Совершенствование конструкций и повышение качества работы сверхрегенеративных приемников

Наравне с возрастающей сложностью аппаратуры, разрабатываемой радиолюбителями, не утихает интерес и к простым устройствам, таким, например, как описываемый в данной статье сверхрегенеративный приемник. Подобные простые приемники могут быть полезными не только для начинающих радиолюбителей, но и при конструировании, например, линий передачи данных (телеуправления) на малые и средние расстояния не только на KB, но и СВЧ диапазонах.

Крайняя простота схем сверхрегенеративных радиоприемников, достаточная легкость их настройки, возможность приема как AM, так и ЧМ (широкополосных) сигналов сделала такие приемники весьма популярными среди радиолюбителей. В последнее время существуют отдельные мнения о том, что сверхрегенеративные приемники потеряли свою актуальность и могут быть интересны только начинающим радиолюбителям. Вместе с тем все тонкости работы этих приемников и на сегодняшний день остаются до конца не выясненными. И это, не смотря на то, что основополагающие принципы и основы конструирования сверхрегенеративных приемников исследовались достаточно полно [1,2].

Эта статья посвящена дальнейшему совершенствованию конструкций и повышению качества работы сверхрегенеративных радиоприемников.

В работе [3] был рассмотрен сверхрегенеративный приемник, выполненный на основе барьерного LC-автогенератора (см. рис.1). Сам сверхрегенеративный детектор приведен на рис.2. Сигнал НЧ можно снимать с любой из точек 1, 2 или 3. В точках 1 и 2 присутствует НЧ сигнал и напряжение с частотой автогашения, а в точке 3 кроме упомянутых сигналов еще и ВЧ сигнал с частотой LC контура. Поскольку чувствительность схем сверхрегенеративных детекторов небольшая (около половины милливольта), для получения чувствительности в 5 микровольт в схеме [3] присутствовали два УРЧ с суммарным усилением 40 дБ (100 раз по напряжению). Можно значительно увеличить чувствительность такого сверхрегенеративного детектора, если вместо схемы контура, приведенной на рис.3, применить контур “на повышение напряжения” (см. рис.4). Даже такая простая доработка контура без изменения печатной платы приемника [3] дает поразительный результат: чувствительность собственно сверхрегенеративного детектора повышается примерно в 500 (!) раз. Таким образом, если надо получить чувствительность сверхрегенеративного приемника 1...5 микровольт, можно вполне отказаться от двух УРЧ. Заметим, что дальнейшее повышение чувствительности с помощью УРЧ особых результатов не дает, что вполне согласуется и с выводами работы [4]. Это обстоятельство 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 антенной и расположением различных внешних объектов.

Следует помнить, что вначале сверхрегенеративные приемники конструировали на радиолампах, и только позднее их начали выполнять на биполярных транзисторах. И те радиолюбители, кто экспериментировал как с ламповыми, так и с транзисторными сверхрегенераторами, всегда отмечают более устойчивую работу именно ламповых сверхрегенераторов. При этом их чувствительность значительно превосходит чувствительность сверхрегенераторов, выполненных на биполярных транзисторах. И если на первых этапах использования транзисторов такое превосходство ламповых схем объясняли “несовершенством” транзисторов, то в настоящее время об этом говорить уже нет смысла. Причины низкого качества транзисторных сверхрегенераторов, по-видимому, следует искать в другом. Одна из возможных причин, по мнению автора, заключается в том, что лампы, как известно, обладают достаточно большими входными/выходными сопротивлениями, а биполярные транзисторы - сопротивлениями низкими. В этой связи можно предположить, что, перенеся практически без изменения схемотехнику ламповых сверхрегенераторов на транзисторную базу, получили в результате значительное ухудшение работы транзисторных сверхрегенераторов по сравнению с их ламповыми прототипами. Однако, применяя, где это необходимо, согласование с помощью частичного включения контуров и широко используя эмиттерные повторители, можно получить и для сверхрегенераторов на биполярных транзисторах высокую чувствительность при достаточной стабильности в работе. Реализация этой идеи показана на рис.5. Как видно такой приемник уже не содержит двух каскадов широкополосных барьерных УРЧ при той же чувствительности, что и конструкция [3]. Эмиттерный повторитель на VT1 и VT2 стоящий на входе приемника, достаточно сильно изолирует антенну от контура сверхрегенератора. По этой причине параметры 50-омной антенны, а также окружающие предметы перестают влиять на частоту настройки приемника Для лучшей стабильности работы сверхрегенеративного детектора на VT3, VT4 сигналы НЧ снимаются с него также через эмиттерный повторитель на VT5, VT6. Собственно фильтрация по НЧ (с помощью простейшего ФНЧ L3, C22) осуществляется не по входу сверхрегенеративного детектора, а по выходу эмиттерного повторителя. Это разгружает сверхрегенеративный детектор, способствуя его более устойчивой работе. Резистор R16 служит для регулировки громкости приемника, Конструкция УНЧ на VT7, VT8, а также данные по L1 такие же, как и в [3]. Схему на рис.5 можно модернизировать, применяя, например, современные полевые транзисторы в истоковых повторителях или операционные усилители для ФНЧ и УНЧ, а также выполняя “эмиттерные” повторители по другим, более оптимальным схемам, что позволит значительно снизить токопотребление и габариты конструкции.

В процессе эксплуатации было замечено, что в отсутствии сигнала сверхрегенеративный приемник [3] сильно шипит (четко слышен характерный суперный шум). Как видно из рис.2, при включении напряжения питания конденсатор С3* разряжен и генератор на VT1, VT2 не работает. Через некоторое время после включения питания С3* через сопротивления R1* и R2 заряжается до напряжения питания, при котором генератор запустится. При запуске генератора ток через него возрастает, и С3* через работающий генератор быстро разряжается. Этот процесс повторяется снова и снова (при надлежащем выборе значений R1*, R2 и С3*). Таким образом, реализуется 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, т.к. генератор будет запускаться (затормаживаться) через определенные промежутки времени строго периодически!

И тем не менее сверхрегенеративный приемник в отсутствие принимаемого сигнала продолжает шипеть... Для объяснения наличия подобного шума можно опираться на флуктуационную теорию, согласно которой следует рассматривать уточненные эквивалентные схемы катушки индуктивности и конденсатора. Так, согласно этой теории, катушка индуктивности обладает сопротивлением активных потерь R_L, а конденсатор - соответственно сопротивлением активных потерь R_С (см. рис.6). При этом принимается, что реактивные элементы в “идеале” активными потерями (сопротивлениями) не обладают, т.е. не “шипят”. При учете 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 возможно при полном отсутствии тепловых шумов! Вследствие процесса случайности тепловых шумов и получается некоторая неопределенность во времени запуска (затормаживания) генератора, чем можно уже объяснить возникновение шумов на НЧ выходе сверхрегенеративного детектора в отсутствии принимаемого сигнала. Сам сверхрегенератор (когда он “шипит”) усиливает по амплитуде такой случайный шум (напряжение шумов, например, на активных сопротивлениях потерь в LC контуре). Заметим, что в процессе 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/SSB приемника). Возможное объяснение наличия суперного шума в сверхрегенеративном приемнике позволит лучше понять тонкий механизм его работы, что может быть полезным при дальнейших модернизациях приемника.

Далее рассмотрим особенности работы различных схем, созданных на базе барьерного автогенератора. Для того, чтобы меньше влиять на схему сверхрегенеративного детектора (рис.2), воспользуемся эмиттерными повторителями. В этом случае схема одноконтурного сверхрегенеративного детектора будет соответствовать схеме, приведенной на рис. 7.

Автором исследовались два варианта такой схемы (вариант “А” и “В”), отличающиеся друг от друга только местом снятия сигнала со схемы сверхрегенеративного детектора. Подключая на выход схемы через аттенюатор CW или SSB связной приемник с S-метром, работающий в диапазоне от 1 до 50 МГц, можно получить спектрограмму, приведенную на рис.8. Как видно из рис.8, ограничились начальным уровнем шума S, равным 46 дБмкВ (начало шкалы S графика). При измерениях было слышно, что шумы свёрхрегенеративного приемника концентрируются только вблизи отдельных частот. При этом спектр таких шумов имел “колоколообразный” характер (по видимому, именно за счет “колоколообразной” АЧХ LC контура, т.е. приемного контура L1, C2 сверхрегенеративного детектора).

Заметим, что перед началом измерений к выходу схемы (см. рис.7) подключали высокоомный наушник и регулировкой потенциометра 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 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 получаемых опытных данных, но, тем не менее, не дает возможности непосредственно прослушивать “звучание” составляющих спектра. В этой связи наиболее оптимально вначале визуально на спектроанализаторе изучить общую спектральную картину, а затем дополнительно “прослушать” составляющие спектра на SSB/CW приемнике. В статье описываются исследования спектра только с помощью приемника прямого преобразования, в качестве гетеродина которого использован ГСС (полоса пропускания приемника составляет 6 кГц). Измерения проводились от 1 до 50 МГц только на “целых” частотах (1, 2, 3, и т.д. до 50 МГц). Полученные в результате измерений точки на графике соединялись отрезками прямой (см. рис.8). Как видно из полученного графика, самый большой “шумовой” пик наблюдается на частотах 14... 15 МГц. Логично предположить, что он соответствует собственной частоте контура L1, C2, т.е. частоте, на которую настроен сверхрегенератор. При прямом опыте это подтвердилось, сверхрегенератор действительно принимал на частоте 14,25 МГц. Таким образом, самый большой пик на рис.8 (вариант схемы “А”) соответствует частоте настройки сверхрегенератора. Пики на частотах 28...30 МГц где-то на 15 дБ меньше, а на частоте 43 МГц уже на 20 дБ меньше чем на частотах 14. ..15 МГц. Повышенный уровень шумов был обнаружен и на частотах 1, 2 и 5 МГц. Если это гармоники частоты автогашения, то в таком случае мы должны были бы иметь пики шумов и на частотах 3 и 4 МГц. Ответ на такое несоответствие могло бы дать разложение импульсов пилообразной формы в ряд Фурье, однако такое исследование уже выходит за рамки изучаемых явлений. Как видно из рис.8 схема по варианту “В” также демонстрирует наличие подобных шумов на частотах около 14, 28...30 и 43 МГц. При этом, по сравнению с вариантом “А”, амплитуды их изменились немного - менее чем на 10 дБмкВ. Таким образом, подтверждается, что спектр данного сверхрегенератора имеет дискретный характер, а вместо несущих наблюдаются лишь узкие шумовые зоны, как если бы с помощью НЧ шума осуществлялась узкополосная ЧМ (такой передатчик, по-видимому, также дает ряд “шумовых” зон на “гармониках” несущей). Анализ графиков показывает, что в спектре сверхрегенератора наиболее выражены шумовые пики, соответствующие приему на первой, второй, и третьей гармониках частоты настройки приемного контура сверхрегенератора. При этом наибольшую амплитуду имеет пик на первой гармонике (частоте настройки приемника). Однако исходную схему барьерного LC-автогенератора можно дать и в ином, более симметричном виде (рис.9). В этом случае между контактами 1 и 2 автогенератора ставится перемычка, а параллельный LC контур включается между контактами 3 и 4. Вследствие большой симметричности этой схемы перемычку и LC контур можно поменять местами. При этом, в принципе, ничего не должно изменяться (считая, что VT1 и VT2 идентичны). Можно попробовать между контактами 1 и 2 включить один LC контур, а между 3 и 4-другой. Реализация этой идеи (двухконтурный барьерный автогенератор) представлена на рис. 10.

Контуры при этом могут быть как идентичными (L1=L2, С3=С4), так и различными (L1≠L2, С3≠С4). Если ω_L1C3=ω_L2C4 происходит синхронизация, и тогда 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 [5]. Следует также отметить, что схема с двумя контурами весьма близка к схеме триггера, приведенной на рис. 11. В этой связи можно ожидать, кроме двухчастотной работы, в какой-то мере и возможности фиксации (на некоторое короткое время) состояния автогенератора на генерировании какой-то одной частоты (т.е. как бы при одном состоянии подобного “триггера”). При этом следует, по-видимому, ожидать как своеобразной конкуренции колебаний, так и дальнейшей возможности возникновения хаотических колебаний [6]. Автором был изготовлен и опробован двухконтурный сверхрегенератор, т.е. вместо одного, как показано на рис. 7, было установлено два контура (по типу схемы на рис. 10). Как показали проведенные исследования, исходный приемник с одним LC контуром при приеме AM (90%) сигнала на частотах 14,25 МГц (первая гармоника), 28,50 МГц (вторая гармоника) и 42,75 МГц (третья гармоника) продемонстрировал следующую чувствительность (на уровне “еле слышно в головных телефонах”): 0,5 мкВ (-6 дБмкВ) - для первой гармоники; 1500 мкВ (=69 дБмкВ) - для второй гармоники; 1500 мкВ (=69 дБмкВ) - для третьей гармоники.

После установки второго контура (L=220 мкГн, С=0,1 мкФ) частота первой гармоники немного изменилась (стала 14,50 МГц), а чувствительность соответственно стала: 0,5 мкВ (-6 дБмкВ), 1500 мкВ (=69дБмкВ) и 30000 мкВ (=96дБмкВ). Как видно при введении дополнительного низкочастотного контура получаем выигрыш в селективности по приему на третьей гармонике: 95,563026-69,542424=26,020602, т.е. приблизительно на 26 дБмкВ, или в 20 раз по напряжению! Таким образом, двухконтурный сверхрегенератор обнаружил бОльшую селективность по одному из побочных каналов приема, чем одноконтурный.

В заключении отметим, что сверхрегенеративные приемники являются удобными объектами для испытания и модернизации различных узлов - УРЧ, фильтров и др. При создании новых генераторов ВЧ также всегда полезно проверить возможности таких конструкций в качестве сверхрегенеративного детектора с самогашением (или внешним гашением). В этой связи открываются возможности создания новых схем простых приемников. Из-за достаточно широкой полосы приема сверхрегенеративные приемники являются удобными объектами для проверки различных Q-умножителей, а тщательно экранированный сверхрегенеративный детектор может являться и достаточно мощным источником низкочастотного случайного (стохастического) шума. Поскольку возможные полезные приложения сверхрегенераторов далеко не исчерпаны, можно с уверенностью сказать, что приемники на их базе еще долго будут востребованы в радиотехнической практике.

Литература

1. Белкин М.К. Сверхрегенеративный прием. - Киев, “Технка”, 1968.
2. Сверхрегенераторы. Под ред. Белкина М.К. М.: “Радио и связь”, 1983.
3. Артеменко В. Сверхрегенеративный приемник. - “Радиомир”, 2002, №10, с.3-5.
4. Григоров И. сверхрегенеративный приемник: ИФ и реальность. - “Радиолюбитель”, 1994, №1, с.42-45.
5. Неймарк ЮМ., Ланда П.С. Стохастические и хаотические колебания. - М: “Наука”, 1987.
6. Кальянов Э.В. Управление колебаниями хаотической бистабильной системы. - “Радиотехника и электроника”, 1999, №3, с.315-323.

“Радиохобби” №5, 2006
Владислав Артеменко (UT5UDJ)