УКВ маячки с расширенными функциями

Занимаясь конструированием связной радиолюбительской аппаратуры, частенько в процессе её настройки, приходилось сталкиваться с проблемой отсутствия тех или иных измерительных приборов, генераторов сигналов, индикаторов. Особенную актуальность это приобретало при рабочих частотах УКВ диапазонов. Однако, большинство операций по настройке аппаратуры, можно произвести и при использовании совсем не сложных самодельных устройств. Так в качестве генератора сигналов на диапазоне 144 МГц, можно применить несложный маячок, три варианта которого, описаны в этой статье. Частота этих маячков стабилизирована довольно низкочастотными кварцами (7,61МГц), используется их 19-я гармоника. Функциональные возможности данных маячков несколько расширены, что позволяет их применять не только для настройки аппаратуры, но и антенн. Так, в процессе настройки последних, эти маячки позволяют передавать оператору, находящемуся у пульта управления антенной, голосовые команды и получать подтверждения о выполнении последних (включить/выключить радиостанцию на излучение, повернуть на определённый угол антенну, выполнить измерение уровня сигнала маячка, определить КСВ и т.п.), используя рабочую стационарную радиостанцию (базовую), по сути, являясь простейшими приёмопередатчиками с ЧМ-модулированным сигналом. Сигнал маяков прослушивался в радиусе 100 метров от радиостанции, а на приём принимались радиостанции, расположенные в черте города (несколько километров).
На рисунке 1 показана схема маячка, много лет использовавшаяся мной при настройке не только антенн и аппаратуры УКВ-диапазонов, но так же и КВ, в том числе и как калибратор при разметке шкал (так, один кварц на частоту 3,5 МГц обеспечивал контроль начальных точек отсчёта шкал для большинства радиолюбительских КВ диапазонов), и как генератор для проверки кварцев и их отборки с целью использования в фильтрах. Отсутствие моточных элементов и запуск в работу сразу же после первого включения питания (даже без пол-пинка!), являются очень большими достоинствами этой схемы особенно для начинающих радиолюбителей, что обусловлено её простотой. Да и малое количество радиодеталей, к тому же малодефицитных, усиливают этот эффект.
Кварцевый генератор выполнен на транзисторе VT1 типа КТ368А по схеме (аналогичной) ёмкостной трёхточки с включением кварца между базой и корпусом. Коллектор транзистора заземлён по высокой частоте конденсатором С3. Для диапазона 144…146 МГц можно использовать кварцы на частоты 7,579…7,684 МГц (используется 19-тая гармоника). В данной конструкции применены кварцы от радиостанции РСИУ-3М, крупногабаритные в цилиндрическом пластмассовом корпусе (№ Б 589 конкретно на частоту 144,6МГц). Однако можно применять кварцы и на другой номер гармоник, так как данный кварцевый генератор обеспечивает работу кварцев с частотами от сотен килогерц до 10 МГц. Ёмкость конденсаторов делителя С1/С2 (в пикофарадах) при этом подбирается примерно равной длине волны (в метрах). На транзисторе VT2 типа КТ325А собран усилитель высокой частоты. Подключение резистора R4 к коллектору VT2 (отрицательная обратная связь) обеспечивает несколько более лучшую стабильность каскада. Подбором сопротивления резистора R4 добиваются увеличения амплитуды гармоник на выходе (при увеличении сопротивления режим транзистора становится жёстче и уровень гармоник растёт). На выходе генератора присутствуют гармоники, начиная с первой и заканчивая гармониками, частоту которых способен воспроизводить транзистор VT2 в зависимости от его частотных свойств (не менее чем до 150 МГц при указанном выше типе транзистора – чем больше номер гармоники, тем меньше её амплитуда). Промежуточные гармоники можно также использовать для настройки аппаратуры. Кроме того, с помощью этого генератора, по величине амплитуды выходного сигнала можно судить о работоспособности и добротности применённого кварца (использовать для проверки и отбора кварцев). В маячке можно использовать и другие типы транзисторов - мной проверялись даже КТ315-тые, но при этом амплитуда выходного сигнала на частоте 144,6 МГц была раза в два меньше. Питается маячок напряжением 12 вольт, потребляя при этом ток около 3 мА. Можно питать его и от батареи «Крона» (9 вольт). В качестве антенны использован отрезок стальной проволоки длиной 52 см и толщиной 1,5 мм.
На рисунке 2 показана аналогичная схема маячка, но с расширенными возможностями. Данная схема позволяет модулировать сигнал по частоте голосом, тем самым появляется возможность проверять и НЧ тракты ЧМ приёмников, а также подавать команды оператору при настройке антенн. Принципиальная электрическая схема маячка аналогична предыдущей. В первый каскад (VT1 - кварцевый генератор) добавлена цепь с варикапом VD1 для получения возможности модуляции по частоте. Второй каскад (VT2) используется не только как усилитель ВЧ, но и, одновременно, как усилитель НЧ модулирующего сигнала. В цепь базы этого транзистора включен телефон ТА-65м (или ТОН-2 от головных телефонов) с сопротивлением звуковой катушки, равным 1600 Ом, который используется в качестве микрофона. Дроссель L1 развязывает цепи по высокой частоте, не позволяя ВЧ сигналу закоротиться на землю через микрофонную цепь. В коллектор транзистора VT2 включен параллельный контур L2, C9, настроенный на частоту 144,6 МГц. Настроечный конденсатор С9 позволяет не только настраивать контур по максимуму сигнала, но и расстраивать его, если возникнет необходимость уменьшить амплитуду сигнала на выходе схемы (при настройке аппаратуры и антенн в этом часто возникает потребность). Усиленный этим каскадом НЧ сигнал поступает через цепь С8, R7, C13, R8 – T-фильтр, отсекающий ВЧ сигнал, на варикап VD1. Изменения напряжения на его катоде со свуковой частотой приводят к измененипю его ёмкости, и, тем самым, к модуляции вырабатываемого ВЧ сигнала по частоте. Промодулированный ВЧ сигнал снова поступает на транзистор VT2, умножается на база-коллекторном переходе на 19 (на такое же число умножается и коэффициент ЧМ модуляции, достигая приемлемого значения), усиливается и выделяется контуром L2, C9, и далее через С12 поступает в антенну.
Переключатель SA1 служит для включения/выключения питания, а SA2 для отключения ЧМ модуляции. Следует отметить, что в этой схеме присутствует также и сопутствующая, неглубокая, амплитудная модуляция. При отключении SA2 амплитудная модуляция остаётся, что позволяет использовать маячок и при настройке трактов с АМ-модуляцией. Питание этой схемы такое же: +12 вольт от стационарного выпрямителя или +9 вольт от батарейки «Крона». Потребление тока чуть более 3 мА. На выходе этого маяка присутствует сигнал только диапазона 144 МГц – остальные частоты подавлены контуром L2, C9.
На рисунке 3 показана принципиальная электрическая схема УКВ маячка с ещё более расширенными возможностями. Она позволяет не только модулировать голосом сигнал по частоте, но и использовать схему как приёмник, что даёт возможность получать подтверждения от оператора на предмет выполнения данных ему команд при настройке антенны. По сути, схема представляет собой простейший УКВ приёмопередатчик, являясь при этом ещё и маячком. Схема имеет ВЧ тракт – VT1 – кварцевый генератор, VT2 –усилитель ВЧ сигнала и НЧ тракт - VT2, VT3, используемые как УНЧ ЗЧ сигналов в режиме приёма и как микрофонный УНЧ в режиме передачи. Микрофонный капсюль BF1 используется и как микрофон и как телефон. В режиме передачи телефонный капсюль с помощью переключателя SA1 (нажимная кнопа – в режиме передачи она нажата) подключен на вход микрофонного усилителя VT2, VT3. С его выхода усиленный сигнал через Т-фильтр R12, C15, R39 (предотвращает попадание ВЧ сигнала из цепей кварцевого генератора в цепи усилителя НЧ) поступает на варикап VD1, изменения напряжения на его катоде приводят к изменению ёмкости, что, в свою очередь, приводит к модуляции вырабатываемого сигнала по частоте. С КГ сигнал ВЧ поступает на усилитель VT2 и далее в антенну (аналогично предшествующей схемы). В режиме приёма (этот же режим является, одновременно и режимом «Маяк») переключатель SA1 (нажимная кнопка – в режиме приёма она отжата) переключает BF1 с входа усилителя на выход, а сам вход усилителя подключает к точке соединения конденсаторов С9, С11.
По сути, у нас получилась схема сверхрегенеративного приёмника с посторонним источником гасящего напряжения. Вглядимся внимательно в схему, но сначала обратимся к теории, объясняющей работу сверхрегенератора. Как известно, чтобы каскад заработал как сверхрегенеративный приёмник, причем чтобы получить максимально возможную от него чувствительность, нужно довести его почти до режима генерации, например, путём ввода положительной обратной связи. Но при этом этот режим будет весьма неустойчив и его может вывести из этого режима любая «непредвиденная случайность», даже сам принимаемый сигнал, из-за вышесказанного он войдёт в режим генерации и превратится в самый обыкновенный генератор со всеми вытекающими из этого «плачевными» результатами – приём в сверхрегенеративном режиме станет почти невозможен. Для устранения этой неприятности применяют некую хитрость – самогашение, то есть в схему вводят такую положительную обратную связь, которая периодически (цепь из параллельно включенных резистора и конденсатора – конденсатор то заряжается сигналом генератора, то разряжается через резистор) превращается в отрицательную (смещается рабочая точка усилительного элемента, переводя его в режим, когда самовозбуждение невозможно). Что это даёт? А то, что режим транзистора постоянно колеблется возле точки самовозбуждения, периодически переходя из одного состояния в другое (генератор при этом вырабатывает пачки ВЧ импульсов). В результате каскад большую часть времени остаётся почти на грани самовозбуждения, а потому его усиление близко к максимально возможному при использовании положительной обратной связи (всё время «колышется» возле этой наивыгоднейшей точки), добротность каскада велика и именно поэтому он легко управляется даже сигналами небольшого уровня, поступающими из антенны (его коэффициент усиления может достигать нескольких миллионов). Каскад при этом детектирует сигналы с амплитудной модуляцией (детектирование происходит на полупроводниковых переходах транзистора каскада), но если выходной контур генератора несколько расстроить относительно принимаемой частоты, так, чтобы несущая принимаемого сигнала оказалась на одном из скатов резонансной характеристики этого контура, то в результате этого частотно модулированный сигнал будет преобразован в модулированный по амплитуде, а, значит, тоже детектирован. Практика показала, что частота гашения должна быть выше наиболее высокой принимаемой звуковой частоты в 4-5 раз для получения приемлемого качества модуляции – чтобы не прослушивалась нашим ухом при приёме (низший предел частоты гашения «вспышек»), но для сохранения удовлетворительной избирательности эта частота не должна превышать (но теоретически может быть и гораздо выше!) 0,01 частоты принимаемых сигналов. При наших данных – 3,5 кГц звуковой сигнал и 146 МГц рабочая частота сигнала, она должна лежать в диапазоне частот 14 кГц (3,5х4)…1,46 МГц (146х0,01). Это обстоятельство нам очень пригодится ниже, а сейчас следует напомнить, что сверхрегенеративный режим в каскаде может осуществляться ещё и принудительно, то есть с отдельным генератором гашения. И это даже даёт некоторые преимущества, ибо в самом генерирующем каскаде данное обстоятельство позволяет установить наилучший режим без оглядки на необходимость обеспечение ещё и режима самогашения, да и работают такие каскады гораздо стабильнее. Применение отдельного генератора гашения (обратите внимание: в нашем случае в его качестве используется генератор с кварцевой стабилизацией частоты – он же одновременно и возбудитель 19-той гармоники!) позволяет более легко реализовать работу сверхрегенератора в линейном режиме (а этот режим сверхрегенератора обладает большей чувствительностью по сравнению с логарифмическим, но он капризен – менее устойчив, чем предыдущий, однако, не забываем – частота стабилизирована кварцем!).
А теперь посмотрим, что мы имеем! А имеем мы каскад (VT2), работающий на частоте 144,6 МГц (частота 144,6 МГц при работе этого каскада на контуре постоянно присутствует – это режим «маяка») на штыревую антенну, которая является как приёмной, так и передающей одновременно (1 признак сверхрегенеративного приёма – антенна непосредственно связана с генераторным контуром, что позволяет принимаемому сигналу воздействовать на генерируемый сигнал). На базу этого транзистора поступают колебания кварцевого генератора частотой 7,61 МГц - в 19 раз меньше, чем рабочая частота (144,6 МГц) – чем не импульсы гашения? Теория не возбраняет их считать таковыми при данной частоте (второй признак сверхрегенеративного каскада с принудительным гашением – наличие гасящего генератора)! Хотя эта частота (7,61 МГц) и превышает верхний предел предельно (условно!) допустимой частоты гашения 1,46 МГц, но в нашем конкретном случае ухудшение избирательности (а именно на это и влияет этот параметр) не столь «опасно», так как у нас реализован не столько приёмник, сколько УКВ маячок с возможностью приёма – передающая станция находится непосредственно рядом и другие работающие в этом диапазоне в данный момент радиостанции просто неспособны помешать приёму из-за своей удалённости (их сигналы многократно меньше по сравнению с сигналом нашей собственной рабочей станции – той, что стоит на столе в нашей квартире). Не страшен и второй минус сверхрегенеративного приёмника – излучение собственного сигнала в антенну. Для нас, наоборот, это скорее плюс, ибо маяк и должен излучать сигналы в эфир! Это всё значит, что, подобрав режим транзистора VT2 резисторами либо R4 (как основная настройка сверхрегенеративного режима), либо R5 (дополнительная настройка), можно добиться приёма в режиме сверхрегенерации, как в режиме АМ модуляции, так и в режиме ЧМ, что и подтвердилось на практике. Данное обстоятельство подтверждается и наличием суперного шума на выходе приёмника особенно при отключении конденсатора С11, а также заметным снижением этого шума при наличии внешнего сигнала в антенне.
Следует обратить внимание и на тот факт, что в классическом варианте сверхрегенератора с отдельным (внешним) генератором гашения, режим сверхрегенерации (при детектировании) осуществляется путём гашения работающего высокочастотного генератора более низкочастотными импульсами (на выходе присутствуют пачки импульсов, заполненные более высокочастотными колебаниями), а в предлагаемом же мной варианте приёмника всё происходит до наоборот – высокочастотный генератор (хотя на самом деле – умножительно-усилительный каскад, но это не меняет сути!) возбуждается низкочастотными импульсами, но на его выходе всё равно наблюдается та же самая картина – пачки импульсов, заполненные колебаниями высокой частоты – то есть фактически будут присутствовать частоты 7,61 МГц и 144,6 МГц (такая картина будет наблюдаться при соответствующей настройке каскада, выполненного на транзисторе VT2, путём перевода его в более жесткий режим – класс С подборкой сопротивления резистора в базовой цепи R4 в сторону увеличения, в этом случае ВЧ генератор будет возбуждаться от верхних горбов синусоиды низкочастотного сигнала и затухать при нижних), поэтому для реализации сверхрегенеративного приёма данный факт не имеет принципиального значения. В то же самое время стабилизация частоты генератора кварцевым резонатором резко повышает частотную стабильность приёмника, что является несомненным плюсом данной схемы.
Но и это ещё не всё: судя по тому, что при соответствующей подстройке частоты кварцевого генератора сердечником катушки L1, можно добиться ещё и приёма SSB-сигналов, пришлось констатировать факт, что данный приёмник является не совсем сверхрегенеративным – он обладает ещё и свойствами детектора прямого преобразования. Вообщем – это гибрид. Однако это не мешает его использовать и как УКВ маячок, и как примитивный приёмник с возможностью детектирования АМ, ЧМ и SSB сигналов, и как маломощный ЧМ передатчик, хотя, в то же самое время, не следует ожидать от простейшей конструкции при её многофункциональности ещё и высококачественного приёма радиосигналов.
Питается данная схема напряжением 12 вольт либо от стационарного источника питания, либо от автономной девятивольтовой батареи типа «Крона», ток потребления около 5 мА.
Все маячки выполнены на одинаковых печатных платах размером 63х68 мм (с угловым вырезом 22х20 мм) и толщиной 1,5 мм (фольгированный двухсторонний стеклотекстолит), которые устанавливаются в одинаковые корпуса (121х71х38 мм), изготовленные из дюралюминиевых пластин. Боковые стенки и внутренняя перегородка имеют толщину 4 мм, а остальные – 2 мм. Внутри корпус разделён перегородкой на два отсека: в большем расположена основная масса радиодеталей, а меньшая отдельная секция, предназначена для размещения автономной батареи питания типа «Крона». В ней же установлен и разъём подвода внешнего питания XS1. Крышка отсека питания сделана выдвижной – для этого в боковых стенках корпуса пропилены треугольные пазы. В маячке применены кнопка малогабаритная КМ2-1 и микротумблер МТ-1. В качестве антенного разъёма использован разъём типа СР-50-74ФВ 8004ЯП. Антенна изготовлена из отрезка стальной проволоки длиной 52 см и толщиной 1,5 мм. На конце, в целях безопасности, проволока загнута колечком диаметром 6 мм. Настроечный конденсатор на керамической основе ёмкостью 1,5…20 пФ типа 1КПВМ с удлинённой ручкой (подойдёт любой подобный подстроечный, подходящего размера и ёмкости). В боковой левой стенке корпуса сделана круглая прорезь диаметром 20 мм для прохода корпуса кварца. Кварц при установке на 7 мм выступает наружу, что легко позволяет его заменять другими с иными частотами (подобно магазину с патронами в автомате). Такое расположение кварца не мешает удерживать маячок правой рукой при работе с ним – исходя из последнего, расположены и органы управления маячком. Провод подключения телефонного капсюля экранированный низкочастотный. В маячках применены широкораспространённые недефицитные радиодетали: резисторы МЛТ-025, конденсаторы КМ, КТ, К53-4, телефонный капсюль ТА56м можно заменить на ТОН-2, все транзисторы можно заменить на КТ315.
На схеме рис. 2 катушка L1 – дроссель бескаркасный, намотан на оправке диаметром 4 мм (оправка после намотки удалена) проводом ПЭЛ-0,67 (длина намотки 13 мм, виток к витку) – число витков 18. Катушка L2 тоже бескаркасная. Она намотана посеребренным медным провод диаметром 0,8 мм, содержит три витка, длина намотки 5 мм, диаметр катушки 7 мм.
На схеме рис. 3 катушка L1 бескаркасная, намотана посеребренным медным проводом диаметром 0,8 мм, содержит 4 витка, длина намотки 10 мм, диаметр катушки 7 мм. Катушка L2 намотана проводом ПЭЛ-0,24 внавал на пластмассовом каркасе диаметром 8 мм и содержит 25 витков (длина намотки 7 мм), внутри каркаса имеется резьбовая нарезка, служащая для вкручивания подстроечного сердечника (либо ферритового, либо латунного – ферритовый увеличивает индуктивность, а латунный уменьшает).
Внешний вид печатных плат показан на рисунках 4…9, корпуса маячка на рисунках 10,11 и на фотографиях.
Настройка первой схемы (рис.1) заключается в подборе величины сопротивления резистора R4 до получения максимально возможного уровня гармоник сигнала на выходе схемы (в антенне).
Настройка второй схемы (рис.2) производится так же подборкой резистора R4, но и ещё, дополнительно, подстройкой конденсатора С9 по максимуму выходного сигнала. Качество модуляции определяется путём прослушивания сигнала маячка другим приёмником. Подбором ёмкости конденсатора С12 с одновременной подстройкой С9 можно добиться наилучшего согласования выходного контура с антенной (критерий – максимум сигнала на S-метре контрольного приёмника).
Схема, показанная на рисунке 3, требует несколько более сложной настройки. Сначала настраивают усилитель низкой частоты, подбирая сопротивление резистора R9 так, чтобы напряжение на коллекторе транзистора VT4 составило половину питающего (+6 вольт при питании от стационарного источника питания +12 вольт). Качество НЧ сигнала можно прослушать на телефоне, подав на вход усилителя сигнал от НЧ генератора звуковой частоты (в режиме приёма) или произнося слова перед наушником, но прослушивая их на дополнительный наушник, подключенный к выходу усилителя (в режиме передачи). Затем, подстраивая сердечник катушки L2, добиваются попадания сигнала маячка в полосу пропускания контрольного приёмника. Далее, если маячок предполагается использовать в режиме приёма ЧМ модулированных сигналов, то подстраивают конденсатор С7 до получения максимально сигнала от внешнего передатчика (или своего сигнала на контрольном приёмнике) и затем подбирают сопротивление резистора R4 до получения максимального уровня шумов в наушнике (режим приёма) при отсутсвии сигнала на входе (положительные результаты дает и подборка сопротивления резистора R5), либо по наилучшему качеству приёма (шумы при этом должны сильно придавливаться) при наличии сигнала работающей станции на входе. Суперные шумы заметно увеличиваются, если отсоединить один из концов конденсатора С11, что помогает при настройке, но после настройки его следует подключить на место – качество приёма при этом несколько улучшается. Улучшить качество приёма можно ещё и небольшой расстройкой контура L1, C7 (перестройкой С7), при этом частотная характеристика приёмного контура несколько смещается от центральной частоты принимаемой станции (она попадает на скат характеристики) – приём ЧМ модулированных сигналов заметно улучшается. Подбором ёмкости конденсатора С6 с одновременной подстройкой С7 можно добиться наилучшего согласования выходного контура с антенной (критерий – максимум сигнала на S-метре контрольного приёмника).
Если предполагается вести приём станций в SSB-режиме, то каскад VT2 следует перевести в менее жесткий режим (подбор R4 по максимуму выходного сигнала в антенне), С7 так же настраивают по максимуму сигнала, а подстройкой сердечника L2 добиваются приёма нужной боковой полосы (верхней для частоты 144-мегагерцвого диапазона). В этом случае сигналы АМ, ЧМ и ФМ также будут детектироваться, но с несколько худшим качеством (будет наблюдаться свист от несущих частот близко расположенных передающих станций, который можно устранить подстройкой L2). Микрофонную работу в режиме передачи с ЧМ модуляцией проверяют путём её прослушивания на контрольный приёмник. Несколько лучший результат приёма SSB-сигналов получается не при подстройке сердечника катушки L2, а при подборке кварцев (катушку L2 при этом исключают). В этом случае частота маячка заметно стабильнее, что хорошо заметно при приёме SSB-станций.
При настройке антенн с помощью этого маячка, команды (сделать замер уровня сигнала маячка, включить/выключить радиостанцию на передачу, повернуть антенну на определённый угол при снятии «картинки» её диаграммы направленности, измерить КСВ в фидере) дежурящему на основной станции оператору, подают голосом в микрофон, нажав при этом кнопку SA1, а подтвержение выполненных им команд получают в режиме приёма при отжатой кнопке SA1. В этом же режиме используют маячок и как генератор сигналов (SA1 отжата).
29.01.2010г. Рубцов В.П. UN7BV. Астана. Казахстан.