства ламп для линейного усиления недопустима работа с током управляющей сетки - его нужно обязательно контролировать достаточно чувствительным (единицы миллиампер) прибором и очень полезно применение ALC (автоматической регулировки уровня раскачки) с малым временем срабатывания (0,1 сек) и большим временем разряда (6-8 сек). Источники постоянных сеточных напряжений (и управляющей, и экранной сетки) обязательно должны иметь низкое выходное сопротивление - и статическое, и динамическое.
Лучше всего стабилизаторы всех сеточных напряжений строить по параллельной схеме с высоковольтным полевым транзистором или достаточно мощной электронной лампой в качестве регулирующего элемента [6]. Стабилизаторы последовательного типа (и ламповые, и транзисторные) не способны поглощать ток, который в сеточных цепях (особенно, экранной) может течь и в обратном направлении, т.е. не обеспечивают никакой стабилизации напряжения при обратном токе сетки. Всплески обратного тока в процессе усиления SSB могут составлять только часть периода модулирующих колебаний, поэтому стрелочными приборами не всегда индицируются. Простая цепочка стабилитронов должной стабилизации не обеспечивает из-за большого дифференциального сопротивления.
В крайнем случае, при наличии многократного запаса мощности выпрямителя и последовательного стабилизатора сеточного напряжения, можно улучшить работу усилительного каскада, зашунтировав выход стабилизатора мощным низкоомным балластным резистором. Однако увеличение тока нагрузки потребует пропорционального увеличения фильтрующих емкостей в выпрямителе.
4) При использовании современных ламп с высокой крутизной недопустимо сколько-нибудь заметное отклонение от официально рекомендованного режима линейного усиления даже при использовании их в схеме с общей сеткой. Если начальный ток такой лампы установлен хоть немного меньше требуемого, линейность резко ухудшается на 15 - 25 дБ, а схема с общей сеткой может ее улучшить только на 6 дБ по сравнению со схемой с общим катодом. Таким образом, пытаясь "сэкономить" на токе молчания, высоколинейную, в принципе, лампу заставляют работать хуже, чем лампы совсем не предназначенные для линейного усиления. Ошибка в большую сторону при установке начального тока (ближе к классу А) не столь критична.
5) Мощные пентоды (особенно старых конструкций - например, ГУ-50, ГК-71, ГУ-80, ГУ-81М) работают лучше, если им подобрать небольшое высокостабильное положительное смещение на защитную сетку (несколько процентов от величины анодного напряжения). Цепь этой сетки должна быть тщательно заземлена по ВЧ конденсаторами. При этом отрицательное смещение на управляющей сетке придется немного увеличить для получения нормального начального анодного тока, а положительное напряжение на экранной сетке должно оставаться стандартным и стабильным.
6) Лампы, включаемые параллельно, нужно подбирать парами, снимая их проходные характеристики хотя бы в двух-трех точках, а рабочую точку каждой из них юстировать индивидуально (по минимуму искажений усилительного каскада в целом). Это, кстати, выгодно с точки зрения и получения максимальной выходной мощности, и равномерного износа ламп. Более двух ламп параллельно включать нежелательно.
7) Настоятельно рекомендую выходную цепь передатчика делать не в виде обычного П-контура, а в виде двухзвенного. Двойной П-контур имеет много преимуществ: намного большее подавление гармоник, значительно более широкая частотная полоса пропускания в заданном диапазоне, меньшие потери. При согласованной антенне он позволяет работать без подстройки на разных краях диапазона. Рассчитывается и настраивается он так же легко, как и однозвенный (на эту тему подготовлена отдельная статья).
8) Опытные конструкторы, хорошо знакомые с теорией обратной связи и устойчивости, могут дополнительно улучшить качество сигнала, охватив последние каскады передатчика отрицательной обратной связью. Наилучшие результаты дает применение комбинированной ООС как по ВЧ, так и по огибающей. Нужно обратить особое внимание на собственную линейность детектора огибающей, линейность регулировочной характеристики того каскада, к которому подводится ООС и обеспечение надлежащих АЧХ и ФЧХ этой цепи.
9) Ферриты - вещь, в принципе, нелинейная. В сигнальном тракте следует применять их с осторожностью: только там, где это действительно необходимо, только таких марок, которые предназначены для работы в мощных полях, а сечения сердечников трансформаторов должны соответствовать передаваемым мощностям. Неудачно сконструированный антенный симметрирующий трансформатор может создать такой же сплэттер, как и плохой усилитель мощности. Нелинейность увеличивается в постоянных магнитных полях, в том числе, и вызванных протеканием постоянного тока через обмотки дросселей и трансформаторов.
В то же время, не жалейте низкочастотных ферритовых колец для намотки дросселей на всех без исключения кабелях (сигнальных, управления и питающих), входящих и выходящих из всей без исключения аппаратуры. Дроссели, хотя бы по нескольку витков, желательно делать на обоих концах каждого соединительного кабеля. Для толстых и жестких кабелей неплохо подходят сердечники отклоняющих систем и трансформаторов строчной развертки от телевизоров и видеомониторов.
10) Хилые источники питания - это источники многих бед. Хороший запас мощности трансформаторов и запас емкости конденсаторов фильтров еще никогда и никому не вредил!
Мощные трансформаторы с выпрямителями лучше размещать в отдельном, удаленном от рабочего места железном ящике, а выходные (или дополнительные) конденсаторы фильтров и стабилизаторы - прямо в корпусах трансивера и усилителя мощности. Для подачи высоких питающих напряжений от отдельного выпрямителя вполне подходит обыкновенный коаксиальный кабель PK-50-7 или РК-50-9.
Лучший способ хранить свои запасы электролитических конденсаторов - под напряжением (иначе с годами они расформовываются), поэтому подключайте к цепям питания все, какие есть. Впрочем, и конденсаторам других типов, пригодным для фильтров, нет смысла лежать без дела. От работы в правильном режиме они не испортятся.
При расчете емкостей фильтров трехфазных выпрямителей надо иметь в виду, что при частоте пульсаций 300 Гц эффективная емкость обычных электролитических конденсаторов заметно ниже номинальной. При более высокой частоте пульсаций (в импульсных источниках питания) их эффективная емкость снижается во много раз. Явление снижения эффективной емкости с повышением частоты надо учитывать и при расчете динамического внутреннего сопротивления источников питания, имея ввиду, что при усилении SSB спектр частот пульсаций тока нагрузки простирается до 5 - 7 кГц. Полезно подключать параллельно электролитическим конденсаторам металлобумажные (особенно, предназначенные для работы на повышенных частотах, например, МБГЧ) и керамические, конструктивно располагая их как можно ближе к нагрузке.
При больших токах и сравнительно низких напряжениях питания транзисторной аппаратуры, между блоком питания и трансивером надо использовать соединительные провода большого сечения и разъемы с хорошими контактами. Если сопротивление каждого из двух проводов или контактов разъема всего по 0,03 Ом, а ток на пиках сигнала 20 А, то просадка напряжения будет до 1,2 В (это при идеальном стабилизаторе в БП!). При 13 вольтах - это уже заметная дополнительная нестабильность - почти 10%. Даже добротные фирменные трансиверы при просадке питания на пиках сигнала ниже, чем 11,7 - 12 В начинают "захлебываться" и излучают в эфир такую грязь, какая и искровым передатчикам не снилась.