Конвертер на 2-метровий діапазон з помножувачем добротності
Конвертер на 2-метровий діапазон з помножувачем добротності.
Конвертер, що описується тут, дозволяє отримувати малі інтермодуляційні спотворення в умовах “тісного оточення”, властивих сучасному ефіру.
Цей конвертер був розроблений для можливості прийому слабких сигналів радіоаматорських супутників OSCAR 7, OSCAR 10, пізніше та OSCAR 13. Щоб зменшити загальний рівень шумів, я використовував змонтований на щоглі, безпосередньо біля антени, попередній підсилювач з коефіцієнтом посилення 20 дБ. Втрати у фідерній лінії становили лише кілька дБ і я вирішив, що УРЧ і на вході конвертера не завадить, дозволить зберегти високу чутливість приймального пристрою у разі збільшення втрат у кабелі. Використовуючи цей конвертер, я провів масу вражаючих QSO через ШСЗ із радіоаматорами всього світу.
Інтермодуляційні спотворення на діапазоні 2 м.
Одного разу я познайомився з тим, що спочатку здалося сигналами радіоаматорського ретранслятора, що проходили через борт ШСЗ OSCAR 13. Пізніше з'ясувалося, що сторонні сигнали виникали в самому конвертері і являли собою продукти інтермодуляції третього порядку.
З тих пір (точніше після переробки конвертера), я нічого подібного не зустрічав, хоч минуло чимало часу і кількість ретрансляторів зросла з кількох до 40 штук і практично все - в радіусі 20 миль від мене.
На Figure 1 показана типова картина електромагнітної обстановки в моїх краях, такою, якою вона виглядає на екрані спектроаналізатора. Насиченість репітерами таких великих міст як Нью-Йорк або Лос-Анжелес приблизно така ж, як на спектрограмі або ще більше.
У моєму конвертері на вході спочатку застосовувався УРЧ на 3 N 201 з трьома контурамивисокої добротності. Посилення в УРЧ було значним, і інтермодуляція давалася взнаки, незважаючи на, здавалося б, високу добротність вхідних контурів. Інтермодуляційні складові третього порядку – наслідок роботи нелінійних елементів у підсилювальному тракті. Уражена точка виникає на частоті рівної різниці частоти другої гармоніки одного взаємодіючого сигналу та частоти першої гармоніки другого. Деякі з таких уражених точок можуть потрапляти до супутникового каналу. Наприклад, якщо два репітера включилися одночасно і один з них передає на частоті 146, 61 МГц, а інший - на частоті 146, 27 МГц, то сигнал, що заважає, з'явиться на частоті 145, 93, якраз, у супутниковому каналі OSCAR 13.
Посилення та лінійність підсилювача
УРЧ, через широку смугу пропускання, посилює небажані (позасмугові) сигнали, відповідно, властивому йому, встановленому коефіцієнту посилення (достатньо, до того ж, високому). Посилений сигнал підводиться до нелінійного пристрою, яким є змішувач, і ось тут все і починається.
Мій підсилювач на діапазон 2 м - ультралінеен, хоч і має посилення в 20 дБ, але "точка перетину по інтермодуляційних продуктів третього порядку (IP 3)" лежить на рівні 12 дБм, як показано на Figure 2. "Надія" на те, що цей УРЧ "зробить" інтермодуляцію, дуже невелика, але, ось, на жаль, широкосмуговий і дуже ... (Див. теорію з інтермодуляції в [1], [2] і [6]).
Уявімо, що ми приймаємо два сигнали від репітерів на рівні -50 дБм. Ці сигнали посилюються передпідсилювачем рівня -30 дБм і, можливо, УРЧ конвертера - рівня -20 дБм. Рівень IP 3 після посилення був меншим за будь-який із сигналів репітерів на 40 дБ (тобто, це – еквівалентно присутності в антені рівнюінтермодуляційних спотворень: (-50 дБм) + (-40 дБм) = -90 дБм). А це набагато більше, ніж сигнали, що надходять з OSCAR 13. Іншим факторам, що впливає на помітність інтермодуляції є спрямованість антени, яка при невеликих кутах сходження ШСЗ може виявитися спрямованою на репітер (репітери). (З іншого боку: антена може бути і неточно зорієнтованою на супутник -UA 9 LAQ).
Як тільки з'явиться уражена точка (інтермодуляційний сигнал), ніякою селекцією їх у ПЧ не усунути. ( Тут може, мабуть, допомогти тільки спеціальна адаптивна, за сигналами, що заважають, синхронна обробка, що вимагає апарату більшого розміру, ніж сам приймальний пристрій або просте вимикання живлення приймача, що, явно, - несерйозно -UA 9 LAQ). Допомогти "горю" тут допоможе лише встановлення розумного коефіцієнта посилення в тракті від антени до змішувача (передсилювач + УРЧ) та зменшення його смуги пропускання, що також знизить рівень шумів приймача. Хорошою інженерною ідеєю буде: залишити досить високий коефіцієнт посилення передпідсилювача, що знаходиться на щоглі, безпосередньо у антени і знизити до мінімуму посилення УРЧ конвертера (приймача). (Як видно, тут все будується на компромісі –UA 9 LAQ). Залишається: ”вдарити” смугою пропускання, як основним засобом досягнення малих інтермодуляційних спотворень.
Після того, як я досвідченим шляхом переконався, що винуватцями інтермодуляції за певних умов є сигнали репітерів (ретрансляторів), то вирішив спеціально для експериментів спорудити окремий множник добротності на польовому транзисторі з n – переходом 2 N 5486. Попередні вимірювання показали можливість суттєвого зменшення смуги , обмеженою лише моментом переходумножника добротності у режим генерації (зривом). Я поставив множник добротності перед УРЧ конвертера, на виході множника включив аттенюатор РЧ, щоб зменшити загальне посилення тракту. Після додавання потенціометра регулювання смуги пропускання (посилення у множнику), виявилося, що множник дійсно послаблює сторонні сигнали. Виключаючи особливі ситуації, у всіх випадках практичного застосування, я позбавився інтермодуляції і, потім, модернізував УРЧ конвертера, розмістивши замість нього - множник добротності.
На Figure 3 показана принципова схема конвертера, що включає: множник добротності, кварцовий генератор (гетеродин), змішувач та УПЧ. Множник добротності є, по суті справи УРЧ із регульованим посиленням та смугою пропускання. Сигнал з УРЧ подається на двобалансний змішувач, на його 9-децибельний вхід (можливо з внутрішнім посиленням перед змішуванням в 9 дБ -UA 9 LAQ). Напруга гетеродина (виконаний на Q 2) подається на другий (3 дБ) вхід двобалансного змішувача. Вихідний сигнал ПЧ 28 МГц - різниця між вхідним сигналом із частотою 145 МГц та гетеродинним. Через дволанковий фільтр ПЧ сигнал подається на вихідне гніздо конвертера J 2 і далі до (основного) приймача 10-метрового діапазону. При використанні гетеродині кварцового резонатора на 116 МГц, 144 мегагерцям відповідатиме частота ПЧ 28 МГц. При використанні конвертера тільки для роботи через ШСЗ рекомендується застосовувати резонатор на 117 МГц. ПЧ, у своїй, перебуватиме у межах 28,825…28,975 МГц. Цифри 145 (МГц) тепер відповідатимуть цифрам 28 (МГц) на цифровій шкалі приймача і можна швидко знаходити смугу пропускання каналу супутника OSCAR 10 або OSCAR 13, наприклад.
Неітралізуюча прохідна (затвор - стік) ємність транзистораланцюг складається з котушки зі змінною індуктивністю L 4 і конденсатора С7 (подробиці [3] і [4]). Прохідна ємність становить приблизно 1 пФ і залежить також від ретельності та способу монтажу транзистора. На частоті 145,9 МГц підсилювач стане стабільним (буде нейтралізовано) при індуктивності котушки L 4 = 1,2 мкГн.
Змонтований на антеній щоглі підсилювач живиться напругою 15 В постійного струму через центральну жилу коаксіального кабелю фідерної лінії і може керуватися дистанційно. Обмежувальний резистор R 1 має опір 300 Ом і потужність розсіювання 1 Вт, служить для запобігання "катастрофічних наслідків", у разі замикання центральної жили кабелю з оплеткою. С3, С6 і С11 - підстроювальні конденсатори типу "пістон", безпосередньо до них короткими висновками припаяні котушки, що містять по 6 витків дроту. Конденсатор С4 має ємність у частині пФ і складається з відрізків, шматочків листової міді #16, припаяних до "гарячих" кінців відповідних контурів, зведених разом і розділених прокладкою з тефлону (фторопласту) для усунення замикання.
Посилення та смуга пропускання.
Добротність контуру помножувача та посилення останнього управляються потенціометром R 11, розташованим на передній панелі приймача (конвертера). Посилення множника максимально при вузькій смузі пропускання. Коли супутник знаходиться в апогеї, я встановлюю регулятором мінімальну смугу (максимальне посилення), коли ШСЗ знаходиться в перигеї і рівень сигналів з нього стає більшим, я розширюю смугу пропускання приймального пристрою. Це, своєю чергою, зменшує рівень сигналів на вході змішувача. Посилення та смугу пропускання, конкретно, слід встановлювати за зникненням інтермодуляційних спотворень. Конденсатор С15 –саморобний, спеціальної конструкції, покликаний зв'язати два налаштовані контури на виході змішувача. Він складається з тефлонового рукавчика і вставлених в нього з двох сторін відрізків обмотувального дроту #22 c "нахлестом" в 3/8 дюйма, висновки новоспеченого конденсатора припаяні до гарячих кінців відповідних контурів.
Налаштування множника добротності.
При регуляторі смуги пропускання, встановленому в положення: за один оборот до крайнього за годинниковою стрілкою (для регулювання використовується багатооборотний потенціометр–UA 9 LAQ), обертайте осердя котушки L 4, встановивши множник на грань зриву в генерацію, відразу підлаштовуйте котушки L 2, L 3 і L 6 по максимуму посилення і т.д., до повного налаштування. Налаштувавши раз, котушку L 4 більше не чіпають. Правильність налаштування слід перевірити встановленням регулятора смуги у крайнє за годинниковою стрілкою положення (максимальне посилення) – множник повинен зриватися у генерацію.
Для порівняння на Figure 4 пунктирної лінії наведена АЧХ РЧ тракту конвертера до переробки.
Про переваги множника добротності.
З сімейства АЧХ, наведених на Figure 4, ясно, що множник добротності є ефективним засобом звуження смуги пропускання, керування вхідним пристроєм приймача (тут: конвертера або приймального пристрою в цілому) і, як наслідок, засобом захисту від позасмугових сигналів та інтермодуляції. (Особливо ефективний захист у такий спосіб для приймачів, які мають недостатній динамічний діапазон і нездатних схемотехнічно придушити позасмугові сигнали самостійно –UA 9 LAQ). Модернізувавши вхід конвертера, я перестав чути інтермодуляційні перешкоди і, якщо вони й проникають, то лише за незвичайних обставин. (В моїйпрактиці був випадок (не на аматорських діапазонах), коли два місцевих передавачі включилися одночасно, а різницева частота їх виявилася рівною частоті прийому в одній із фірм, тобто приймалася частота биття між сигналами модульована, природно, з двох сторін, довелося “тиснути ” один із сигналів на його частоті фільтр – перешкода зникла! -UA 9 LAQ ). Додаткове ручне регулювання посилення по РЧ дозволяє оперативно оптимізувати параметри приймального тракту під сильні і слабкі сигнали. послаблюються вимоги до стабільності налаштування елементів резонансних ланцюгів і нейтралізації.. З'явилися слабкі сигнали, тут вже, братики Ви мені не заважайте, взяв і відгородився від сторонніх перешкод косяками АЧХ, і слабкі сигнали посилилися, і поменшало шуму… -UA 9 LAQ ).
Я цікавлюся, в основному, зв'язками через ШСЗ, але пропонована мною конструкція конвертера може бути використана на звичних зв'язках як земних, так і, наприклад, з відображенням від Місяця (ЕМЕ), в умовах місцевих позасмугових перешкод. Проблема виникнення інтермодуляції перебуває тепер під контролем і з наявної апаратури можна вичавити ще щось, потім раніше наважитися просто було можливості.
Додаток: список деталей.
DIP – це деталь для поверхневого монтажу. MICA – слюдяний. DISC – дисковий (конденсатор). SEE TEXT – див. у тексті. GLASS PISTON - скляний, типу "пістон". FEEDTHROUGH CAPS – прохідні конденсатори. RFC - дросель. L 2, L 3, L 6 - по 6 витків срібною шинкою #16, внутрішній діаметр 1/8 дюйма, припаяні до відповідних підстроювальних конденсаторів. L 7, L 8 – 13 витків обмотувального дроту#28 на керамічному каркасі із зовнішнім діаметром ¼ дюйма, намотування виток до витка. L 9 – 5 витків обмотувального дроту #22 на керамічному каркасі із зовнішнім діаметром 3/16 дюйма. X 1 – кварцовий обертонний резонатор (5 або 7 гармонік). FB 1 - феритова "намистинка". J 1, J 2 - гнізда BNC. SRA-1 – двобалансний змішувач. POT – потенціометр (10-оборотний).