Для начинающих. Делаем супергетеродин. Часть 1.

Решил написать цикл статей для начинающих радиолюбителей, которые хотят построить простой супергетеродинный КВ-приемник для любительских диапазонов. Это будет аналоговый приемник, без намека на цифровую обработку сигнала :))

Скажу сразу, что супергетеродин - это более сложный приемник, чем приемник прямого усиления, о которых я много писал. Тогда возникает вопрос; а может проще сделать очень чувствительный приемник прямого усиления (ППУ)? Увы, ППУ имеют слишком большую полосу пропускания, а это значит, что вместе с нужной нам станцией будут приниматься и другие, мешающие приему. Кроме того, полоса пропускания изменяется при перестройке приемника по частоте.

Давайте проведем простейший эксперимент, благо, теперь есть такой удобный анализатор АЧХ, как NanoVNA. Для эксперимента я взял магнитную антенну диапазона средних волн, намотал две катушки связи, к которым подключил вход и выход NanoVNA.

Рис. 1.

NanoVNA подключил к компьютеру и запустил программу nanovna-saver. При максимальной емкости конденсатора переменной емкости (КПЕ) амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) была такой:

Рис. 2.

Резонансная частота 480 кГц, полоса пропускания по уровню -10 дБ около 20 кГц. Перевожу КПЕ в среднее положение.

Рис. 3.

Резонансная частота стала выше - около 818 кГц, а полоса пропускания выросла более чем в два раза и стала около 50 кГц. При почти минимальной емкости резонансная частота еще увеличивается.

Рис. 4.

Теперь она равна 1,7 МГц, а полоса стала около 160 кГц. Т.е. при изменении емкости КПЕ от максимальной до минимальной полоса пропускания изменяется почти в 8 раз! и Это на СВ, с катушкой высокой добротности, намотанной многожильным литцендратом. На КВ полоса пропускания контура будет уже не кГц, а в МГц.

А можно ли сузить полосу пропускания? Можно, например, поставить последовательно друг с другом несколько синхронно перестраиваемых контуров. Но это не так просто: нужен многосекционный КПЕ и катушки с одинаковыми параметрами. Но, хотя полоса станет Уже, но ее величина все равно будет меняться при перестройке по диапазону.

Не поможет и использование положительной обратной связи (ПОС), которая помогает схемотехнически не только получить очень узкую полосу пропускания контура (умножители добротности, регенеративный детектор), но и повысить усиление, причем на порядки. Однако, при перестройке по диапазону придется одновременно с ручкой настройки крутить еще ручку регулирования глубины ПОС и ручку регулирования усиления. Это, конечно, делает прослушивание эфира очень увлекательным и регенеративные приемники, в том числе и на полевых транзисторах выпускались еще в 90-х.

Так, регенеративный приёмник MFJ-8100 был выпущен в 1992 году — американской компанией MFJ Enterprises, базировавшаяся в городе Старквилл (Миссисипи). Приемник мог принимать станции AM, SSB и CW в 5-ти диапазонах: 3,5…4,3 МГц; 5…4,3 МГц; 5,9…7,4 МГц; 9,5…12 МГц; 13,2…16,4 МГц и 17,5…22 МГц.

Рис. 5. С сайта https://auctions.c.yimg.jp/

Кроме готового приёмника, фирма MFJ также выпускала набор для самостоятельной сборки — MFJ‑8100K, о котором подробно вы можете прочитать здесь.

Но как же можно было разрешить противоречия приемников прямого усиления? Для этого могли подойти два решения: первое - с помощью генератора, частота которого близка к частоте принимаемой радиостанции в смесителе получить сигнал низкой частоты; второй - преобразовать с помощью дополнительного генератора (гетеродина) принимаемый сигнал в сигнал некой другой частоты, одинаковой при перестройке по диапазону, и именно на этой неизменной частоте фильтровать и усиливать сигнал.

Первый тип приемников был предложена американцем Фессенденом в 1901 году. В его приёмнике гетеродин работал на частоте, близкой к частоте принимаемого сигнала, и возникающие биения позволяли принимать телеграфные сигналы. С изобретением в 1913 году лампового генератора высокой частоты гетеродинные приёмники стали совершенствоваться быстрее. Сейчас они широко используются и чаще называются приемниками прямого преобразования (ППП) или супергетеродинами с нулевой промежуточной частотой.

В 1917 году французский инженер Люсьен Леви запатентовал в США принцип супергетеродинного приёма. В его схеме частота радиочастотного сигнала преобразовывалась не непосредственно в звуковую, а в промежуточную частоту (ПЧ), которая выделялась на колебательном контуре, настроенном на эту частоту, а уже после поступала на детектор.

Рис. 6. С сайта https://translated.turbopages.org/

Но с патентом случилась незадача: в том же году, но семью месяцами позже, аналогичную заявку подал американский изобретатель Эдвин Армстронг. Думаю, не надо говорить, кого признали изобретателем. Но истина все-таки восторжествовала и в 1931 году после судебных разбирательств в США изобретателем супергетеродина был признан Люсьен Леви, и ему выдали патент с приоритетом от 4 августа 1917 года.

Но Армстронг был первым, кто построил и испытал прототип супергетеродинного приёмника, а также указал на возможность многократного преобразования частоты. В те далекие времена это была только возможность, но позже двойное и, даже, тройное преобразование можно встретить даже в любительских конструкциях.

Годом позже, в 1918 году, немец Вальтер Шоттки дополнил схему Леви усилителем промежуточной частоты (УПЧ). Это позволило значительно повысить чувствительность приёмника, так как лампы того времени не обеспечивали нужного усиления на частотах выше нескольких сотен килогерц. Сдвигая спектр сигнала в область более низких частот, можно было увеличить коэффициент усиления. Поэтому и стандарты частот ПЧ для вещательных приемников лежали в области сотен кГц (455, 467 кГц), что ниже частот диапазона СВ и много ниже частот диапазона КВ.

Но давайте от истории перейдем к практике и рассмотрим блок-схему КВ-приемника для любительской связи.

Рис. 7.

Сигнал от антенны (fс​ — частота сигнала) поступает на перестраиваемый полосовой фильтр Z1, который в диапазоне КВ выделяет не отдельную станцию, а довольно широкую полосу частот. Выделенные фильтром сигналы радиостанций, лежащих в полосе его пропускания, поступают на один из входов смесителя U1, а на другой его вход поступает сигнал от первого гетеродина (генератора плавного диапазона, ГПД), частота которого перестраивается синхронно с входным фильтром (fг​ — частота гетеродина).

В смесителе происходит взаимодействия частот сигнала и гетеродина типа: fг ​− fс, fг​ + fс, fc - fг, а также взаимодействие их гармоник. Но нам из этой кучи частот нужно выбрать одну, которая и будет промежуточной. Например, выбираем, что fпч = fc - fг. Теперь при любой частоте сигнала мы должны соблюсти соотношение fг =fc - fпч. Так, при fпч = 8 МГц при частоте сигнала 14 МГц частота гетеродина должна быть 6 МГц, а при частоте сигнала 21 МГц частота гетеродина должна быть 13 МГц.

В вещательных приемниках используют обычно соотношение fпч = fг - fс. Так при fпч = 465 кГц в диапазоне СВ частота сигнала изменяется в диапазоне 550–1600 кГц (разница 1050 кГц), а частота гетеродина меняется в диапазоне 1015 - 2065 кГц.

Для выделения сигнала с выбранной частотой ПЧ из кучи сигналов на выходе смесителя используется узкополосный полосовой фильтр Z2 с полосой пропускания 2,4 - 3 кГц, а для приема телеграфа с полосой 300 - 500 Гц. Раньше, особенно в вещательных приемниках, использовались ФСС (фильтры сосредоточенной селекции), собранные на резонансных контурах.

Рис. 8. Из журнала Радио №7 за 1965 год.

Сделать качественный фильтр такого типа возможно только на низких ПЧ, порядка 100 кГц и ниже.

В 60-х -80-х годах широко использовались электромеханические фильтры (ЭМФ), которые имели отличные характеристики, но были достаточно редки и дороги. Я в начале 80-х видел их в магазине на Шаболовке по 25 руб. Эти ЭМФ чаще всего были на частоту 500 кГц и использовались в трансивере UW3DI и радиоконструкторе «Электроника Контур-80», и т.д. Вот несколько ЭМФ из моей коллекции.

Рис. 9.

И, наконец, используются кварцевые фильтры. В отличии от ЭМФ, кварцевый фильтр можно сделать самому, а можно купить промышленный. Характеристики у них не хуже, чем у ЭМФ. Вот, например, промышленный 8-ми кристальный фильтр "Десна" с полосой пропускания 2,4 кГц.

Рис. 10.

Выделенный сигнал ПЧ усиливается усилителем промежуточной частоты (УПЧ). Именно этот усилитель обеспечивает высокую чувствительность. Разнообразие схем УПЧ зашкаливает :))

Усиленный сигнал подается на один из детекторов: при приеме АМ - на амплитудный детектор U2, а при приеме CW, SSB и цифры - на смесительный детектор U3. Смесительный детектор выполняет те-же функции, как смеситель в приемнике Фессендена: при взаимодействии сигнала ПЧ с сигналом опорного генератора (его частота практически равна ПЧ) на выходе образуется низкочастотный сигнал.

Этот НЧ-сигнал отделяется с помощью фильтра низших частот (ФНЧ) Z3, полоса пропускания которого 3,5 - 4 кГц. Далее сигнал усиливается УНЧ и поступает на динамик или наушники.

Приемник можно упростить, если перестраиваемый полосовой фильтр Z1 заменить на неперестраиваемый полосовой диапазонный фильтр (ПДФ, иногда ДПФ) для каждого радиолюбительского диапазона. При этом отпадает необходимость в двухсекционном КПЕ и муторной операции сопряжения частот.

Кажется, что супергетеродин - венец эволюции, но и у него есть недостатки. Одним из самых известных является появление зеркального канала приема. Вот как это происходит.

Рис. 11.

Приемник настроен на частоту принимаемой станции fрк (синяя стрелка), при этом выполняется соотношение fг - fрк = fпч. Но для станции fз выполняется еще одно корректное соотношение: fз - fг = fпч, т.е. ее сигналы тоже пройдут через фильтр ПЧ. Но тут вступает в игру входной контур: если полоса его пропускания невелика (черный пунктир), то станция зеркального канала будет им подавлена.

А вот, если его полоса пропускания большая (фиолетовый пунктир), то станция зеркального канала будет приниматься, хотя и с меньшим уровнем (если уровни станций одинаковы). Но может быть, что уровень нужной радиостанции мал (она далеко, ее мощность мала), а уровень станции в зеркальном канале велика, то помехе приему будет значительна.

Как же ослабить зеркальный канал? Тут два способа: можно сузить полосу входного контура (но на КВ это возможно для ПДФ), а можно повысить частоту ПЧ. Ведь зеркальный канал отстоит от рабочего на удвоенную частоту ПЧ. Если ПЧ 465 кГц, то зеркальный канал отстоит от рабочего на 930 кГц. Для ДВ это очень много, для СВ - нормально (полоса пропускания входного контура мала), а вот для КВ, особенно высокочастотных поддиапазонов - это мало. А если ПЧ 9 МГц, то зеркальный канал отстоит на 18 МГц, тут и один контур на входе решит проблему. А если ПЧ 40 МГц то тут от входного контура почти ничего не зависит.

Но, убрав одну проблему, получишь другую. Но об этом уже при описании узлов приемника.

Всем здоровья и успехов!