Конвертер на 2-метровый диапазон с умножителем добротности.
Norman J. Foot, WA9HUV. Оригинал статьи опубликован в журнале HAM RADIO, November 1989, pp.33...39
Описываемый здесь конвертер позволяет получать малые интермодуляционные искажения в условиях “тесного окружения”, свойственных современному эфиру.
Этот конвертер был разработан для возможности приёма слабых сигналов радиолюбительских спутников OSCAR7, OSCAR10, позднее и OSCAR13. Чтобы уменьшить общий уровень шумов, я использовал смонтированный на мачте, непосредственно у антенны, предварительный усилитель с коэффициентом усиления 20 дБ. Потери в фидерной линии составляли всего несколько дБ и я решил, что УРЧ и на входе конвертера не помешает, позволит сохранить высокую чувствительность приёмного устройства в случае увеличения потерь в кабеле. Используя этот конвертер, я провёл массу впечатляющих QSO через ИСЗ с радиолюбителями всего мира.
Интермодуляционные искажения на диапазоне 2 м.
Однажды я познакомился с тем, что поначалу показалось сигналами радиолюбительского ретранслятора, проходившими через борт ИСЗ OSCAR13. Позднее же выяснилось, что посторонние сигналы возникали в самом конвертере и представляли собой продукты интермодуляции третьего порядка.
С тех пор (точнее после переделки конвертера), я ничего подобного не встречал, хоть прошло немало времени и количество ретрансляторов возросло с нескольких до 40 штук и, практически, все - в радиусе 20 миль от меня.
На Figure 1 показана типичная картина электромагнитной обстановки в моих краях, такой, какой она выглядит на экране спектроанализатора. Насыщенность репитерами таких крупных городов как Нью-Йорк или Лос-Анжелес, примерно, такая же, как на спектрограмме или ещё больше.
В моём конвертере на входе сначала применялся УРЧ на 3N201 с тремя контурами высокой добротности. Усиление в УРЧ было значительным, и интермодуляция давала себя знать, несмотря на, казалось бы, высокую добротность входных контуров. Интермодуляционные составляющие третьего порядка – следствие работы нелинейных элементов в усилительном тракте. Поражённая точка возникает на частоте равной разности частоты второй гармоники одного взаимодействующего сигнала и частоты первой гармоники второго. Некоторые из таких поражённых точек могут попадать в спутниковый канал. Например, если два репитера включились одновременно и один из них передаёт на частоте 146, 61 МГц, а другой – на частоте 146, 27 МГц, то мешающий сигнал появится на частоте 145, 93, как раз, в спутниковом канале OSCAR13.
Усиление и линейность предусилителя
Тщательная проверка частот действующих в округе репитеров привела к неутешительному результату: имелось с дюжину комбинаций, когда сигналы, “благодаря” интермодуляции, могли попадать на частоты 145825…145975 кГц, т.е., в приёмный (для меня) спутниковый канал ИСЗ OSCAR13. Эти поражённые точки возникают, как правило, в первом смесителе приёмного устройства, в данном случае, конвертера. В общем-то, УРЧ, конечно же, виноват в появлении интермодуляции, особенно, при достаточно сильных сигналах, но таковая имеет невысокий уровень, главная беда УРЧ заключается в том, что он имеет большую полосу пропускаемых частот и усиление. (Каскады УРЧ стараются выполнять на достаточно мощных транзисторах и ставят их в линейный режим, а вот смеситель, принципиально, должен работать на нелинейном участке, чтобы получить достаточную по амплитуде комбинацию ПЧ, поэтому автор – прав в отношении доли вносимых интермодуляционных искажений – смесителю, в этом отношении, нет равных – UA9LAQ).
УРЧ, из-за широкой полосы пропускания, усиливает нежелательные (внеполосные) сигналы, согласно, присущему ему, установленному коэффициенту усиления (достаточно, к тому же, высокому). Усиленный сигнал подводится к нелинейному устройству, каким является смеситель, и, вот, здесь всё и начинается…
Мой предусилитель на диапазон 2 м - ультралинеен, хоть и имеет усиление в 20 дБ, но “точка пересечения по интермодуляционным продуктам третьего порядка (IP3)” лежит на уровне 12 дБм, как показано на Figure 2. “Надежда” на то, что этот УРЧ “произведёт” интермодуляцию, очень небольшая, но, вот, к сожалению, широкополосен и весьма…(См. теорию по интермодуляции в [ 1 ], [ 2 ] и [ 6 ] ).
Анализ сигнала
Представим себе, что мы принимаем два сигнала от репитеров на уровне -50 дБм. Эти сигналы усиливаются предусилителем до уровня -30 дБм и, возможно, УРЧ конвертера - до уровня -20 дБм. Уровень IP3 после усиления был меньше любого из сигналов репитеров на 40 дБ (т. е., это – эквивалентно присутствию в антенне уровню интермодуляционных искажений: (-50 дБм) + (-40 дБм) = -90 дБм). А это намного больше, чем сигналы, поступающие с OSCAR13. Другим факторам, влияющим на заметность интермодуляции является направленность антенны, которая при небольших углах восхождения ИСЗ, может оказаться направленной на репитер (репитеры). (С другой стороны: антенна может быть и неточно сориентированной на спутник - UA9LAQ).
Как только появится поражённая точка (интермодуляционный сигнал), никакой селекцией его в ПЧ не устранить. ( Здесь может, пожалуй, помочь только специальная адаптивная, по мешающим сигналам, синхронная обработка, что требует аппарата большего размера, чем само приёмное устройство или простое выключение питания приёмника, что, явно, - несерьёзно - UA9LAQ). Помочь “горю” здесь поможет лишь установка разумного коэффициента усиления в тракте от антенны до смесителя (предусилитель + УРЧ) и уменьшение его полосы пропускания, что также снизит и уровень шумов приёмника. Хорошей инженерной идеей будет: оставить достаточно высокий коэффициент усиления предусилителя, находящегося на мачте, непосредственно, у антенны и снизить до минимума усиление УРЧ конвертера (приёмника). (Как видно, здесь всё строится на компромиссе – UA9LAQ). Остаётся: ”ударить” по полосе пропускания, как основному средству достижения малых интермодуляционных искажений.
Множитель добротности
Как-то я экспериментировал (и не безуспешно) с множителем добротности в диапазоне 2 м, с целью получить очень узкую полосу пропускания по РЧ. По определению: множитель добротности является избирательным (селективным) усилителем с управляемой положительной обратной связью. Применение множителя добротности на 145 МГц может вызвать улыбку (показаться наивным), но, всё же, читайте дальше.
После того, как я опытным путём убедился, что виновниками интермодуляции при определённых условиях являются сигналы репитеров (ретрансляторов), то решил специально для экспериментов соорудить отдельный множитель добротности на полевом транзисторе с n – переходом 2N5486. Предварительные измерения показали возможность существенного уменьшения полосы пропускания, ограниченной только моментом перехода множителя добротности в режим генерации (срывом). Я поставил множитель добротности перед УРЧ конвертера, на выходе множителя включил РЧ аттенюатор, чтобы уменьшить общее усиление тракта. После добавления потенциометра регулировки полосы пропускания (усиления в множителе), оказалось, что множитель, действительно, ослабляет посторонние сигналы. Исключая особые ситуации, во всех случаях практического применения, я избавился от интермодуляции и, после, модернизировал УРЧ конвертера, разместив, вместо него, - множитель добротности.
Конвертер.
На Figure 3 показана принципиальная схема конвертера, включающая: множитель добротности, кварцевый генератор (гетеродин), смеситель и УПЧ. Множитель добротности является, по сути дела УРЧ с регулируемым усилением и полосой пропускания. Сигнал с УРЧ подаётся на двухбалансный смеситель, на его 9-децибельный вход (возможно, с внутренним усилением перед смешением в 9 дБ – UA9LAQ). Напряжение гетеродина (выполнен на Q2) подаётся на второй (3 дБ) вход двухбалансного смесителя. Выходной сигнал ПЧ 28 МГц - разность между входным сигналом с частотой 145 МГц и гетеродинным. Через двухзвенный фильтр ПЧ сигнал подаётся на выходное гнездо конвертера J2 и, далее, к (основному) приёмнику 10-метрового диапазона. При использовании в гетеродине кварцевого резонатора на 116 МГц, 144 мегагерцам будет соответствовать частота ПЧ 28 МГц. При использовании конвертера только для работы через ИСЗ, рекомендуется применять резонатор на 117 МГц. ПЧ, при этом, будет находиться в пределах 28,825…28,975 МГц. Цифры 145 (МГц) теперь будут соответствовать цифрам 28 (МГц) на цифровой шкале приёмника и можно будет быстро находить полосу пропускания канала спутника OSCAR10 или OSCAR13, например.
Неитрализующая проходную (затвор - сток) ёмкость транзистора цепь состоит из катушки с переменной индуктивностью L4 и конденсатора С7 (подробности в [ 3 ] и [ 4 ]). Проходная ёмкость составляет примерно 1 пФ и зависит также от тщательности и способа монтажа транзистора. На частоте 145,9 МГц усилитель станет стабильным (будет нейтрализован) при индуктивности катушки L4 = 1,2 мкГн.
Без нейтрализации, в зависимости от добротности контуров, подключенных на вход и выход транзистора, усилитель будет самовозбуждаться. Нейтрализация приводит к увеличению устойчивости усилителя, возможности получения от него большего коэффициента усиления, а, значит, и большей добротности контуров и меньшей полосы пропускания тракта РЧ. Повышает устойчивость усилителя и экранировка его входа от выхода. L4 содержит 18 витков обмоточного провода #28 намотанного на каркасе из фибер-гласа (любой стабильный РЧ диэлектрик, например, керамика) диаметром 0,2 дюйма, длиной 0,75 дюйма (1 дюйм = 25,2 мм). Намотка производится с шагом, равным диаметру провода катушки. Катушка снабжена подстроечным сердечником из порошкового железа с низкой проницаемостью (это, как правило, ферритовые сердечники с проницаемостью ниже 7 или латунные, алюминиевые - UA9LAQ). Я покрыл катушку тонким слоем эпоксидного клея (состоит из смолы и отвердителя, от количества отвердителя зависит время затвердевания, автор пишет, что это время составляет 5 минут, так, что консистенцию нетрудно подобрать. Катушка нейтрализации должна быть стабильной во времени, т. е., обеспечивать устойчивую нейтрализацию УРЧ - UA9LAQ). Хоть отвердение эпоксидного клея (шпаклёвки без присадок) происходит быстро, изменения в его составе длятся несколько дней (не приступайте к настройке катушки сразу, дайте её немного “усесть”, иначе настройка будет “плыть” - UA9LAQ).
Смонтированный на антенной мачте предусилитель питается напряжением 15 В постоянного тока через центральную жилу коаксиального кабеля фидерной линии и может управляться дистанционно. Ограничительный резистор R1 имеет сопротивление 300 Ом и мощность рассеяния 1 Вт, служит для предотвращения “катастрофических последствий”, в случае замыкания центральной жилы кабеля с оплёткой. С3, С6 и С11 - подстроечные конденсаторы типа “пистон”, непосредственно к ним короткими выводами припаяны катушки, содержащие по 6 витков провода. Конденсатор С4, имеет ёмкость в доли пФ и состоит из отрезков, кусочков листовой меди #16, припаянных к “горячим” концам соответствующих контуров, сведённых вместе и разделённых прокладкой из тефлона (фторопласта) для устранения замыкания.
Усиление и полоса пропускания.
Добротность контура умножителя и усиление последнего управляются потенциометром R11, расположенным на передней панели приёмника (конвертера). Усиление множителя максимально при самой узкой полосе пропускания. Когда спутник находится в апогее, я устанавливаю регулятором минимальную полосу (максимальное усиление), когда ИСЗ находится в перигее и уровень сигналов с него становится большим, я расширяю полосу пропускания приёмного устройства. Это, в свою очередь, уменьшает уровень сигналов на входе смесителя. Усиление и полосу пропускания, конкретно, следует устанавливать по исчезновению интермодуляционных искажений. Конденсатор С15 – самодельный, специальной конструкции, призванный связать два настроенных контура на выходе смесителя. Он состоит из тефлонового рукавчика и вставленных в него с двух сторон отрезков обмоточного провода #22 c “нахлёстом” в 3/8 дюйма, выводы новоиспечённого конденсатора припаяны к “горячим” концам соответствующих контуров.
Настройка множителя добротности.
При регуляторе полосы пропускания, установленном в положение: за один оборот до крайнего по часовой стрелке (для регулировки используется многооборотный потенциометр – UA9LAQ), вращайте сердечник катушки L4, установив множитель на грань срыва в генерацию, тут же подстраивайте катушки L2, L3 и L6 по максимуму усиления и т.д., до полной настройки. Настроив раз, катушку L4 больше не трогают. Правильность настройки следует проверить установкой регулятора полосы в крайнее по часовой стрелке положение (максимальное усиление) – множитель должен срываться в генерацию.
Полоса.
На Figure 4 показана полоса пропускания РЧ тракта при различных положениях регулятора усиления (полосы) множителя добротности в рамках общего усиления конвертера. Наименьшая используемая (стабильная) полоса тракта РЧ конвертера составляет менее 200 кГц и соответствует общему усилению конвертера равному 9 дБ. Это положение обеспечивает максимальную крутизну фронтов АЧХ и максимальную защиту от внеполосных сигналов (читай: и от интермодуляции - тоже – UA9LAQ). Если полосу пропускания продолжать сужать, то УРЧ конвертера перейдёт в режим генерации. (Трудно получать более высокие добротности контуров на таких высоких частотах, трудно развязать вход от выхода собственного усилителя, тем не менее, доля оптимизма должна быть и здесь: для экспериментатора для получения меньшей полосы пропускания следует попытаться подобрать экземпляры транзисторов, работающих на СВЧ с малой собственной проходной ёмкостью, планарным исполнением, провести рационализацию монтажа, экранировку и развязку достойную подражания, включать компенсирующие цепи, применять двойную экранировку фидерав антенны и её отличное согласование со входом приёмника…Не скрою, битва будет вестись за каждый герц сужения полосы пропускания. Но это стоит делать и именно по РЧ, несмотря на трубные победные звуки цифровой обработки сигналов по ЗЧ и ПЧ. Последние – только приложение к тому, что будет достигнуто по РЧ. Сужение полосы пропускания по входу это не только защита от внеполосных сигналов и, как видно из данной статьи, - защита от интермодуляции, забития каналов связи, а также, общее уменьшение шумов, выход на качественно новый уровень: связь на предельно большие расстояния на QRP. Конечно, здесь можно “козырнуть” сверхпроводимостью, заключёнными в криостаты входными фильтрами, покрытием поверхностей коаксиальных резонаторов мифическими (пока) материалами, обладающими, близким к нулевому сопротивлением… Всё это - несбыточные мечты, а реально и дельно предложенный старый метод для УКВ аппаратуры в этой статье – факт. Следует взять его на вооружение. На личном опыте знаю, что значит широкая полоса по входу УКВ приёмника и обработка поражённого на входе сигнала где-то там: по ПЧ и НЧ – UA9LAQ). При возникновении генерации в УРЧ, в приёмнике воцаряется тишина, - он просто запирается. Чтобы знать, где получается минимально достижимая полоса пропускания по РЧ приёмного устройства, следует отметить на шкале потенциометра момент срыва в генерацию. Для достижения наибольших результатов необходим и плавный подход к порогу генерации, который можно осуществить компонентно: выбрав многооборотный потенциометр (автор применил 10-оборотный).
Для сравнения на Figure 4 пунктирной линией приведена АЧХ РЧ тракта конвертера до переделки.
О достоинствах множителя добротности.
Из семейства АЧХ, приведённых на Figure 4, ясно, что множитель добротности является эффективным средством сужения полосы пропускания, управления входным устройством приёмника (здесь: конвертера или приёмного устройства в целом) и, как следствие, средством защиты от внеполосных сигналов и интермодуляции. (Особенно эффективна защита таким способом для приёмников, обладающих недостаточным динамическим диапазоном и неспособных схемотехнически подавить внеполосные сигналы самостоятельно – UA9LAQ). Модернизировав вход конвертера, я перестал слышать интермодуляционные помехи и, если они и проникают, то только при самых необычных обстоятельствах. (В моей практике был случай (не на любительских диапазонах), когда два местных передатчика включились одновременно, а разностная частота их оказалась равной частоте приёма в одной из фирм, т. е. принималась частота биений между сигналами модулированная, естественно, с двух сторон, пришлось “давить” один из сигналов на его частоте фильтром – помеха исчезла! – UA9LAQ). Дополнительная ручная регулировка усиления по РЧ позволяет оперативно оптимизировать параметры приёмного тракта под сильные и слабые сигналы.(И не противоречит этому: т. е., при сильных сигналах, когда они накрывают помехи и широкополосный шум, можно и расширить полосу пропускания, тем самым и ослабляются требования к стабильности настройки элементов резонансных цепей и нейтрализации. Появились слабые сигналы, тут уж, братцы Вы мне не мешайте, взял и отгородился от посторонних помех косяками АЧХ, и слабые сигналы усилились, и шуму поменьше стало… - UA9LAQ).
Я интересуюсь, в основном, связями через ИСЗ, но предлагаемая мной конструкция конвертера может быть использована на обычных связях как земных, так и, например, с отражением от Луны (ЕМЕ), в условиях местных внеполосных помех. Проблема возникновения интермодуляции находится теперь под контролем и из имеющейся аппаратуры можно выжать ещё что-то, на что раньше отважиться просто не было возможности.
Приложение: список деталей.
DIP – деталь для поверхностного монтажа. MICA – слюдяной. DISC - дисковый (конденсатор). SEE TEXT – см. в тексте. GLASS PISTON – стеклянный, типа “пистон”. FEEDTHROUGH CAPS – проходные конденсаторы. RFC – дроссель. L2, L3, L6 - по 6 витков серебрённой шинкой #16, внутренний диаметр 1/8 дюйма, припаяны к соответствующим подстроечным конденсаторам. L7, L8 – 13 витков обмоточного провода #28 на керамическом каркасе с внешним диаметром ¼ дюйма, намотка виток к витку. L9 – 5 витков обмоточного провода #22 на керамическом каркасе с внешним диаметром 3/16 дюйма. X1 – кварцевый обертонный резонатор (5 или 7 гармоника). FB1 – ферритовая “бусинка”. J1, J2 – гнёзда BNC. SRA-1 - двухбалансный смеситель. POT – потенциометр (10-оборотный).
Свободный перевод с английского: Виктор Беседин (UA9LAQ) ua9laq@mail.ru
г. Тюмень февраль, 2003 г