Разработка КВ-маяка и трансивера: схемотехника, узлы и особенности настройки

Базовая архитектура и схемотехническая основа

В качестве отправной точки для создания телеграфного (CW) приемопередатчика с выходной мощностью от 5 до 10 Вт рассматриваются проверенные радиолюбительские решения прямого преобразования серии JUMA (JUMA-RX1, JUMA-TX1 и трансивер JUMA-TRX1)

Приемный тракт строится на базе ключевого смесителя на микросхеме 74HC4052. При переходе от схемы чистого приемника к трансиверу напряжение питания ключа поднимается с +8 В до +10 В со снятием средней точки непосредственно с микросхемы, а незадействованные ключи коммутируются в тракт передачи. В тракте предварительного усиления и низкочастотной фильтрации вместо стандартных ОУ типа TL082 применяется быстродействующая и прецизионная микросхема LT1113, а в схему активного ФНЧ вводится цепочка сужения полосы пропускания для эффективного приема CW

Приемник прямого преобразования по своей физике принимает две боковые полосы (DSB). При попытке вести голосовую передачу в DSB возникает проблема взаимной несовместимости с аналогичным DSB-приемником: из-за фазового рассогласования несущих сигналы складываются с переменным знаком, что приводит к сильным биениям звука. По этой причине телеграф (CW) остается основным и наиболее надежным рабочим режимом.

Синтезатор частоты и цифровая периферия

Для генерации рабочей частоты применяется DDS-модуль на микросхеме AD9833 (модуль GY-9833 с тактовым генератором 25 МГц). При тактировании 25 МГц микросхема способна выдавать частоты вплоть до 12,5 МГц, однако на практике на частотах выше 10 МГц существенно возрастает уровень шумов. Оптимальным диапазоном применения являются нижние КВ-диапазоны 1,8 МГц, 3,5 МГц и 7 МГц.

Управляющая часть строится на микроконтроллере ATmega328. В качестве часов реального времени рекомендуется интегральная схема DS3231 со встроенным термокомпенсированным кварцевым генератором, обеспечивающая минимальный уход времени при колебаниях температуры. Для дистанционного управления и телеметрии в схему интегрируются GSM-модем (SIM800), модуль Bluetooth 4.0, плата DTMF-декодера и GPS/ГЛОНАСС-приемник. Вместо встроенного символьного LCD-дисплея для экономии энергии и компактности данные можно передавать по UART через Bluetooth-канал непосредственно на терминальную программу смартфона.

Согласующие трансформаторы и ошибки в схемах

В узле балансного модулятора/демодулятора узким местом при сборке оказывается заводской фильтр-трансформатор TDK ZJYS51R5-M4PA. При отсутствии готового компонента его можно изготовить самостоятельно: на ферритовом кольце типоразмера К7х4х2 (проницаемость 1000НН) наматывается 16–20 витков сложенным вдвое проводом. Качество симметрии этой обмотки критически важно для разворота фазы на 180 градусов и подавления несущей.

Попытка полностью отказаться от намоточных узлов (по топологиям прямого преобразования YU1LM) ухудшает параметры тракта: без симметрирующего трансформатора возрастает просачивание напряжения гетеродина в антенну и появляются мультипликативные помехи. Также радиолюбителям следует обратить внимание на ошибку в заводской принципиальной схеме TRX1: у транзистора TR6 перепутаны местами сток и исток, из-за чего в оригинальном варианте не работает цепь автоматической регулировки усиления (АРУ) при передаче.

Построение и наращивание выходной мощности

Базовая плата выдает до 5 Вт полезного сигнала. Попытка разогнать мощность передатчика до 50 Вт на одной плате с приемным трактом приводит к самовозбуждению и сильным наводкам. При мощности 50 Вт и КПД около 50% ток выходного каскада достигает 10 А, а вокруг элементов выходного фильтра и дросселей формируются мощные электромагнитные поля.

Оптимальный подход — вынесение мощного усилителя на отдельную экранированную плату. Усиление мощности целесообразно выстраивать по ступенчатой схеме: 0,3–1,0 Вт -> 10–15 Вт -> 80–120 Вт. На практике часто используются готовые усилители диапазона 27 МГц (например, RM KL-203 или KL-300), переделанные под нижний КВ. При подаче раскачки около 4 Вт переделанный усилитель выдает до 90 Вт на частоте 3,6 МГц. Популярные дешевые полевые транзисторы IRF510 из-за обилия подделок и высокой входной емкости редко способны эффективно работать на частотах выше 2–3 МГц, а китайские модули с заявленными 45–55 Вт на поверку развивают не более 20 Вт.

Инструментарий для настройки трактов

Для успешной сборки и запуска аппарата требуется минимальный набор измерительных приборов:

• Двухканальный или аналоговый осциллограф с полосой не менее 10–20 МГц (например, С1-112, Hantek DSO5102P). Аналоговый осциллограф более информативен при контроле огибающей модулированного сигнала;
• Стандартный генератор сигналов ВЧ (Г4-102 или Г4-151) для калибровки чувствительности тракта и моделирования эфирных сигналов;
• ВЧ-милливольтметр (В3-39) для измерения выходного напряжения на согласованном эквиваленте нагрузки 50 Ом;
• Антенный анализатор или измеритель АЧХ для правильной настройки входных и выходных фильтров.

Программная часть и обработка данных

Управление синтезатором AD9833 осуществляется через программный интерфейс по трем сигнальным линиям: тактовой SCLK, разрешения загрузки FSYNC и линии данных SDATA. Запись каждого бита в сдвиговый регистр микросхемы происходит по спаду уровня на SCLK, а смена командного слова фиксируется переходом FSYNC в низкий уровень.

При обработке механического валкодера на микроконтроллере ATmega328 от прерываний нередко отказываются в пользу циклического опроса линий. Это исключает конфликты со встроенными библиотеками и таймерами ядра. Для вывода служебных данных, настройки шага сетки и переключения рабочих каналов текстовая терминальная строка через последовательный интерфейс оказывается надежнее и проще аппаратно перегруженных дисплеев.