Достоинства супергетеродинных приемников: большая и постоянная чувствительность, высокая избирательность, возможность регулирования ширины полосы принимаемых частот и возможность автоматического регулирования усиления.
К недостаткам этих приемников надо отнести следующее: склонность к помехам интерференционного типа, сравнительно большая масса (в типовом любительском исполнении) и высокая стоимость (такой приемник примерно в 3 раза дороже сверхрегенеративного приемника).
Супергетеродинные приемники имеют одно существенное преимущество перед сверхрегенеративными, а именно высокую избирательность, облегчающую выполнение все более жестких технико-правовых требований и позволяющую одновременно управлять даже 12—32 различными моделями, расположенными поблизости друг от друга. Супергетеродинный приемник должен взаимодействовать с передатчиком, частота которого стабилизирована кварцевым резонатором.
Сделаем краткий обзор свойств элементов супергетеродинного приемника для дистанционного управления моделями.
Усилитель ВЧ
Применяют два вида входных устройств супер-гетеродинных приемников: с каскадом УВЧ или без него (рис. 5.11, 5.12 а). Во втором случае обычно применяют селективный входной контур.
Встречается также экранирование входного контура, а иногда и смесителя. Этим способом приемники дополнительно защищают от посторонних помех, а также от помех со стороны исполнительных механизмов. Каскад УВЧ обеспечивает увеличение чувствительности (что, впрочем, не всегда необходимо), а также большую возможность АРУ (автоматического регулирования усиления) приемника. Однако этот каскад должен быть выполнен на транзисторе с возможно меньшим уровнем собственных шумов. Регулируемый каскад УВЧ защищает от перегрузки находящийся вблизи передатчика приемник, но при этом может появиться перекрестная (мешающая) модуляция. Дело в том, что чужой передатчик, работающий на совершенно другой частоте, может в определенных условиях модулировать несущую ВЧ нашего передатчика. Это является следствием нелинейности характеристики работы каскада ВЧ в приемнике, а также глубины модуляции чужого передатчика. Для этого используют корректирующие обратные связи и фильтры в каскаде ВЧ и смесителе приемника или же отказываются от АРУ. Помогает также уменьшение усиления каскада ВЧ, но это уже в крайнем случае.
В настоящее время во входных каскадах ВЧ и смесителях все чаще применяют полевые транзисторы FET и MOSFET. Так, построен приемник «Varioprop» (см. рис. 14.28). В приемниках без каскада УВЧ тоже можно использовать полевые транзисторы, хотя малые напряжения питания 4,8 В ограничивают диапазон их применения. Следовательно, надо использовать лучшие экземпляры полевых транзисторов, питать их от отдельной субминиатюрной батареи 9 В или от преобразователя напряжения.
Гетеродин и смеситель
Для обеспечения устойчивой работы супергетеродинного приемника и для сохранения необходимой ширины полосы от 3 до 10 кГц необходимо применять гетеродины с кварцевыми резонаторами.
Частоту кварцевого резонатора для гетеродина приемника вычисляют следующим образом (для примера выбран канал 19 по табл. 3.1):
- Рабочая частота передатчика — 27,145 МГц
- Промежуточная частота приемника — 0,465 МГц
- Частота кварцевого резонатора приемника — 26,680 МГц
Большинство кварцевых резонаторов, применяемых в устройствах для дистанционного управления, имеют допуски частоты +0,01 до ±0,002%. Это значит, что на практике рабочая частота передатчика может на столько отличаться от рабочей частоты гетродина в приемнике. Что отсюда следует? При наличии самых неблагоприятных отклонений частот (суммы обоих дополнительных или отрицательных допусков в кварцевых резонаторах передатчика и приемника) необходимая промежуточная частота равна не 465, а 455 или 470 кГц.
Следуют выводы:
- в супергетеродинных приемниках для дистанционного управления можно применять любые классические фильтры ПЧ от 455 до 470 кГц;
- фильтры ПЧ можно легко перестраивать сердечниками в диапазоне ±2,5% (для частоты 465 кГц от 453 до 472 кГц), чтобы приспосабливать их к конкретным кварцевым резонаторам;
- кварцевые резонаторы для передатчика и приемника можно подбирать раздельно.
На рис. 5.13 и 5.14 приведены схемы приемников с кварцевыми резонаторами.
Для приемников, как правило, применяют субминиатюрные кварцевые резонаторы. Это камертонные резонаторы с наконечниками для гнезд или для впаивания в схему.
Гетеродин должен быть экранирован, а в цепи питания включены дроссели. Вырабатываемый сигнал должен иметь амплитуду, достаточную для работы смесителя. Для эффективного подавления колебаний гармоник гетеродин настраивают с помощью анализатора спектра, так как настройка с помощью осциллографа недостаточно точна. Для хорошей работы каскада катушки контура гетеродина должны иметь добротность 80 и больше, германиевые транзисторы должны иметь β≥80, а кремниевые — больше 150. Это должны быть транзисторы с граничной частотой выше 90 МГц.
При появлении зеркальной помехи (это разница между рабочей частотой приемника и удвоенной промежуточной частотой, см. рис. 5.10 б) чужой передатчик, работающий вне полосы 27 МГц в диапазоне 26,027—26,382 МГц, может мешать работе супергетеродинного приемника. В качестве защиты в приемниках применяют входные контуры с хорошей избирательностью и используют более высокие промежуточные частоты.
Входные каскады приемников делают обычно широкополосными, чтобы избежать перестройки при замене кварцев и резонаторов каналов. Поэтому зеркальная частота частично подавляется в предварительном каскаде ВЧ. В этом случае ограничиваются только одним каналом ВЧ: подстройкой к нему входного каскада и уменьшением связи между контурами.
Для подавления зеркальных частот применяют следующие меры: увеличивают число предварительных каскадов при сохранении малых типовых частот ПЧ; используют большую промежуточную частоту, что позволяет получить ширину полосы НЧ около 5 кГц с пьезокерамическим фильтром; применяют схемы двойного преобразования с большой первой промежуточной частотой и меньшей второй.
Интересно отметить, что для приема сигналов только на одном постоянном канале ВЧ нет надобности применять супергетеродинный приемник. Тут достаточен сверхрегенеративный приемник с узкополосным кварцевым фильтром, расположенным между антенной и входом схемы.
Усилитель ПЧ
Усилители ПЧ могут работать в схеме включения транзистора с ОЭ или с ОБ. В первом случае требуется нейтрализация, предотвращающая самовозбуждение усилителя, во втором случае усилители работают более устойчиво, но обеспечивают меньшее усиление (тут надо применять транзисторы с более высокими эмиттерными токами).
В качестве фильтров ПЧ обычно применяют детали от транзисторных радиовещательных приемников или же пьезокерамические фильтры. Последние отличаются механической и электрической устойчивостью и высокой добротностью. Применение их уменьшает опасность появления перекрестной модуляции и вредных связей, облегчает согласование и взаимодействие с интегральными схемами. Кроме того, упрощаются сборка и регулирование приемника. Рекомендуется устанавливать пьезокерамические фильтры на монтажной панели вертикально. Часто встречаются также смешанные системы фильтров ПЧ, состоящие из одного-двух пьезокерамических фильтров и двух-трех классических фильтров. Это облегчает согласование полных сопротивлений и улучшает избирательность приемника.
Схема супергетеродинного приемника с пьезокерамическими фильтрами приведена на рис. 14.8.
Дальнейшее улучшение избирательности усилителя ПЧ может быть достигнуто использованием миниатюрного ступенчатого пьезокерамического фильтра, который обеспечивает ширину полосы пропускания 10 кГц. На рис. 5.15 а приведена схема супергетеродинного приемника со ступенчатым пьезокерамическим фильтром, а на рис. 5.15 б — характеристика полосы пропускания в сравнении с приемником с тремя классическими фильтрами ПЧ. Этот приемник (подобно приемнику, представленному на рис. 14.8) можно применять как для пропорционального, так и для дискретного управления, он воспроизводит модулирующие частоты примерно до 8 кГц.
В последнее время стали разделять функции фильтров и усилителей Г1Ч как совершенно отдельных элементов (рис. 5.16). Достоинством этого является отсутствие взаимных помех. Применение кварцевого фильтра с частотой 9 МГц более выгодно с точки зрения избирательности, чем пятиконтурного LC-фильтра с частотой 465 кГц.
В классических фильтрах ПЧ на ширину полосы пропускания влияют добротность контуров, регулирование связи и применение транзисторов ВЧ с βст=30÷150 и граничной частотой не менее 15 МГц. Чем меньше граничная частота транзистора, тем больше должен быть его коэффициент усиления β. Однако усиление отдельных каскадов не должно превышать 22—30. Фильтры ПЧ должны быть экранированы или размешены на монтажной панели с учетом взаимных связей.
Приведем ширину полосы пропускания ПЧ для некоторых супергетеродинных приемников заводского изготовления: Metz «Меcatron» — 68 кГц, Multiplex — 101 кГц, Telecont — 48 кГц, Grundig «Varioton-S» (старый вариант) — 20 кГц, Multiplex, Digitron и Simprop — 18 кГц, Grundig «Varioprop» и «Robbe», Futaba DP — 14 кГц, Grundig «Digital»-RX 14" — 10 кГц, Metz «Digiprop» — 7,5 кГц, «Micro-Prop» и «Ргор-Control» — 3 кГц. Следует напомнить, что ширина полосы пропускания в сверхрегенеративных приемниках практически равна 1% частоты сигнала ВЧ, т. е. около 270 кГц.
Детектор, АРУ и усилитель НЧ
Детектирование сигнала не отличается от обычно применяемых решений с диодом или транзистором. Это относится к принципу автоматического регулирования усиления (АРУ). Однако требуется очень большой диапазон регулирования. Чаще всего встречается устройство АРУ, действующее с задержкой и охватывающее входной каскад, смеситель и первый каскад усилителя ПЧ в приемнике. Введение АРУ в других каскадах ПЧ лучше, но грозит появлением искажений.
Существует мнение, что лучше, чтобы предварительный каскад ВЧ имел АРУ, ограниченное только диапазоном около 20 дБ, а смеситель оставался без регулирования, но тогда основное регулирование осуществляется в УПЧ.
В приемниках первых цифровых аппаратов для пропорционального управления (например, «Digicon») диапазон действия АРУ составлял меньше чем 6 дБ. В современных аппаратах диапазон действия АРУ составляет 65 дБ (RCS «Digi-Four/Six») и даже 120 дБ («Varioprop»). Благодаря этому компенсируются колебания напряжений во входном контуре приемника, вызываемые, например, изменением положения модели относительно передатчика.
Еще одной возможностью для любительского конструирования супергетеродинных приемников для дистанционного управления модели является переделка обычных миниатюрных транзисторных радиовещательных приемников путем добавления к их входу приставки, так называемого конвертера (рис. 5.17).
Приемники с двойным преобразованием частоты
Приемники для дистанционного управления в течение лишь нескольких лет прошли такой этап развития, который радиовещательные приемники прошли за несколько десятков лет. Это был путь от диодного детектора до супергетеродинного приемника. В настоящее время наступает новый этап развития, заключающийся в переходе на супергетеродинные приемники с двойным преобразованием частоты.
Что касается помех, то теоретически коротковолновые передатчики, работающие в полосе 26 и 28 МГц, должны мешать приемникам для дистанционного управления. На практике же ничего подобного не происходит. Если на соревнованиях, на которых 125 радиомоделей выполнили 600 полетов примерно по 10 мин каждый, не было ни одного случая отказа приемника из-за помех, то это дает основание утверждать, что уже в 1971 г. технический уровень супергетеродинных приемников был очень высоким.
Однако количество радиомоделистов и различных радиослужб все возрастает и пора уже думать о ближайшем будущем. Поэтому и говорят теперь о приемниках с двойным преобразованием частоты. Структурная схема такого супергетеродинного приемника приведена на рис. 5.18. Кварцевая стабилизация применяется в первом или во втором гетеродине, или же в обоих сразу. При изменении канала ВЧ (переход на другую ВЧ, близкую первой) достаточно заменить кварц только в одном гетеродине (лучше всего в первом).
Супергетеродинный приемник с двойным преобразованием частоты имеет многочисленные достоинства: он хорошо защищен от зеркальных помех, он очень избирателен и легок в подстройке. К его недостаткам можно отнести большое количество элементов, а отсюда новые опасности появления в приемнике собственных помех.
По сравнению с применяемыми в настоящее время супергете-родинными приемниками приемники с двойным преобразованием частоты не имеют особых преимуществ с точки зрения практической пригодности. Дальность действия в основном такая же, как и в обыкновенных приемниках, избирательность (подавление сигналов, отличающихся на ±10 кГц от рабочей частоты приемника и передатчика) тоже. И, наконец, минимальная ширина полосы пропускания приемников с двойным преобразованием частоты зависит теперь от уровня не техники приема, а техники передачи информации. Более узкой полосы пропускания приемника уже нельзя применять, поскольку сигналы были бы отсеченными, следовательно, искаженными.
Первые серийные супергетеродинные приемники для дистанционного управления моделями с двойным преобразованием частоты появились в мировой практике уже в 1972 г. (например, фирмы Kraft). Все указывает на то, что в ближайшие годы такие приемники станут выпускать многие заводы, производящие устройства для дистанционного управления. На рис. 5.19 приведена схема супергетеродинного приемника с двойным преобразованием частоты. Приемники заводского изготовления с двойным преобразованием частоты имеют, как правило, шесть фильтров ПЧ, экранированный входной контур, полевые транзисторы и 2 или 3 переключаемых миниатюрных канальных кварцевых резонатора, впаянных стационарно.
Приемники ЧМ
В 1972 г. появились первые приемники серийного заводского изготовления для пропорционального управления, работающие с частотной модуляцией (например, Rowan «FM-Spezial-7» или WIK «Dirigent-EM-Spezial-7»). Главной особенностью этих приемников является повышенное сопротивление посторонним помехам. Частотная модуляция полностью обеспечивает непрерывную связь между передатчиком и приемником при управлении, при этом нет манипуляционных пауз, имеющихся, например, при амплитудной модуляции, во время которых в приемник может попасть сигнал помехи.
Кроме того, аппараты ЧМ отличаются постоянством ширины полосы пропускания, повышенной дальностью действия и повышенной надежностью.
Супергетеродинный приемник с двойным преобразованием частоты Kraft KPR-7D имеет промежуточные частоты 10,7 МГц и 455 кГц, потребляет ток 20 мА (с сигналом — 21 мА); чувствительность — 2,3 мкВ при 0,5 В в детекторе; подавление зеркальной помехи лучше чем 60 дБ; подавление гармоник лучше чем 90 дБ; подавление мешающих сигналов лучше чем 80 дБ, имеет полосу 3 дБ для 3 кГц; диапазон рабочей температуры 18—65°С; особо стоек к коротковолновым импульсным помехам и помехам со стороны систем зажигания.
Этот приемник имеет два двухвходовых транзистора MOSFET, пять транзисторов FET, три кремниевых транзистора и два диода. Дешифратор для семи исполнительных механизмов имеет два кремниевых транзистора, один кремниевый диод и две интегральные схемы.
Приемник KPR-7D имеет габаритные размеры 71X34X33 мм, массу — 68 г.