Автор настоящей статьи прошел путь от наблюдателя до оператора радиостанции первой категории, создавая аппаратуру своими руками. Накопленный им опыт, а также опыт других радиолюбителей поможет усовершенствовать свою радиостанцию и «не наступить на грабли» типичных ошибок. Вначале поделюсь методами повышения эффективности передающего тракта радиостанции, не перегружая излишними расчетами.
Итак, начну со ставшей уже банальной фразы: «Рано или поздно перед радиолюбителем встает вопрос о повышении эффективности своей радиостанции». Считаю, что этот вопрос стоит перед радиолюбителем всегда, и есть два пути его решения. Первый — приобретение фирменных антенн и аппаратуры, но далеко не все могут себе это позволить по материальным соображениям. Второй путь — это постройка антенн и аппаратуры своими руками или приобретение аппаратуры, изготовленной другими радиолюбителями, которая значительно дешевле фирменной, а по своим параметрам нередко ей не уступает. От ошибок на этом пути мне и хотелось бы предостеречь читателя.
Одной из основных проблем передающего тракта любительской радиостанции является создание помех другим радиоэлектронным средствам. В основном, это помехи телевидению (TVI).
Причин возникновения TVI может быть много, но остановимся на основных:
— сигналы гетеродинов и продукты преобразования в смесителях передающего тракта, плохо отфильтрованные и усиленные выходным каскадом радиостанции, излучаются антенной;
— нелинейность выходного каскада передатчика и, как следствие, излучение множества гармонических составляющих сигнала;
— блокирование приемного тракта телевизора мощным сигналом любительского передатчика. Иными словами, низкий динамический диапазон приемного тракта телевизора.
Чаще всего указанные причины возникновения TVI присутствуют одновременно. Первые две можно устранить или значительно снизить на передающей стороне.
Третья причина — наиболее серьезная в радиолюбительской практике, т.к. нереально в многоквартирном доме на входе каждого телевизора установить дополнительный фильтр, а разнос телевизионных антенн и антенн любительской радиостанции на разумно приемлемые расстояния не всегда дает желаемый эффект. В этом случае радиолюбителю остается повышать эффективность своей радиостанции только за счет совершенствования антенного хозяйства.
Разберем типичный случай. На радиостанции используется трансивер с выходной мощностью 30 — 70 Вт. Обычно выходной каскад таких трансиверов собран на лампах ГУ-29 или ГУ-19, реже — на транзисторах. Антенна, позволяющая работать на всех или нескольких диапазонах, — обычно Windom, T2FD или Inverted V. Казалось бы, все прекрасно — радиостанция работает, не создавая помех ни соседям-радиолюбителям, ни соседям-телезрителям. Только трудно бывает пробиться в «пайлапах», да и радиосвязи с другими континентами удаются с трудом, хотя другие, более мощные радиостанции успешно решают эту проблему. На первый взгляд, что может быть проще, чем включить между трансивером и антенной усилитель мощности? Прикинув, что мощности трансивера достаточно для раскачки усилителя на трех лампах ГУ-50 с заземленными сетками, радиолюбитель собирает такой усилитель, совершая первую ошибку. Коллеги-радиолюбители в эфире отмечают увеличение силы сигнала при работе с усилителем до 2-3 баллов. Однако эта радостная весть вскоре омрачается стуком в дверь разъяренных соседей-телезрителей. Им явно не по душе такое усовершенствование радиостанции. Мне известен случай, когда радиолюбителю, не внявшему жалобам соседей, сняли антенну, покусали на кусочки по 30—40 см и сложили у его двери.
В чем же дело? Почему так происходит? Почему хорошо работающая радиостанция при подключении усилителя стала так «сорить»? Я не случайно применяю термин «радиостанция», а не «трансивер», т.к. радиостанция состоит из собственно трансивера, а также усилителя мощности, антенны, фидера, питающего антенну, заземления и т.д. Каждое звено из этих составляющих в большей или меньшей степени может являться источником помех. И даже неправильно выполненный кабель, соединяющий микрофон с трансивером, и кабель, соединяющий педаль управления с трансивером, могут добавить по «горстке мусора» в общую кучу помех.
Итак, начнем с трансивера как самой сложной составляющей радиостанции (в данном случае речь пойдет о его передающей части). Следует отнестись скептически к утверждениям некоторых радиолюбителей, заявляющих, что им удалось обеспечить отличную работу своего трансивера, пользуясь при настройке одним лишь тестером. Обычно настройка передающей части трансивера заключается в «выкачивании» из него максимальной мощности. И мало кто заботится о чистоте спектра излучаемого сигнала. Настроенный таким образом трансивер обычно работает удовлетворительно. Внеполосные излучения по отношению к основному сигналу малы и, излучаясь в эфир, не создают помех. Однако использовать настроенный таким образом трансивер в качестве возбудителя к более мощному усилителю нельзя. Внеполосные излучения трансивера усилятся, а нелинейные искажения оконечного каскада трансивера, работающего в режиме «В», перемножатся с нелинейными искажениями усилителя, также работающего в режиме «В». В итоге на выходе усилителя в результате воздействия друг на друга паразитных излучений, кроме основного сигнала, присутствует обширнейший спектр паразитных излучений. Дело усугубляется тем, что большое количество комбинационных частот лежит в полосе пропускания и поэтому эффективно усиливается усилителем. Отфильтровать такой спектр невозможно никакими фильтрами, поэтому всю возможную фильтрацию и линейное усиление необходимо осуществлять до усилителя мощности, т.е. в трансивере.
Конечно, далеко не все радиолюбители могут использовать для настройки передающей части анализатор спектра и с его помощью вычислить и отладить каскады тракта, плохо фильтрующие сигнал или вносящие в него искажения. Кроме того, многие радиолюбители усвоили истину о том, что усилитель мощности по схеме с заземленными сетками (ЗС) имеет лучшую линейность, чем усилитель по схеме с общим катодом (ОК). Это действительно так, но на практике нередко получается обратный результат. Дело в том, что для раскачки усилителя по схеме ЗС требуется значительно большая мощность, чем для раскачки усилителя по схеме с ОК. В трансиверах с выходными каскадами мощностью 20 — 100 Вт выходные каскады работают обычно в режиме «В» (реже в режиме «АВ»). При работе во всем KB диапазоне в каскаде, работающем в режиме «В», в силу разных причин трудно обеспечить высокую линейность во всем диапазоне частот, тем более, не имея специальных измерительных приборов. Дополнительный усилитель мощности радиостанции также работает в режиме «В». В итоге получаются два каскада, включенные последовательно и работающие в режиме «В». Нелинейные искажения, вносимые каждым каскадом, не складываются между собой, а перемножаются! Поэтому нелинейные искажения результата такого усиления значительно больше, чем вносимые каждым каскадом в отдельности.
При совершенствовании (умощнений) своей радиостанции радиолюбители должны усвоить еще одну истину. Только оконечный усилитель мощности радиостанции «имеет право» работать в режиме «В». Все остальные каскады передающего тракта, в том числе и выходной каскад трансивера, должны работать в режиме «А». В крайнем случае, допускается использовать режим «АВ» в выходном каскаде трансивера. Пользуясь этим правилом, значительно легче достигнуть такой работы любительской радиостанции, когда она не мешает ни телевизорам соседей, ни коллегам-радиолюбителям, проживающим в том же QTH и работающим на том же диапазоне.
Достаточно качественно можно отладить передающий тракт методом двухтонового сигнала. Ныне действующая российская инструкция о порядке регистрации и эксплуатации любительских радиостанций обязывает владельцев иметь на радиостанции двухтональный генератор и эквивалент антенны. При наличии деталей изготовление этих устройств не займет много времени. Тем не менее, многие игнорируют это требование инструкции и пытаются по старинке отладить работу передающего тракта, пользуясь в лучшем случае контрольным приемником, а чаще всего — отзывами своих коллег по хобби. Имея эквивалент антенн и двухтоновый генератор, остается только взять где-нибудь напрокат осциллограф, полоса пропускания которого не ниже максимальной рабочей частоты трансивера. Методика проверки и настройки передающего тракта с помощью двухтонального генератора неоднократно публиковалась в радиолюбительской литературе.
Несколько слов хочется сказать об осциллографе. Хотя рекомендуется применять осциллограф, полоса пропускания усилителя вертикального отклонения которого не меньше верхней частоты рабочего диапазона трансивера, некоторые осциллографы с паспортной граничной частотой 20 МГц (и даже 10 МГц) позволяют контролировать сигнал в диапазоне 28 МГц. Дело в том, что обычно усилители вертикального отклонения луча осциллографов вплоть до верхней границы KB диапазона не искажают сигнал — лишь снижается усиление усилителя вертикального отклонения на высших частотах. Это можно компенсировать ручкой калибровки вертикальной развертки.
Проверить, до каких частот пригоден осциллограф в качестве индикатора, можно следующим образом. На вход осциллографа необходимо подать сигнал прямоугольной формы (меандр) и, постепенно увеличивая частоту сигнала, проверить возможность синхронизации и наличие искажений. С ростом частоты импульсов их фронты начинают «затягиваться», а вершины округляться — это и есть искажения. Они обусловлены АЧХ тракта вертикальной развертки. Применять такой осциллограф для оценки качества передающего тракта методом двухтонового сигнала можно до тех частот, на которых искажения прямоугольных импульсов незаметны на глаз.
В любительских условиях в качестве источника прямоугольных импульсов для проверки осциллографа можно использовать обычный сигнал-генератор в режиме немодулированной несущей, подав сигнал на осциллограф через формирователь импульсов от генератора.
Итак, у радиолюбителя имеются двухтональный генератор, эквивалент антенны и осциллограф. В первую очередь надо проверить подавление несущей частоты балансным модулятором, а затем, покаскадно, весь тракт передачи, до оконечного каскада. Усилительные каскады не должны вносить искажения, а смесители, кроме того, еще должны быть настроены на максимальное подавление нежелательных продуктов преобразования, что не всегда соответствует получению максимальной выходной мощности от этих каскадов.
В пассивных смесителях это делается тщательным подбором диодов, балансировкой и подбором напряжения гетеродина. В усилительных каскадах прежде всего необходимо подобрать режим по постоянному току, контролируя при этом качество двухтонального сигнала. Здесь влияние оказывают не только режимы активных элементов, но и качество согласования между каскадами.
Следует обратить внимание на фильтры, следующие за смесителями. Их полоса пропускания должна быть как можно меньше, с тем чтобы как можно лучше отфильтровать нежелательные продукты преобразования.
Тщательная отладка всех каскадов, возможно, приведет к снижению мощности «раскачки» выходного каскада (скорее всего, так и будет). Хочется отметить, что лучше установить уровни сигнала, проходящих через каскады передающего тракта, заведомо меньше предельно допустимых, чем допустить «перекачку» этих каскадов и, следовательно, искажения сигнала. С этим придется мириться — это и есть плата за чистоту сигнала.
Только после тщательной отладки предыдущих каскадов настраивают оконечный каскад. Для использования трансивера в качестве возбудителя к оконечному усилителю желательно для повышения линейности перевести оконечный каскад трансивера из режима «В», в котором обычно работают эти каскады, в режим «АВ».
А теперь можно подвести некоторый итог проделанной работы. Качество сигнала, конечно, улучшилось, но оценить его можно только с помощью специальных приборов. И, на первый взгляд, даже ухудшились параметры трансивера. К примеру, если трансивер с выходной лампой ГУ-29 раньше без особых проблем мог «закачать» в антенну 60 — 80 Вт, то теперь едва дотягивает до 50.
В идеальном случае желательно вообще перевести оконечный каскад трансивера в режим «А», снизив мощность «раскачки» и увеличив ток покоя лампы до половины тока при максимальной раскачке в режиме «В». Конечно, максимальная мощность каскада уменьшается вдвое, но зато по качеству — чистоте сигнала — это будет максимум. Некоторые фирмы, выпускающие трансиверы для любительской радиосвязи, предусматривают в своих конструкциях режим «А» в выходном каскаде для использования трансивера в качестве высококачественного возбудителя.
Хотя в нашем примере выходная мощность трансивера снизилась, вполне возможно, что для обеспечения приемлемой линейности оконечного усилителя мощности на 3-х лампах ГУ-50 ее придется еще снизить! Дело в том, что усилитель может быть «перекачан» даже этой мощностью, и возникнут значительные нелинейные искажения. Поэтому трансивер должен обязательно иметь оперативную регулировку выходной мощности передающего тракта. Контролируя с помощью осциллографа двухтоновый сигнал на эквиваленте антенны, следует определить максимально возможный анодный ток, при котором отсутствуют искажения. Сделать это необходимо на каждом диапазоне. В дальнейшем при эксплуатации усилителя не следует превышать эти значения.
Не забудьте только, что ВЧ напряжения в передающем тракте могут значительно превышать допустимые для осциллографа. По этой причине эквивалент антенны должен иметь выход с делителя напряжения, либо осциллограф должен иметь щуп с делителем напряжения.
Подводя итоги примера с усилителем на 3-х лампах ГУ-50, можно определить, что подключенный усилитель, не создавая помех, дает выигрыш не 2 — 3 балла на приемной стороне, а всего 1, максимум 2 балла. Полистайте свой аппаратный журнал. Часто ли там встречаются рапорты 56? Теперь вместо них будут 57 — 58. Этого вы ожидали от усилителя мощности? Конечно, это тоже результат, но добиться его и даже превзойти можно более простым способом. Надо повысить эффективность работы антенны. Совсем не обязательно это будут многоэлементные антенны.
Замена антенны W3DZZ или Windom отдельным диполем на каждый диапазон позволит более качественно провести согласование, а следовательно, повысить излучаемую мощность и снизить TVI. Диполь, обладая довольно четким резонансом на рабочей частоте, эффективно ослабляет внедиапазонные излучения. Это свойство весьма полезно и при приеме.
С точки зрения наибольшего подавления внедиапазонных излучений, лучше диполя работают «замкнутые» антенны — «квадраты», «треугольники». Автор не встречал в литературе достаточно простого объяснения этому явлению, но, возможно, недалеки от истины следующие рассуждения. Замкнутую антенну можно представить в виде катушки, имеющей один виток. Эта катушка имеет распределенную емкость, которая с индуктивностью образует колебательный контур, имеющий резонансную частоту. Для токов других частот провод антенны (катушки) является «короткозамыкающей» перемычкой. Протекая по проводу такой антенны, токи внедиапазонных частот частично излучаются, но большая их часть все-таки замыкается.
Какой усилитель лучше? До какой мощности следует усиливать сигнал? Ответ на поставленные вопросы может быть однозначным: «Тот, который закачивает больше «мощи» в антенну и не создает при этом помех». Оставим пока в стороне требования «Инструкции о порядке регистрации и эксплуатации любительских радиостанций…», касающиеся максимальной мощности. Ведь никому не придет в голову, например, запретить эксплуатировать на автодорогах автомобиль только за то, что он способен развивать скорость значительно больше разрешенной. На современном этапе развития любительской радиосвязи оборудованию некоторых любительских радиостанций могут позавидовать даже профессиональные и армейские связисты. К сожалению, далеко не все радиолюбители правильно используют энергетические возможности своей радиостанции. Можно понять радиолюбителя, дающего общий вызов на английском языке в DX-окне на 3,8 МГц киловаттной мощностью. Но совершенно неприемлемо этой же мощностью вести обширнейшие беседы на околорадиолюбительские темы с соседом по QTH. Еще раз хочу подчеркнуть, прежде чем приступать к изготовлению усилителя мощности или к его приобретению, подумайте, зачем он необходим, и, может быть, есть смысл еще поэкспериментировать с антеннами.
В каждом конкретном случае к усилителю мощности предъявляются определенные требования. Попробуем усреднить эти требования и сформулировать параметры усилителя, который бы отвечал запросам большинства радиолюбителей. То есть усилителя, рассчитанного на «среднего» радиолюбителя. Прежде всего, хочется сказать о питающей сети. Взгляните внимательнее на обычную бытовую розетку. На ней указано: напряжение — 220 В, ток — 6 А, т.е. мощность, которую можно «снять» с этой розетки, составляет 220 В х 6 А = 1320 Вт. Создавать свой
«шэк» радиолюбитель начинает именно с такой розетки, расположенной в ближайшем от рабочего месте. Можно (и даже необходимо) установить параллельно этой розетке еще 3 — 4 штуки, но электропроводка от счетчика до этой розетки рассчитана обычно именно на мощность одной розетки. Следовательно, лимит потребляемой электроэнергии для большинства любительских радиостанций составляет приблизительно 1300 Вт. Предположим, что трансивер потребляет 100 Вт, плюс 100 Вт — вспомогательные и измерительные приборы, еще 100 Вт добавят настольная лампа и пальник. Такой «набор потребителей электроэнергии» типичен для рабочего места радиолюбителя. Следовательно, для питания усилителя остается около 1000 Вт. Даже если вся эта мощность будет потребляться выходным каскадом усилителя, то при типовых значениях коэффициента полезного действия (КПД) выходной цепи 0,5 — 0,8, выходная мощность составит 1000х(0,5 — 0,8)=500 — 800 Вт. Тратиться на изготовление более мощного усилителя, не модернизировав сетевую электропроводку, не имеет смысла. Причем, проложить электропроводку проводом более толстого сечения необходимо не только до вашего электросчетчика, но и, в большинстве случаев, далее. Падение напряжения на тонких проводах сети при включении вашей радиостанции на передачу может вызвать мигание света и сбои в работе бытовых радиоприборов. Это, скорее всего, вызовет раздражение не только ваших домочадцев, но и ближайших соседей.
Можете провести такой эксперимент. Включите в комнате лампу освещения мощностью 25 — 40 Вт. К тройнику подключите два утюга (Hi!) мощностью по 1000 Вт, а затем несколько раз быстро вставьте и выньте тройник из розетки. Если при этом вы не заметили мерцания света, то мощность сети вполне достаточна для использования усилителя мощности. Если же свет заметно мерцает, то проводка электросети явно слабовата, и при работе в эфире с усилителем мощности мерцание света будет обеспечено.
Итак, с одним из параметров усилителя (выходной мощностью) мы определились. Другим немаловажным параметром является режим работы усилителя при работе различными видами радиосвязи. Самым сложным с точки зрения внеполосных излучений является режим усиления однополосного сигнала. И хотя при введении в усилитель специальных режимов для усиления телеграфного сигнала и работы цифровыми видами излучения энергетические параметры усилителя могут быть несколько улучшены в этих режимах, достаточно ограничиться режимом для усиления однополосного сигнала.
Современная элементная база позволяет создать даже в домашних условиях усилитель с очень высокими эксплутационными и сервисными параметрами. К примеру, можно создать усилитель с микропроцессорным управлением, который будет работать на всех диапазонах и всеми видами модуляции, имея всего одну ручку управления «включено-выключено». О стоимости такого «аппарата» говорить, конечно, не приходится. Поэтому для повторения в домашних условиях, скорее, подходит усилитель без всяких «наворотов» автоматики и излишнего сервиса.
О достоинствах и недостатках транзисторных и ламповых усилителей написано довольно много. Проанализировав множество описаний, можно придти к выводу: строить транзисторные усилители целесообразно до мощности в 50 —100 Вт. Выше этой мощности ламповые усилители по простоте конструкции и себестоимости вне конкуренции. В данном случае речь идет о мощности на пике огибающей, так называемой PEP мощности.
Кстати, если вы собираетесь самостоятельно строить усилитель, то должны различать:
— подводимую к выходному каскаду (аноду — в ламповых усилителях) мощность (упрощено «подводимую мощность»);
— отдаваемую мощность;
— мощность на пике огибающей — PER
Обычно усилители мощности изготавливают для работы с определенным трансивером или для определенного уровня мощности «раскачки». На современном этапе «домашнего трансиверостроения» выходные усилители трансиверов чаще всего имеют небольшую мощность — в пределах 10 — 20 Вт. Это существенно упрощает конструкцию и уменьшает габариты трансивера. Усилители мощности таких трансиверов для простоты обычно конструируют широкополосными, перекрывающими весь KB диапазон, с упрощенными (широкополосными) выходными цепями. Типичный пример — трансивер конструкции RA3AO. Однако подобные усилители требуют применения хороших фильтров на входе оконечного усилителя, т.к. спектр сигнала на выходе трансивера хотя и лежит в пределах нормы, но для дальнейшего усиления его необходимо дополнительно отфильтровать. Следовательно, широкополосная входная цепь оконечного усилителя неприемлема, если применяется для «раскачки» от широкополосного усилителя.
Весьма полезным средством в борьбе с нелинейными искажениями является введение в связку трансивер — усилитель системы автоматической регулировки мощности (ALC). Однако в настоящее время отсутствует какой-либо стандарт на сигнал ALC. Наверно, именно поэтому многие конструкторы трансиверов и усилителей пренебрегают этой системой. На мой взгляд, за «стандарт» можно было бы принять параметры входа ALC трансивера RA3AO. Также отсутствует какой- либо стандарт на систему МОХ-переключения «прием-передача», поэтому весьма желательно, чтобы усилитель имел возможность переключаться от различных сигналов управления. Обычно это сигнал «общий провод» или логические уровни цифровых микросхем.
Итак, можно сформулировать требования к параметрам усилителя мощности, отвечающего запросам большинства радиолюбителей:
— мощность раскачки усилителя должна быть в пределах 10 Вт;
— входная цепь должна быть резонансной на каждом диапазоне;
— максимальная выходная мощность — 500 — 800 Вт;
— усилитель должен работать на всех KB диапазонах;
— цепь управления прием-передача должна иметь возможность стыковки с различными трансиверами и не потреблять от трансивера электроэнергию;
— конструкция усилителя должна быть достаточно простой для изготовления в условиях домашней мастерской;
— усилитель должен иметь возможность модернизации, следовательно, состоять из функционально законченных узлов, каждый из которых легко демонтировать и заменить.
