суббота, 28 ноября 2015 г.

QRPP CW Маяк 18 МГц (17 м) с воспроизведением сигнала с Audio CD.

Радиомаяк R2AJA на базе генератора по схеме N7KSB. Рассмотрено создание и оптимизация фильтра, генератора, модулирующего каскада.  Радиомаяк изготовлялся на частоту 18.121 МГц (17 М) Расчеты и оптимизация фильтра выполняется тоже под эту частоту. Проверяются исходные данные, предложенные автором генератора.
Схема маяка:
Маяк состоит из следующих компонентов:

Задающий ВЧ-генератор построен на микросхеме 74НС240 [1]. Микросхема состоит из двух частей назовем их «А» и «Б» по 4 инвертора.  Причем   один инвертор в блоке «А» является задающим генератором (показан красным цветом),  а четыре (желтых) в блоке «Б» используются в качестве усилительных.  Три (синих) инвертора  в блоке «А» не используются. Частота генерации определяется, устанавливаемым кварцем и может быть сотен КГц до десятков МГц. Частичная подстройка частоты может быть выполнена подбором емкости С3 в пределах 10…100 пФ.  В данной статье описание и расчет делается для маяка с частотой около 18.116 МГц.
Выходной фильтр строится на реактивных элементах L1,C8,L2,C9  и рассчитывается, на пропускание   частот 17-метрового КВ диапазона, с максимальным ослаблением высших гармоник. 

НЧ кодирующее устройство – любое устройство, способное воспроизводить записанный звук морзе-последовательности: аудиоплеер, диктофон, телефон (на схеме (Рис.1.) показан только НЧ вход). 
Демодулятор аудиосигнала строится на  диоде VD2 и транзисторах VT1, VT2,  которые коммутируют питание  ВЧ-генератора.
Питание   ВЧ-генератора стабилизировано использованием стабилизатора напряжения КР142ЕН5Б  с выходным напряжением 6 В. 
В качестве индикатора работы используется светодиод VD1  который вспышками отображает передаваемую морзе-последовательность.

Особенности ВЧ-Генератора.

В следующей таблице приведена зависимость выходной мощности маяка от напряжения питания. Измерения мощности  проведены на ваттметре типа М3-56. 
Напряжение, В
Ток, А
Мощность, мВт
7
0.1
196
6.75
0.09
178
6.5
0.09
162
6.25
0.08
148
6
0.08
134
5.75
0.07
119
5.5
0.07
107
5.25
0.06
96
5
0.06
85
4.5
0.05
65
4
0.05
50
3.5
0.04
36
3
0.03
24
2.5
0.02
13
2
0.01
4
1.5
0.01
2
1
0
0

Напряжение выше 7 В. может привести к недопустимому повреждению микросхемы  74НС240 [1] и, как показывают измерения, не ведет к значительному росту выходной мощности. 
Максимальную  выходную мощность, описанную N7KSB  как 500 мВт получить не удалось,  возможно, автор указал потребляемую мощность вместо мощности излучения.

На следующем графике показана зависимость   излучаемой  и потребляемой мощности от напряжения питания маяка:
Синий цвет – потребляемая мощность, красный – излучаемая. 
Рассчитаем КПД данного маяка как 
n = P/S
и построим график зависимости КПД от напряжения питания.
КПД достигает максимальных величин при V пит от 4.5 В и составляет 0.29.  Дальнейшее увеличение напряжения питания не ведет к росту КПД.
          При взгляде на схему маяка возникает мысль, что можно доработать схему  N7KSB  таким образом,  ввести в действие три инвертора из полукомплекта «А» с задающим генератором. Для этого нужно  выводы №17, №15, №13 отключить от земли и подключить (синие) инверторы в параллель с усилительным полукомплектом «Б».
Однако такая доработка приводит к потере стабильности генерации. 
Генерация начинается и исчезает на разных частотах спонтанно.

Расчет выходного фильтра. 

Расчет выходного фильтра проводился в программе MicroCap.  Моделируемая схема фильтра и его АЧХ показаны ниже.

Максимум пропускания фильтра около частоты 18.2 МГц, полоса пропускания по уровню 0.5 около 2 МГц.
Для намотки бескаркасных катушек был использован 
медный провод  с диаметром жилы d = 1.0 мм, и диаметром витка  D = 10 мм.
L1 (5 витков) = 0,304 мкГн
L2 (11 Витков) = 0,918 мкГн
Расчет индуктивностей  выполнен в программе Coil 32. 

Общая тенденция для подбора элементов фильтра следующая:  чем выше частота, тем меньше значения емкостей и индуктивностей. Автор  статьи [2] предлагает использовать следующие номиналы элементов:
Диапазон(м)
10
15
20
С1 (пФ)
330
470
680
С2 (пФ)
100
150
220
L1 (витков)
3
4
5,5
L2 (витков)
7
10
12

Измерение АЧХ фильтра на высокочастотном генераторе  с анализатором спектра показано ниже.
В полосе частот от 0 до 48 МГц фильтр проявляет себя как ФНЧ. Сложная зависимость от частоты в  пределе измерений от 0 до 145 МГц может быть объяснена влиянием емкостей подводящих проводов средств измерений  и межвитковых емкостей катушек.

Особенности демодулятора. 

Схема модели демодулятора построена на германиевом диоде.
Его задача – выделить огибающую из звуковых посылок, записанных в плеере.
Огибающая попадает на базу составного транзистора VT1, VT2 тем самым коммутирует питание ВЧ части маяка. При использовании  в детекторе емкости С7 = 0.1 мкФ, модулятор также генерирует АМ. Это связанно тем, что емкость пропускает звуковые колебания после детектора на микросхему, тем самым колебания выходного тока питания транзистора соответствуют колебаниям звуковой частоты. Для перехода от АМ модуляции к SSB, емкость следует увеличить до 1 мкФ.

Вид выходного сигнала маяка

Примерный вид ВЧ сигнала показан ниже.
Примерный вид спектра сигнала маяка показан ниже.
Спектр сигнала маяка. Полоса 30 МГц (добавлено 40 дБ ослабление).

Спектр сигнала маяка. Полоса 100 МГц (добавлено 40 дБ ослабление).
Подавление фильтром  гармоник генератора не хуже 30 дБ.
Осциллограмма CW последовательности маяка. R=50 Ом,  Vpp = 4.2 В,  Pизл=130 мВт

Записать CW последовательность в аудиофайл можно в  программе WinMorse v 2.0.  Важно, чтобы файл был записан с максимально возможной громкостью, а выходное устройство воспроизведения было настроено на громкость, близкую к максимальной, чтобы выделяемое детектором напряжение было около 0.3 В. 

Выбор антенны.

Антенну предпочтительно использовать   типа диполя соответствующего размера, плечи которого прикреплены непосредственно к схеме маяка.  Также подойдет антенна типа Inverted – V.  Размер каждого плеча для частоты 18.2 МГц около  4.16 м.  Можно подводить сигнал на антенну, используя  50-омный коаксиальный кабель, но нежелательно, из-за незначительной мощности маяка.

Выбор частоты маяка.

Выбор рабочей частоты маяка следует сделать исходя из возможности радиолюбителя подобрать кварцевый резонатор в радиолюбительском диапазоне, а также  изготовить  и установить   антенну соответствующего размера. Следует помнить и про влияние солнечной активности на прохождение КВ. Как правило, диапазоны 10 М и 12 М закрыты, однако если они открываются, дальность прохождения КВ будет максимальна, относительно других диапазонов.  Диапазоны 15 М, 17 М открыты значительно чаще, а 20 М доступен почти всегда. 
Важно чтобы выбранная частота не мешала проводить связи другим радиолюбителям, поэтому для испытаний радиолюбительских маяков  имеет смысл использовать обозначенные частотным планом «окна», либо верхние части диапазонов. 
Правильный подбор частоты работы маяка, чтобы его могло принять максимальное количество абонентов, достаточно интересная тема для рассмотрения в отдельной статье.

Расчетная дальность действия маяка

Попробуем оценить расчетную дальность прямой слышимости маяка. (по В.Полякову [3]) 
При Ga = 1. 
D=sqrt30*Ga*Pизл/E, где Е=1 мкВ/м предельный порог различения СW сигнала на слух. 
Pизл = 100 мВт
D = sqrt30*1*0.1/1*10^(-6) = 547 км
Попробуем оценить уровень сигнала маяка на расстоянии 2000 км.
(по Э.Реду [4])
Согласно графику
Пусть сигнал маяка сделает 1 скачок c ослаблением 70 дБ на 2000 км. 
Мощность Маяка Pизл = 0.1 Вт = +20 дБм 
Тогда мощность сигнала в точке приема запишется как
Pприем = 20 дБм – 70 дБ = -50 дБм = 0.01х10-6  Вт = 0.71х10-3 В
Pприем =   0.01  мкВт = 0.71 мВ , что эквивалентно показанию S-метра приемника «3».

Внешний вид комплекта маяка. 

Выводы


Представленная схема маяка может быть повторена начинающими радиолюбителями, без освоения микроконтроллерной техники, используя доступные компоненты и материалы.   
В зависимости от аудиозаписи маяк может работать в режиме CW и Feld Hell (Hellscriber)

Литература


[1]   MM74HC240 Inverting Octal 3-STATE Buffer.  Datasheet. http://lib.chipdip.ru/320/DOC000320346.pdf 
[2]   Виктор Беседин, UA9LAQ «Искусство работы QRP» . Перевод статьи про микропередатчик N7KSB. http://cqham.ru/artqrp.htm/ г.Тюмень. май 2003. 
[3]   В.Поляков, "О глобальном распространении КВ", CQ-QRP №41 зима 2013.
[4]   Э.Ред. Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике. Изд. «Мир», Москва, 1990.

* данная статья доступна также в электронном журнале CQ-QRP #51 (Лето 2015)

Лавриненков Игорь Сергеевич 
Для связи mail:  lis-soft /*at*/rambler   точка   ру 






Комментариев нет:

Отправить комментарий