История моей (UF8F) аппаратуры

Как уже говорилось в предыдущих постах и комментариях, меня в 2019 году угораздило открыть радиолюбительскую лицензию и выползти в эфир. Первый раз экзамен сдавался в 2003 или 2004, но по ряду причин, в основном — финансовых, его воплощение в позывном остановилось. Не было и денег на готовый трансивер, и особого знания, где и как его купить. Поэтому не обошло стороной желание побыть «самодельщиком», подпитанное радиокружком.

За душой, пожалуй, есть минимум три трансивера, которые так и не были собраны. Это вполне известные конструкции — вторая версия конструкции Якова Семёновича Лаповка UA1FA, известная в массах как «строю‑недострою» (ссылка на первую версию), «Радио-76М2», о котором не так давно писал статью Дмитрий RD9F @dmitriyrudnev, автор открытого SDR‑проекта «Селенит», и трансивер Погосова на 160 м. Правда, совладать с ними так и не вышло, а сейчас в эфир я выхожу на промышленных аппаратах: Yaesu FT-897 дома и FT-857 — в машине; для полей и QRP имеется хоть и не промышленный, но купленный готовым «Маламут М2 мини», разработка Евгения R3DI.

С нами в кружке активно тусил Костя UA9FAQ, и он предлагал мне недоделанный трансивер авторства Владимира Дроздова RA3AO, о котором дальше и пойдёт речь. Там было в основном железо почти без плат, что занимает, наверное, две трети работы. Трезво оценивая навыки, покупать его я не стал, но желание, конечно, сохранилось — этот аппарат действительно легендарный. Несмотря на создание в начале 1980-х, по отдельным параметрам качественно собранный «Дроздивер» и сейчас обставит и многие самоделки, и промышленную технику.

В декабре 2023 года на глаза попалось заманчивое объявление, и после короткой переписки с не первым владельцем, Михаилом R3TF, посылка на 10 кило из Нижегородской области аккурат перед новым годом прибыла в Пермь. На столе появился вот такой, побитый временем и переделками, но не потерявший своей красоты, чёрный ящик, уверенно работающий на приём, и, к сожалению, едва‑едва на передачу.

Думаю, если сравнить с псевдо-заводским оригиналом на фото ниже, можно увидеть отличия даже по фото лицевой панели. Другой верньер, три тумблера слева от ручки настройки, а не четыре кнопки справа от неё, вынесенные на переднюю панель гнёзда 3.5 мм для микрофона и наушников. А ещё прикольная надпись «Hi‑Fi transceiver».

За время новогодних каникул была проведена полная ревизия и приобретена большая часть компонентов, нужных для восстановления. Павел RA8F предоставил почти полный комплект печатных плат заводского качества. А потом начались долгие канифольные вечера. Но начну издалека, а то будет неинтересно.

Зачем был создан трансивер RA3AO?

Очные соревнования по КВ-радиосвязи

Первая обзорная публикация собственно о «Дроздивере» приходится на № 8 журнала «Радио» за 1985 год, а боевое крещение аппарата, принесшее всесоюзную славу и автору, и схеме, состоялось в 1986 г. на первом очно‑заочном чемпионате СССР по радиосвязи на коротких волнах, где Владимир Дроздов RA3AO одержал уверенную победу в составе команды Москвы.

Прочесть заметку о чемпионате можно в № 1, 1987 год: стр. 15, стр. 16. Цикл статей с названием «Узлы современного КВ трансивера» открывается в № 3 за 1984 год и продолжается с перерывами в течение двух лет. А в 1988 г. автор издал книгу «Любительские КВ трансиверы» (серия «Массовая радиобиблиотека», выпуск 1118), где изложил свои основные наработки.

Подавляющее большинство соревнований на КВ и УКВ происходят заочно, «на местах расположения участников». Это приводит к однозначному неравенству условий для спортсменов — у одних в пределах типичного радиуса связи (1–3 тыс. км для разумных антенн и мощностей) много потенциальных корреспондентов, а кто‑то обитает в безлюдной глуши. И умножаем это на изменчивое прохождение радиоволн, различное на разных широтах и во времени суток.

Поэтому крупные соревнования традиционно длятся от 12 часов, чаще полные сутки, чтобы у всех прохождение прошло суточный цикл. Почти всегда есть разделение зачётов по мощности станции, территориальному признаку. Но всё равно спортсмен, работающий из дома на 20–50 Вт и простейшие антенны, понимает, что у него нет шансов тягаться с мощными загородными позициями. Вообще же радиосвязь получается весьма джентльменским спортом с высоким доверием на предмет соблюдения регламентов.

Введение очной части соревнований, как это сделано на очно-заочном чемпионате России, позволяет максимально уравнять условия. Оргкомитет отбирает для неё около 30 команд, которые распределяются на позиции, расположенные, по обычным меркам, вплотную друг к другу. Поэтому прохождение у всех гарантированно одинаковое. Техническое оснащение тоже уравнено — одинаковые направленные антенны на диапазоны 20, 15 и 10 м на одинаковых мачтах, и антенна типа «Inverted V» на диапазон 40 м на той же мачте, мощность радиостанций ограничена 100 Вт, высота подъёма направленной антенны над землёй — не более 10 м. Участники заочной части остаются в традиционном формате.

Пример расположения очных участников на карте 2019 года

Динамический диапазон

Эфир в ситуации, когда рядом работает куча станций, накладывает жёсткие требования на возможности используемых трансиверов. Приёмные тракты должны слышать слабые удалённые радиостанции, несмотря на соседей. Мощные сигналы «забивают» слабые, вызывая срабатывание АРУ, создают нелинейные искажения в цепях приёмника. Устойчивость схемы к таким ситуациям определяется динамическим диапазоном (ДД; их выделяется несколько, различных по виду помех и искажений). Если упрощать и обобщать, ДД даёт разницу уровней наиболее мощных и наиболее слабых сигналов, которые могут быть приняты без искажений.

С другой стороны, для вылова самых слабых сигналов в эфире нужно уменьшать собственные шумы аппаратуры. На КВ минимум шкалы S‑метра стандартизирован на уровне 0,2 мкВ на 50-мном входе приёмника. Однако по качественной оценке S1 описывается как «едва слышно, приём невозможен», а S2 — «прием почти невозможен». Можно отталкиваться от того, что минимальный сигнал — это S3, 0,8 мкВ. В городских условиях требования по чувствительности можно ослабить, потому что индустриальные помехи, усилившиеся с массовым приходом в дома простейших импульсных блоков питания и светодиодного освещения, наводят на антеннах десятки мкВ, но в чистом эфире и охоте за DX минимум собственных шумов критичен.

Для сравнения, чувствительность вещательной аппаратуры высшего класса по ГОСТ 5651–89 установлена на уровне 50 мкВ на входе, что эквивалентно S9. Но в ГОСТ указано, что это при отношении сигнал/шум на уровне 50 дБ. В любительском эфире, по некоторым оценкам, иногда нужно иметь дело с сигналами не больше чем на 10–12 дБ выше уровня шума, в телефонном режиме. При работе телеграфом пределом слышимости можно считать сигналы на уровне шума, с С/Ш = 0 дБ и даже ниже, до -6 дБ.

Ключевые элементы приёмного тракта

Итак, по приёму получается классическая инженерная задача, состоящая из сплошных противоречий. Слабых услышать, от сильных не перегрузиться, и всё это одновременно.

Эффективным решением стали усилители и смесители на мощных СВЧ‑транзисторах, которые сохраняют линейность в широком интервале уровней сигнала, если сделать их ток покоя повыше — и, соответственно, имеют высокий ДД. В RA3AO входной смеситель содержит четыре КТ610 наподобие ячейки Гилберта. Ток узла выставлен около 50 мА, пары транзисторов коммутируются в противофазе специально сформированным меандром. В итоге это обеспечивает динамику, по автору, не хуже 110 дБ. У многих промышленных аппаратов ДД не превосходит 90 дБ, и публикация разработки Дроздова вызвала всплеск моды на выжимание максимума этого показателя.

Монтаж платы входного смесителя

Другая особенность схемы, без которой, по распространённому мнению, «дроздивер» не «дроздивер» — это использование вместо традиционного «низкочастотного» ГПД генератора, работающего в диапазоне УКВ (150–200 МГц), на выходе которого включён цифровой делитель частоты. Деление частоты в 10–30 раз, в зависимости от диапазона, даёт, согласно автору, выигрыш в шумах не хуже, чем на 40 дБ по сравнению с иностранной техникой того времени, и тоже даёт свой положительный вклад в ДД.

После Дроздова на долгие годы сложилось убеждение, что синтезатор частот — это хоть и удобно, но очень шумно. И правда, уровень шума даже современных синтезаторов часто превосходит результат связки УКВ генератора с делителем частоты. Похоже, только набирающая обороты прямая оцифровка ВЧ‑сигнала позволила склонить чашу весов в пользу современности.

Ещё некоторые особенности конструкции

Полное разделение тракта приема и передачи

В аппарате RA3AO несколько нетипичная структура. Общими для приёмника и передатчика частей являются только ГПД, частотомер и узел индикации, который на приёме даёт уровень сигнала S‑метра, а при передаче — выходную мощность, а всё остальное разделено. Это сильно упрощает переключения и позволяет сразу контролировать, как звучит ваш сигнал на рабочей частоте. Он просачивается по паразитным связям на вход приёмного тракта, который не выключается при передаче, и проходит тот же путь преобразований и усилений, что и сигналы из эфира.

Разделение допускает ещё одну интересную возможность. К авторскому трансиверу можно подцепить дополнительный приёмник, в оригинале это копия двух третей трансивера, без передающих узлов. Исходная схема их коммутации допускает три варианта:
а) прослушивание и передача только на частоте трансивера;
б) прослушивание и передача только на частоте дополнительного приёмника;
в) в левом наушнике звук с приёмника, в правом — с трансивера, передача на частоте трансивера.
При необходимости схему подключения приёмника можно модифицировать для создания нескольких независимых рабочих мест с общим передающим трактом.

Структура схемы

Приёмник — супергетеродин с одним преобразованием и самодельными кварцевыми фильтрами с полосами пропускания около 3 и 1 кГц. Промежуточная частота у автора — 7,957 МГц, в моём случае — ровно 8 МГц. Выбор её, как часто бывает до сих пор, определяется доступностью резонаторов. Например, есть немало конструкций с ПЧ 8,865 МГц, потому что аналоговое ТВ подарило горы кварцев на 8,867 238 МГц (это удвоенная несущая цвета в телевизионном стандарте PAL).

Передатчик в целом тоже прост, но, как в анекдоте, есть нюанс. В телеграфном режиме сигнал формируется сразу на той же ПЧ и через простейший LC‑фильтр передаётся на смеситель и усилитель мощности — работает одно преобразование частоты.

А в телефонном режиме преобразований неожиданно становится два. Однополосный сигнал формируется сначала на дополнительной ПЧ 500 кГц с помощью стандартного ЭМФ, а затем переносится на 8 МГц. Его можно сформировать прямо на основной ПЧ, используя кварцевый фильтр — но тогда или ещё один фильтр нужен, для сохранения разделённых трактов приёма‑передачи, или нужно пожертвовать преимуществами этого разделения. Ещё раз вспоминаем, что разработка была в 1980-х, кварцы явно взяты автором, какие были, и наверняка в очень ограниченном количестве.

Для переноса 500 кГц на основную ПЧ нужно требуется дополнительный опорный генератор на частоту около 8,5 МГц на прямой боковой полосе, либо 7,5 МГц на инверсной. И нужно сделать так, чтобы каналы приёма и передачи не разбегались. Даже кварцевые генераторы здесь дают разницу в десятки и сотни Гц. И проблема поиска резонаторов на нужные частоты. Если при «круглых» значениях 8,000, 8,500, 9,000 МГц это ещё возможно, то автору нужны были бы кварцы примерно на 8,457 и 7,459. Поэтому опорные частоты получены LC‑генератором, стабилизированным с помощью цепочки ФАПЧ, сравнивающей его частоту с результатом сложения/вычитания 500 кГц и опорника приёмника.

Думаю, что это поистине прекрасный пример костыля. ФАПЧ передатчика, нестабильная и очень критичная к качеству компонентов, за свою историю выпила много крови радиолюбителям.

Куча КМОП и ЭСЛ-микросхем

Как многие конструкции того периода, трансивер RA3AO собран с широким применением дискретной логики. Большинство «медленных» узлов в блоках управления, низкочастотных коммутаторах, частотомер, телеграфный ключ и балансный модулятор для однополосного сигнала реализованы на ИМС 561-й серии. Они удобны, потому что в статичном режиме потребляют какие‑то микроамперы и допускают широкий интервал напряжений питания — в нашем трансивере, например, есть блоки, где ИМС запитаны от +5 В, а где — от +12 В. Благодаря грамотной компоновке аппарата, они мало подвержены наводкам от аналоговых узлов, а при необходимости некоторые цифровые блоки могут быть пересобраны и на ТТЛ ценой роста энергопотребления. Конечно, это иногда выглядит громоздко. Например, частотомер содержит 27 DIP корпусов, и по размеру это самая большая плата в трансивере.

Критичные узлы, для которых нужно наибольшее быстродействие и крутизна фронтов переключений — формирователи меандра для смесителей и делитель частоты ГПД, на входе которого может быть до 200 МГц — реализованы на подзабытой сегодня серии К500. Насколько понимаю, на момент разработки трансивера это действительно были самые быстрые микросхемы из доступных, КМОП ещё не достигли наносекундных скоростей.

К500 и К1500 состоят из биполярных транзисторов и относятся к эмиттерно‑связанной логике (ЭСЛ). В них ключи логических элементов всегда находятся в открытом состоянии, в отличие от предшественников типа РТЛ, ДТЛ, ТТЛ, которые либо закрыты, либо в насыщении, а переход между этими состояниями требует много времени. В результате имеем возможность работы на частотах до ГГц, но ценой огромного энергопотребления. Например, К500ЛМ102 — четыре элемента 2ИЛИ‑НЕ/ИЛИ потребляет до 135 мВт, а схожая К155ЛЕ1 — менее 36 мВт.

Ещё одна необычная сторона ЭСЛ — это напряжения: питание -5,2 В, логическому «0» отвечает -1,7 В, а «1» — -0,9 В. Для стыковки блоков на разных принципах приходится ставить преобразователи уровня. У Дроздова в трансивере они выполнены просто на транзисторах, а так в составе 500-й серии есть пара К500ПУ124, ПУ125 для переходов ЭСЛ‑ТТЛ и обратно.

Нюансы, которые нужно учитывать в эфире

Трансивер требует аккуратности и внимательности при работе с ним.

• На шкале индицируется частота, на которую настроен ГПД. Реальный сигнал может быть в стороне от неё. Например, при работе телеграфом сдвиг определяется разбегом между основным опорником приёмника и телеграфным гетеродином, это 500–1000 Гц. В телефоном режиме и прямой боковой полосе частота на индикаторе точно отвечает границе занимаемой полосы частот, а при инверсии сдвиг равен полосе пропускания основного фильтра, около 3 кГц.

• Простота схемы управления и нацеленность на оперативную работу в соревнованиях дают возможность при работе телефоном нажать на ключ и излучить непрерывную несущую. Или, что хуже, если забыть убавить усиление микрофона и системы VOX, можно случайно начать передавать SSB в телеграфном участке, например, громко чихнув перед трансивером.

• Нет схем сброса и запоминания состояния. При включении аппарат настроен «ни на что», а для запуска делителя частоты ГПД нужно выбрать какой‑нибудь диапазон. Иногда в момент включения из-за мощных импульсов в цепях питания спонтанно включается телеграфный генератор и начинается передача несущей.

• Выходной УМ критичен к качеству изготовления переходных трансформаторов, склонен к самовозбуждению и может лупить в эфир гармониками вплоть до УКВ‑диапазонов. Несмотря на достигнутый регламентированный уровень побочных излучений не выше 50 мВт, это иногда мешает корреспондентам на других диапазонах и уверенно глушит как минимум аналоговое телевидение. При подключении внешнего УМ, который повышает мощность радиостанции, обязательно нужна дополнительная фильтрация сигнала.

Творческие переделки

Купленный трансивер был сильно перелопачен. Для некоторых изменений удаётся придумать объяснение, для каких‑то — нет. Пройдёмся по пунктам, что удалось увидеть при ревизии аппарата.

Изменение внутренней компоновки

Прежде всего, «перевёрнут» блок ГПД. Если у автора этот узел, представляющий собой металлическую коробку с входящими в неё валами верньерного устройства, условно говоря, стоит внутри корпуса вертикально, то в моём случае он «лежит на боку». Применён двухскоростной верньер от приёмника Р-311, посаженный прямо на вал конденсатора настройки. Удобно, что две скорости и готовый механизм. Но нерационально используется внутренний объём, а соединение с валом таково, что ось конденсатора настройки «гуляет» вместе с верньером. Нажатие на любую кнопку и просто надавливание на лицевую панель приводит к убеганию частоты на 100–200 Гц. И есть дисбаланс оси из‑за асимметрии ротора переменного конденсатора — иногда он банально перевешивает и тянет за собой ручку настройки.

Как есть и как должно быть

Плата управления после переделок подрезана и размещена в подвале корпуса. В оригинале она находится под лицевой фальшпанелью, а сквозь отверстие в центре проходит ось рукоятки настройки частоты. Прямо на этой плате ещё должны быть распаяны четыре переключателя, которые заменены пучком тумблеров и парой дополнительных реле, навешенных на платы со стороны монтажа. Решение в целом-то нормальное, просто не вписывается в общий концепт аппарата. Причиной переделки является, скорее всего, тот же переворот блока ГПД — для него авторам изменения пришлось вырезать новые отверстия в лицевой стенке и фальшпанели, а плату управления перенести.

Пустые платы и навесные блоки

Выходной смеситель передатчика собран на К174ПС1. Вроде бы просто паспортное включение этой микросхемы. Сама по себе она неплоха и позволяет «малой кровью» собирать простые балансные смесители для частот до 200 МГц без лишних намоточных деталей и, при необходимости, со встроенным гетеродином. Вероятно, здесь применение и было мотивировано простотой.

Дополнительные генераторы 8.5 и 7.5 МГц. Вполне добротно оформленный блок с двумя генераторами, подключаемыми при смене боковой полосы. Один работает на 8.5 МГц, второй использует кварц 22.5 МГц, частота которого делится на три. Генераторы помещены в экранирующую коробочку, из которой идут питание, управление и собственно выходной сигнал. Эта конструкция заменяет описанную выше схему с петлёй ФАПЧ для переноса однополосного сигнала на 8 МГц. Но, повторюсь, хоть это и реально простой метод, ввиду независимости трактов приёма‑передачи будет трудно обеспечить точное, а главное — постоянное совпадение их рабочих частот. Разбег в десятки Гц будет наверняка, и, с большой вероятностью, он будет плавать при разных внешних условиях. ФАПЧ автоматически решает данную проблему. Конечно, если стабильно работает.

Обе эти переделки привели к тому, что плата передатчика опустела.

Ещё одна пустая плата — микрофонный усилитель. Здесь очень сложно угадать мотивы переделки. На плате нет ни ограничителя уровня сигнала, ни системы VOX, а собственно усилитель микрофона максимально упрощён и ограничивается типовым включением операционного усилителя К157УД2. В оригинале на этой плате находится ещё предварительный транзисторный каскад, усилитель‑ограничитель с набором фазовращателей на ещё одной УД2, и четыре регулятора — выходной мощности, частоты телеграфного генератора, уровня микрофона и порога срабатывания VOX. Эти же резисторы задействованы в роли монтажных стоек, блок держится ими за стенку корпуса. Всё это отключено, и даже плата слабо держится — дорожки под переменниками отходят.

В завершение немного мелких изменений:

• Отдельной маленькой платой реализовано отключение УНЧ при передаче. Одна из возможных причин — нарушенная работа АРУ. Постоянная времени её срабатывания оказалась сильно увеличена, намеренно или ошибочно, не знаю — номинал задающего резистора вместо 150 кОм взят 2.7 МОм. В первые мгновения передачи АРУ банально не успевала отработать и получался очень мощный удар сигнала самоконтроля по слуху оператора. Чтобы это устранить, скорее всего, УНЧ и отключался. И регулятор уровня самоконтроля отцеплен. Судя по меткам на шкале S-метра, уровни напряжения АРУ тоже получились странными — все они локализовались где‑то в последней трети, хотя в идеале должны занять весь циферблат прибора.

• Изменена схема выходной цепи ЭМФ в формирователе однополосного сигнала, да так, что оказалось невозможно настроить резонанс обмотки фильтра. Поэтому уровень SSB-сигнала на 500 кГц просаживается в несколько раз.

• На выходе трёх из восьми полосовых фильтров передатчика, выделяющих после преобразования сигнал в пределах любительских диапазонов, в разрезах дорожек были впаяны резисторные аттенюаторы. Предположительно, для выравнивания уровня возбуждения усилителя мощности, т.к. без них выход очень легко перекачивается. Здесь скорее всего невысокое качества изготовления фильтров или ошибка их согласования — фильтры приёмного тракта рассчитаны на 50 Ом, а передающего — на 300 Ом, и могла возникнуть путаница. Детально их не анализировал.

• Нет встроенного телеграфного ключа.

• Наконец, оказалось, что нет цепи питания +9 В. Пожалуй, даже не очень понятно, по какой причине она была введена в оригинале, потому что это напряжение нужно только для второго каскада УМ и одной управляющей цепи в том же блоке (запитаны от +12 В), реле входного аттенюатора (имеется такое же с другим паспортом, работающие, как и остальные реле, от 18 В) и нитей накала индикатора цифровой шкалы (подключены к -9 В).

Итог и анонс

На дату публикации этой статьи ведутся косметические доработки. Например, сохнет краска на корпусе и лицевой фальшпанели. И жду посылку с несколькими измерительными аттенюаторами для более точной градуировки индикатора S-метра.

Во второй статье будет описано поэтапное восстановление и наладка аппарата. И, конечно же, его эфирные испытания.

Вообще же возня с этой схемой доставила очень большое удовольствие. Может, не очень интересно было устранять переделанное другими конструкторами, но дорогого стоит вернуть и настроить оригинальную схему, разобравшись, как работает тот или иной блок, и умеючи теперь чуть не вслепую находить нужные узлы на платах. Та самая значимая для многих и неиссякаемая рукодельная сторона радиолюбительства, спрятанная от обывателей за тусклым светом настольной лампы, дымом канифоли, писками тестера и лёгкими ругательствами при коротких замыканиях.