Регенеративный приёмник с оптической связью
QST 1998, №6
Это приёмник простой конструкции - взгляните на старую классику в новом свете!
Эта конструкция является результатом усилий сконструировать недорогой приёмник на 40-метровый диапазон, подходящий для начинающих. Главными задачами ставилось получение хороших характеристик, минимум сложности и возможность приёма всех видов модуляции (AM, CW, SSB). Там, где возможно, в конструкции используются недорогие, широкодоступные компоненты. Для достижения поставленных задач было проведено изучение классических схем регенераторов, что бы попытаться преодолеть присущие им недостатки.
Со времени изобретения регенераторов многие, в том числе и автор, полагали, что можно создать хороший, простой приёмник если удастся полностью изолировать управление регенерацией и входную ВЧ цепь от остальной части схемы. Были попытки реализовать эти решения с применением ВЧ усилителей для изоляции антенны от детектора и применением сложных схем управлением регенерации. Эти дополнительные узлы, требовавшие экранировки, сделали конструкцию приёмника более сложной, чем конструкция приёмника прямого преобразования. Однако уникальным и простым, недорогим методом достижения этих задач стал метод оптической ВЧ связи, где сигнал из антенны подаётся прямо на базу транзистора регенеративного каскада, откуда и произошло название приёмника - Optically Coupled Regenerative (OCR) Receiver - регенеративный приёмник с оптической связью.
Идея оптической изоляции ВЧ входа от регенеративного детектора впервые посетила автора более десятилетия назад во время конструирования оптико-волоконной системы связи. В то время стоимость компонентов было очень высока и не было простого пути реализовать эту концепцию. К счастью, за последние 10 лет стоимость оптоэлектронных полупроводников резко упала, и стали доступны недорогие оптроны с широкой полосой пропускания.
Простота - это красиво
Элегантность и простота регенеративных детекторов особенно трогает. Нужно признать, что копаясь в ящике с радиохламом, автор нашёл следы по крайней мере шести попыток улучшения конструкции полупроводниковых регенеративных приёмников! Хотя концепцией является простота, реализация хорошего регенеративного детектора дело достаточно тонкое.
За последние несколько лет много было написано о регенеративных приёмниках. Хороший обзор был написан Дэйвом Ньюкирком, WJ1Z (см. "A 40-Meter Regenerative Receiver You Can Build", QST 1992, сентябрь, стр. 35-39). Очень рекомендуется прочитать эту статью тем, кто не знаком с регенеративными приёмниками. Хорошо было бы взглянуть на ранние конструкции регенеративных приёмников. Харри Хайдер, W7IZ, представляет реконструкцию версии 1930-х годов (см. "A 1935 Ham Receiver", QST 1986, сентябрь, стр. 27-30.), а Мортон Эйзенберг , K3DG, предлагает интересную статью про Армстронга, изобретателя регенеративного детектора (см. "The Father of Modern Radio", QST 1999, май, стр. 49-51.).
Даже если вы некогда не собирали регенеративные приёмники, то попробуйте собрать этот!
Как это работает
Краткий взгляд на стандартный регенеративный детектор.
За прошедшие годы было описано множество модификаций основной регенеративной схемы. Чаще всего в конструкциях в качестве генератора используются биполярные или полевые транзисторы. Типичная схема регенератора на биполярном транзисторе изображена на рисунке 1. Конструкция основана на информации, представленной в справочнике RSGB Radio Communications Handbook (5-е издание, 1991 год, стр. 4.38-4.40). В этом приёмнике транзистор Q1 включён по схеме Колпитца. Генерация (регенерация) транзистора Q1 управляется переменным резистором R3, который изменяет коэффициент усиления через изменение тока коллектора. В простых приёмниках такого типа это один из лучших способов управления регенерации, так как эффект "затягивания частоты" здесь менее выражен, чем в других схемах. Сигнал звуковой частоты снимается с выхода низкочастотного трансформатора T2 с большим импедансом.
Рис. 1. Типичная схема регенеративного приёмника на биполярном транзисторе.
Высокочастотная энергия из антенны подаётся на резонансный контур через трансформатор T1. Это один из больших недостатков регенеративного приёмника по двум причинам. Во-первых антенна, напрямую подключённая к резонансному контуру и сильно влияет на его частоту. Незначительное изменение позиции антенны может изменить частоту настройки приёмника. С таким простым приёмником можно услышать изменение частоты настройки даже из-за лёгкого бриза, дующего на антенну. Попытка приёма CW сигнала в таких условиях может быть серьёзно затруднена!
Во-вторых, более серьёзный недостаток прямого подключения антенны к колебательному контуру выражен в том, что не только ВЧ энергия попадает в резонансный контур из антенны, но и наоборот - ВЧ энергия попадает в антенну из резонансного контура! Были проведены измерения энергии, попадающей в антенну из такого же приёмника, как этот, и было обнаружено, что можно получить мощность от 10 до 100 мВт на 40-метровом диапазоне! Если рассматривать это в контексте: автор часто использует передатчик с такой же энергией при работе QRP на 40 метрах. С мощность 10 мВт можно проводить устойчивые CW связи с ближайшими пятью или шестью штатами!
Чём отличается приёмник с оптической связью
В схеме приёмника с оптической связью (Рис. 2.) на транзисторе Q1 собран генератор Колпитца, но здесь отсутствует физическое соединение базы транзистора Q1 с цепью управления генерацией, а так же отсутствует непосредственная связь антенны и резонансного контура L1C2. Базовый ток, необходимый для управления регенерацией транзистора Q1, поддерживается фотонами, излучаемыми светодиодом DS1, находящимся внутри оптопары. Ток через DS1 модулируется ВЧ энергией, поступающей из антенны в резонансный контур, состоящий из трансформатора T1 и конденсатора C1. Таким образом, две наибольшие проблемы регенеративных приёмников - практически полная изоляция антенны и изоляция узла управления регенерацией от генератора - легко решены!
Рис. 2. Регенеративный детектор с оптической связью.
Главным элементом этой конструкции является недорогой, линейный широкополосный оптрон HCPL-4562 производства Hewlett-Packard. Поскольку фотоны могут двигаться только в одном направлении, от светодиода к базе Q1 (но не наоборот), то электрическая изоляция ограничена только внутренней ёмкостью 0,6 пФ между светодиодом и базой транзистора Q1. База транзистора Q1 соединена с фотодиодом. Фотодиод преобразовывает фотоны в модулированный электрический ток, который обеспечивает базовый ток, управляющий генерацией транзистора Q1, а так же подаёт ВЧ энергию в генератор.
В коллекторную цепь транзистора Q1 можно напрямую включить аудиотрансформатор, к выходу которого подключаются высокочувствительные пьезотелефоны с высоким сопротивлением. Но по некоторым причинам в данной схеме такой подход не используется. Во-первых, в наши дни пьезотелефоны мало распространены. Во-вторых, трудно найти подходящий аудиотрансформатор. Хотя аудиотрансформатор 600 Ом, 1:1 есть в РадиоШеке, но его цена больше, чем цена всех остальных компонентов приёмника OCR. Была попытка использовать согласующий аудиотрансформатор и высокочувствительные наушники с сопротивлением 10 кОм. Результат? Были слышны только сильные CW, SSB и несколько AM коротковолновых станций на диапазоне 40 метров. Такие характеристики могли бы удовлетворить начинающего любителя 40 или 50 лет назад, но сегодня они представляют только исторический интерес.
В приёмнике OCR сигнал звуковой частоты появляется на выходе каскада на транзисторе Q2, являющемся детектором с бесконечно большим импедансом. Этот активный детектор идеально подходит для регенеративного детектора. Так как его входное сопротивление очень высоко, то влияние на добротность Q колебательного контура сведено к минимуму, следовательно обеспечивается высокая селективность и максимальное ВЧ напряжение на контуре. Напряжение звуковой частоты снимается с резистора Rs в цепи истока номиналом 27 кОм, который зашунтирован по высокой частоте. Более полно работа детектора описывается в справочнике The ARRL Handbook (см. The ARRL Radio Amateur's Handbook. Newington: ARRL, 69-е издание, 1992, стр. 18.11, редактор Charles L. Hutchinson. K8CH). В цепь стока можно включить высокочувствительные наушники, но недостатки такого подхода описывались ранее.
При использовании детектора с бесконечно-большим сопротивлением, транзистор Q1 будет работать как Q-умножитель (см. Radio Communications Handbook, London, RSGB, 5-я редакция, 1991, стр 1.33), увеличивая добротность контура до очень больших значений. При этом селективность контура и усиление сильно возрастут. На схеме добротность Q регулируется изменением величины положительной обратной связи с помощью переменного резистора управления регенерацией. Как только этот переменный резистор будет установлен в положение на пороге возникновения колебаний, то селективность схемы станет такой большой, что полоса пропускания контура снизится до нескольких сотен Гц. При положении переменного резистора в точке возникновения колебаний селективность будет всё ещё высокой, и теперь при приёме CW или SSB радиостанций будет возникать частота биений между частотой генератора и частотой принимаемой станции. По существу, Q1 это высокоселективный ВЧ усилитель и генератор биений, и всё это в одной схеме. По сути это приёмник всех видов модуляций! Это и есть красота регенеративной схемы. Нужен всего лишь усилитель звуковой частоты для работы на низкоомные наушники, что бы схема была законченной.
Окончательная схема OCR приёмника на 40-метровый диапазон
Законченная схема OCR приёмника на 40-метровый диапазон приведена на рисунке 3. В дополнении к описанию схемы следует отметить несколько причин, по которым схема разрабатывалась именно таким образом. Здесь используется батарейное питание, что бы схему было легче собрать начинающим. Многие начинающие радиолюбители ещё не обзавелсь 12 вольтным сетевым источником питания. Далее, многие компоненты, такие как резисторы и конденсаторы, часто продаются упаковками, поэтому были приложены все усилия, что бы минимизировать число компонентов с разными номиналами, используемыми в схеме.
Рис. 3. Принципиальная схема приёмника OCR.
|
BT1, BT2 - 9-вольтовая батарея C1 - 12..100 пФ C2, C3, C9, C10, C13, C18, C19, C28 - 0.01 мкФ C4, C5 - 330 пФ, 5% ТКЕ0 C6 - 27 пФ, 5% ТКЕ0 C7 - 2.4..24.5 пФ C8 - 82 пФ, 5% ТКЕ0 C11, C14, C16, C23, C26 - 0.1 мкФ C12, C17 - 22 мкФ, 16 В, электролитический C15, C20, C25, C27 - 10 мкФ, 16 В, электролитический C21, C22 - 2.2 мкФ, 16 В, электролитический C24 - 220 мкФ, 16 В, электролитический R1, R3 - 10 кОм линейный потенциометр R2, R21 - 10 кОм R4 - 50 кОм линейный потенциометр R5, R8, R9 - 3.3 кОм R6, R12, R13, R15 - 330 кОм R7, R14 - 270 Ом R10, R11, R18 - 27 кОм R16, R17 - 6.8 кОм R19 - 47 кОм R20 - 10 кОм логарифмический потенциометр R22- 10 Ом |
J1 - Антенное гнздо J2 - Трёхвыводное гнездо под наушники L1 - Индуктивность примерно 3.4 uH; 28 витков эмалированного провода сечением 0,5 мм на сердечнике T-50-6 (жёлтый) Q1 - 2N3819 S1 - DPDT T1 - Обмотка 1 - 4 витка, обмотка 2 - 38; провод сечением 0,5 мм, на сердечнике T-68-2 (красный) D1 - MV104 D2 - 1N4001 U1 - HCPL-4562 U2 - 78L05 U3 - TL082 U4 - LM386 Разное: Печатная плата, разъём для 9 В батареи, держатель 9 В батареи |
Как было сказано ранее, ВЧ сигнал из антенны подаётся на светодиод оптрона U1 через резонансный контур, T1C1. Отдельная батарея BT1 напряжением 9 вольт обеспечивает смещение светодиода оптрона U1. Использование отдельной батареи объясняется тем, что светодиод оптрона очень чувствителен не только к микровольтному ВЧ напряжению, но и к НЧ шумам напряжения смещения. Если сделать надёжную развязку по питанию, то можно будет использовать батарею BT2 для подачи напряжения смещения. Для простоты конструкции применена отдельная батарея. Так как базовый ток составляет менее 1 мА, то батареи BT1 хватит на несколько сотен часов работы. Переменный резистор управления регенерации R1 обеспечивает плавное, безгистерезисное управление при напряжении батареи BT1 от 5,5 до 10 вольт, что позволяет полностью использовать её ресурс.
Варикапом D1 настраивают генератор. Недорогой маломощный 5 вольтный стабилизатор U2 обеспечивает стабилизацию напряжения для варикапа D1, оптрона U1 и транзистора Q1. Было бы желательно, что бы приёмник перекрывал 400 кГц 40-метрового диапазона. При диапазоне напряжения настройки всего 5 вольт, варикап должен будет работать в более нелинейной части своего рабочего диапазона. Резисторы R3 и R4 выполняют функции основной настройки и функцию растягивания диапазона настройки. Уникальная особенность этого решения в том, что оно обеспечивает нелинейное растягивание диапазона настроечного напряжения. Когда переменный резистор основной настройки R4 установлен в положение наименьшего сопротивления, то растягивающий диапазон потенциометр R3 будет изменять напряжение настройки в диапазоне 90 мВ. Если резистор R4 установить в положение максимального сопротивления, то величина растягивающего напряжения будет лежать в диапазоне 750 мВ. Эта особенность позволяет компенсировать нелинейность варикапа D1. Схема этого узла настройки является упрощением схемы одной из предыдущих конструкций (см. QST 1997, октябрь, стр 33-38).
Сигнал звуковой частоты с выхода транзистора Q1 поступает на усилитель U3A. Этот каскад обеспечивает усиление сигнала примерно в 12 раз (21,7 дБ), усиление определяется отношением резисторов R11 и R15. Может возникнуть вопрос, почему в простой схеме используется операционный усилитель, а не транзистор. Дело в том, что однотранзисторный усилитель потребует такое же количество внешних компонентов, как и у операционного усилителя U3A. Кроме того, у операционного усилителя усиление не зависит от применённого экземпляра микросхемы, и его легко развязать по цепи питания 9 вольт. Усилитель U3B используется как ФНЧ с частотой среза около 3 кГц. Усиление фильтра в полосе пропускания составляет 4,8 дБ, что даёт общее усиление предварительного усилителя чуть больше 26 дБ (схема этого фильтра более детально рассмотрена в книге "Solid State Design for the Radio Amateur", Wes Hayward, Doug DeMaw, Newington: ARRL, второе издание, 1986, стр. 79-82.).
U4, НЧ усилитель LM386, работает на нагрузку в виде наушников или небольшого громкоговорителя. При измерении с использованием сигнал-генератора 8656B Hewlett-Packard, на слух принимались телеграфные сигналы амплитудой менее 1 мкВ, а так же были слышны AM сигналы амплитудой менее 2,5 мкВ. Стоит отметить, что не все наушники от плееров обеспечивают хороший результат. Наушники стоимостью от 2 до 3 долларов не всегда имеют чувствительность, как у более дорогих моделей. Оказалось, что наушники NOVA 45 и PRO 25 хорошо работают с этим и аналогичными усилителями на LM386, а так же неплохо работает громкоговоритель OPTIMUS XTS 3. Было проведено измерение энергии на разъёме антенны J1 с помощью анализатора спектра 8668B Hewlett-Packard и оказалось, что энергия должна быть не более 0,1 нановатта (нВт) при установке регулятора регенерации для нормального приёма CW. При максимальном уровне регенерации энергия была равна 0,01 мкВт.
Постройка приёмника OCR на 40-метровый диапазон
Большинство основных компонентов доступны у стандартных поставщиков. Оптрон HCPL-4562 (U1) есть в Newark Electronics. Конструкция может быть пересчитана на другие низкочастотные диапазон. Если нет печатной платы для монтажа, то можно использовать плату-пустышку и монтаж отрезками провода или отрезок фольгированного стеклотекстолита и монтаж типа "мёртвый жук".
Единственное критическое место в схеме - это узел генератора. Здесь конденсаторы с ТКЕ0 используются для улучшения температурной стабильности. Используйте короткие, прямые соединения в этом узле. Сделайте схему как можно более жёсткой механически: это улучшит стабильность. Было построено несколько прототипов схемы. В нескольких из них приёмник генерировал даже если была удалена батарея питания светодиода! Это происходило из-за комбинации очень высокого входного сопротивления базы фототранзистора в комбинации с разбросом коэффициента усиления оптрона U1 и ёмкости конденсатора C6 (изначально ёмкость была равна 33 пФ). В некоторых случаях разводка приёмника создаёт дополнительную ёмкостную обратную связь к U1, что приводит к возникновению колебаний. Средство против этого простое: снизить ёмкость конденсатора C6 от 33 до 27 пФ. Для удешевления схемы в качестве C6 используется постоянный конденсатор. Если нужно, можно в качестве C6 использовать небольшой переменный конденсатор (с ТКЕ0 или с воздушным диэлектриком).
Разъём J1 и выключатель S1 можно использовать любые. Необязательно конструкцию заключать в корпус. Все прототипы OCR приёмника были построены как открытые конструкции.
Проверка и работа
Перед включением питания проверьте монтаж, пайку и правильность установки компонент. Если всё в порядке, подключите наушники в гнездо J2, и включите питание. Установите регулятор громкости R20 в среднее положение, покрутите регулятор регенерации, переменный резистор R1. В положении регулятора примерно 20..30% от полного оборота в наушниках должно быть слышно явное увеличение фоновых шумов. Это указывает на то, что есть генерация у оптрона U1 и всё в порядке. Теперь можно настроить катушку L1 и сопутствующие ей компоненты на желаемую рабочую частоту. Но перед этим установите регуляторы растяжки диапазона и основной настройки на минимум, и поставьте регулятор управления регенерацией в точку возникновения колебаний. Прослушивая сигнал генератора на связной приёмник в режиме CW на частоте 7 мГц, отрегулируйте конденсатор C7. Подсоедините антенну к гнезду J1, отрегулируйте конденсатор C1 по максимальной громкости при положении регулятора основной настройки в среднем положении, и всё! Если под рукой нет связного приёмника, подключите антенну к OCR приёмнику и регулируйте конденсатор C7 до тех пор, пока не найдёте телеграфный участок диапазона. Продолжайте регулировку конденсатором C7 до тех пор, пока не найдёте нижнюю границу CW диапазона 40 метров.
Использование регенеративного приёмника потребует некоторой практики. При приёме AM область с наибольшей чувствительностью находится чуть ниже точки возникновения колебаний, для CW - сразу же при возникновении колебаний. Для приёма SSB наилучшая точка лежит чуть выше, чем нужно для приёма CW. Пользуясь приёмником некоторое время, вы научитесь "чувствовать" его. Взаимодействие регенерации, усиления и селективности станет очевидным. Разыскивая CW станции рядом с AM в той части диапазона, которая выделена для новичков, вы сможете делать такое, что никогда не сможете сделать с другими простыми приёмниками прямого преобразования! Те, кто использовал другие конструкции могут отметить, что в этом приёмнике отсутствует зависимость между амплитудой принимаемого сигнала и необходимостью регулировки уровня регенерации. В действительности было найдено, что настройки для приёма CW сигнала величиной 1 мкВ не нужно изменять до тех пор, пока напряжение принимаемого сигнала не превысит 1 мВ - то есть это диапазон 60 дБ!
В отличии от других регенеративных приёмников, требования к антенне не критичны - в общем, чем длиннее, тем лучше. При использовании заземления проволочная антенна длиной 4,5-6 метров будет вполне приемлема.
Итог
Только несколько других конструкций приёмников предоставляют оператору такой полный контроль над характеристиками, как хороший регенеративный приёмник. Несколько других конструкций дадут вам возможность почувствовать что это такое - введение детектора в режим генерации и выведение из него, для того что бы получить частоту биений, которая принесёт шёпот телеграфных сигналов в эфире! Может быть поэтому - не вдаваясь во все технические причины - регенераторы всё ещё живы последние 85 лет.
Если вы никогда не использовали регенеративный приёмник, попробуйте этот! Совершенно не излучающий энергию из антенны (и имеющий улучшенное управление регенерацией), будем надеяться, этот простой подход к постройке регенеративного приёмника позволит регенераторам прожить ещё 15 лет и встретить их 100 летнюю годовщину.
Дэн Виссел, N1BYT