QRP Transiiverin kehittely
MIKSI ?

Aloittelevalle amatöörille alan terminologia voi olla täysin vierasta. Myös kokemukseen perustuva tieto halutun laitteen ominaisuuksista puuttuu.
Kaupasta saatavien laitteiden hinnat ovat siksi kovia, että aloitteleva amatööri voi jäädä kokonaan ilman laitetta.
Tarvitaan laite, jolla aloittelija pääsee alkuun ja jota myöhemmin uskaltaa muokata kasvaneiden tarpeiden mukaiseksi ilman, että budjetti kaatuu.
Tarvitaan myös laite, jolla aloittelija pystyy selvittämään itselleen miten ja miksi radio toimii ja mikä minkin osan tehtävä on.
Varsinkin webistä on löydettävissä valtavat määrät kytkentöjä ja ohjeita. Läheskään kaikki kytkennöistä eivät ole toimivia eivätkä kaikki toimivatkaan suositeltavia. Joukossa on paitsi teknisesti huonoja, myös liian monimutkaisia.

Radio pystytään nykyään toteuttamaan muutamalla mikropiirillä jolloin päästään lähes ammattitasoiseen tulokseen. Tämä tapa ei kuitenkaan anna aloittelijalle mahdollisuutta perehtyä radion toimintaan. Kasvatuksellisessa mielessä olisi tehokkaampaa tehdä kaikki virheet itse. Ainakin itse olen paljon ylpeämpi täysin itse kyhätystä häkkyrästä, kuin valmiina kaupasta ostetusta, vaikka sitten tuossa itse tehdyssä Irakin radion toimittaja puhuisi selkä mikrofonia päin kilpaa naapuribandin amatöörisähköttäjän kanssa.

YLEISTÄ

Tarkoitus on ensin keskittyä pelkkään vastaanottimeen ja ottaa lähetin työn alle vasta kun Rx-puoli ensin toimii.
Hypätään yli kidekoneista ja regeneratiivisista vastaanottimista. Nämä ovat jääneet suositummuudessa uudempien tyyppien taakse. Tämän hetken suosikki on SUORA SUPERI. Suora Superi on toiminnaltaan siksi yksinkertainen, että se puoltaa paikkaansa aloittelijan vastaanottimena. Kuitenkin sen ominaisuudet riittävät varsin monipuoliseen työskentelyyn. Sitäpaitsi hyvin suunniteltu SS on mahdollista myöhemmin laajentaa Superiksi ja siihen on mahdollista liittää kaikki halutut Turbo-LCD-DSP-Quartz -koristeet.

Toivottavasti en ole seonnut nimityksissä. Minä olen käsittänyt asian näin:
Kidekoneessa signaali ilmaistaan suoraan epälineaarisella komponentilla, kiteellä.
Regeneratiivinen vastaanotin käyttää Q-arvon parannuksessa hyväkseen signaalin takaisinkierrätystä.
Suora vastaanotin suodattaa halutun signaalin antennilta tulevasta taajuusmassasta ja vahvistaa sen. Ulostuleva signaali on edelleen radiotaajuista, joten pelkkä suora vastaanotin ilman ilmaisua on useimpiin tarkoituksiin käyttökelvotonta.
Suorassa superissa on yksi mikseri ja yksi välitaajuus. Äänisignaali saadaan esiin sekoitustulosta suodattamalla.
Superissa on kaksi tai useampia välitaajuuksia.

Tässä artikkelissa käsitelty laite on koetettu jakaa yksinkertaisiin osiin eli moduleihin, jotta osien korvaaminen toisilla olisi mahdollista.

Suora Superi

Osien nimitykset:
A -Antenni
B -RF-filtteri tai antenninvirityspiiri
C -RF-vahvistin
D -mikseri
E -paikallisoskillaattori (1)
F -Black Box
G -AF-suodatin
H -AF-vahvistin
I -kovaääninen
J -Virtalähde
N -välitaajuusvahvistin (1)
P -vahvistin

RF tarkoittaa Radio Frequency eli radiotaajuus, AF taas Audio Frequency eli äänitaajuus.

RF-filtterin tehtävänä on poimia taajuuksien merestä kapea taajuusalue edelleen käsiteltäväksi. Saalis vahvistetaan uV -tasolta käyttökelpoisemmaksi RF-vahvistimella. Mikserissä tähän signaaliin Frx summataan oskillaattorin E taajuus Fosc, jolloin saadaan sekoitustuloksina seuraavat taajuudet:

Taajuudet Fosc Frx Fosc + Frx |Fosc - Frx| (itseisarvo ! )

Esimerkiksi: 3650000 Hz 3650400 Hz 7300400 Hz 400 Hz

Näistä signaaleista poimitaan jatkojalostukseen Fosc+Frx tai Fosc-Frx AF-suodattimella. |Fosc - Frx| on suoran superin tapauksessa jo äänitaajuudella ja Fosc + Frx kaksinkertaisella taajuudella. AF-suodattimessa voidaan siis taajuudet Frx, Fosc ja Fosc + Frx suodattaa pois suhteellisen loivalla alipäästösuotimella.

Suoran superin kuvassa jäi käsittelemättä tuo BlackBox. Siinä sillä tarkoitetaan suoraa johdinta. Seuraavassa kuvassa BlackBox saa selityksensä:

Superi

Suoraan superiin nähden on Black Box korvattu seuraavilla osilla:
K -Välitaajuussuodin
L -mikseri
M -Paikallisoskillaattori (2)
N -välitaajuusvahvistin (2)

Lisäksi paikallisoskillaattorin (1) taajuutta pitää muuttaa joko Fosc + Fosc2 tai Fosc - Fosc2.

Välitaajuussuodin on yksinkertaisimmillaan kolmijalkainen komponentti, joka ei montaa euroa maksa. Varsin yleinen suotimen taajuus on 455kHz.

Toisin sanoen Suorasta superista päästään seuraavalle portaalle suhteellisen helposti.

Sukellus syvemmälle

Sopivien L ja C -arvojen valintaan on erilaisia nyrkkisääntöjä. Yksi hyvä tapa on käyttää elektroniikka-simulaattoria PC:ssä ja tutkia eri arvojen vaikutusta. Yksi mahdollinen arvopari on esimerkiksi L = 10uH, C=170pF.

Kasvattamalla induktanssia ja pienentämällä kapasitanssia näistä arvoista saadaan terävämpi suodatin, mutta osien saatavuuden kustannuksella. Olen protoillessa käyttänyt viritysosana 65pF trimmeriä, joka on suurin käsiin helposti sattuvista trimmereistä. Vanhanaikaisien (esim) 365pF säätökondensaattorien saatavuus on satunnaista.

Keloista 10 uH on mahdollista toteuttaa monella eri tavalla. Klassisesti suosituin on ilmasydäminen yksikerroksinen kela, jonka sekä laskeminen, että valmistaminen on helppoa. Ikävänä puolena on se, että tälläinen kela häiriintyy helposti ympäristönsä magneettikentistä. Lisäksi Ilmasydämiset kelat ovat yleensä harmillisen isoja.

Ilmasydämisen kelan laskemiseen voi käyttää seuraavaa yhtälöä

L = d^2 * n^2 / 25.4 / (18 * n +40 *p)
L = Induktanssi (uH)
d = Kelan halkaisija (mm)
n = Kelan kierrosluku
p = Kelan pituus (mm)

Toinen mahdollisuus on toroidisydäminen kela, jonka hyvänä puolena on tunteettomuus ympäristön magneettikentille sekä pieni koko. Ikävänä puolena on toroidien saatavuus. Jokaisella valmistajalla on omat värikoodinsa eikä toroideissa yleensä ole mitään merkintää, josta sen arvot voisi tunnistaa. Toroidin käyttöä pitää siis vältellä DIY-rakenteissa, mikäli kelan induktanssi ja taajuusominaisuudet ovat kriittiset.

Kolmatena mahdollisuutena on pienoiskuristin, joka on halpa ja pienikokoinen. Ferriittirunkoisena se on kohtuullisen tunteeton ympäristön vaikutukselle. Kuristimet on lisäksi merkitty värirenkailla, joten niiden tunnistaminen on helppoa. Huonona puolena on kuristimessa käytetystä ohuesta langasta johtuva suurehko vastus ja sitä kautta huono Q-arvo. Käytännössä pienoiskuristimella toteutulla RF-filtterillä pystyy kuitenkin kohtuullisen hyviin tuloksiin lähialueilla.

Kokeilin vastuksen vaikutusta tulokseen lisäämällä 1 Ohm vastuksen sarjaan seuraavan kuvan kelan L1 kanssa. Ulos saatava signaalivoimakkuus putosi melkein puolella ja Q-arvo romahti.

Kuvan (RF-suodin + RF-vahvistin) kytkentää on tutkittu simulaattorilla, muttei luonnossa.
L1 ja C2+C3:n mitoitus ilman muita komponentteja oli helppo juttu. Tuloksena oli kuitenkin hyvin loiva filtteri. Kondensaattori C1 osoittautui tärkeäksi. Aluksi vaikutti siltä, että valitsemalla C1 (pieneksi) sopivasti saadaan valtava Q-arvo. Kuitenkin transienttivasteen tutkiminen paljasti, että piiri värähtelee helposti taajuuksilla, jotka huonontavat tulosta. Kasvattamalla C1:tä värähtelytaipumus katosi, samoinkuin piirin terävyys.

Lisää RF-asteesta toisella sivulla.

RF-vahvistin

Mikseri

Kuvan kytkennässä diodit muodostavat oskillaattorin tahdissa toimivan kokoaaltotasasuuntaajan. oskillaattori pitäisi ilmeisesti olla digitaalinen, jotta signaalin vääristymiseltä vältyttäisiin siniaallon kohdissa, joissa oskillaattorilta tuleva signaali on liian heikko avaamaan diodia. Digitaalisignaali tuo kuitenkin mukanaan harmonisia taajuuksia, jotka pitää suodattaa pois. Käytetään jatkossa mahdollisimman puhdasta siniaaltoa.

Miksereitä on lukemattomia erilaisia. Ohessa kuva hyvin toimineesta, joskin yksinkertaisesta balansoidusta mallista. Balansoidun mikserin etuna on, että siinä päästään helpommin eroon taajuuksista Frx ja Fosc. Jäljelle jäävät vain Frx+Fosc ja Frx-Fosc. Trimmeri 1k, Diodit 1n4148 toimivat, mutta Schotky BAT-82 antoi hieman paremman tuloksen. Muuntaja on halkaisijaltaan 8 mm toroidille käämilangalla käämitty 6+6:27. Toroidi löytyi lelulaatikosta. C1 = C2 = 10 n, R2 = 100 Ohm.

Liitetään mukaan vielä toinen mikserityyppi, jolle en tässä anna mitään nimeä. Siinä oskillaattorilta tulevalla signaalilla ohjataan FET:n vahvistusta, jolloin FET toimii epälineaarisena komponenttina. Tämän mikserin lähdössä näkyvät kaikki neljä taajuutta, mikä pitää ottaa huomioon suodatinta suuniteltaessa.

Kuvan komponenttiarvot on kopioitu kahvilan pöytäliinasta: R1 = 1k R2 = 4k7 R3 = 100 C1, C2 = 1n FET = BF245

Malliksi vielä Dual Gate FET:llä toteutettu mikseri:

"T1 and Cx are resonant but they can be replaced with a resistor and capacitively couple the output to the next stage. In this manner you can use this mixer for audio frequencies. This mixer gives typically +10dB of voltage gain and is very surprisingly not as noisy as its valve counterpart! The only dissadvantage is that it cannot handle huge signals and the device usually needs to be handled with extreme care as they are static sensitive. Typical device - BF981" Kopio sivulta: http://w1.859.telia.com/~u85920178/blocks/mixers-1.htm

Dual Gate mikseri on kytkentäkaaviona tarkasteltuna hieno ratkaisu - yhdellä kivellä pystytään hoitamaan monimutkainen toiminto. Käytännössä Kytkentä paljastuu hieman ikävämmäksi. Käytetyt Dual Gate -kivet ovat ilmeisesti kaikki hyvin herkkiä asennusvirheille. Pienikin staattinen purkaus tappaa kiven. Webistä löytyneissä kytkennöissä on käytetty seuraavia tyyppejä: 2N201,3SK45,3SK60,3SK88, BF900,BF960,BF981,BF988. Hinnat eivät ole pahoja, jokseenkin samaa luokkaa edullisimmillaan, kuin tavallisemmillakin FET:llä

Dual Gate voidaan toteuttaa myös toisin, oheisen kuvan mukaisesti:

Mikserin kaipaamat signaalitMiksereitä koskevissa keskusteluissa annetaan mikserille tuotavien signaalien suuruudelle seuraava ohje:
oskillaattorin signaalin tulee olla huomattavasti voimakkaampi, kuin RF. Sitä rajoittaa yläpäästä se, että signaali ei saa leikkaantua käyttöjännitteen takia. Toisaalta signaalin pitää olla sen verran voimakas, että epälineaarinen komponentti toimii. Käytettäessä diodia epälineaarisena komponenttina pitää LO-signaalin olla siis reilusti yli 0.6V. Tämä rajaa samalla laitteen käyttöjännitteen alarajan: sen tulee olla korkeampi, kuin 0.6V.

Paikallisoskillaattori

Oskillaattorin taajuutta säädetään 65pF trimmerillä, mutta mikään ei estä käyttämästä kapasitanssidiodiakaan. Muuntaja on 10uH pienoiskuristin, jonka päälle on kierretty 5 kierrosta käämilankaa. FET on BF245. Oskillaattorin vakavuus paranee maata vasten olevalla n. 100 Ohm vastuksella ja 6.8nF konkalla. Vaikutus mitattiin käytännön kokeiluissa. Muut komponentit on ladottu paikoilleen lelulaatikosta sen enempiä miettimättä.

Oskilaattorin vakavuus on tärkeää. Tässä esitelty malli mahdollistaa normaalin käsivaraisen toiminnan, mutta digi-modeilla, joissa yhteyksien kesto voi olla kertaluokkaa pidempi, kannattaa asiaan paneutua paremmin.

Oheisessa kuvassa on mukana myös bufferivahvistin sekä mikseri.(katso myös uudempi kuva).

R1,R2,R3,R6,R7,R8 = 100 Ohm
R4, R5 = 100 trimmeri
C1 = 6n8
C2 = 22p
C3,C4 = 10n
C5 = 470n
D1,D2 = 1N4148

AF-suodatin

AF-vahvistin

Linkkilista

Projektin tila ja tulevaisuus

Esan, OH1GU, kanssa on parhaillaan menossa kevyt kisa tästä vastaanottimesta. Esa näkee toisena mahdollisuutena mikropiireistä kootun laitteen, joka saattaa olla alkeislaitetta seuraava malli. Minä kuitenkin vielä puolustan kasvatuksellisistä syistä diskreettikivistä koottua.

Jos sinulla on hyviä ideoita AGC:n ja lähetinpuolen rakentamiseksi, ilmoittele minullekin. Kaikki muutkin kehitysideat otetaan ilolla vastaan. Tulen jatkamaan tämän sivun kehittely kunnes käytössä on toimiva lähetin-vastaanotin.
Viikonloppu on tulossa (22.08.03). Tarkoitus on kehitellä pelkästään FET:teihin perustuva esiaste sekä mikseri buffereineen. BF245A maksaa yksin kappalein n. 50c ja lähes vastaava BF256A n. 31c. Käyttämällä joka kohdassa samanlaisia FETtejä pääsee rakentelija käyttämään tarjouksia hyväkseen osia hankkiessaan. Alustavasti tämä näyttäisi täysin mahdolliselta ja hyvältä ratkaisulta.

Tarkoitus ei ole tehdä laitetta itselleni, vaan tarjota sen ideat vapaasti jakeluun. Itselleni tämä on ollut hyvin opettavaista tiedonhankintaa.

Pyyntö lukijalle