Портативная РСТ на 28 МГц с АМ/CLC модуляцией

В журнале радио №10 за 2015 год была опубликована моя статья "Портативная радиостанция на 28 МГц с АМ-модуляцией". Прошел год с момента её публикации и теперь я, согласно "джельтменскому соглашению" имею право публиковать этот материал и в других (в которых захочу!) изданиях, в том числе и в интернете. Что, собственно, я и делаю в этой статье. А заодно (чуть позже) выложу и видеоролик о работе этой конструкции. Кстати, тем более, что некоторые "друзья" (Путин назвал бы их "партнёрами"!) "подсуетились" и уже выложили в Интернете на своих ресурсах эту статью без моего ведома и разрешения (сегодня обнаружил ...).
Но сначала немного истории, предшествовавшей данной публикации ...
Уважаемые пользователи, вы, наверное, обратили внимание на то, что первоначальное название статьи было несколько другим? В публикации журнала "Радио" отсутствует аббревиатура "CLC". Дело в том, что в данной схеме нет специального устройства (специального схемного решения), позволяющего получить CLC-модуляцию. Ранее в других портативках я использовал специальный диодный выпрямитель, позволявший получить необходимое напряжения для управления несущей передатчика в зависимости от силы модулирующего сигнала. Но в процессе наладки портативки обратил внимание на то, что при модуляции ВЧ сигнала по второму затвору полевого транзистора КП350Б даже при отсутствии специального выпрямителя сигнал на выходе передатчика (при АМ модуляции) ведёт себя также как и при CLC-модуляции, то есть, при увеличении модулирующего сигнала повышается и выходная мощность передатчика. Однако, такой эффект наблюдался только при определённой настройке резистором R16 (уровень модуляционного сигнала). При положении же его движка, соответствующего максимальной глубине модуляции, она получалась чисто амплитудной. Вот по этой причине я и выкинул из схемы дополнительный выпрямитель для получения управляющего сигнала CLC. Это сильно упростило схему, а перестройкой R16 можно было получить как АМ, так и CLC модуляции.
Однако, главный редактор журнала "Радио" (В.К.Чуднов, именно он готовил мою статью к публикации) не согласился со мной в вопросе наличия в этой портативке CLC-модуляции. Мы с ним долго спорили по этому вопросу. По логике он был прав - в схеме нет специального устройства, позволяющего реализовать CLC модуляцию, но в реалии я её наблюдал собственными глазами. Редактор неоднократно просил меня выполнить предложенные им измерения с целью выяснения истины, что я и делал. При этом даже сжег пару транзисторов (сам виноват - нечаянно коротнул). Уже статья пошла в печать, а мы всё ещё спорили. Но так как не смогли прийти к согласию, то решили остановиться на консенсусе - слово "CLC" из названия выкинули, но в тексте статьи добавили следующее предложение - "Одной из особенностей радиостанции является регулирование выходной мощности передатчика, которая зависит от положения движка подстроечного резистора R16".
Хочу сказать следующее: "Да, CLC модуляцию я точно наблюдал при некоторых положениях движка резистора R16 (несущая повышается вместе с увеличением уровня модуляционного сигнала), но вот объяснить теоретически (обосновать) это мы так и не смогли".
Хотя это и может быть от того, что затвор VT5 (КП350Б) имеет гальваническую связь с выходом микросхемы DA1, а на нём присутствует половинное напряжение питания, которое колеблется с появлением модуляционного сигнала, но всё же остаётся постоянным относительно корпуса (не меняет знак на противоположный, а только уровень). В цепи затвора имеются также и конденсаторы (С22, например), которые несколько сглаживают этот уровень (осредняют), а с учетом того, что входное сопротивление затвора полевого транзистора велико, то ёмкость этого конденсатора (С22) может быть достаточно малой для обеспечивания нужного сглаживания сигнала. Однако, редактор журнала с этими моими доводами не согласился (... понять его можно!!! Ибо одно дело настаивать на публикации, а другое дело нести эту ответственность перед многочисленной аудиторий, а ведь известно, что "авторы" ещё и не такие "чудеса" предлагают к публикации ... Ну а престиж такого журнала как "Радио" - это не "бухты-барахты". И если уж что новое предлагается - оно должно быть обосновано - с этим я полностью согласен! UN7BV).
Возможно полученный мной эффект имеет и другую природу и, равно, другое объяснение ... Поэтому, радиолюбителям, повторившим эту конструкцию, предлагаю обратить внимание на эту "неразгаданную загадку".
Рубцов В.П. UN7BV. 02.12.2016г.
Ну а теперь зама статья (кстати, заодно и сравните авторский вариант статьи и "сиквестированный" редакцией журнала - тоже интересный "момент" для кого-не то ... ну а для меня - обычный, я ... привыкший):
Портативная радиостанция, представленная в этой статье, обладает высокой чувствительностью (приёмная часть) не хуже 1 мкВ и выходной мощностью 200 мВт (передающая часть), что обеспечивает дальность связи на открытой местности в несколько километров, а при использовании полноценной стационарной антенны (типа GP) хотя бы у одного из корреспондентов (базовая РСТ), дальность связи увеличивается до 10 км. К достоинствам радиостанции следует отнести не только её простоту схемного решения, наличие только минимально возможного количества моточных элементов, двойное использование как целых узлов, так и отдельных радиодеталей в различных режимах, но и очень малое количество соединительных проводов, при полном
отсутствии экранированных проводников, в том числе и коаксиалов.
Принципиальная электрическая схема радиостанции показана на рисунке №1. Радиостанция построена по трансиверной схеме – это когда одни и те же узлы радиостанции (вернее - их определённая часть) используются как на передачу, так и на приём.
Приёмная часть радиостанции выполнена по сверхрегенеративной схеме. Как известно, сверхрегенератор обладает как рядом преимуществ – высокая чувствительность, малое количество составляющих схему радиоэлементов, простота настройки, так и недостатков – излучение собственных сигналов в эфир, невысокая избирательность, сильная зависимость от параметров антенны (вплоть до срыва генерации и прекращения приёма).
В предлагаемой для внимания схеме, недостатки сверхрегенеративной схемы сведены к минимуму, путём использования предварительного усилителя высокой частоты, применением дополнительного избирательного контура на его входе и использования синхронизации УВЧ по импульсам гашения.
К особенностям РСТ следует отнести и применение усилителя низкой частоты двойного назначения – он используется как в режиме приёма, так и в режиме передачи. Динамик (самая крупногабаритная деталь в радиостанции), одновременно, является ещё и микрофоном, что благоприятно сказывается на её миниатюризации.
Ещё одной особенностью РСТ является тип модуляции, который в зависимости от положения движка подстроечного резистора может быть как чисто амплитудной, так и модуляцией CLC типа (с управляемым уровнем несущей). Как известно, CLC-модуляция отличается от амплитудной тем, что при включенном передатчике, но при отсутствии
модуляционного сигнала, она излучает в эфир пониженную мощность (30…40 процентов от номинальной), зато при поступлении звукового сигнала она повышается пропорционально этому сигналу вплоть до номинальной, что позволяет уменьшить бесполезные затраты мощности на излучение несущей в паузах передачи (экономия электроэнергии), увеличивает средний коэффициент модуляции (глубину модуляции) и позволяет несколько форсировать выходной транзистор УМ по мощности
на пиках модуляции (как известно, пиковая мощность транзистора всегда выше постоянно действующей), сигнал при этом становится несколько разборчивей и «дальнобойней», чем при «чистой» амплитудной модуляции (по этим параметрам данная модуляция приближается к SSB модуляции).
Работа схемы
В режиме приёма (положение переключателя SA2 на схеме показано именно в этом режиме - RX) сигнал радиочастоты диапазона 28 МГц (в авторском варианте частота равна 28,948МГц) с антенны XW1 через вторую секцию переключателя SA2.2 и конденсатор С1 поступает на базу транзистора VT1 усилителя радиочастоты. Штыревая антенна
(95 см длиной), конденсатор С1 и последовательный резонансный контур L1, C2 представляют собой входную систему контуров, обладающую достаточной селективностью и хорошей согласовкой по сопротивлению, что обеспечивает достаточно высокую чувствительность при необходимой избирательности. Коллектор транзистора VT1 включен в контур L2, C5 (нагрузка УВЧ каскада) частично, чтобы меньше его шунтировать. Смещение на базу
этого транзистора подано через резистор R1 с базового делителя VT2 (R3, R4). А так как в этой точке присутствуют импульсы гашения, то работа транзистора VT1 оказывается синхронизированной этими
импульсами, а, значит, он открывается в такт с транзистором VT2 – в те моменты, когда его чувствительность максимальна (в определённые периоды каждой пачки гасящего импульса). Это не только экономит электроэнергию, но и сокращает количество резисторов в базовом делителе VT1. К тому же, транзистор VT1 периодически (в такт с гасящими импульсами, и обратите особое внимание - это не ВЧ колебания!) оказывается запертым, что благоприятно сказывается на
предотвращении просачивания собственного ВЧ сигнала сверхрегенератора в антенну через паразитные проходные ёмкости каскада (паразитные излучения уменьшаются).
Сам сверхрегенеративный детектор собран на транзисторе VT2
(по схеме с общей базой). Каскад генерирует ВЧ колебания рабочей частоты пачками. Частота ВЧ колебаний определяется параметрами элементов конура L2, C5, С32, а частота гасящих колебаний R6, C7, С4, С31 (как основные) и С8, R4, R5, C10, R7, C12 (тоже участвуют в этом
процессе, хотя и в меньшей степени). Обратная связь, обеспечивающая генерацию на высокой частоте, образована конденсатором С6 (от величины емкости этого конденсатора сильно зависит чувствительность сверхрегенератора). Частота вспомогательных колебаний должна лежать в пределах 30…50 кГц (если она будет ниже, то её трудно будет отделить от низкочастотного полезного сигнала, хотя чувствительность
сверхрегенератора при низкой частоте и будет выше, если же вспомогательную частоту установить выше указанного предела – она будет способна более активно просачиваться в антенну, а это лишние паразитные излучения, к тому же чувствительность сверхрегенератора будет несколько ниже). Вспомогательная частота гашения имеет форму пилы (амплитудой несколько вольт, которая значительно меняется при варьировании параметров настроечных элементов, критерий - по наибольшей чувствительности приёмника) – её можно посмотреть осциллографом в точке соединений L3, C7, R6, R76. Качество работы сверхрегенератора сильно будет зависеть от величины ёмкости конденсатора С6 и от рабочей точки транзистора, устанавливаемой
делителем в базовой цепи VT2, то есть от номиналов R3
и R4, поэтому на этапе настройки стоит предусмотреть установку вместо элементов R3 и C6 их триммеров (подстроечных элементов, которые после настройки заменяют постоянными с теми же, полученными при настройке, параметрами).
Параметрический стабилизатор напряжения VD1, R5, C31 обеспечивают стабильную работу сверхрегенератора, что немаловажно при постепенной разрядке питающей батареи или изменении температуры окружающей среды. Кроме того, позволяет питать радиостанцию от источника питания в диапазоне 9…12 вольт (как от девятивольтовой
батарейки, так и от стационарного блока питания напряжением 9…12 вольт).
Низкочастотный сигнал со сверхрегенеративного детектора снимают с точки соединения (узел тока) С7, L3, R6, R7. Через фильтр R7, C12 и регулятор громкости R8 он подаётся на прямой вход 3 микросхемы DA1, являющейся основным элементом усиления РСТ по НЧ. Номинал резистора R12 устанавливает режим микросхемы (рабочую точку по аналогии с транзисторным каскадом) – примерно половина напряжения питания на выходе микросхемы (вывод 6). Цепочка обратной связи C14, R11 обеспечивает устойчивость усилителя, предотвращая самовозбуждение на высоких частотах. Цепь C16, R18, C20 – обеспечивает необходимый коэффициент усиления в определённом (рабочем) диапазоне частот (частотозадающая цепь по инверсному
входу микросхемы – вывод 2). При замыкании цепи C15, R13 микрокнопкой SA1 входа (3) микросхемы с её выходом (6), схема превращается в генератор низкой частоты с частотой 1 кГц на выходе, тем самым обеспечивается режим тонального вызова. С выхода 6 микросхемы сигнал в режиме приёма поступает на оконечный
каскад НЧ, выполненный на транзисторе VT3 по схеме эмиттерного повторителя. Этот каскад не даёт усиления по напряжению (усиление чуть меньше единицы), но зато даёт усиление по току и хорошо согласовывает относительно высокое выходное сопротивление
микросхемы с низким сопротивлением звуковой катушки динамической головки BA1, тем самым, разгружая микросхему. К тому же этот каскад совместно с каскадом, выполненном на транзисторе VT4, входит
в систему коммутации режимов «приём-передача».
С движка подстроечного резистора R16, который является установочным элементом глубины CLC модуляции, сигнал НЧ поступает на второй затвор транзистора VT5 задающего генератора передатчика. Переход из режима приёма в режим передачи осуществляется
переключателем (по конструкции типа П2К) с двойной группой контактов SA2 (группа SA2.1 переключает цепи питания, а SA2.2 – антенные цепи). В режиме передачи снимается питающее напряжение с УВЧ, сверхрегенератора, с VT3 и подаётся на VT4, VT5, VT6. Каскад, выполненный на транзисторе VT4 по схеме с общей базой, является
предварительным в микрофонном усилителе. Его основная цель – обеспечить согласование низкого сопротивления головки ВА1 с высоким (вход 2) входным сопротивлением микросхемы (микросхема – основной элемент усиления МУ), плюс – коммутация ВА1, превращая его из динамика в микрофон. При этом элементы C16, R18, C20 уже «играют» свои основные роли в усилительном каскаде (разделительный конденсатор, резистор коллекторной нагрузки и блокировочный
конденсатор, соответственно).
Задающий генератор передатчика собран на полевом транзисторе МОП структуры VT5 по схеме ёмкостной трёхточки. Частотозадающий кварц ZQ1 включен в цепь первого затвора (работает на основной гармонике 14,474МГц). Конденсатор С26 обеспечивает положительную обратную связь, необходимую для возникновения и поддержания генерации (незатухающих колебаний). В генераторе можно использовать
также кварцы как на основную рабочую частоту диапазона 28 МГц (28,948 МГц), так и кварц на третью гармонику (9,6493… МГц). С27 устраняет обратную отрицательную связь по переменному току. Модуляция каскада осуществляется по второму затвору транзистора. Со стока транзистора сигнал ВЧ через разделительный конденсатор
С25 подаётся на оконечный усилитель мощности передатчика, выполненный на транзисторе VT6, включенном по схеме с общим эмиттером. Делитель в базовой цепи R27, R28 (подбор номинала R27 по максимуму усиления каскада), определяет рабочую точку каскада. В коллекторной цепи включен нагрузочный контур L4, 28, C29, настроенный на частоту 28,948МГц. С коллектора VT6 усиленный
ВЧ сигнал поступает в антенну через согласовочный (а также разделительный – предотвращает закорачивание питающих цепей постоянного тока при случайном касании антенны корпусного провода) конденсатор C30. При использовании кварца на основной гармонике (28,948МГц), этот каскад просто усиливает эту частоту, при использовании третьей гармоники (сам кварц при этом работает на основной гармонике – 9,6493…МГц), выходной каскад преобразует третью гармонику в рабочую частоту 28-метрового диапазона, а
при использовании второй гармоники кварца (кварц работает на частоте 14,474МГц – авторский вариант), каскад на транзисторе VT6 подпитывается только первую половину периода – вторая половина колебания происходит как затухающее колебание в нагрузочном контуре - на выходе при этом всё равно присутствует усиленная рабочая частота 28,948МГц. Последний вариант мне импонирует больше всего – задающий генератор и усилитель мощности работают на разных частотах не мешая друг другу, а усиление при этом получается выше чем
у других вышеназванных вариантов (в первом, потому что добиться наибольшего усиления не позволяет взаимное влияние каскадов, работающих на одной и той же частоте, во втором – потому что третья гармоника всегда меньше по амплитуде чем
первая и вторая).
Детали
В радиостанции использованы широко распространённые радиоэлементы: резисторы МЛТ-0,25, МЛТ-0,125, СП3-9а, резистор
R8 от карманных приёмников (малогабаритный, совмещённый с выключателем питания SA3), кварц в малогабаритном стеклянном корпусе (можно использовать на любую частоту, лежащую в АМ участке радиолюбительского диапазона 28 МГц, либо кварцы на вторую или третью гармоники этой частоты), транзисторы VT1, VT2 можно заменить на любые маломощные высокочастотные (частота единичного усиления должна быть выше рабочей не менее чем в три раза), транзисторы VT3,
VT4 заменимы на другие типы низкочастотных транзисторов примерно такой же мощности, полевой транзистор КП350Б на аналогичные транзисторы с другими буквенными индексами, или на КП306, КП327 (с любыми буквами), транзистор КТ603Б заменим на КТ325, КТ608 или КТ606 (с любыми буквами). Конденсатор С28 – подстроечный, керамический, малогабаритный – КПК-МП. Конденсатор С32 подстроечный с воздушным диэлектриком и выведенной вне корпуса самодельной пластмассовой рукояткой (позволяет подстраивать частоту приёма радиостанции). Динамик ВА1 - телефонный наушник
ТА56М с сопротивлением звуковой катушки 50 Ом, хороший результат даёт применение динамической головки с сопротивлением звуковой катушки 8 Ом и мощностью 0,1-0,5 Вт (авторский вариант – 0,1ГД8). Антенна изготовлена из железной проволоки диаметром 2мм и длиной 95см, в качестве разъёма использован СР-75-280Ф8 («папа» установлен в корпусе, а «мама» представляет собой комель антенны – железная проволока заточена на конце и припаяна к контакту разъёма, а само полотно антенны укреплено в разъёме удлинённой, цилиндрической втулкой, выточенной из фторопластовой (тефлоновой) болванки.
Катушки L1, L2, L4 – однотипные, намотаны на полистироловом ребристом (можно эбонитовом, керамическом) каркасе внешним
диаметром 7 мм проводом ПЭЛ-0,55 (6 витков, намотка виток к витку), отвод у L2 от 4-го витка, считая снизу. Катушки имеют ферритовые резьбовые подстроечники (от СБ-9А). L3 – стандартный дроссель индуктивностью 20 мкГн (+/- 5%) -ДМ-0,4. Этот дроссель можно изготовить и самостоятельно, намотав 100…200 (не сильно критично) витков провода ПЭВ-1-0,1 внавал на резисторе МЛТ-0,5 (0,25) номиналом 1 МОм. Катушка L4 такая же, как и L1.
Корпус портативки (смотри рисунок и фотографии) выполнен из дюралюминиевых пластин (две силовые толщиной по 5мм и
остальные толщиной 1,5мм). В корпусе имеется отдельный отсек с выдвигаемой крышкой, предназначенный для помещения в него батарейки типа «Крона». Установлен также разъём XS1 для подключения внешнего источника питания. Печатная плата крепится на
прямоугольные дюралевые «сухарики», в которых проделаны резьбовые отверстия М2,5. В качестве кнопочек микротумблеров использованы «баллоны» отслуживших «своё» светодиодов АЛ307.
Настройка
Настройку радиостанции начинают с проверки цепей питания на наличие отсутствия короткого замыкания (отдельно в режиме передачи и отдельно в режиме приёма). При отсутствии такового (а при
наличии – после устранения последнего) подают питание на схему. Сначала настраивают УНЧ – устанавливают режим микросхемы DA1 по постоянному току, путём подбора сопротивления резистора R12
до получения на выводе 6 половины напряжения питания (+6 вольт при питании от источника +12 вольт). После этого подают ЗЧ сигнал от генератора НЧ в точку соединения R8, C11 (частотой 1 кГц, амплитудой
несколько милливольт, форма сигнала – синусоида) и проверяют осциллографом на эмиттере VT3 отсутствие искажений синусоиды (а на слух - качество). Если при увеличении сигнала появляются искажения вершин (типа меандр) сверху или снизу, то следует подобрать сопротивление резистора R14 (при увеличении сигнала - после некоторого уровня, ограничения должны появляться одновременно –
симметрично, и сверху и снизу – это будет нормой). При настройке резисторы R12, R14 заменяются на переменные чуть больших номиналов (можно последовательно с настроечным включить ограничивающий, защитный резистор – так называемая «защита от дурака»), после настройки замеряются их сопротивления и вместо них впаиваются уже постоянные резисторы с такими же данными. Далее проверяется режим генерации вызова («Тон»). Для этого замыкаются
контакты SA1 – в телефоне или динамике должен быть слышен звуковой сигнал частотой около 1 кГц (контроль ведут частотомером). Если частота отличается от указанной выше, то её подгоняют, подбирая номиналы C15 или R13.
Далее приступают к настройке сверхрегенеративного каскада (VT2).
Подбором ёмкости конденсатора (предварительно его временно заменяют триммером – подстроечным конденсатором) С6 и сопротивления резистора R3 (его тоже на время настойки заменяют
подстроечным) добиваются максимальной громкости суперного шума (белый шум) в динамике (кстати, наличие суперного шума – наивернейший признак исправной работы сверхрегенератора). После настройки вышеназванные детали заменяют постоянными с полученными (измеренными) параметрами. Хороший результат даёт и
настройка подбором номинала резистора R4, при этом номинал R3 следует выбрать равным 62кОм. Далее на антенный вход подают
сигнал от ГСС с рабочей частотой (28,948 МГц в авторском варианте) и амплитудой 1 вольт. Подстраивая поочерёдно сердечники катушек L2 (первой) и L1 (второй по очереди – настройка этого контура довольно «острая»), добиваются максимума сигнала на выходе приёмника
(дополнительно может понадобиться подбор R4 по максимуму приёма). По мере настройки сигнал от ГСС постепенно уменьшают до микровольт. Следует помнить, что после установки на место нижней крышки корпуса портативки, вышеуказанные контура следует повторно
слегка подстроить (до закрытия верхней крышки).
Настройку передающей части радиостанции производят, переключив SA2 в положение TX (передача). Контроль сигнала на выходе можно вести либо осциллографом, либо ВЧ вольтметром, либо аналогичной (уже работающей на приём) радиостанцией, либо простейшим
волномером (параллельный колебательный контур с диодным детектором и миллиамперметром, к «горячему» и «холодному» концам контура следует присоединить медные проводники длиной по 90 см,
своеобразный антенный диполь – смотри рис.2), либо уже настроенной приёмной частью собственной радиостанции (для этого на приёмник подают напряжение питания, движок R8 выводят к корпусному выводу и встают высокоомными наушниками (либо осциллографом) на
правый по схеме вывод R7). Подстраивая сердечник катушки L4
и конденсатор С28 добиваются максимума сигнала в антенне (настраивают контур в резонанс на рабочую частоту кварца ZQ1 – настройка относительно плавная, но хорошо «чувствуется»). Некоторый
положительный результат даёт и подбор ёмкости конденсатора С30 (добиваются наилучшей согласовки выходного каскада с антенной по максимальной отдаче в антенну).
Далее проверяют работу радиостанции в реальном эфире.
При крайнем левом положении (согласно схемы) движка резистора R16,
модуляция будет чисто амплитудная, при движении его вправо примерно до середины, модуляция постепенно перейдёт к CLC-модуляции (будет меняться режим VT5 по постоянному току – при отсутствии
модуляционного сигнала уровень несущей будет зависеть от положения движка R16, а при наличии модуляционного сигнала уровень несущей будет изменяться в такт с этим сигналом - повышаться), при дальнейшем движении движка вправо будет падать как уровень
модуляции так и выходная мощность портативки. Для получения большего сектора перестройки R16, в котором будет «присутствовать» CLC-модуляция, в цепь движка этого резистора следует ввести постоянный резистор номиналом 10…100кОм. Тогда при перемещении движка резистора вправо по схеме, режим VT4 по постоянному току будет меняться в том же темпе, а уровень модуляционного сигнала гораздо меньше.
Следует отметить, что в данной радиостанции имеется возможность стабилизировать частоту сверхрегенератора кварцем, использованным в передатчике (ZQ1). Для этого в режиме приёма нужно коммутировать выводы кварца, подключая его вместо конденсатора С6. Следует знать, что в этом варианте нужно использовать кварц на первую гармонику рабочей частоты (в авторском варианте – 28, 948МГц). При этом подстроечный конденсатор С32 из схемы можно исключить.
16.06.2014г. Рубцов В.П. UN7BV. Астана, Казахстан.