Друзья привет!
Свой радиолюбительский путь в большой мир телеграфной QRP-связи я начал чуть больше года назад с изготовления SDR-приемника на коротковолновые любительские диапазоны. Он подключается к компьютеру через микрофонный вход и позволяет принимать станции с любыми видами модуляции. Такую возможность ему дает цифровая обработка сигнала на компьютере. А вот для работы на передачу у меня есть лишь однодиапазонный трансивер на 14 МГц. То есть, принимать могу все диапазоны, а передавать только на одном! Наверное можно считать вполне естественным, что однажды меня посетила вот какая мысль - а что, если дополнить мой вседиапазонный SDR-приемник таким-же вседиапазонным телеграфным передатчиком с управлением от того-же компьютера! Более того, спустя время, пришла еще одна мысль - а если передатчик упихать в тот же корпус, что и приемник!
Предварительные оценки возможности такого решения меня сильно обнадежили и я решился на запуск проекта.
Основная проблема
Сам передатчик я решил разместить вместо платы экрана, который разделяет синтезатор и приемную часть моего устройства.
При питании от двух аккумуляторов по 3,7 Вольта, полагаю, что получить 2...3 Ватта выходной мощности вполне себе можно. Для QRP - самое то! В качестве основы я решил взять схемотехнику трансивера uSDR на основе 3-х параллельно включенных MOSFET-ах BS170. И вот тут-то мы и подходим к сути главной проблемы...
Хороший телеграфный передатчик должен выдавать в антенну чистый сигнал основного тона с крайне невысоким уровнем гармонических составляющих. Вседиапазонный передатчик должен выдавать такой тон на любой частоте с одинаково высокой мощностью. Сделать устройство с плавной перестройкой во всем радиолюбительском диапазоне (что, кстати может SDR-приемник) да еще и мощное, да еще и с низким уровнем гармоник - задача непростая. Поэтому ее не решают в лоб. Тем более, что участки, разрешенные для передачи крайне узкие. Поэтому проблему решают не путем формирования идеального гармонического сигнала, а путем фильтрации гармоник на выходе усилителя мощности передатчика. Тогда можно на усилитель мощности хоть прямоугольный сигнал подавать. Все лишние спектральные составляющие отсечет фильтр нижних частот (ФНЧ), соответствующего диапазона. Схемотехника получается очень простой. Однако, возникает задача коммутации большого количества фильтров настроенных каждый на свой диапазон. А диапазонов таких около десятка! Сделать 10 переключаемых фильтров - не то, чтобы трудная задача, но задача, скорее требующая пространства, в котором мы крайне ограничены.
Начинаем оптимизацию. Во-первых, придется лишить себя некоторых диапазонов. Я бы точно хотел оставить возможность работать в следующих диапазонах: 7, 10, 14, 21 и 28 МГц. Тем более, что у меня есть прекрасный телескопический диполь и автомобильная антенна, которые я могу настроить на любой из этих диапазонов! А вот более низкие диапазоны все же требуют больших мощностей и габаритных антенных систем. Пусть в хотелках остаются лишь эти 5 штук. Беда в том, что разместить 5 фильтров с системой коммутации в столь малом пространстве, которое есть в моем распоряжении все равно не представляется возможным. Значит, во-вторых, придется подумать о возможности использовать совмещенные фильтры на несколько диапазонов. Например, нельзя ли использовать фильтр на диапазон 28 МГц для фильтрации гармоник сигнала 21 МГц или фильтр на 14 МГц для диапазона 10 МГц.
Прикинем для второго случая. Итак, фильтр на 14 МГц должен хорошо давить вторую гармонику сигнала - 28 МГц. С этим неплохо справляются фильтры с АЧХ Баттерворта или Чебышёва, обеспечивая подавление не менее 30...35 дБ. Чебышёвский вариант я использовал в своем трансивере. Но если совмещать диапазоны, то фильтр должен хорошо подавлять и вторую гармонику диапазона 10 МГц. А это 20 МГц. Уже гораздо ближе к частоте среза. Можно рассчитывать уже лишь на 12...15 дБ. Маловато будет!
Техническая ремарка. Если использовать для подачи на усилитель мощности хороший прямоугольный сигнал (меандр), то уровень его второй гармоники будет сам по себе очень маленьким. Гораздо важнее задавить 3-ю гармонику (для диапазона 14 МГц это 42 МГц, а для диапазона 10 МГц - 30 МГц). Эта задача проще. Однако, в качестве источника сигнала я буду использовать тот же синтезатор на SI5351, что и для приемника. А спектр сигнала этого синтезатора характерен большим количеством различных гармоник (спуров), причем не только кратных основной частоте. Это связано с использованием фазового метода синтеза. В связи с этим пренебрегать низкими гармониками я не склонен.
Решение есть. Это эллиптический фильтр, который гарантирует высокую крутизну спада частотной характеристики и гарантированный уровень подавления гармоник. На высоких частотах он будет уступать чебышёвскому и баттервортовскому фильтрам, но, тем не менее, гарантировать достатоточный уровень подавления.
Проектирование, изготовление и тестирование эллиптического фильтра
Никогда раньше в своей практике я не проектировал эллиптические фильтры. Хотя... За последний год я делал много чего в первый раз! Осилим и это. Тем более, что для этого есть очень хорошие онлайн калькуляторы. Я использовал для базового проектирования вот этот ресурс. У меня открывается только в Хроме и, разумеется, в Торе. Все последующие эксперименты и измерения я проводил в RFSim. Вот как выглядит схема и АЧХ эллиптического фильтра 5-го порядка на частоту 14 МГц.
Как видно, 14-мегагерцовый эллиптический фильтр обеспечивает подавление 2-й гармоники 10-мегагерцового диапазона (20 МГц) примерно на 28 дБ. Это около 30 раз по амплитуде. Если учесть, что уровень этой гармоники невысок, то значение можно считать очень даже неплохим! А вот третья гармоника 10-мегагерцового диапазона, равно как и вторая для 14-мегагерцового давятся более чем на 50 дБ. Замечательно! Причем, что весьма интересно, характеристики фильтра менялись незначительно при включении физических моделей компонентов.
Кроме того, следует обратить внимание, что затухание фильтра на частотах 10 и 14 МГц имеет незначительную величину. Значит весь сигнал пойдет в антенну! Результаты очень обнадеживают! Приступаем к сборке макета.
Макет я изготовил на платке-слепыше. При сборке выяснилось, что подходящих конденсаторов в DIP-исполнении у меня нет. А вот SMD-конденсаторов довольно много, хотя, в основном, все емкости получены путем запараллеливания.
Вот так выглядел собранный макет:
Катушки намотаны на уже хорошо мне знакомых кольцах из карбонильного железа от кампании "Синтез-ПКЖ" типа К37-6. В проведенном мною сравнении эти кольца показали наилучший результат по добротности (370) на частоте 14 МГц. Использовал их именно по этой причине. Первое кольцо содержало 14 витков провода диаметром 0,4 мм. Второе - 12 витков. При этом мне удалось получить значения максимально близкие к расчетным. Индуктивность первого кольца была 680 нГн, вместо расчетного значения 634. Индуктивность второго получилась - 490 (вместо 523). Разброс около 7%. Посмотрим, насколько это будет критичным.
Емкости, как я уже упоминал пришлось получать методом запараллеливания на специальных монтажных платках. Причем ориентировался я на маркировку. В результате фактические значения емкостей, измеренные на частоте 14 МГц в итоге сильно отличались. Вот как емкости были получены:
300 пФ = 150 пФ + 150 пФ (измеренное значение - 330 пФ),
430 = 330 + 100 (измерено - 386 пФ),
240 = 220 + 18 (измерено - 268 пФ),
30 = 30 (измерено 29 пФ),
82 = 68 + 12 (измерено - 90 пФ).
Измерения проводил при помощи NAnoVNA. Видно, что разброс по емкостям тоже получился значительный.
Итак, имеем катушки с 7%-ным разбросом и конденсаторы с 10%-ным и даже более. Что ожидать от фильтра? Подключаем к NanoVNA.
Прибор был откалиброван в диапазоне от 1 до 50 МГц. Частотная характеристика фильтра крупным планом:
И вот несмотря на все эти разбросы компонентов частотная характеристика получилась на удивление очень даже неплохой! Судите сами.
Затухание в полосе пропускания около 0,6 дБ. Не самое лучшее значение, но вполне приемлемо. Потеря около 13% мощности. Затухание на частоте 20 МГц (вторая гармоника 10-мегагерцового диапазона) - почти 33 дб (более 40 раз). Это лучше, чем в модели. Затухание на частоте 28 МГц (вторая гармоника 14 МГц) - более 46 дБ (более 200 раз). А это значение получилось несколько хуже.
Результат я считаю, получился весьма обнадеживающим. Даже при значительном разбросе параметров компонентов фильтр показал неплохие характеристики. Главное, можно считать возможным использование одного фильтра для работы на двух диапазонах. Дополнительным подбором компонентов наверняка можно достичь еще лучших показателей. Значит, направление выбрано верно. Проектирование SDR-трансивера продолжается!
Спасибо, что читаете-смотрите Terrabyte! Подписывайтесь, если вам интересна радиолюбительская тематика, микроконтроллеры, мини-ПК, необычные компьютерные решения и инновационные разработки! Спасибо всем, кто поддерживает меня своими советами, комментариями и лайками!
Группа ВК: https://vk.com/terrabyte
Канал на VK-Video: https://vk.com/video/@terrabyte/all