Одной из основных задача радиотехники является передача информации при помощи радиоволн. Из предыдущих глав вы уже знаете, как происходило развитие способов получения высокочастотного сигнала, который возможно превратить в радиоволну. С тех времен многое изменилось. Совершенствование элементной базы позволило делать радиопередатчики на любую мощность с небольшими размерами. А появление мобильной связи является поистине революционным событием в развитии цивилизации, свидетелями которого мы с вами являемся. В этом разделе рассмотрим, как можно построить современный радиопередатчик для разных целей и попробуем самостоятельно изготовить несколько простейших конструкций.

 

Об устройстве передатчиков и их основных узлах

Информация в технике связи может быть представлена только в двух видах: дискретном (называемом еще — цифровом) и непрерывном (аналоговом). К первым относятся телеграфные тексты, сигналы от включателей, импульсы в цепях компьютера. Текст этой книги — тоже дискретная форма представления информации. Для начала запомните, что информация в дискретном виде выдается порциями. Долгое время, кроме дискретного, других способов представления информации не существовало, так как получать и усиливать аналоговые сигналы еще не научились. Аналоговый вид — это непрерывный и зачастую медленно меняющийся во времени уровень сигнала, например от микрофона, телекамеры, термодатчика и тому подобных источников. Порцию в аналоговом сигнале выделить не удастся. Правда, существуют и активно используются способы преобразования, дискретного сигнала в аналоговый и наоборот, но об этом мы еще поговорим.

Принцип передачи информации по радиоканалу заключается в усилении исходного электрического сигнала до нужного уровня, а затем переносе его энергии с помощью процесса модуляции в спектр более высокочастотного колебания — так называемой несущей частоты.

Как выглядят сигналы с модуляцией амплитудной (AM) и частотной (ЧМ), было уже описано в главе 10 (Основы современного радиоприема). Фазовая модуляция мало отличается от частотной (оба эти типа модуляции являются разновидностями угловой модуляции) — фазовая используется только для организации цифровых каналов связи в специальной аппаратуре. Вас интересует, как можно получить частотно- или амплитудно-модулированный сигнал? Все довольно просто.

Любой радиопередатчик состоит из низкочастотного и высокочастотного блоков. В этой главе мы будем вести речь в основном о высокочастотной части, которая обычно состоит из нескольких типовых узлов. Их назначение и последовательность расположения зависят от того, какой вид модуляции мы хотим получить. На рис. 12.1 показано несколько структурных схем самых простых радиопередатчиков.

Рис. 12.1. Структурные схемы передатчиков:

а — простейший с AM или ЧМ; б — мощный с AM; в — мощный с ЧМ

Простейший передатчик может состоять из задающего генератора (ЗГ), работающего прямо на антенну, и усилителя низкочастотного сигнала, который выполняет модуляцию прямо в ЗГ (за счет изменения режима его работы), рис. 12.1, а. Ожидать высокой стабильности частоты и большой выходной мощности от такой схемы не приходится, поэтому чаще применяют передатчики, состоящие из большего числа узлов, основными из которых являются: задающий генератор (ЗГ), усилитель мощности (УМ), блок управления (БУ) и блок, питания (БП). Иногда схема может содержать также буферный каскад, предоконечный усилитель, выходной фильтр и некоторые другие (рис. 12.1, б).

Буферный каскад используется для исключения влияния последующих каскадов на ЗГ. Перед УМ могут стоять дополнительные каскады, которые позволяют усилить ВЧ сигнал до нужного уровня (а могут и не стоять, если большая мощность не нужна). Все каскады должны быть согласованы между собой, для чего ставятся между ними соответствующие цепи (из конденсаторов, индуктивностей и резисторов).

Если необходим передатчик, работающий в нескольких диапазонах частот, то между задающим генератором и оконечным усилителем мощности используется преобразователь — умножитель или синтезатор частоты. В ЧМ передатчиках модуляцию выполняют в ЗГ, для чего обычно небольшое изменение резонансной частоты контура осуществляют с помощью варикапа. Работу всех основных узлов мы подробно рассмотрим на примере практических схем.

Основные требования, которые предъявляются к любительским передатчикам и на которые следует обратить особое внимание, следующие:

• стабильность частоты (допустимый уход частоты за определенный промежуток времени) или относительная нестабильность частоты;

• выходная мощность (для передатчиков, питающихся от батарей или аккумуляторов, типичный диапазон мощностей обычно находится в пределах 0,1…10 Вт);

• ширина полосного и уровень внеполосных излучений (внеполосное излучение является помехой для связи в соседнем канале; уменьшить их позволяет установленный на выходе передатчика фильтр).

Спектр полученного ВЧ сигнала зависит не только от вида используемой модуляции и спектра исходного сигнала (как вы уже знаете, спектр сигнала зависит от его формы), но и от принципа модуляции. В литературе вы наверняка встретите описание передатчиков, работающих в SSB режиме. Идея SSB режима очень проста — в этом случае специальными методами из спектра AM колебания «вырезают» несущую и одну из боковых полос, поскольку боковые полосы идентичны. В таких передатчиках вместо простого ЗГ используют устройство формирования однополосного сигнала. Передача его требует меньшей энергии от источника питания (потребление идет на излучение в эфир только одной полосы), но детектировать такой сигнал намного сложнее, так как накладываются жесткие требования на стабильность несущей частоты как самого передатчика, так и гетеродина приемника (мы с такими передатчиками в этой книге иметь дело не будем).

Спектр сигнала в эфире для разных видов модуляции показан на рис. 12.2.

Рис. 12.2. Спектр ВЧ сигнала при модуляции:

  а — AM; б — ЧМ; в — однополосный SSB сигнал

Разница между ЧМ и AM модуляциями заключается в ширине полосы занимаемой в эфире. Если при AM модуляции звуковым сигналом с верхней частотой f B  = 10 кГц, ширина спектра в эфире составит 20 кГц, то при ЧМ модуляции звуковым сигналом с той же верхней частотой спектр получается более широким — 130… 180 кГц (зависит не только от максимальной модулирующей частоты f B , но и от девиации частоты при модуляции). Именно из-за более широкой полосы такая модуляция используется на частотах более 50 МГц. Достоинством частотной модуляции, как вы уже знаете из предыдущей главы, является низкая чувствительность к индустриальным и атмосферным помехам, так как до частотного детектора сигнал пропускают через ограничитель уровня, который обрезает амплитудные изменения в сигнале.

Следует знать, что представленный в аналоговом виде сигнал при трансляции его по радиоканалу подвергается воздействию различных помех и в этих условиях не удается передать его с точностью выше 3–5 % (особенно если надо сделать это на большое расстояние). Для многих систем, предназначенных для дистанционного управления по радио, такая точность неприемлема, поэтому в настоящее время все большее распространение находят цифровые виды представления и передачи информации. Они позволяют обеспечить точность намного выше (практически любую требуемую).

В 1933 году В. А. Котельников доказал фундаментальную для теории и техники связи теорему (впоследствии названную его именем), которая объясняет, каким образом. можно при помощи дискретных способов представления информации передать непрерывное (аналоговое) сообщение без потери информационной содержательности. Вообще-то этот «фокус» математикам был известен значительно раньше (с 1915 г.), но заслуга Котельникова заключается в том, что он показал, как можно применить на практике «чистую» науку. Это открытие оказало существенное влияние на конструирование цифровых систем связи.

Ну а пока вернемся к радиопередатчикам. Чтобы понять, как работает любой из них, сначала мы познакомимся с типовыми узлами.

Сердцем любого передатчика является генератор несущей частоты — задающий генератор. Он преобразует энергию источника питания постоянного тока в ВЧ энергию переменного тока. От параметров этого узла во многом зависит качество всего устройства. Генератор должен стабильно работать при различных температурах. Температурный диапазон может быть весьма широким: от -40 до +60 °C (представьте, что капитан корабля пользуется радиостанцией вблизи берегов Антарктиды или на экваторе). Для оценки возможных изменений частоты ЗГ используют такой параметр, как относительная нестабильность частоты (за определенный интервал времени): Δf/f 0 , где Δf — максимальное отклонение частоты от номинального значения f 0 .

Высокочастотные, генераторы синусоидальных колебаний могут быть выполнены по одной из типовых схем, наиболее популярные из которых мы и рассмотрим.

Высокочастотные LC-генераторы

Любой усилитель можно превратить в генератор, введя в него положительную обратную связь с выхода на вход. То есть сигнал с выхода на вход должен поступать без фазового сдвига или со сдвигом, кратным. 360 градусам. Тогда колебания будут «подстегивать» сами себя. В простейших схемах этого добиваются на нужной частоте за счет резонансных свойств индуктивно-емкостных цепей или RC-цепей. Величина сигнала обратной связи должна быть достаточной для поддержания колебаний в резонансном контуре путем компенсации имеющихся в нем потерь. Для этого Коэффициент усиления каскада (по току или напряжению) обязательно должен быть больше 1.

При построении многих схем (и не только генераторов) часто используются параллельный и последовательный колебательные контуры, рис. 12.3.

Рис. 12.3. Последовательный и параллельный контуры и их импеданс

Из приведенных графиков видно, что при резонансе последовательного контура сопротивление прохождению сигнала минимально, а в параллельном контуре — максимально.

Ну а теперь давайте рассмотрим конкретнее автогенераторы. В брелках для дистанционного управления режимом работы охранной сигнализации по радиоканалу наиболее часто используются схемы, приведенные на рис. 12.4.

Рис. 12.4. Простейшие LC-генераторы

В данном применении модулирующий сигнал — это кодовая последовательность импульсов, поступающих на базу транзистора (от микроконтроллера или другой специализированной микросхемы), рис. 12.4, а или же на питание каскада. На высоких частотах (300…450 МГц) катушку контура часто делают из проводников фольги прямо на печатной плате (она одновременно является и излучающей антенной). Работает такой передатчик тоже просто — импульсы, подаваемые на базу транзистора через резистор R1, то «включают» несущую, то «отключают» ее.

С некоторыми другими вариантами LC-генераторов мы c вами познакомимся на примере практических конструкций микромощных УКВ-передатчиков чуть позже. Такие генераторы работают на частотах до 400 МГц и применяются в простейших устройствах для передачи информации на небольшое расстояние, например для ретрансляции звукового сигнала, дистанционного управления игрушками, сигнализации и других.

Общим недостатком LC-генераторов является их невысокая стабильность частоты, обычно не лучше Δf/f 0 = 10-3. Объясняется это тем, что на параметры элементов схемы влияют изменения температуры, а параметры транзистора зависят не только от температуры, но еще и от изменений напряжения питания (емкости переходов внутри транзистора подключены к колебательному контуру, а они меняются в зависимости от приложенного напряжения). Представьте, что при изменении температуры катушка будет менять свои размеры, а значит, и свою индуктивность. Но даже если использовать термостат для всего каскада, а также стабилизацию напряжения питания и режима работы транзистора, то все равно очень сложно получить стабильность частоты, близкую той, которую обеспечивают кварцевые резонаторы.

Генераторы с кварцевой стабилизацией частоты

В настоящее время в эфире интенсивно работает множество передающих средств. Поэтому, чтобы мощные передатчики не мешали друг другу, к ним предъявляются жесткие требования по долговременной относительной нестабильности частоты. Она должна быть не хуже, чем 10-5…10-8. Проще всего обеспечить такие параметры, применив кварцевые резонаторы.

Кварцевые резонаторы имеют характеристики, очень похожие на характеристики электрических колебательных контуров, но с очень высокой добротностью (Q = 104…106) — у LC-контура добротность обычно не превышает 150…300. Еще одно отличие заключается в наличии двух видов резонансов: последовательного и параллельного, наблюдающихся у этого элемента на разных частотах, хотя и близких.

Эквивалентная схема кварцевого резонатора и изменение его полного сопротивления (импеданса) от частоты показаны на рис. 12.5.

Рис. 12.5. Эквивалентная схема кварцевого резонатора ( а ) и изменение его импеданса от частоты ( б )

В небольших пределах частоту резонанса можно менять («затягивать») путем подключения конденсатора последовательно с кварцем (или параллельно — зависит от того, какой резонанс из двух возможных используется в схеме). Этот метод обычно применяют для получения частотной модуляции или более точной настройки частоты. Следует знать также, что отечественная промышленность, как правило, выпускает кварцевые резонаторы с основной рабочей частотой до 22 МГц, а более высокочастотные кварцы работают на своих гармониках. Это связано с устаревшей технологией обработки кварцевых пластин.

Зарубежные предприятия выпускают кварцы с основной частотой до 35 МГц, а у ведущих фирм частота первой гармоники достигает 250 МГц. При выборе для генератора таких элементов особое внимание следует обращать на добротность резонатора — чем она выше, тем стабильнее частота (и тем они дороже, к сожалению).

Существует много разновидностей схем кварцевых автогенераторов, но на практике на высоких частотах наиболее распространены два вида, в которых:

а) кварцевый резонатор включен в цепь обратной связи и используется как узкополосный фильтр, который эквивалентен активному сопротивлению на частоте резонанса (называют генераторами последовательного резонанса);

б) кварцевый резонатор является частью колебательного контура и эквивалентен индуктивности (их называют осцилляторными генераторами).

Схема генератора с «кварцем» в цепи обратной связи между коллектором и базой, приведена на рис. 12.6.

Рис. 12.6. Генератор со стабилизацией частоты кварцем, включенным между базой и коллектором ( а ), и резонансная кривая потребляемого схемой тока, используемая при настройке ( б )

Такие схемы применяют при работе резонатора на основной частоте до 30 МГц или до 90 МГц при возбуждении кварца на третьей гармонике (на соответствующую гармонику настраивается колебательный контур С3, L1). Если «кварц» работает на первой гармонике, то иногда в цепи коллектора ставят только катушку (дроссель) — это позволяет легко менять частотный канал заменой кварца удобно для аппаратуры радиоуправления — не потребуется перестройки передатчика на соседний — не занятый кем-то другим канал).

В схеме конденсаторы С1 и С4 являются блокирующими (закорачивают цепи по высокой частоте); С2 — облегчает запуск генератора и иногда может не устанавливаться. Резисторы R2, R3 задают режим работы транзистора по постоянному току, a R4 обеспечивает термостабилизацию рабочей точки каскада.

Довольно часто применяются генераторы с кварцевым резонатором включенным между базой и общим проводом, рис. 12.7. Во всех таких схемах обратная связь организуется за счет падения напряжения на резисторе в цепи эмиттера, а значение конденсатора, устанавливаемого параллельно этому резистору (от него зависит величина этой связи), можно подобрать экспериментально.

Аналогичная схема может быть выполнена и на полевых транзисторах (рис. 12.7, в). Для того чтобы на работу таких генераторов не оказывали влияния следующие каскады, их входное сопротивление должно быть больше, чем у резистора, который стоит на выходе.

Для небольшой подстройки частоты резонатора (др ±200 Гц) иногда последовательно с кварцем включают конденсатор (это повышает частоту) или индуктивность (для понижения частоты).

Приведенные схемы особенно удобны для генераторов с электронной перестройкой частоты, выполняемой при помощи варикапа — вариант такой схемы показан на рис. 12.3, г. На варикап подается постоянное обратное напряжение, от величины которого зависит его начальная емкость, а изменение емкости происходит под действием низкочастотного модулирующего сигнала. При частотной модуляции девиация частоты зависит от амплитуды модулирующего сигнала.

Рис. 12.7. Генераторы с кварцевым резонатором, включенным между базой и общим проводом ( а , б ), схема на полевом транзисторе ( в ) и генератор с электронной перестройкой частоты варикапом при ЧМ модуляции ( г )

Максимальная достижимая мощность сигнала на выходе таких генераторов ограничена величиной тока высокой частоты, проходящей через «кварц». По техническим условиям рассеиваемая мощность на кварцевом резонаторе не должна превышать 1…2 мВт, а для повышения стабильности генератора ее следует уменьшить до величины 0,1…0,2 мВт. Поэтому для получения необходимой мощности в антенне после задающего генератора всегда ставят дополнительные каскады усилителей.

С другими видами кварцевых генераторов можно познакомиться в литературе, например [1].

Режимы работы ВЧ усилителей

Любой каскад усиления сигнала может работать в одном из режимов, названных буквами латинского алфавита: А, В, С или АВ (существуют еще усилители классов D и Е, но они не используются на высоких частотах, поэтому мы их рассматривать не будем). Отличие между режимами заключается в выборе рабочей точки усилительного каскада. Это поясняет рис. 12.8.

Рис. 12.8. Распространенные режимы работы ВЧ усилителей

Рабочая точка в усилителях класса А смещена таким образом, что через транзистор коллекторный ток протекает всегда. Входной сигнал усиливается без искажений, но коэффициент полезного действия (КПД) в лучшем случае может быть не более 50 %. В таком режиме обычно работают маломощные каскады передатчика.

В режиме класса В смещения рабочей точки у транзисторов нет (точнее, она является нулевой). Транзистор начнет усиливать сигнал, как только входное напряжение превысит уровень 0,6 В (с этим режимом вы уже знакомы по разделу, посвященному усилителям низкой частоты). При использовании двухтактного каскада транзисторы будут работать по очереди (каждый в течение одного полупериода входного сигнала), но в точке перехода напряжения через ноль из-за нелинейности характеристики наблюдаются небольшие искажения. КПД схемы может составить до 78 %. Такой режим работы применяется в мощных выходных каскадах.

Чтобы устранить искажения при переходе напряжения через нуль, иногда используют режим класса АВ — когда на базу подается небольшое приоткрывающее транзистор напряжение (появляется ток покоя). Это выравнивает выходную характеристику, но снижает КПД каскада. Схема для этого режима может быть такой же, как и для каскада в режиме класса А, только соотношение резисторов R1—R2 будет другим.

В высокочастотных усилителях довольно часто применяют режим класса С. Рабочая точка у такого усилителя смещается за пределы области отсечки, и транзистор открывается только при максимальных значениях входного сигнала. Несмотря на то, что сигнал на выходе усилителя сильно искажен и содержит много гармоник, синусоидальная форма восстанавливается благодаря резонансной нагрузке. Ну а так как пока транзистор закрыт — тока в цепи коллектора нет, КПД такой схемы теоретически может достигать почти 90 %.

Режим класса С удобен еще и тем, что его можно использовать для умножения входного сигнала в 2 или 3 раза. Причем в результате исследований была установлена зависимость уровней гармоник сигнала от угла отсечки Θ выходного тока. Оказалось, что максимальный уровень первой гармоники получается при угле отсечки 120°, второй — 60° третьей — 40° (это используется разработчиками при расчете схемы). Так как амплитуда гармоники с увеличением ее номера значительно уменьшается, умножение более чем в 3 раза в одном каскаде не используется.

Конечно, при работе усилителя никто не измеряет угол отсечки, но, настраивая контур в цепи коллектора на нужную гармонику и меняя угол отсечки (при помощи напряжения задающего рабочую точку), можно получить максимальный уровень сигнала.

Общим требованием к каскадам, работающим в усилителе мощности, является их согласование между собой по импедансу.

Следует также знать, что для увеличения дальности приема в два раза необходимо мощность передатчика увеличить в 4 раза. Того же эффекта можно добиться увеличением чувствительности приемника в 2 раза, то есть энергетически выгоднее увеличивать чувствительность приемника. Но здесь есть ограничение, которое связано с шумами эфира и собственными шумами схемы приемника. Поэтому полезный сигнал в точке приема должен в любых условиях превышать уровень шума в несколько раз.

 

Особенности настройки передатчиков

Каждый передатчик имеет свои особенности, но есть некоторые общие правила, которые следует знать, — это ускорит получение нужного конечного результата. Дальнейшее описание практических схем будет подразумевать, что элементарные сведения вы хорошо запомнили. К тому же для настройки передатчиков вам потребуется несколько простейших приспособлений, на которых следует остановиться подробнее.

Прежде всего перед тем, как приступать к настройке ВЧ части, вам нужно приобрести или изготовить самостоятельно отвертку с диэлектрическим жалом. Это позволит прокручивать подстроечные конденсаторы и сердечники катушек, не внося в контур емкость (металлическая отвертка является миниатюрной антенной, которая добавляет небольшую емкость в контур, и, как только вы ее уберете — настройка «уйдет»). Такую отвертку можно сделать из пластинки (шириной 5… 10 мм) любого толстого (3…3,5 мм) диэлектрика (текстолит, стеклотекстолит, заточив напильником конец (жало) как у отвертки, рис. 12.9.

Рис. 12.9. Вид диэлектрической отвертки для настройки высокочастотных каскадов

Желательно также сразу приобрести несохнущий (вязкий) герметик (бывает белого цвета). Он используется для смазывания сердечников перед их вкручиванием в катушку. Это позволит быть уверенным, что после того как вы настроили контур, настройка не изменится от вибрации или тряски. Сердечники можно защищать от сдвига путем их заливки парафином или краской, но это менее удобно, так как в процессе экспериментов может потребоваться еще раз подстроить контур, что сделать будет уже затруднительно.

Настройка высокочастотной части передатчика всегда начинается с задающего автогенератора. Если в коллекторной цепи стоит параллельный контур, то при отсутствии высокочастотных измерительных приборов добиться работы генератора можно, установив в цепь питания миллиамперметр для контроля потребляемого тока — при возникновении генерации ток увеличивается.

Для обеспечения надежной работы автогенераторов с кварцевой стабилизацией частоты следует учитывать, что они имеют точку резонанса рядом с точкой срыва генерации. Если настройка производится ввертыванием подстроечника в катушку, то ток коллектора изменяется в соответствии с кривой, показанной на рис. 12.6, б. При настройке надо найти максимум потребляемого тока, после чего повернуть сердечник назад на пол-оборота. В этом случае генератор будет работать наиболее устойчиво.

Настройка последующих каскадов заключается в получении максимального уровня ВЧ сигнала на выходе. Тут не обойтись без специальных приспособлений, одно из которых — эквивалентная антенне нагрузка (исключением являются микромощные передатчики, которые настраиваются прямо с подключенной антенной по индикатору поля). Следует знать, что некоторые мощные радиопередатчики вообще не допускают работу без нагрузки — их выходные каскады могут сгореть без антенны или ее эквивалента.

Как можно изготовить нагрузку, эквивалентную антенне, показано на рис. 12.10.

Рис. 12.10. Эквивалентная антенне нагрузка для настройки передатчика мощностью до 4 Вт

Она состоит из четырех включенных параллельно резисторов на конце 50-омного кабеля (тут имеется в виду волновое сопротивление кабеля, которое омметром не измерить). Подойдут резисторы типа МЛТ или С2-23 мощностью 1 Вт. Выводы у них скручиваются между собой и припаиваются к кабелю при минимальной длине. К нагрузочным резисторам подключен детектор, что позволяет контролировать сигнал низкочастотными приборами.

Теперь о сопротивлении, которое следует использовать в качестве эквивалента. Его величина для изготовления нагрузки зависит от типа антенны, которую вы будете использовать, а если точнее — от ее входного сопротивления.

Активная часть входного сопротивления настроенной антенны зависит от отношения ее длины к длине волны. Вот несколько ориентировочных цифр для выбора резистора эквивалента:

• для штыревой антенны (длиной λ/4) 36…37 Ом

• для диполя (два штыря длиной по λ/4) 72…75 Ом

Так как волновое сопротивление антенны зависит не только от ее длины (l), но и от диаметра стержня (d) из которого она сделана, для любых размеров более точно можно посчитать из формул [2]:

• для штыревой антенны (длиной λ/4) Z = 60·ln(1,15·l/d);  

• для диполя (два штыря длиной по λ/4) Z = 120·ln(0,575·l/d),

где l и d — в сантиметрах, тогда Z получится в омах.

Так как установлено, что простейшая антенна — полуволновой диполь, имеет входное сопротивление в точке подключения 75 Ом, его удобно запитывать коаксиальным кабелем с соответствующим волновым сопротивлением. На практике в переносных устройствах такие длинные антенны не используются из-за их больших размеров. Ну а любая укороченная антенна будет иметь меньшее входное (волновое) сопротивление, к тому же это сопротивление будет иметь еще реактивную составляющую, что приводит к необходимости не только согласовывать выходное сопротивление передатчика с антенной, но и подстраивать его под саму антенну. Но, чтобы не засорять эфир помехами, предварительную настройку и контроль параметров удобнее проводить все же на чисто активном эквиваленте антенны.

Длина кабеля (А) от передатчика до нагрузки зависит от частоты ВЧ сигнала и для того, чтобы входное сопротивление самого кабеля было чисто активным, лучше, если его длина будет кратна значениям

A = n·λ/4,

где n — коэффициент укорочения длины волны в линии — он зависит от диэлектрического материала, из которого изготовлен кабель. Этот коэффициент показывает, во сколько раз длина волны в линии λ к будет меньше, чем в окружающем пространстве λ (n = λ к /λ). Для большинства наиболее распространенных отечественных коаксиальных кабелей со сплошной изоляцией из полиэтилена n = 0,66.

Последним этапом настройки передатчика является проверка его работы с реальной антенной и подстройка согласования при помощи индикатора поля — по максимуму показаний. В данном случае индикатор поля, пожалуй, один из самых простых и необходимых приборов. Его легко можно изготовить самостоятельно.

Настройка антенны. Большинство антенн может так же эффективно, как на прием, работать и на передачу сигнала. Передающая антенна способна превращать (преобразовывать) высокочастотные колебания на выходе передатчика в энергию электромагнитного поля, излучаемую в пространство. Причем делать это надо с высоким КПД. Как такое преобразование происходит? Ведь в катушке и конденсаторе имеются концентрированные магнитные (Н) и электрические (Е) поля, но они не излучают (точнее — довольно плохо излучают) в пространство волну. Для того чтобы получить электромагнитную волну, надо закрытый колебательный контур превратить в открытый. Как это можно сделать, поясняет рис. 12.11 (емкость, которая была раньше расположена в одном месте, теперь будет рассредоточена по всей площади между стержнями). Направление стрелок поля показано условно для одного полупериода волны, а во втором оно изменится на противоположное.

Рис. 12.11. Пояснение принципа работы передающей антенны, где Н — силовые линии магнитного поля, Е — силовые линии электрического поля

Мы не видим радиоволн, но их обнаружить и оценить уровень ВЧ энергии можно при помощи простейших приспособлений, называемых индикаторами поля. Ведь, как вы уже знаете из предыдущих разделов, в любом проводнике, находящемся в электромагнитном поле, наводится ЭДС.

Первый вариант такой приставки показан на рис. 12.12.

Рис. 12.12. Схема универсального индикатора поля для согласования передатчика с антенной ( а ) и внешний вид конструкции ( б ), а также упрощенный вариант индикатора поля с умножающим на 2 детектором ( в )

В нем вы наверняка узнаете простейший детекторный приемник! Подключение разных конденсаторов позволяет настраивать входной контур в резонанс на разные частоты или же (когда не подключены конденсаторы) применять просто как нерезонансный (всечастотный) индикатор поля. В этом случае диапазон частот поля, которые можно обнаружить таким устройством, зависит только от типа детекторного диода (с тем, что указан на схеме, верхняя частота доходит до 600 МГц). Для работы схемы индикатора поля на частотах в десятки МГц вполне подойдут любые детекторные германиевые диоды (Д2, Д9, Д18, или импортные GA100, 1N34). Если же у вас возникнут трудности с приобретением диодных детекторов, то можно выйти из положения при помощи любого маломощного высокочастотного транзистора, включив его переход эмиттер-база как диод.

Конденсаторы С3 и С4 керамические, подойдут с любыми ближайшими номиналами из ряда. Дроссель L1 использован стандартный, типа ДМ-0,2 — 60 мкГн, или может быть изготовлен самостоятельно, для чего придется намотать 60 витков проводом диаметром 0,08…0,1 мм (ПЭВ) на корпусе резистора МЛТ мощностью 0,5 Вт (резистор для «каркаса берется с сопротивлением более 1…2 кОм). Впрочем, без него тоже все будет работать, но лучше все же дроссель поставить — он не позволит длинным соединительным проводам, идущим до индикатора, «думать», что они тоже являются антенной.

К выходным клеммам подключается любой микроамперметр, когда надо оценить уровень сигнала, или же телефонный капсюль с высоким сопротивлением, который позволяет на слух контролировать качество амплитудной модуляции. Наведенное в катушке напряжение, а значит, и ток через прибор РА1 будут пропорциональны напряженности поля в этом месте пространства. Форму модулирующего сигнала можно посмотреть при помощи осциллографа.

Такой индикатор поля не имеет направленности, т. е. одинаково принимает сигнал с любого направления. Чтобы выполнить направленный индикатор поля для УКВ диапазона, можно воспользоваться телескопической «двухроговой» антенной от телевизора. Внутреннюю коробочку, на которой закреплены выдвижные штыри, вскрываем и размещаем там детекторный диод и конденсатор, подключенный к внешнему микроамперметру, рис. 12.13.

Рис. 12.13. Универсальный направленный индикатор напряженности поля

Если проводи, идущие до измерительного прибора длинные, то их лучше перевить между собой или использовать экранированный провод.

Наиболее острая направленность приема поля получается при угле между штырями в 90 градусов. Удобство данной конструкции заключается в том, что этот индикатор легко превратить в ненаправленный, развернув штыри на одну линию. Частотная избирательность обеспечивается за счет синхронного изменения длины выдвижных штырей — они должны иметь размер примерно λ/4.

Так, для частоты 433 МГц их длина получается по 16 см (если вам не нужен универсальный индикатор поля, то штыри можно сделать фиксированной длины из толстого медного провода).

Мы с вами рассмотрели так называемые «пассивные» индикаторы поля. Их возможностей вполне достаточно для большинства задач. Но существуют еще и «активные», когда перед индикатором ставится простейший усилитель постоянного тока, или же на входе до детектора используется еще и ВЧ усилитель. Так как необходимости в таких приборах у вас в ближайшее время скоре всего не возникнет, мы их здесь рассматривать не будем.

 

Микромощные радиопередатчики

В эту категорию попадают все радиопередатчики, у которых выходной сигнал в антенне имеет мощность до 10…50 мВт. Например, максимальная мощность радиопередатчика в брелке для дистанционного управления сигнализацией не превышает 25 мВт. Такие передатчики не требуют регистрации, так как их зона действия ограничена прямой видимостью и обычно не превышает 100 м. Для некоторых бытовых применений, с которыми вы сможете познакомиться на практике, такого расстояния вполне достаточно.

Ретрансляция звука телевизора или магнитофона

Этот довольно простой передатчик может использоваться совместно с любым бытовым радиоприемником (самодельным или промышленным), имеющим отечественный УКВ диапазон (65,8…73,0 МГц). Его основное назначение — ретрансляция по радиоканалу звукового сопровождения от телевизора, магнитофона (плеера) или звуковой карты компьютера. Передатчик (рис. 12.14) подключается к линейному выходу источника звукового сигнала.

Рис. 12.14. Схема передатчика-ретранслятора ( а ) и вид монтажа ( б )

Например, в телевизоре им может являться выход, предназначенный для подключения наушников. В этом случае вы сможете слушать звуковое сопровождение, не мешая окружающим отдыхать и не путаясь в длинных соединительных проводах от наушников. Антенной радиопередатчика является телескопический штырь от любого бытового радиоприемника или можно использовать толстый медный провод длиной 30 см (диаметром 2–3,5 мм).

Схема передатчика — классический автогенератор, работающий прямо на антенну. Конденсатор С8 уменьшает влияние антенны на частоту генератора.

Частотная модуляция осуществляется за счет изменения режима работы транзистора (при этом меняются его внутренние емкости).

Приведенный вариант передатчика имеет автономное питание (от двух любых гальванических элементов типоразмера ААА) и потребляет ток не более 1,2 мА. Это обеспечивает его непрерывную работу в течение не менее 1000 ч. А мощности передатчика вполне достаточно для приема сигнала в радиусе 15…30 м. При желании можно увеличить питающее напряжение до 9 В, соответствующим образом увеличив номиналы резисторов R2, R3.

Топология печатной платы и расположение элементов показаны на рис. 12.15.

Рис. 12.15. Топология печатной платы ( а ) и расположение элементов ( б )

При монтаже использовались следующие радиодетали: подстроечный резистор R1 типа СПЗ-19а (или СПЗ-19б), все постоянные резисторы С2-23; подстроечный конденсатор С4 типа КТ4-23 (или КТ4-256), постоянные конденсаторы — любые малогабаритные керамические, например типа К10-17, К10-23 и т. п. Микропереключатель SA1 из серии ПД — он должен иметь боковые выводы, предназначенные для распайки прямо в плату (на них он и закрепляется). Для установки элементов питания использован унифицированный пластмассовый отсек (его удобнее купить уже готовым).

Катушку L1 придется изготовить самостоятельно. Она бескаркасная и наматывается на оправке диаметром 5 мм обмоточным проводом (ПЭВ- ПЭЛ) диаметром 0,7…1,0 мм — всего 7 витков. В качестве временного каркаса для намотки можно взять стержень от гелевой авторучки — он как раз имеет нужный диаметр.

Убедиться в работе автогенератора можно по любому индикатору поля, расположенному рядом с антенной. Настройка схемы проводится по радиоприемнику и заключается в выборе рабочей частоты передатчика на незанятом участке УКВ диапазона, после чего устанавливаем уровень модулирующего звукового сигнала резистором R1 так, чтобы не было заметно искажений звука в приемнике.

Прослушивание телефонного разговора

Схема передатчика приведена на рис. 12.16. Это устройство позволяет дистанционно прослушивать телефонные разговоры, которые ведутся на вашем телефонном аппарате. В нем роль антенны выполняют провода телефонной линии. Без применения внешней антенны WA1 радиус действия с большинством бытовых радиоприемников, имеющих УКВ диапазон, — до 50 м. Для увеличения дальности, кроме применения антенны (подойдет отрезок любого многожильного провода длиной 30…40 см), необходимо использовать приемник с высокой чувствительностью.

Рис. 12.16. Схема УКВ ЧМ передатчика ( а ) и печатная плата для его сборки ( б )

В передатчике выполняется частотная модуляция, и он рассчитан на работу в диапазоне частот 63…80 МГц. Этот диапазон выделен для музыкальных радиостанций, но даже в крупных городах на краях его есть участки еще не занятые. Чтобы радиовещательные станции не мешали прослушиванию разговора, наш передатчик настраивается на любые свободные частоты.

Схема включается в разрыв телефонной линии между телефонным аппаратом, как это показано (обязательно с учетом полярности). Она питается от линии только во время разговора, когда поднята телефонная трубка и в цепи через резистор R4 протекает ток.

Частотная модуляция в передатчике получается за счет изменения внутренней емкости транзистора. Это происходит при колебаниях напряжения питания схемы за счет протекания тока в линии ТА при разговоре.

При сборке использованы следующие детали: конденсаторы С1 и С2 могут иметь номиналы 0,022…0,068 мкФ, подстроечный конденсатор С3 типа КПКМ, а остальные резисторы и конденсаторы могут быть малогабаритными любого типа. Катушка L1 наматывается на каркас диаметром 5 мм проводом ПЭВ 0,23 мм и содержит 5 + 5 витков. Транзистор КТ315Г можно заменить на КТ3102А, а использовать другие транзисторы не рекомендуется, так как при этом сильно возрастает уровень гармоник, которые могут создавать помехи в других диапазонах. При указанных на схеме деталях уровень второй гармоники передатчика меньше на 40…45 дБ относительно основной частоты.

Схема передатчика была собрана на односторонней печатной плате (без отверстий) размером 20 х 40 мм, к контактным площадкам которой припаиваются элементы (рис. 12.16, б). Для увеличения плотности монтажа некоторые элементы располагаются друг над другом, например, транзистор VT1 находится под конденсатором С3. Размеры платы позволяют разместить ее в корпусе стандартного телефонного гнезда.

Перед настройкой передатчика необходимо подключить его к телефонной линии и при снятой трубке замерить напряжение на резисторе R4 — оно должно быть в диапазоне от 2 до 3,5 В. Если напряжение окажется больше, то следует уменьшить сопротивление этого резистора.

Настройка схемы заключается в перестройке автогенератора сердечником катушки L1 (сердечник может быть из высокочастотного феррита 100HH) на нужную частоту УКВ диапазона, а после этого конденсатором С3 надо подстроить передатчик, контролируя прием по качеству звука на слух. Настройку на нужную частоту, если нет высокочастотного ферритового сердечника, можно выполнить и подбором емкости контура, показанного на схеме пунктиром, или раздвигая витки катушки, но это менее удобно.

Радиомикрофон на одном транзисторе

Радиомикрофонами называют все устройства, способные передавать звуковую информацию по радиоканалу. Два варианта схем для превращения микрофона в радиомикрофон показаны на рис. 12.17. Они могут питаться от любых батареек с общим напряжением 3 В. Напряжение питания можно увеличить до 6…9 В, но в этом случае резистор в цепи базы транзистора потребуется увеличить до 15 кОм, а резистор в цепи эмиттера — до 820… 1000 Ом. Антенной может служить отрезок любого гибкого (многожильного) провода длиной 20…30 см. Для того чтобы параметры антенны меньше влияли на работу автогенератора, связь ее с колебательным контуром сделана индуктивной.

Рис. 12.17. Варианты выполнения радиомикрофона на одном транзисторе для разных типов электретных микрофонов

Катушка L2 наматывается над L1 — все данные для намотки приведены на рис. 12.18.

Рис. 12.18. Унифицированная конструкция каркаса и намотка катушек L1—L2 ( а ), их намоточные данные ( б ) и внешний вид

Для изготовления катушек удобно использовать унифицированный каркас из термостойкой пластмассы диаметром 5 мм, показанный на рисунке, но в крайнем случае подойдет любая оправка из диэлектрика с таким же диаметром (например, стержень от гелиевой авторучки).

Кроме указанных на схеме электретных микрофонов, скорее всего подойдут и другие типы, например аналогичные импортные (см. главу 7). Все постоянные конденсаторы — малогабаритные керамические (К 10–17, К10-23 и т. п.), подстроечный конденсатор — типа КТ4-23 (или КТ4-256).

Для монтажа элементов можно воспользоваться контактной колодкой с лепестками или универсальной макетной платой, вырезав ее под имеющийся подходящий корпус.

Чтобы получить приемлемые параметры, за простоту схемы в радиотехнике довольно часто приходится платить сложностью настройки. Это и неудивительно, ведь работа всей схемы зависит от конкретного транзистора, который может иметь существенный разброс по коэффициенту усиления и другим паспортным характеристикам. Но, в конечном итоге, повозившись некоторое время и поэкспериментировав с номиналами элементов, эту схему можно заставить хорошо работать и с другими высокочастотными транзисторами, кроме тех, что указаны на рисунках. Ведь перед вами классический вариант автогенератора, собранного по схеме так называемой «емкостной трехточки». Транзистор VT1 включен как усилитель с общей базой — по высокой частоте конденсатор в цепи базы «закорачивает» ее на общий провод. Это позволяет такому каскаду работать вплоть до частот, близких к граничной частоте транзистора (у транзисторов из серии КТ368 граничная частота составляет не менее 900 МГц). Обратная связь осуществляется конденсатором, установленным между коллектором и эмиттером.

Несколько слов о настройке. Рабочая частота передатчика зависит от параметров контура в цепи коллектора VT1. Она настраивается подстроечным конденсатором на свободный от радиовещательных станций участок УКВ ЧМ диапазона (88… 108 МГц).

Радиомикрофоны повышенной чувствительности

Здесь будут описаны два варианта радиомикрофонов, обладающих повышенной звуковой чувствительностью, но отличающихся дальностью действия. Они могут использоваться, например, для дистанционного прослушивания комнаты. Это возможно благодаря тому, что сигнал с микрофона усиливается дополнительным каскадом на транзисторе. Частотная модуляция получается, как и в предыдущей схеме, за счет изменения внутренней емкости транзистора при изменении его режима.

Схемы, приведенные на рис. 12.19 и 12.20, очень похожи и отличаются только наличием одного дополнительного каскада ВЧ усилителя мощности. Это позволяет для их сборки воспользоваться одной и той же печатной платой, показанной на рис. 12.21 (если вас устроит дальность связи, оконечный каскад усилителя мощности можно не устанавливать). Потребляемый ток схемой составляет не более 2,4 мА — без оконечного усилителя, и 14 мА — при установке оконечного каскада, как это показано на рис. 12.20.

Рис. 12.19. Радиомикрофон с повышенной чувствительностью

Рис. 12.20. Радиомикрофон с увеличенной дальностью действия

Рис. 12.21. Топология печатной платы и вид монтажа элементов

Рис. 12.22. Внешний вид сборки печатной платы и корпуса

Настройка схем начинается с микрофонного усилителя. Измеряем напряжение на коллекторе VT1 — оно должно быть не меньше 1…1,1 В (тогда транзистор будет работать на линейном участке характеристики — режим А). Если это не так, то подбираем резистор R2. Транзистор КТ315Г можно заменить на КТ3102(Е — В), но тогда номинал резистора R2 придется увеличить до 1 МОм.

Следующим шагом является проверка работы генератора.

В схеме, приведенной на рис. 12.19, последним шагом настройки является контроль качества приема сигнала УКВ-приемником и при необходимости подстройкой конденсатором (С7) обратной связи.

Для размещения устройства была найдена пластмассовая коробка, имеющая размеры 80 х 55 х 18 мм. Печатная плата разрабатывалась именно под этот корпус. Она предусматривает установку двух элементов питания типоразмера ААА (любого типа). Для увеличения плотности монтажа резистор R5 располагается над конденсатором С8 (на двух уровнях).

Предварительная настройка ВЧ генератора выполняется по индикатору поля. В качестве индикатора поля можно (и нужно) использовать приспособление, описанное раньше (см. рис. 12.12). Катушку датчика поля кладем рядом с проводом антенны и по индикатору (стрелочному микроамперметру 0…100 мкА), при помощи конденсатора в контуре добиваемся максимума показаний.

Если вас заинтересовало изготовление радиомикрофонов, можно познакомиться еще с книгами [3,4], где приведено довольно много аналогичных схем.

Бесконтактный ключ

Такое устройство может использоваться для отключения сигнализации, открывания замка с электромагнитом, в электронных игрушках или для демонстраций фокусов, когда при вашем приближении что-то включается или наоборот — выключается.

Устройство состоит из миниатюрного передатчика (рис. 12.23) и простейшего детекторного радиоприемника (рис. 12.24).

Рис. 12.23. Схема радиопередатчика

Рис. 12.24. Схема радиоприемной части

Дальность действия системы зависит от того, используется ли резонансный контур на входе приемника (L1-С1-С2), и наличия дополнительной антенны (WA1). Так, без конденсаторов С1—С2 она составляет:

• без антенны в приемнике — 0,3 м;

• с антенной в приемнике (провод длиной 0,6 м) — до 1,3 м.

С конденсаторами С1-С2 при настройке входного контура приемника на частоту передатчика:

• без антенны в приемнике — до 1,5 м;

• с антенной в приемнике (провод длиной 0,6 м) — более 1,5 м.

Передатчик состоит из ВЧ автогенератора на транзисторе VT3, частота которого стабилизирована кварцем, и генератора низкочастотных импульсов с частотой 850 Гц на VT1, VT2 — такая схема называется мультивибратором. Низкочастотный сигнал осуществляет амплитудную модуляцию ВЧ-генератора, за счет изменения тока базы VT3.

Кварцевый резонатор (ZQ1 из серии РК-169), кроме указанной на схеме частоты, может быть использован на любом канале радиолюбительского КВ диапазона (26,945—27,655 МГц). Катушка L1 улучшает стабильность работы ВЧ-генератора, L2 — препятствует возбуждению генератора на высших гармониках кварца, ну a L3 — излучает электромагнитное поле.

Схема передатчика может работать при напряжении от 6 до 15 В, но удобнее его питать от 9 В («Крона»), при этом потребляемый ток не превышает 4 мА.

В приемнике (рис. 12.24) входной резонансный контур L1—С1—С2 подстроечным конденсатором С2 настраивается на частоту передатчика. Полевой транзистор VT1 является активным детектором, т. е. он не только детектирует (выделяет огибающую модуляцию), как это делает обычный детекторный диод, но и в несколько раз усиливает НЧ-сигнал. К тому же, благодаря большому входному сопротивлению, этот транзистор позволяет подключить избирательный контур приемника прямо к затвору, не ухудшая при этом добротность входного контура. Далее импульсы через конденсатор С5 поступают на двухкаскадный усилитель (VT2, VT3), после которого стоит выпрямитель с умножением на 2 (элементы C7-VD2-VD3-C8). Это напряжение и управляет коммутатором на транзисторе VT4. Ну, а так как у транзисторов КП501 может быть разброс порога переключения от 2 до 4 В, то на его затвор подается начальное смещение через резистор R8. Регулировкой R7 выставляем такое напряжение, чтобы в отсутствие НЧ-сигнала транзистор VT4 был закрыт. Светодиод HL1 позволяет контролировать состояние выхода при настройке (его можно не устанавливать).

Для включения нужной нагрузки использовано электромагнитное реле К1 из серии РЭС55А (паспорт РС4.569.602 или РС4.569.607), но при небольшом изменении топологии платы можно установить и многие другие на рабочее напряжение 12 В.

Топология печатной платы передатчика приведена на рис. 12.25.

Рис. 12.25. Топология печатной платы, расположение элементов и вид монтажа передатчика

При сборке были использованы следующие радиодетали: резисторы С2-23, подстроечный конденсатор (С5) типа КТ4, все остальные конденсаторы типа К10-17 или аналогичные. Катушка L1 намотана проводом ПЭЛШО диаметром 0,25 мм на ферритовом (с магнитной проницаемостью 100НН) кольце К7,5x4x2 (в таком обозначении первым указывается внешний диаметр кольца; вторая цифра — внутренний диаметр, а последняя — его толщина) — 20 витков; L2 — содержит 10 витков (провода ПЭВ диаметром 0,51 мм) на ферритовом подстроечном сердечнике диаметром 4 мм (к нему она фиксируется клеем); L3 — бескаркасная, содержит 12 витков провода ПЭВ диаметром 0,9… 1,0 мм (для намотки временно использован пластмассовый стержень от гелиевой авторучки с диаметром 5 мм). Транзисторы схемы, скорее всего, могут иметь любую последнюю букву в обозначении серии.

Топология печатной платы для сборки приемной части приведена на рис. 12.26.

Рис. 12.26. Топология печатной платы, расположение элементов и вид монтажа приемника

Были использованы детали: постоянные резисторы типа С2-23, подстроечные (R4 и R7) — СПЗ-19а(б); конденсатор С2 типа КТ4, остальные К10-17 и К10-23.

Теперь несколько слов о настройке. Начинать ее лучше с передатчика. При правильном монтаже настройка требуется только для ВЧ-генератора. Это выполняется подстроечными конденсаторами С4, С5 по максимальному уровню показаний индикатора поля, а в дальнейшем — по максимальному уровню НЧ сигнала в приемнике (на коллекторе VT3). Приемник проще сначала настраивать без конденсаторов C1, С2, контролируя уровень переменного сигнала на выходе VT3 вольтметром или осциллографом (осциллографом делать это, конечно, удобнее) при включенном вблизи передатчике. Грубая настройка выполняется резистором R7 так, чтобы подаваемого с резистора R7 напряжения на затвор VT4 было еще недостаточно для его открывания (при отключенном передатчике), а при наличии сигнала (когда передатчик включен) этот транзистор должен полностью открываться. Более точная настройка выполняется резистором R4 так, чтобы каскад обеспечивал нужное усиление и при этом не возбуждался. После настройки низкочастотного усилителя можно устанавливать конденсаторы С1 и С2 и добиваться максимальной дальности срабатывания от включенного передатчика (электронного ключа).

 

Радиопередатчики повышенной мощности

У передатчиков мощностью больше чем 0,1 Вт чаще всего бывает три практических применения: радиосвязь между людьми, охранная сигнализация и дистанционное управление. Для устройств разного назначения Государственным комитетом по радиочастотам выделены свои диапазоны частот [5], а в них конкретные каналы, за эксплуатацию которых собираются деньги (во всяком случае, пытаются это делать в крупных городах). Там же существуют специальные службы, следящие за чистотой эфира. Поэтому к настройке таких устройств следует подходить очень аккуратно. Ведь если ваш радиопередатчик будет мешать своими помехами служебной связи, домой к вам могут приехать грубые дяди, которые в этом случае, кроме самого передатчика, имеют право изъять все, что содержит радиодетали… Поэтому в своем творчестве лучше не вылезать за границы выделенных радиолюбителям частот. Они есть практически во всех частотных диапазонах, например:

1830…1930 кГц (длина волны 160 м)

____________

14000…14350 кГц (длина волны 20 м)

28000…29700 кГц (длина волны 10 м)

144…146 МГц (длина волны 2 м)

430…440 МГц (длина волны 0,7 м)

1260…1300 МГц (длина волны 0,23 м)

____________

Этот список можно продолжить и дальше, но применять частоты меньше 26 МГц в малогабаритных устройствах неудобно — для эффективной работы передатчику требуется антенна, соизмеримая с длиной волны. Частоты выше 440 МГц тоже неудобны, но по другой причине — труднодоступная и дорогая элементная база, так как большинство компонентов для СВЧ устройств содержат такие металлы, как золото, платина и т. п.

Чтобы обеспечить у мощного передатчика высокую стабильность несущей частоты в широком температурном диапазоне (—40…+60 °C), необходимо использовать кварцевую стабилизацию. А для уменьшения размеров конструкции в современных системах широко используют специальные микросхемы, но для самых простейших применений мы пока сможем обойтись и без них (о микросхемах более подробно будет говориться позже).

Для дистанционного управления

Довольно простая схема передатчика приведена на рис. 12.27. Полная схема состоит из двух частей. На рис. 12.28 показана низкочастотная часть, обеспечивающая AM модуляцию. Такой передатчик можно использовать для дистанционного включения устройств (управления игрушкой, радиовызова при нажатии кнопки или в составе охранной сигнализации). Выходная мощность в импульсе около 2 Вт, потребляемый ток до 0,35 А.

Рис. 12.27. Схема высокочастотной части радиопередатчика

Рис. 12.28. Схема низкочастотной части радиопередатчика

На транзисторах VT1, VT2 собран генератор прямоугольных импульсов (мультивибратор) с частотой 1000 Гц (резистор R3 позволяет ее перестраивать от 550 до 1000 Гц). Чтобы генератор начал работать, необходимо замкнуть контакты датчика S2. Свечение светодиода HL1 является индикатором работы всей схемы. Предохранитель FU1 и диод VD1 нужны для защиты соединительных проводов и самой схемы в случае ошибочной полярности подачи питающего напряжения, например от аккумулятора автомобиля (если источник питания не настолько мощный или ошибка в подаче питания исключена, то эти элементы можно исключить).

Импульсы с мультивибратора управляют электронным ключом на транзисторе VT3, который передает их дальше — на задающий кварцевый генератор (VT4). В высокочастотной части передатчика всего два каскада. Модулированный сигнал с автогенератора поступает сразу на оконечный усилитель (VT5) и через фильтр (на элементах С9—С11, С13 и L4-L6) в антенну WA1.

Из-за того, что в схеме использованы катушки L1 и L2 в качестве дросселей, настройка заключается только в подборе конденсаторов фильтра, отмеченных звездочками (грубо — С11 и С13; плавно — С10). Сначала это делают на эквиваленте антенны (см. рис. 12.10 — только нагрузочные резисторы подключаются без кабеля непосредственно вместо антенны), контролируя форму напряжения и его амплитуду на выходе детектора, а окончательная настройка проводится уже на подключенной антенне.

Антенной может служить гибкий многожильный провод длиной примерно 1,2…1,5 м или телескопический штырь от приемника. Если есть возможность, то лучше подключить заземление (например, корпус автомобиля) — это увеличит дальность работы.

При изготовлении передатчика применялись следующие радиодетали: подстроечный резистор R3 типа СПЗ-19а, остальные С2-23 или МЛТ; подстроечный конденсатор С10 — КТ4-23; С1-СЗ, С7 типа КМ-4; остальные конденсаторы К10-17 или К10-23. Транзисторы VT1-VT3 могут иметь любую последнюю букву в обозначении серии; VT5 заменяется на 2Т904Б.

Все катушки выполнены проводами ПЭЛ-2, ПЭТВ-2 — их намоточные данные приведены в табл. 12.1.

Дроссели L1, L2 на ферритовом кольце К7,5x4x2 (с магнитной проницаемостью 100НН), их индуктивность 10…20 мкГн. Катушка L3 — тоже дроссель на оправке, в качестве которой можно взять корпус любого резистора мощностью 0,5 Вт с сопротивлением более 1 кОм (рис. 12.29).

Рис. 12.29. Конструкция дросселя L3

Катушки L4, L5 и L6 выполнены на пластмассовых каркасах диаметром 6…7 мм. В катушке L6 должна быть резьба для вкручивания ферритового сердечника. На всех катушках после намотки витки фиксируются клеем БФ-2.

Для монтажа схемы можно воспользоваться печатной платой, приведенной на рис. 12.30.

Рис. 12.30. Топология печатной платы, расположение элементов и вид монтажа передатчика

Выходной транзистор крепится на уголке, который улучшает теплоотвод. Резистор R10 припаивается непосредственно к эмиттерному выводу транзистора. Лучше, если корпус для размещения платы был полностью металлическим или хотя бы имел экран из медной фольги.

Теперь о приемнике. Его схема показана на рис. 12.31.

Рис. 12.31. Вариант схемы радиоприемника

Первый каскад (VT1) — это типичный сверхрегенератор. О его работе, достоинствах и недостатках вы уже знаете из раздела «Какие бывают радиоприемники». В качестве антенны может применяться любой провод длиной 50…60 см. Транзистор VT1 обеспечивает усиление принятого антенной ВЧ-сигнала и его детектирование.

Настройка приёмника на частоту передатчика осуществляется при помощи конденсатора С5. На транзисторах VT2, VT3 собран усилитель звукового диапазона, с выхода которого сигнал подается на выпрямитель VD1 и транзисторный ключ на полевом транзисторе VT4. Нагрузкой этого транзистора может быть не только звуковой излучатель или светодиод, но и реле.

Так как у полевого коммутатора обычно пороговое напряжение открывания около 2 В, резистор R7 позволяет установить его на затворе VT4 таким, чтобы при отсутствии НЧ-импульсов (отключенном передатчике) этот транзистор был еще закрыт.

При изготовлении приемника применялись следующие радиодетали: подстроечные резисторы R2 и R7 типа СПЗ-19а(б); постоянные резисторы С2-23 или МЛТ; подстроечный конденсатор С5 — КТ4-23; С1, С6, С8, С10 типа КМ-4 или К10-7; полярные электролитические конденсаторы любого типа; остальные конденсаторы К10-17 или К10-23. Транзисторы VT1—VT4 могут иметь любую последнюю букву в обозначении серии.

Катушка L1 выполнена проводом ПЭЛ-2 (ПЭТВ-2) диаметром 0,5 мм — на пластмассовом каркасе диаметром 7,5…8 мм — 14 витков. Катушка L2 является дросселем и наматывается проводом ПЭЛШО диаметром 0,12 мм — 30 витков на ферритовом кольце К7,5x4x2 (с магнитной проницаемостью 100НН), можно также использовать любой малогабаритный стандартный дроссель индуктивностью 50… 150 мкГн.

Для монтажа схемы можно воспользоваться печатной платой, показанной на рис. 12.32.

Рис. 12.32. Топология печатной платы, и расположение элементов приемника

На основе этого приемника можно сделать и многоканальную систему дистанционного управления, если на выходе НЧ-усилителя установить частотно-избирательные элементы (фильтры), а передатчик модулировать разной частотой (в соответствии с нужной командой).

Передатчик для радиосторожа

В условиях города срабатывание звуковой сирены многих раздражает, особенно если это происходит ночью. Ночная сирена вряд ли привлечет внимание окружающих с целью поимки воров. За рубежом уже давно практикуются штрафы за ночной шум, которые могут доходить до $2000. Другой альтернативы, кроме как подключать охрану к системе оповещения по радиоканалу, скоро не будет и у нас в стране.

Для работы охранных устройств с оповещением по радиоканалу в КВ диапазоне предназначена фиксированная частота 26,945 МГц, на которую и следует приобрести кварцевый резонатор (ZQ1).

На рис. 12.33 приведена высокочастотная часть передатчика, предназначенного для создания радиоканала при охране автомобиля, гаража или другого удаленного на расстояние до 500… 1000 метров объекта.

Рис. 12.33. Электрическая схема высокочастотной части передатчика

Сам передатчик содержит три каскада. На первый каскад — задающий генератор с кварцевой стабилизацией частоты на транзисторе VT1, постоянное питание подается от блока формирования временных интервалов (обычно выполняемого на цифровых микросхемах) только при срабатывании охранных датчиков.

Высокочастотный сигнал с автогенератора через промежуточный усилитель на VT2 (буферный усилитель) поступает на оконечный усилитель мощности VT4. У промежуточного усилителя коллекторный контур настраивается с помощью сердечника катушки L2 на первую гармонику задающего генератора. Катушка L2 имеет неполное включение, что увеличивает добротность контура.

Усилитель на VT2 позволяет уменьшить влияние изменения режима оконечного каскада на работу задающего автогенератора, а также обеспечивает достаточный уровень сигнала для работы усилителя мощности. Это позволяет получить на выходе импульсную ВЧ мощность, подводимую к антенне около 2 Вт (100 % модуляция).

Импульсная модуляция ВЧ-сигнала осуществляется в каскаде промежуточного усиления при помощи транзистора VT3. Конденсаторы С5 и С6 обеспечивают заваливание фронтов выходного сигнала, рис. 12.34. Это необходимо, чтобы ограничить спектр на выходе передатчика, ведь отведенная полоса канала всего 10 кГц.

Рис. 12.34. Форма выходного сигнала передатчика

Оконечный усилитель работает в режиме класса С — он самый экономичный, что позволяет выходному транзистору быть постоянно подключенным к питанию. Ведь когда на его вход не приходят ВЧ-импульсы — тока в цепи не будет. А для согласования каскада усилителя с низким входным импедансом (сопротивлением) антенны и уменьшения уровня высших гармоник в сигнале применен двухзвенный П-фильтр из элементов C12-L4-C14-L5-C16. Для точной настройки выходного фильтра предусмотрены элементы настройки: С13, С15 и подстроечный сердечник в катушке L4.

Выход передатчика соединяется с антенной высокочастотным кабелем с 50-омным волновым сопротивлением через разъем XW1. Вблизи от антенны расположено согласующее устройство, состоящее из катушки L6 (в экране). Длина соединительного кабеля от согласующего устройства до основного блока составляет 1,64 м, или кратна этому значению (3,28 м).

Все остальные элементы высокочастотной части схемы располагаются на печатной плате из одностороннего стеклотекстолита толщиной 1,5…2 мм с размерами 115 х 35 мм, рис. 12.35. Она помещается в экранированном отсеке корпуса блока охраны.

Рис. 12.35. Топология печатной платы и расположение элементов высокочастотной части передатчика

В схеме применены детали: резисторы типа С2-23, постоянные конденсаторы К10-17, при этом СЗ — С7, С12, С14 и С16 выбираются с минимальным ТКЕ (М75, М47, МЗЗ), подстроечные С13 и С15 типа КТ4-236 или КТ4-216. Использован кварцевый резонатор РК169МВ-14ЕП-26945К-В. Транзистор VT4 можно заменить на КТ925Б.

Катушки выполняются на диэлектрических каркасах диаметром 5 мм проводом ПЭЛ-2 или ПЭТВ-2 — их намоточные данные приведены в табл. 12.2.

Каркасы имеют внутреннюю резьбу М4 для ферритовых сердечников. Подстроечные сердечники могут быть из любого высокочастотного феррита. А для тоге, чтобы сердечники катушек от вибрации при эксплуатации не смещались, их до вкручивания в каркас катушки (при настройке) смазываем несохнущим вязким герметиком.

Намотка выполняется виток к витку, после чего у всех катушек провод фиксируется клеем «Момент», БФ-4 или БФ-2. Катушка L4 должна иметь конструкцию, которая обеспечивает ее горизонтальное расположение на плате (она аналогична показанной на рис. 12.18) — это снижает влияние полей близко расположенных катушек друг на друга. Конструкция дросселя L3 уже была показана на рис. 12.29.

На корпусе передатчика устанавливается высокочастотное гнездо XW1 (розетка приборная) типа СР-50-73Ф ГУ3.640.073Сп, а на кабеле от согласующего с антенной устройства — вилка кабельная СР-50-74Ф ГУ3.640.706Сп.

Антенна соединяется с согласующим устройством гибким многожильным проводом (длиной 100…200 мм), рис. 12.36.

Рис. 12.36. Антенна с согласующим устройством

Соединение с блоком передатчика осуществляется высокочастотным кабелем РК50-2-16 или аналогичным.

Антенна передатчика может иметь два варианта исполнения. Оба обеспечивают ее скрытую установку внутри салона автомобиля (вблизи стекла). Это хотя и сильно снижает эффективность (КПД) антенны, но зато исключает повреждение радиоканала системы до срабатывания охраны.

Первый вариант выполняется из стальной проволоки длиной примерно 140…160 см и диаметром 1,5–2 мм, что позволяет ее расположить над стеклом по дуге и закрепить концы стержня под уплотнительную резиновую прокладку стекла переднего или заднего вида. Она не мешает обзору водителя, а снаружи автомобиля при близком рассмотрении будет казаться, что стекло имеет в этом месте внутреннюю трещину.

Второй вариант может быть установлен только вблизи стекла заднего вида, а для изготовления антенны взят трехпроводный телефонный кабель, имеющий форму пружинящей спирали (ее удобно закрепить вблизи стекла по диагонали с помощью резиновых присосок). Такой провод используют в отечественных телефонных аппаратах для соединения разговорной трубки с аппаратом. Все провода спаиваются между собой и соединяются с согласующим устройством.

Согласующее устройство с помощью лепестка экрана крепится к корпусу автомобиля под обшивкой в любом удобном месте.

Настройка передатчика, как всегда, начинается с задающего кварцевого автогенератора. Для этого между выводами 1 и 2 схемы временно устанавливается резистор номиналом 150 Ом, а также перемычка между выводами 1–4. Питание подается на выводы 1 (+12 В) и 3 (общий провод) при подключенном эквиваленте антенны. Далее, вращая подстроенные сердечники L1, L2 и L4, добиваемся на выходе (на эквивалентной нагрузке) максимальной амплитуды сигнала.

Для обеспечения надежной работы передатчика задающий автогенератор настраивается на точку максимальной устойчивости колебаний, как это было уже описано ранее. При этом необходимо помнить, что работа передатчика в режиме непрерывного сигнала (без модуляции несущей) допускается кратковременно (не более 1 мин), так как транзистор VT4 не имеет теплоотвода — при усилении импульсно-модулированного сигнала он и не нужен.

Низкочастотный вольтметр, на нагрузке после детектора (гнездах X1—Х2, рис. 12.10), будет измерять амплитуду напряжения U m . Определив ее с помощью осциллографа или вольтметра, можно посчитать выходную мощность передатчика (Вт) по формуле:

где: U — действующее значение напряжения сигнала, В;

U m — амплитуда сигнала на нагрузке, В;

R — сопротивление нагрузки, Ом.

Если измеренная мощность будет меньше чем 1,8 Вт (из-за низкого коэффициента усиления транзистора VT4), то вместо резистора обратной связи по постоянному току R9 можно установить перемычку. В схеме конденсаторы, отмеченные «*», могут потребовать подбора.

Рабочая, частота передатчика не должна отклоняться от номинальной 26945 кГц более чем на 134 кГц (измеряем частотомером на эквиваленте нагрузки в режиме кратковременной работы передатчика без модуляции). Окончательная настройка выполняется при подключенной цифровой схеме блока управления.

Приемник на фоне помех и других сигналов должен выделить «свой» и включить звуковое оповещение хозяина. Дальность устойчивого приема на открытой местности составляет не менее 1 км, но в условиях большого городе из-за отражений и поглощения сигнала препятствиями, а также высокого уровня помех в эфире это расстояние может уменьшиться. Вариантов приемника может быть несколько, например те, что описаны в книге [6), а схема дешифратора связана с принципом формирования идентификационного кода. Но к его изготовлению следует приступать только после знакомства с цифровыми способами обработки информации и соответствующими микросхемами. К тому же такую схему довольно сложно качественно настроить без осциллографа. Ведь надо контролировать форму модулирующих импульсов.

Литература

1. Белоусов О. Кварцевые генераторы. — Минск: Радиолюбитель, 2000, №№ 6 и 7, стр. 29.

2. Миль Г. Электронное дистанционное управление моделям и./Пер. с нем. В. А. Пальянова. — М.: ДОСААФ, 1980.

3. Шустов М. А. Практическая схемотехника. 450 полезных схем радиолюбителям. Книга 1. — М.: Альтекс-А, 2001.

4. Андрианов В. И., Бородин В. А., Соколов А. В. «Шпионские штучки» и устройства для защиты объектов и информации. Справочное пособие. — СПб: Лань, 1996 (книга переиздавалась несколько раз и в последующие годы).

5. Информация о распределении радиочастот

6. Шелестов И. П. Радиолюбителям: полезные схемы. Книга 2. — М.: СОЛОН-Р, 2001.