Что – опять очередной самый лучший в мире регенератор?

Да что ты? На этот раз простой синхронный КВ приёмник прямого преобразования с качественным приёмом SSB и АМ-сигналов

Финита ля комедия, дорогие товарищи!!! Баста! Сливай воду, суши портянки и никаких гвоздей – тему "регенераторостроения" предлагаю считать исчерпанной!
Наш последний регенератор, усидчиво доведённый на странице – [1] до уровня "гипербалического парабалоида", оказался настолько хорош собой, что перспективу его улучшения я бы счёл лишней и равноценной тратам времени на развитие навыков паяния и работы с измерительными приборами.

Но для начала давайте воспроизведём достоинства и недостатки данного типа электроустройств.
Итак – основные положительные качества регенеративных приёмников:
1. Относительная схемотехническая простота;
2. Способность принимать станции как с однополосной, так и амплитудной модуляцией;
3. Возможность добиться очень высокой чувствительности;
4. Отсутствие побочных каналов приёма и поражённых частот;
5. Возможность нагрузить резонансный антенный усилитель на единственный контур регенератора, что позволяет избежать применения громоздких входных диапазонных фильтров.
6. Но главное, на чём нам сегодня следует сосредоточиться – это возможность синхронного приёма АМ сигналов, то есть режима работы, когда собственные колебания регенератора захватываются несущей АМ сигнала и становятся с ней синхронными и синфазными. Причём опыт использования регенератора, изготовленного по схеме из [1], показал его крайне стабильную работу в синхронном режиме в условиях широкого диапазона входных сигналов.

Далее – недостатки регенераторов. Из основных я бы выделил два:
1. Приём однополосных (SSB) сигналов у регенераторов практически всегда хуже, чем у даже простейших приёмников прямого преобразования. Объясняется это просто – в регенераторе нет смесителя как такового, а частотное преобразование происходит за счёт нелинейности активных элементов и, по большому счёту, является неоптимальным и "паразитным";
2. Избирательность по соседнему каналу у регенератора невысока. Она является производной от частоты и зависит от полосы пропускания единственного контура. Причём если на средних частотах полоса пропускания контура слишком узка (что проявляется в обрезании высоких частот), то на КВ диапазонах она растёт пропорционально частоте, что приводит к одновременному приёму нескольких близкорасположенных станций.

Так к чему это я так основательно прошёлся по регенераторам? Ведь тема заголовка совсем иная, а конкретно – "синхронный приёмник прямого преобразования".
Объясню. Тема заголовка, друзья мои, обозначает область исследуемого вопроса, в то время, как основная мысль – необходимость «съехать» на другую тему.
А если изъясняться по-людски, то делать мы будем, конечно, коротковолновый приёмник прямого преобразования (ППП), но снарядим его всеми достоинствами, присущими регенеративным приёмникам. Недостатки же регенераторов без всяких душещипательных угрызений изничтожим как класс.

Для того, чтобы трансформировать регенератор в ППП с синхронным приёмом нам всего-то и нужно, что исключить детектор, а чтобы переделать регенератор в хороший ППП с синхронным приёмом – ещё соорудить и хороший смеситель. И если с первым мероприятием никаких проблем не возникнет, то ко второму следует отнестись со всей скрупулёзностью. Не следует забывать и о том, что для приёма АМ станций опорный сигнал смесителя должен синхронизироваться посредством входного, а такие параметры, как динамический диапазон и коэффициент преобразования этого узла желательно выдержать на неизменно высоком уровне.

Рассмотрим схему смесителя на полевом (либо на биполярном) транзисторе, аналог которой можно найти в практически в любом справочном пособии.
Принцип работы здесь довольно прост. Сигнал гетеродина (Uгет) через трансформатор поступает на затвор транзистора и модулирует напряжение Uзи на нём с частотой fгет.
Синхронно с изменением напряжения на затворе изменяется и ток стока транзистора, а вместе с ним и коэффициент усиления каскада.
Входной сигнал (Ucиг) также поступает на затвор Т1 и, будучи усиленным каскадом с общим истоком, поступает на выходной трансформатор УПЧ.


Рис.1 Схема смесителя на полевом транзисторе

А поскольку усиление каскада промодулировано напряжением гетеродина, то на стоке Т1 образуется комбинация сочетаний различных частот, присущих подобным небалансным преобразователям частоты.
А теперь давайте немного модернизируем схему, изображённую на Рис.1.

На Рис.2 бдительный глаз бывалого радиолюбителя с лёгкостью различит генератор, выполненный по схеме индуктивной трёхточки Хартли.
Положительная обратная связь здесь создаётся подключением истока транзистора к части витков катушки Lгет.
Если этот отвод сделать, к примеру, 1/10 от общего числа витков, то разница между амплитудами колебаний на истоке и затворе транзистора также будет составлять примерно такое же соотношение 1:10, то есть почти вся амплитуда, генерируемая на контуре Lгет пойдёт на модуляцию усиления каскада.

Рис.2 Схема смесителя с совмещённым гетеродином

Что же касается входного сигнала Ucиг, то он будет преобразован сигналом гетеродина (в нашем случае встроенной трёхточкой Хартли) точно также, как и в предыдущем случае. Причём за счёт наличия положительной обратной связи в смесителе, продукты преобразования не обязательно снимать со стоковой цепи усилительного каскада, так как они в таких же пропорциях будут содержаться и на контуре гетеродина. А благодаря высоким селективным свойствам колебательного контура Lгет, Сгет, в спектре сигнала в основном будет присутствовать комбинация частот: гетеродина, входного сигнала и сигнала биений с частотой, равной разнице между fгет и fсиг. Частота fгет + fсиг, а также нежелательные (паразитные) комбинационные частоты более высоких порядков: ±mf_сиг ± nf_гет в значительной степени будут ослаблены LC контуром, что в совокупности улучшит параметры преобразователя.

Источник тока в цепи истока транзистора Т1 служит для радикального повышения динамических характеристик смесителя, так как форма сигнала на истоке транзистора имеет практически такую же неискажённую синусоидальную форму, как и на контуре. Если источник тока сделать регулируемым, то это позволит осуществить плавную регулировку амплитуды гетеродина от 0 вольт до максимальных значений. Опять же из соображений достижения максимальной динамики – транзистор следует выбирать с максимальным напряжением отсечки.
Все эти ухищрения нам нужны для того, чтобы обеспечить качественный синхронный приём, потому что, хочешь не хочешь, а захвату частоты наиболее подвержены самые лучшие высокодинамичные генераторы с "мягким" режимом регулировок.

А теперь давайте вспомним выдержку из статьи «Гетеродинный приём» под авторством уважаемого Владимира Тимофеевича нашего Полякова [2]:

Тщательной регулировкой обратной связи вблизи порога возбуждения регенератора можно добиться малой амплитуды собственных колебаний в контуре, и при этом возникает возможность режима синхронного приема АМ сигналов. Полосу захвата можно найти из соотношения:
2Δf_захв=(f₀ /Q₀)(a₁/a₂), где: Q₀ – конструктивная добротность контура, а₁ – амплитуда несущей сигнала, а₂ – амплитуда собственных колебаний.

На самом деле, формула эта довольно условна, и схемотехнически разные регенеративные каскады, с точки зрения амплитуд сигналов и полосы удержания, ведут себя несколько по-разному. Однако общая доктрина, которая говорит нам о том, что для увеличения полосы захвата нужно либо уменьшать амплитуду возбуждения, либо увеличивать амплитуду входного сигнала, абсолютно верна и накладывает определённые требования к проектируемому устройству.

Первое требование мы уже озвучили – "мягкий" режим регулировки положительной обратной связи гетеродина, который позволит плавно изменять уровень собственных колебаний, начиная с самых низких уровней (доли милливольт).
Второе требование диктуется параметром чувствительности приёмника в режиме синхронного приёма, что требует предварительного усиления сигнала, поступающего с антенны, до уровня, необходимого для захвата гетеродином.

Ну что ж, теоретическая часть нашего тематического вечера подошла к логическому завершению, а поэтому пришло время активизировать созидательную деятельность.
И как результат – схема электрическая принципиальная, приведённая на Рис.3.

Рис.3 Схема приёмника прямого преобразования с возможностью синхрон- ного приёма АМ

Радиосигнал, снимаемый с антенны, поступает на резистор R1, выполняющий роль простейшего аттенюатора, а далее усиливается более чем на 30 дБ посредством входного трансформатора Tr1 и двухкаскадного усилителя, выполненного на транзисторах Т1, Т2. Данный каскад нагружен (через трансформаторную обмотку связи) на контур гетеродина L1, С5, что допускает его усиление лишь в узком диапазоне частот, определяемом полосой пропускания контура.

На транзисторе Т3 выполнен смеситель с совмещённым гетеродином, который мы бегло, но довольно доходчиво рассмотрели на Рис.2

Транзисторы Т4, Т5 представляют собой токовое зеркало. Посредством переменного резистора R11 производится регулировка тока покоя транзистора Т3, что, в свою очередь, позволяет осуществить плавную регулировку амплитуды гетеродина от 0 вольт до максимальных значений, приближающихся к напряжению источника питания Епит.

Именно это значение пиковой неискажённой амплитуды колебаний и будет определять динамические характеристики смесителя.
Как это работает в первом приближении? Если установить пиковую амплитуду колебаний гетеродина в пределах ±1,5...2 вольт (как показали измерения, это оптимальный режим при работе в режиме однополосной модуляции), то, с одной стороны, этой амплитуды будет достаточно для того, чтобы не происходил захват, мешающий приёму SSB, а с другой, запас напряжения (при вычитании этих ±1,5...2 В из Епит), оставшийся для обработки входного сигнала – это немалая величина, обуславливающая хорошие динамические характеристики смесителя.
При работе с АМ модуляцией в синхронном режиме амплитуду гетеродина необходимо понизить, что только будет способствовать дальнейшему улучшению динамических свойств.

Затвор каскада с общим истоком на полевом транзисторе Т6 напрямую связан с колебательным контуром L1, С5. А соответственно, на него поступает весь спектр частот, получаемый в процессе преобразований в смесителе. При этом сам этот каскад практически полностью игнорирует ВЧ составляющие, присутствующие на контуре, а выделяет и усиливает лишь сигнал биений, равный разнице между fгет и fсиг, т. е. в нашем случае – звуковой сигал.
Происходит это из-за того, что выход каскада нагружен на фильтр нижних частот: С12, L2, С13, С14, крутизна спада которого полностью определяет избирательность приёмника по соседнему каналу, причём как для SSB, так и АМ сигналов.
Цепочка R8, D1, D2 задаёт смещение на затворах транзисторов Т3, Т6, что также способствует дополнительному улучшению динамических характеристик смесительного тракта.

Усилительный каскад на транзисторе Т7 повышает выходной уровень звукового сигнала на 20 дБ, что позволяет подключать приёмник к большинству интегральных УНЧ, либо к линейному входу любой активной акустики.

Входной трансформатор изготовлен на кольце из феррита N87 R16x9.6х6.3 в строгом соответствии со справочным пособием Э. Рэда. Он содержит 3 одинаковые обмотки по 10 витков, выполненные обмоточным проводом 0,5...0,6 мм, которые следует наматывать одновременно 3-мя слегка скрученными проводами (около 2 скруток на сантиметр) и соединять между собой согласно схеме, приведённой на Рис.3.

От добротности и механической прочности катушки гетеродинного контура в ППП (в отличие от регенератора) зависит не столько его избирательность, сколько временная и температурная стабильность частоты колебаний. В данной конструкции использовалось кольцо М50ВН R20x12х6, предварительно обмотанное какой-либо изоляционной лентой. Гетеродинная обмотка содержит 12 витков 1,2 мм обмоточного провода с отводом от 0,5 витка. Катушка связи с УВЧ содержит 5 витков такого же провода, намотанных поверх гетеродинной обмотки.

Катушку ФНЧ L2 необходимо намотать на любом кольце из низкочастотного феррита исходя из параметра индуктивности, указанного на схеме. Единственное, что следует иметь в виду – для достижения высокой добротности, а соответственно, и высоких избирательных свойств фильтра, это кольцо должно быть не слишком маленьким (свыше 2 см), а диаметр провода не слишком тонким (свыше 0,3 мм). Никакие головки от магнитофонов хорошего результата не дадут!

При отсутствии острого желания выполнить подобное моточное изделие, никто не мешает построить ФНЧ по схеме активного фильтра (Рис.4).
Данный фильтр четвёртого порядка имеет несколько худшие, но, тем не менее, схожие характеристики по сравнению с LC-аналогом, поэтому вполне может быть рекомендован к использованию в данном устройстве.

Радиоприёмник был спроектирован для работы с широкополосной рамочной антенной в пассивном исполнении, описанной в [3].

Рис.4 Схема активного ФНЧ для приёмника прямого преобразования

Такая антенна, на мой взгляд, является оптимальной конструкцией для приёма эфира в городских условиях при невозможности выйти на крышу и установить там какой-либо удобоваримый вариант.

Сигнал, поступающих с таких (рамочных) антенн, имеет довольно низкий уровень, и от применения входного аттенюатора в этом случае можно с лёгкостью отказаться. Во всех остальных случаях, учитывая крайне высокую чувствительность приёмника, он необходим, мало того – при использовании полноразмерных антенн существует возможность уменьшить чувствительность посредством отказа от входного повышающего трансформатора.

Настройка приёмника сводится к корректировке (при необходимости) номинала резистора R7 для установки тока покоя транзистора Т2 в диапазоне 1...2 мА.

Однако пришло время полномасштабных натурных испытаний!
Смакетированный и "прогнанный" по приборам приёмник показал высокую чувствительность при приёме однополосных сигналов (доли мкВ), а также хорошую стабильность во всём отведённом ему диапазоне частот (3,5...16 МГц). Избирательность, которая полностью определяется свойствами низкочастотного фильтра, составила ~ 35 dB (+/- 9 kHz).
Однако самым интересным во всей этой истории будет исследование функционирования устройства в реальном эфире и, прежде всего, в АМ диапазонах, где работать приёмнику прямого преобразования доведётся в неприсущем для него синхронном режиме.

Качественное сравнение работы ППП будем производить совместно с фабричным приёмником Tecsun PL-660. Данный "китаец" довольно популярен в радиолюбительском сообществе, так как обладает приличными характеристиками, построен по схеме супергетеродина с двойным преобразованием частоты и имеет на борту кварцевый фильтр и синтезатор частот.

Посредством присоединения к конденсатору переменной ёмкости С5 растягивающих конденсаторов устанавливаем частотный диапазон перестройки гетеродина нашего ППП: 7...7,6 МГц. Номиналы этих ёмкостей довольно просто рассчитываются в онлайн режиме на странице [4], а выбранная полоса хороша тем, что охватывает как 40-метровый любительский SSB, так и 41-метровый вещательный АМ диапазоны. Понятно, что для относительно комфортной перестройки по такому широкому диапазону необходимо, чтобы КПЕ был оснащён каким-либо верньерным устройством.

Итак, сведём результаты долгих и тяжёлых экспериментов в лёгкий для усвоения сухой остаток:

1. Как и следовало ожидать, чувствительность приведённого приёмника на 40 метрах в SSB режиме оказалась, как минимум, не хуже окварцованного китайца. Все те немногие корреспонденты, которые улавливались в городских условиях на стоящую на подоконнике рамочную антенну, примерно с одинаковым уровнем воспроизводились обоими приёмниками.

2. А вот способность ППП вылавливать в синхронном режиме даже самые слабые АМ станции в 41-метровом диапазоне удивила. Количество станций, разборчиво принятых столь простым приёмником, по крайней мере, в 1,5 раза превосходило количество станций, принятых Тексаном.
Любопытно было наблюдать, как многие АМ станции принимались не только в режиме автоколебаний гетеродина, но и во время подхода к этому режиму, т. е. когда колебаний ещё нет. В этом случае в качестве сигнала гетеродина выступает несущая АМ сигнала, а идентифицировать этот режим можно по отсутствию сигнала биений (свиста понижающегося тона) при подходе к частоте радиостанции.

Ну что ж, на этом, пожалуй, и всё... Вот такой он получился, приёмник на семи транзисторах, который по чувствительности и качеству приёма может дать фору гораздо более навороченным и дорогим агрегатам.

Литература:
1. Vpayaem.ru – Как построить самый лучший в мире регенератор? https://vpayaem.ru/regen3.html
2. В.Т. Поляков. Гетеродинный приём. "Радиоежегодник", 1988 год
3. Vpayaem.ru – Многовитковая рамочная СВ - КВ - УКВ антенна. https://vpayaem.ru/loop1.html
4. Vpayaem.ru – Расчёт растягивающих конденсаторов LC-контуров. https://vpayaem.ru/inf_contur.html