Гетеродин - один из основных узлов приемника, от которого зависит стабильность приема радиостанций, особенно SSB, CW и цифровых видов связи. А конкретно, для приема SSB уход частоты за время связи 50–100 Гц на КВ‑диапазонах (3–30 МГц), иначе отклонение более 100 Гц приводит к искажению речи: голос меняет тембр, трудно разобрать слова. Но, по моему опыту, информацию можно воспринимать и при уходе частоты гетеродина на 500 Гц, но это, так сказать, в крайнем случае.
При приеме телеграфа часто используют фильтры с узкой полосой 100 - 300 Гц, поэтому в этом случае к стабильности частоты требования тоже жесткие: для обычного приёма — 5–10 Гц а для соревнований и DX‑связи — 2 - 5 Гц.
Цифровые виды связи часто используют узкополосные сигналы (например, FT8 — 50 Гц), поэтому требования к стабильности еще жестче, но зависят от вида: FT8, JT65 — не хуже 1–2 Гц; RTTY ( 45–75 бод) — 5–10 Гц достаточно; PSK31 — 2–5 Гц.
Кто-то скажет, что получить такую стабильность аналоговыми способами, особенно в любительских условиях практически невозможно. Но это не так. Во-первых, основными факторами, определяющими стабильность генератора, являются изменение температуры окружающей среды и нестабильность напряжения питания.
Если приемник находится у вас в комнате или даже на улице, но при относительно стабильной температуре, то за время проведения связи (именно связи, а не беседы на два часа) частота не успеет измениться. Ведь связь с редкой станцией или в соревнованиях редко продолжается более минуты, а за это короткое время частота не успеет уйти.
Стабильность напряжения питания тоже не проблема: две ступени стабилизации, правильный выбор схемы генератора - и проблема будет решена.
Сердцем гетеродина является колебательный контур, от характеристик которого зависят в бОльшей степени качество гетеродина. Чаще всего используется параллельный колебательный контур. Вот его схема и амплитудно-частотная характеристика (АЧХ).
Частота, на которой амплитуда колебаний в контуре максимальна называется резонансной частой. Если мы проведем горизонтальную линию, соответствующую примерно 0,7 максимальной амплитуды, то она пересечет АЧХ в двух точках. Разница частот fв - fн называется полосой пропускания контура. Иногда такую прямую проводят на уровне -6 дБ, т.е. 0,5.
Резонансная частота контура рассчитывается по формуле Томсона:
Формула простая: знаем L и С, рассчитываем частоту. А если нужно наоборот? Вот в моем приемнике fпч = 8 МГц, диапазон 14 МГц, значит частота гетеродина, определяемая его контуром, должна быть 14 - 8 = 6 МГц. А как выбрать L и С - ведь таких пар можно привести множество. Вот, например, для частоты 5 МГц: L=10 мкГн, C=101,3 пФ; L=25 мкГн, C=40,5 пФ; L=50 мкГн, C=20,26 пФ. ......
Здесь в дело вступает новая величина. характеризующая контур - его добротность (Q). Добротность обратно пропорциональна скорости затухания собственных колебаний в системе. То есть, чем выше добротность колебательной системы, тем меньше потери энергии за каждый период и тем медленнее затухают колебания, а коротко можно сказать, что добротность отражает «качество» контура — его способность сохранять энергию и поддерживать колебания. Графически это можно изобразить так:
При повышении добротности контура сужается полоса его пропускания. Это важно для генератора, так как при высокой добротности контура его узкая полоса пропускания эффективно подавляет гармоник.
Формула расчета добротности проста и наводит на простые выводы:
Чем больше индуктивность катушки и ее омическое сопротивление (R), чем меньше емкость конденсатора, тем больше желанная добротность. Но не все так просто. Если мы выберем емкость контура 10 пФ, то собственная емкость катушки и емкость монтажа уведут частоту контура так далеко .... Увеличивая индуктивность, увеличиваем число витков катушки, а, следовательно, ее омическое сопротивление и межвитковую емкость.
Точно можно сказать только про R - чтобы его уменьшить, нужно использовать для намотки катушки как можно более толстый провод или литцендрат (жгут из нескольких скрученных тонких проводов, например, 7х0,09 мм). И, главное, здесь собственно не диаметр проводника, а его поверхность, так как при протекании переменного тока по проводнику проявляется скин-эффект, который возникает из‑за вихревых токов (токов Фуко), индуцируемых переменным магнитным полем самого проводника: переменный ток в проводнике создаёт переменное магнитное поле вокруг и внутри него, это поле индуцирует вихревые токи в толще проводника. По правилу Ленца вихревые токи направлены так, что ослабляют исходный ток во внутренних областях и усиливают его у поверхности.
Рассчитать глубину скин-слоя можно по формуле:
Понятно, что толщина скин-слоя (слоя в котором течет ток) прямо пропорционален удельной проводимости материала проводника и обратно пропорционален частоте переменного тока и магнитной проницаемости материала проводника. Вот примеры расчета по этой формуле для некоторых частот.
Из таблицы видно, что в катушке с частотой 5 МГц ток будет протекать в поверхностном слое проводника толщиной всего около 30 микрон.
Поэтому нужно стремиться к увеличению поверхности проводника. А вот, почему применяют литцендрат: возьмем провод 0,3 мм и литцендрат 7х0,09. При одинаковой длине обоих проводников отношение площадей поверхности будет равно отношению длин окружностей проводников. Для 0,3 мм длина окружности около 0,94 мм, а для 7-ми проводников литцендрата сумма окружностей будет около 2 мм. Т.е. поверхность проводников литцендрата будет примерно в 2 раза больше.
Но литцендрат обычно используют на частотах до 5 МГц, потому, что межвитковая емкость у него больше, чем у одинарного провода.
А что же делать? Нет смысла использовать сплошные толстые проводники — можно применять трубчатые или плоские, а так же плоские (ленточные) проводники; выгодно наносить на поверхность покрытия с высокой проводимостью (например, серебрение).
И еще один факт, связанный со скин-эффектом, о котором часто забывают: поверхность. по которой течет ВЧ-ток должна быть гладкой (полированной), так как наличие неровностей удлиняет путь тока, повышая сопротивление.
Катушка определяет не только добротность контура, но и стабильность резонансной частоты, которая зависит от стабильности геометрических размеров катушки.
Так ли это важно? Давайте посчитаем, уважаемые читатели. Рассчитаем резонансную частоту двух контуров, у которых емкости одинаковы (200 пФ), а катушки разные: у одного намотана проводом 0,5 мм на каркасе диаметром 20 мм, намотка виток в витку, количество витков 15; у второго контура обмотка такая же, а диаметр каркаса 20,1 мм (он как бы расширился при нагревании). Результат таков: резонансная частота контура с каркасом 20 мм: ≈ 5,02 МГц, а после расширения при нагревании до 20,1 мм: ≈ 4,99 МГц.
Уход частоты составит аж 30 кГц. Но, конечно, это некая абстракция и изменение размеров катушки меньше, но материал сердечника имеет значение. Для высокочастотных контуров предпочтительны специализированные материалы с низкими диэлектрическими потерями, такие как фторопласт или высокочастотные керамики. Вот характеристики некоторых материалов, используемых для изготовления каркасов.
Керамика (фарфор) вне конкуренции, но где ее взять? Из керамики много что делают: предохранители, корпуса мощных резисторов, особенно старых типа МЛТ. У них нужно счистить шкуркой красочный и металлический слой под краской - и каркас готов.
А вот остальные материалы смотрятся двояко: у фторопласта и полиэтилена очень низкие потери, но высокий коэффициент термического расширения, особенно у полиэтилена низкого давления. Очень интересным выглядит использование полиметилметакрилата (ППМА, органическое стекло), тем более, что из этого материала изготавливают прозрачные корпуса шариковых ручек - отпилил кусок, корпус готов.
Что касается карболита и текстолита, то их использовали почти полвека для каркасов катушек промышленных приемников и передатчиков - все работало.
Провод для намотки обычно используют эмалированный (ПЭЛ, ПЭВ) или с изоляцией из лакостойкой эмали. Диаметр провода зависит от рабочей частоты и требуемой индуктивности. Для высокочастотных гетеродинов часто применяют провод диаметром 0,1–1 мм в зависимости от частоты.Конечно, толстый провод лучше, но габариты катушек должны быть соразмерны с размерами платы.
В качестве сердечников катушек сейчас используются ферритовые кольца с подходящими магнитными свойствами. ( из наших - марок ВН и ВЧ) .
Как видите, ферриты марки ВН вполне подходят для намотки катушек с высокой стабильностью. Так же вполне подойдут и импортные кольца красного и желтого цвета.
Использование ферритовых сердечников помогает уменьшить размеры катушек.
Теперь о другом элементе колебательного контура - о конденсаторах. Их характеризует температурный коэффициент емкости (ТКЕ). Вот данные о ТКЕ основных типов отечественных конденсаторов.
Как видите, конденсаторы могут иметь как положительный, так и отрицательный ТКЕ. Этот факт позволяет путем соединения параллельно конденсаторов с противоположными ТКЕ практически полностью скомпенсировать не только изменение общей емкости, но и температурный дрейф катушек.
Иногда ТКЕ кодируется цветом корпуса и маркировочными знаками:
- синий/серый корпус — положительный ТКЕ;
- голубой корпус — ТКЕ близок к нулю;
- красный/зелёный корпус — отрицательный ТКЕ.
Из импортных я использую желтые керамические конденсаторы, вот такие:
С ними я делал довольно стабильные генераторы, даже для приема цифры.
Ну и немного о КПЕ. Конечно, лучше с воздушным диэлектриком. но и пленочные тоже пойдут. Диэлектриком в них являются полимерные плёнки (полистирол, полипропилен, полиэстер и др.). ТКЕ зависит от материала:
полистирол: ±50…100 × 10⁻⁶ 1/°C;
полипропилен: ±200…300 × 10⁻⁶ 1/°C;
полиэстер (PET): ±500…1000 × 10⁻⁶ 1/°C.
Теперь можно заняться практикой.
Всем здоровья и успехов!