Повышение качества работы сверхрегенеративных приемников

В работе автора [1] был рассмотрен сверхрегенеративный радиоприемник, выполненный на основе барьерного LC-автогенератора (рис. 1). Сам сверхрегенеративный детектор приведен на рис. 2.

Рис. 1. Принципиальная схема барьерного LC автогенератора

Рис. 2. Схема электрическая принципиальная сверхрегенеративного детектора

Сигнал НЧ можно снимать с любой из точек 1, 2 или 3. В точках 1 и 2 присутствует НЧ сигнал и частота автогашения, а в точке 3, кроме упомянутых НЧ сигнала и частоты автогашения, присутствует еще и ВЧ сигнал (с частотой LC-контура). Поскольку чувствительность схем сверхрегенеративных детекторов небольшая (около половины милливольта), для получения чувствительности 5 мкВ в схему [1] были добавлены два УРЧ с суммарным усилением 40 дБ (100 раз по напряжению). Однако можно значительно увеличить чувствительность такого сверхрегенеративного детектора, если вместо схемы контура, показанной на рис. 3, применить контур "на повышение напряжений" (рис. 4).

Рис. 3. Схема контура сверхрегенеративного детектора

Рис. 4. Схема повышающего напряжение контура сверхрегенеративного детектора

Даже такая простая доработка контура без изменения печатной платы приемника [1] дает поразительный результат: чувствительность собственно сверхрегенеративного детектора повышается примерно в 500 (!) раз. Таким образом, если надо получить чувствительность сверхрегенеративного приемника 1...5 мкВ, от двух УРЧ можно вполне отказаться (заметим, что дальнейшее повышение чувствительности с помощью УРЧ результатов не дает, что вполне согласуется с данными [2]). Это, собственно, еще раз демонстрирует впечатляющие возможности согласования по ВЧ! Отметим, что схема, приведенная на рис. 4, требует подключения 50-омной антенны через буфер (эмиттерный повторитель), в противном случае частота настройки такого приемника будет в значительной степени определяться параметрами антенны и расположением различных внешних объектов. Как было замечено, в отсутствие сигнала сверхрегенеративный приемник [1] сильно шипит (четко слышен характерный суперный шум). Как видно из рис. 2, при включении напряжения питания конденсатор С3* разряжен и генератор на VT1 и VT2 не работает. Через некоторое время после включения питания С3* через сопротивления резисторорв R1* и R2 заряжается до напряжения, при котором генератор запустится. При запуске генератора ток через него возрастет, и С3* через работающий генератор быстро разряжается. Процесс повторяется снова и снова (при надлежащем выборе номиналов R1*, R2 и С3*). Таким образом, получаем режим прерывистой генерации, а на С3* (точка 2) или R2 (точка 1) будет наблюдаться переменное напряжение с частотой автогашения (близкое по форме к пилообразному). Однако при таком ходе процесса суперный шум не должен наблюдаться, так как генератор будет запускаться (затормаживаться) через определенные промежутки времени строго периодически!

В действительности сверхрегенеративный приемник в отсутствии принимаемого сигнала, как было отмечено выше, сильно шипит. Для объяснения наличия подобного шума можно опираться на данные флуктуационной теории, согласно которой следует рассматривать уточненные эквивалентные схемы индуктивности и емкости. Так, согласно этой теории, индуктивность обладает сопротивление активных потерь R_L, а емкость - соответственно сопротивлением активных потерь R_С (рис. 5).

Рис. 5. Эквивалентная схема LC-контура с учетом активных потерь

При этом принимается, что реактивные элементы в "идеале" активными потерями (сопротивлениями) не обладают, т.е. не шипят. При учете активных сопротивлений (потерь) R_L и R_С, которые в свою очередь являются источниками (генераторами) теплового шума (например, тепловых ЭДС и тока), уже можно допустить, что в какой-то момент времени генератор запускается (затормаживается) чуть позже, чем это было бы при полном отсутствии тепловых шумов. Вследствие процесса случайности тепловых шумов и получается некоторая неопределенность во времени запуска (затормаживания) генератора, чем можно объяснить возникновение шумов на НЧ выходе сверхрегенеративного детектора в отсутствии принимаемого сигнала. Сам сверхрегенератор (когда он "шипит") усиливает по амплитуде такой случайный шум (шум, например, на активных сопротивлениях потерь в LC-контуре). Заметим, что в процессе такого усиления тепловых шумов LC-контура в сверхрегенераторе происходит частотная (фазовая) модуляция несущей его генератора, но никак не AM (несущую "шипящего" сверхрегенератора нельзя обнаружить даже с помощью CW/SBB приемника). Далее подробно рассмотрим особенности работы различных схем, созданных на базе схемы барьерного LC-автогенератора. Для того, чтобы меньше влиять на схему сверхрегенеративного детектора (рис. 2), в процессе ее исследования воспользуемся эмиттерным повторителем. В этом случае полная схема одноконтурного сверхрегенеративного детектора будет соответствовать схеме, приведенной на рис. 6.

Рис. 6. Полная схема электрическая принципиальная одноконтурного сверхрегенеративного детектора

Автором исследовались два варианта такой схемы ("А" и "В"), отличающихся друг от друга только местом снятия сигнала со схемы сверхрегенеративного детектора. Подключая на выход схемы (рис. 6) через аттенюатор CW или SSB связной приемник (с S-метром), работающий в диапазоне 1 ...50 МГц, можно получить спектрограмму, показанную на рис. 7.

Рис. 7. Спектр сигнала на выходе сверхрегенеративного детектора

Как видно из рис. 7, мы ограничились уровнем шума S, равным 46 дБмВт (децибеллмилливатт - начало шкалы S графика). При измерениях было слышно, что шумы сверхрегенеративного приемника концентрируются только вблизи отдельных частот. При этом спектр таких шумов имеет "колоколообразный" характер (по-видимому, именно за счет "колоколообразной" АХЧ LC-контура, т.е. приемного контура L1, С2 сверхрегенеративного детектора). Заметим, что перед началом измерений (рис. 6) к выходу схемы подключали высокоомный наушник (телефонный капсюль), и с помощью перемещения движка резистора R2* добивались наиболее громкого (и в то же время устойчивого) суперного шума. Только убедившись, что сверхрегенератор работает устойчиво и ничего не принимает прямо на контурную катушку (для чего схема автора была полностью экранирована), подключали к 50-омному выходу схемы связной приемник и производили снятие данных, по которым в дальнейшем и строился спектр. Естественно, для снятия данных можно пользоваться и спектроанализатором, что дает наглядность опытов, но, тем не менее, не дает возможности непосредственно прослушивать "звучание" спектра. В этой связи наиболее оптимально вначале визуально оценить получающиеся на спектроанализаторе фигуры, а затем дополнительно прослушать такой спектр в непосредственной близости от пиков на CW/SBB приемнике. В статье приводятся исследования спектра только с помощью приемника прямого преобразования, в качестве гетеродина которого использовался ГСС.

Полоса пропускания приемника - 6 кГц. Измерения проводились в диапазоне частот 1 ...50 МГц. Построение спектра выполнено по результатам измерений только на целых частотах (1, 2, 3... и до 50 МГц). Полученные по результатам измерений точки на графике соединялись отрезками прямой линии (рис. 7). Как видно из полученного графика, самый большой "шумовой" пик наблюдается на частоте 14... 15 МГц. Логично предположить, что этот пик соответствует собственной частоте контура L2, С2, т.е. частоте, на которую настроен сверхрегенератор. При прямом опыте зто подтвердилось - как оказалось, сверхрегенератор действительно принимает на частоте 14,25 МГц. Таким образом, самый большой пик на рис. 7 (вариант "А") соответствует частоте настройки сверхрегенератора. Пики на частоте 28.. .30 МГц где-то на 15 дБ меньше, чем пик на частоте 14 МГц, а пик на частоте около 43 МГц уже на 20 дБ меньше, чем пик на частоте 14 МГц. Повышенный уровень шумов был обнаружен и на частотах 1 МГц, 2 МГц и 5 МГц (рис. 7). Возможно, что это гармоники частоты автогашения. Однако в этом случае мы должны были бы иметь пики шумов и на частотах 3 МГц и 4 МГц. Возможный ответ на такое несоответствие могло бы дать разложение импульсов пилообразной формы в ряд Фурье, однако это выходит уже за рамки изучаемых в данной работе явлений. Как видно из рис. 7, и вариант "В" демонстрирует наличие подобных пиков на частотах около 14, 28...30 и 43 МГц. При этом их амплитуды изменились немного - менее чем на 10 дБ. Таким образом, подтверждается, что спектр сверхрегенератора имеет дискретный характер, а вместо несущих наблюдаются лишь узкие шумовые зоны, как если бы с помощью НЧ шума осуществлять модуляцию варакторов передатчика с узкополосной ЧМ (такой передатчик, по-видимому, также дает ряд "шумовых" зон на "гармониках" несущей).

В спектре сверхрегенератора наиболее выражены (имеют наибольшую амплитуду) шумовые пики, соответствующие приему на первой, второй и третьей гармониках настройки приемного контура сверхрегенератора. При этом наибольшую амплитуду имеет пик на первой гармонике (частоте настройки приемника). Исходную схему LC-барьерного автогенератора (рис. 1) можно дать и в ином, более симметричном виде (рис. 8).

Рис. 8. Симметричное изображение исходной схемы барьерного LC- автогенератора

В этом случае между выводами 1 и 2 автогенератора включен перемычка, а параллельный LC-контур включен между выводами 3 и 4. Вследствие большой симметричности такой схемы (относительно "лево" и "право"), между выводами 1 и 2 автогенератора можно включить и LC-контур, а перемычку включить соответственно между выводами 3 и 4. При этом, в принципе, ничего не должно изменяться (считая, что VT1 и VT2 - идентичны). Учитывая высокую симметричность рассматриваемой схемы (рис. 8), можно попробовать так же между выводами 1 и 2 включить один LC-контур, а между выводами 3 и 4 - другой LC-контур. Реализация этой идеи - двухконтурный барьерный генератор, представлена на рис. 9.

Рис. 9. Схема двухконтурного барьерного генератора

Контура при этом могут быть как идентичными (L1 = L2, С3 = С4), так и различными (L1 ≠ L2, С3 ≠ С4). При различных LC-контурах, естественно, собственная частота одного контура будет больше, чем у другого контура. Поэтому следует ожидать, что если ω_L1C3 ≈ ω_L2C4, происходит синхронизация, и в общем получаем одночастотные колебания с частотой, близкой к ω_L1C3 (ω_L2C4). При ω_L1C3 >> ω_L2C4 (ω_L1C3 << ω_L2C4) можно ожидать как минимум двухчастотных колебаний: одно колебание на частоте, близкой к ω_L1C3, а другое - на частоте, близкой к ω_L2C4 (см., например, [3]). Следует также отметить, что схема с двумя контурами весьма близка к схеме триггера, приведенной на рис. 10.

Рис. 10. Схема триггера

В этой связи следует ожидать, кроме двухчастотной работы, в какой-то мере и возможности фиксации состояния генератора на генерировании какой-то одной частоты (т.е. как бы на одном состоянии подобного "триггера"!). Вот почему мы вправе ожидать от схемы, приведенной на рис. 9, очень сложной работы. В этой связи, по-видимому, следует ожидать и своеобразной конкуренции колебаний (см. по этому поводу работу [4]). Автором был изготовлен также двухконтурный сверхрегенератор, т.е. вместо одного, как на рис. 6, было использовано два контура (по типу схемы, приведенной на рис. 9). Как показали проведенные исследования, исходный приемник с одним LC-контуром при приеме AM (90%) сигнала на частотах 14,25 МГц (первая гармоника), 28,5 МГц (вторая гармоника) и 42,75 МГц (третья гармоника) продемонстрировал следующую чувствительность на уровне "Еле слышно в головных телефонах":

0,5 мкВ (0 дБ_U) - для первой гармоники;
1500 мкВ (≈ 69 дБ_U) - для второй гармоники:
1500 мкВ (≈ 69 дБ_U) - для третьей гармоники.

После установки второго контура (L = 220 мкГн, С = 0,1 мкФ) частота первой гармоники немного изменилась (стала 14,50 МГц). Соответственно, чувствительность приемника на уровне "Еле слышно в головных телефонах" в этом случае уже была равна:

0,5 мкВ (0 дБ_U) - для первой гармоники;
1500 мкВ (≈ 69 дБ_U) - для второй гармоники;
30000 мкВ (≈ 96 дБ_U) - для третьей гармоники.

Как видно, при введении дополнительного низкочастотного LC-контура получаем выигрыш в селективности по приему на третьей гармонике:

95,(563026) - 69,(542424) = 26,(020602),
т.е. приблизительно в 26 дБ_U, или в 20 раз по напряжению!

Таким образом, двухконтурный сверхрегенератор обнаружил при этом значительно большую селективность по одному из подобных каналов приема, чем исходный одноконтурный сверхрегенератор, а, значит, при введении дополнительного (низкочастотного) контура качество работы приемника заметно улучшается. Если каких-либо качественно новых явлений при введении второго контура в сверхрегенеративный приемник нами не обнаружено, то введение второго контура в схему собственно генератора (если рассматривать генератор как таковой, а не входящий в состав приемника) приводит к интересным явлениям, о которых мы расскажем в следующей статье.

Литература
1. Артеменко В. Сверхрегенеративный приемник с барьерным режимом работы транзисторов. - Радиолюбитель. KB и УКВ, 2002, №11, с. 36...39.
2. Григоров И. Сверхрегенеративный приемник: миф и реальность. - Радиолюбитель, 1994, №1, с. 42...45.
3. Неймарк Ю. И., Панда П. С. Стохастические и хаотические колебания. - М.: Наука, 1987.
4. Кальянов Э. В. Управление колебаниями хаотической бистабильной системы. - Радиотехника и электроника, 199, том 44, №3, с. 315...323.

В. АРТЕМЕНКО, UT5UDJ