Сегодня мы соберём комплект из двух простых ультракоротковолновых трансиверов на транзисторах. Это старая добрая классика, полностью аналоговая, без микросхем и даже без кварцев или пьезокерамических фильтров.
Для любителей электроники и радио такой конструктор — отличная возможность подарить детям незабываемые позитивные моменты и привить интерес к технике. Но есть и нюансы. Впрочем, как и всегда.
В чём опасность радиопередатчиков?
Существует одна большая проблема, касающаяся любого радиопередающего устройства. И эта проблема как раз в том, что оно радиопередающее.
Генерируя электромагнитные волны в определённом диапазоне частот, один передатчик мешает приёму сигналов других передатчиков, что может вызвать очень серьёзные проблемы, вплоть до авиакатастрофы или ложного срабатывания мощных исполнительных механизмов.
Сегодня ответственные линии связи и телеуправления дублируют и защищают посредством шифрования, а подавляющее большинство протоколов двусторонней связи предусматривают повторный запрос потерянных или повреждённых пакетов данных. Тем не менее чем больше помех, тем ниже качество связи.
Хуже всего, если передатчик и его антенна не настроены как следует. Тогда радиостанция вещает не только в отведённом для неё частотном диапазоне, но и засоряет другие, причём виновник такого хулиганства может об этом просто не знать.
Чтобы получить право на осуществление радиопередач определённой мощностью в рамках конкретно заданных диапазонов частот, радиолюбитель-коротковолновик или ультракоротковолновик сдаёт экзамены и предъявляет свою радиостанцию компетентным экспертам для оценки её технического состояния. Либо, в случае использования покупного трансивера заводской сборки, предоставляет документ, подтверждающий его сертификацию.
Благодаря этому, энтузиасты имеют возможность наслаждаться двусторонней радиосвязью без помех со стороны других энтузиастов, а также не создают помех радиовещанию и всем службам и лицам, использующим радиоканалы в своей деятельности.
Однако существуют несколько частотных диапазонов, для работы в которых, при условии непревышения допустимой мощности передачи, не требуется никакой лицензии.
Микроволновая печь
Прежде всего, это диапазоны вокруг частоты собственных колебаний молекулы воды, составляющей 2,45 ГГц и соответствующей длине волны около 12 сантиметров.
Любая вода в любом виде, будь то жидкость в сосуде или капли дождя, лёд, водяной пар в воздухе, влагу в растениях, телах животных и человека, древесине, тканях и других материалах, включая обои и неметаллические конструкции стен, поглощает электромагнитное излучение данной частоты.
На этом основана работа всеми любимой микроволновой печи, в теории способной равномерно нагревать пищу по всему объёму. На практике для этого нужно ещё и равномерно распределить энергию сверхвысокочастотного излучения по объёму духового шкафа, либо просто поместить блюдо на вращающийся поддон из жаропрочного стекла.
Микроволновая печь Tappen, Raytheon, & Westinghouse 1956 года выпуска. Из экспозиции National Electronics Museum, Linthicum, Maryland, США
Недостатком микроволновой печи является то, что она не только разогревает, но и сушит пищу по всему объёму: кинетическая энергия молекул воды, приобретённая при поглощении микроволн, буквально выкидывает эти молекулы за пределы блюда, тем самым превращая их в молекулы пара.
Впрочем, практически то же самое делает и морозильник. Вода испаряется не только из жидкого, но и из твёрдого состояния. Если надолго забыть в холодильнике замороженные овощи, то вместо сочного зелёного шпината мы обнаружим в пакете серую пыль или субстанцию, похожую на бумагу, вперемешку с кристаллами льда. Состояние других продуктов изменяется не настолько разительно, но пищевой и эстетической ценности вымораживание воды точно не добавляет.
А если поместить в СВЧ-печь посуду с неплотной крышкой, то мы рискуем получить просто неаппетитный конденсат на поверхности блюда. Вода в структуре материала, в том числе пищи, и конденсат на её поверхности, — это разные вещи.
Такой эффект используется и во благо. Огромные микроволновые шкафы успешно применяются для ускоренной сушки деловой древесины. А чтобы пища в СВЧ-печи не подгорала, не взрывалась и не высыхала, электронные блоки управления предоставляют разные профили прерывистой подачи микроволновой энергии.
Беспроводной рай
Итак, 12-сантиметровые радиоволны на планете Земля очень быстро затухают, будучи поглощенными вездесущей водой, и поэтому совершенно непригодны для сколько-нибудь дальней радиосвязи.
Зато это естественное ограничение дальности радиопередачи позволяет создавать миллионы просто маленьких и совсем крошечных передатчиков малого радиуса действия, не нуждающихся в каком-либо лицензировании или специальном контроле и не мешающих ни друг другу, ни иным устройствам, расположенным даже очень близко.
«На частоте микроволновки» работают наши любимые Bluetooth, Zigbee, Thread и Wi-Fi, кроме модерновых 5G версий. Также диапазон 2.4 ГГц используется авиамоделями и квадрокоптерами с видом от первого лица (FPV, First Person View) для аналоговой передачи видеосигнала.
Диапазон LPD433
Однако 12-сантиметровые волны не являются единственным диапазоном безлицензионной радиосвязи. Для маломощных устройств (англ. Low Power Device) с мощностью передатчика не более 10 милливатт в Российской Федерации разрешено использование 69 каналов связи на частотах от 433,075 до 434,775 МГц с шагом в 25 килогерц.
Основными целевыми областями применения диапазона LPD433 являются пульты автомобильных сигнализаций, дистанционное управление гаражными воротами и беспроводные дверные звонки.
Дверные звонки с радиокнопкой. indiamart.com
По факту мощность передатчика может превышать разрешённые 10 милливатт в десять, а то и в сто раз. Но это не составляет проблемы, если кнопку пульта нажимают максимум несколько раз в день.
Диапазон LPD433 поддерживается и рациями, осуществляющими одноканальную симплексную телефонию с частотной модуляцией. Согласно Решению ГКРЧ № 04-03-04-001 от 06.12.2004 г., такие рации разрешены к использованию без регистрации и получения лицензии, но при условии подтверждения соответствия данной модели устройства государственным требованиям.
Одним из этих требований является непревышение десяти милливатт максимальной мощности передачи. Если мы не просто нажимаем кнопку звонка или открываем гаражные ворота, а занимаем радиоканал разговорами, избыточная мощность может создать проблемы.
Данная полоса частот разрешена к гражданскому использованию на вторичной основе. То есть, если канал занят какими-либо службами, то мы не имеем права выходить на связь на данной частоте.
В горах и на открытых пространствах радиостанции диапазона LPD показывают себя очень хорошо, позволяя осуществлять радиосвязь на расстоянии до десяти километров.
Но, к сожалению, эти рации плохо подходят для леса, где дальности связи выше одного-двух километров получить не удаётся. Дело в том, что длина волны 69 сантиметров не позволяет эффективно огибать деревья, а 10 милливатт — это очень мало.
Диапазон PMR446
Однако не всё так грустно. Кроме LPD433, существует европейский безлицензионный диапазон «персонального мобильного радио» (Personal Mobile Radio, PMR), охватывающий частоты 446,000 — 446,200 МГц с разрешённой максимальной мощностью передачи до 500 милливатт, на которой известен случай успешной связи на удалении более пятисот километров (Великобритания-Нидерланды).
Разумеется, «километр на милливатт» получился просто благодаря удачному стечению обстоятельств в силу особенно хорошего прохождения радиоволн. Тем не менее полватта — это мощность, достаточная для уверенной связи в реальных условиях при решении многих задач.
Носимая радиостанция класса PMR446 — «ALAN-456». Авторство: Solaris2006. Собственная работа, CC BY-SA 3.0
В России разрешено безлицензионное использование нижней половины диапазона PMR от 446,0 до 446,1 МГц, содержащей восемь каналов аналоговой частотной модуляции или цифровой модуляции DMR Tier 1 (TDMA) с шагом 12.5 кГц.
Также возможно применение цифровой модуляции dPMR446 (FDMA). В таком случае на территории РФ разрешены 16 нижних каналов с шагом 6,25 КГц.
Даже шестнадцать каналов, не говоря о восьми, — это мало, особенно в условиях оживлённого радиообмена. К счастью, существуют субтоны — дополнительные аналоговые или цифровые сигналы вызова.
Если на каком-либо канале идёт беседа, то в радиусе действия передатчика её могут слышать все радиостанции, настроенные на этот канал. Соответственно, имеется и возможность вступить в беседу.
Зато если на вашей рации настроен субтон, то она будет воспринимать сигнал вызова только с этим субтоном. Это позволяет блокировать чужие вызовы, хотя и не добавляет числа каналов.
В отличие от оборудования экстренных служб, носимая гражданская радиостанция не включена на приём постоянно. Она ожидает сигнала вызова, после которого пользователь начинает слушать, что происходит на выбранном канале.
Восьмой канал с субтоном 8 (88,5 Гц) принято использовать для вызова, а шестой без субтонов — для коммуникации между туристическими группами.
Использование внешних антенн для носимых радиостанций в диапазонах LPD и PMR запрещается. Максимальное время непрерывной передачи не должно превышать 180 секунд.
В диапазоне PMR446 работают и многие детские рации, позволяющие с самого раннего возраста приобщиться к практике настоящей радиосвязи с каналами и субтонами, познать факторы, влияющие на качество и дальность коммуникации, и усвоить культуру поведения в эфире.
Радиопередача без специальной лицензии на других участках диапазона дециметровых (ДМВ) или, по интернациональной терминологии, ультравысокочастотных (УВЧ, UHF, Ultra High Frequency) волн, кроме LPD и PMR, в Российской Федерации не разрешена.
В республике Казахстан дополнительно разрешается безлицензионное использование портативных раций мощностью до двух ватт в диапазонах 462,5625 — 462,6375 и 467,5625 — 467,7125 МГц. В общей сложности это 11 каналов ДМВ с шагом 250 кГц, к которым добавляются два канала двухметрового (VHF, Very High Frequency, «очень высокочастотного») диапазона с несущими частотами 151,625 и 159,775 МГц.
Гражданский диапазон
И конечно же, надо упомянуть «гражданский» (Си-Би, англ. CB, Citizen`s Band) диапазон 27 МГц с длиной волны 11 метров и разрешённой безлицензионной мощностью в России до 4 ватт, а в Белоруссии — до 5 ватт.
Портативная рация Midland Alan 42. Авторство: Benjamin Heinecke. Собственная работа, CC BY-SA 2.5
Данный диапазон нельзя назвать подходящим для ультрапортативных раций, ведь длина четвертьволновой антенны составляет 2.7 метра, а если делать антенну короче, то она становится менее эффективной. Зато 11-метровая волна прекрасно огибает деревья, позволяя достичь прекрасной дальности связи на пересечённой местности.
Наиболее широко Си-Би радиостанции используются водителями легковых автомобилей и грузовиков, особенно дальнобойщиками. Проезжая мимо кафе и мотелей на автотрассах, нередко можно услышать рекламу на канале 15C (27,135 МГц). Именно этот канал чаще всего используется для общения между водителями на трассах.
А по каналу 9C (27,065 МГц) в случае необходимости можно напрямую связаться с экстренной службой. Наилучшее покрытие обеспечено в Московской, Тульской, Самарской, Калининградской областях и на Таманском полуострове Краснодарского края.
«Детская» частота
Между каналами 15C и 16C находится незанятое пространство. Частота 27,140 МГц традиционно использовалась для маломощных устройств с низкой дальностью передачи, к которым относятся детские переговорные устройства и радиоуправляемые игрушки.
К сожалению, этот «детский канал» часто испытывает помехи со стороны оживлённого автомобильного канала. Поэтому для игрушечных передатчиков с мощностью до 10 милливатт отведён частотный диапазон 26,957 – 27,283 МГц, а для спортивных радиоуправляемых моделей — 28,0 – 28,2 и 40,66 – 40,70 МГц с той же разрешённой максимальной мощностью.
Официально эти частотные полосы «предназначены для промышленного, научного и медицинского применения», и могут использоваться микромощными передатчиками на вторичной основе.
В некоторых регионах Казахстана, а также в США, Китае и других странах, официально разрешены безлицензионные 10-милливаттные радиопередачи в частотном диапазоне от 49,67 до 49,97 МГц.
На этих частотах работают детские и полудетские рации «уоки-токи» (Walkie-Talkie, «ходилки-говорилки»), игрушки с дистанционным управлением, проводные телефоны с беспроводными трубками, радиомикрофоны и «радионяни» (детские мониторы).
49,75 МГц — это несущая частота первого канала метрового диапазона аналогового телевидения. В России телевизионное вещание в метровом диапазоне полностью прекращено 14 октября 2019 года. Тем не менее с тех пор частотный диапазон 49,67 — 49,97 МГц для безлицензионного применения не выделялся.
Поэтому имеющиеся устройства, использующие эту частотную полосу, настоятельно рекомендуется перенастроить на 40 МГц, а ещё лучше — на диапазон Си-Би. С другой стороны, за Денди с антенной никого не наказывали, хотя наши телевизоры в 90-х частенько показывали соседскую видеоигру, и некоторых это даже радовало, а не раздражало.
Игровая консоль Ending Man S-500 с беспроводным выходом композитного аудиовидеосигнала. farpost.ru
Олдскульная транзисторная рация
Сегодняшняя самоделка — это как раз набор из двух детских «уоки-токи», работающих амплитудной модуляцией на частоте 49.8 МГц. Корпуса имеют маркировку Yi Xin YX986, а плата ревизии XWW от 6 декабря 2015 года — маркировку YX-987-AA.
Комплект раций в сборе
Собранная мной ранее детская рация из конструктора HX1800 в корпусе цвета детской неожиданности являлась комбинацией из двухтранзисторного УКВ ЧМ модулятора и обычного радиоприёмника на микросхеме.
Принципиальная схема детской рации HX1800
Зато «чёткий чёрный» YX986 представляет собой живую классику — настоящий олдскульный трансивер (приёмопередатчик), выполненный полностью на транзисторах без использования интегральных схем.
Принципиальная схема радиоконструктора YX986
Радиочастотная часть схемы собрана на одном транзисторе Q1. Это сверхвысокочастотный NPN-транзистор S9018 с граничной частотой коэффициента передачи тока 600 МГц, превышающей рабочую частоту трансивера в 12 раз. L1 — удлиняющая катушка, служащая для повышения эффективности работы малогабаритной штыревой антенны, выполненной в виде стальной пружины, заключённой в гибкую полихлорвиниловую трубку.
Наличие отвода от средней точки правой по схеме обмотки трансформатора T1 не должно ввести нас в заблуждение. Данный отвод служит просто для согласования сопротивлений. Мы уже наблюдали такое в трактах промежуточной частоты транзисторных супергетеродинов.
Схема радиоприёмника из конструктора HX-6B
Вне всякого сомнения, топология высокочастотной части трансивера YX986 представляет собой ёмкостную трёхточку — генератор Колпитца. В режиме приёма она выполняет функции сверхрегенеративного приёмника, а в режиме передачи — полноценного автогенератора незатухающих гармонических колебаний.
Это достигается путём переключения конденсаторов С5 и С8, влияющих на глубину обратной связи ёмкостной трёхточки. На схеме тангента S2 изображена в исходном положении — «приём». При нажатии на клавишу трансивер переключается в режим передачи.
Восьмой контакт тангенты переключает питание радиочастотного тракта с RC-фильтра нижних частот (ФНЧ) R8C15 через резистор R3 в режиме приёма на точку соединения эмиттеров Q3 и Q5 в режиме передачи.
Q3 и Q5 представляют собой комплементарную пару транзисторов, выполняющих функцию бестрансформаторного выходного каскада в усилителе Лина, входной каскад которого собран на транзисторе Q4.
Резистор R11 замыкает петлю общей отрицательной обратной связи усилителя Лина, ограничивая его коэффициент передачи. Он же задаёт ток смещения базы Q4, чтобы каскад работал в режиме класса А.
Каскад предварительного усиления на транзисторе Q2 в режиме приёма усиливает сигнал сверхрегенеративной радиоприёмной части, а в режиме передачи — сигнал с катушки миниатюрного динамического громкоговорителя SP, задействованного в качестве микрофона.
Ограничение мощности
Отметим, что разработчики детского трансивера основательно позаботились о том, чтобы ограничить мощность вырабатываемого им радиосигнала.
Во-первых, рабочая точка усилителя Лина намеренно сдвинута вниз, чтобы ограничить напряжение питания передатчика. При штатном номинале R11 и отсутствии аудиосигнала напряжение на эмиттерах Q3 и Q5 равняется 1.8 вольтам.
Если уменьшить R11 до 82 килоом, то получится стандартный режим усилителя Лина с половиной напряжения питания на выходе при отсутствии входного сигнала. Соответственно, напряжение питания генератора Колпитца возрастёт в два с половиной раза.
Во-вторых, если заменить резистор R9 на дроссель, то амплитуда колебаний на антенне в режиме передачи возрастёт вдвое.
Но такими доработками трансивера стоит заниматься только в случае полной уверенности в правомерности и целесообразности таких мероприятий.
Мы с вами помним, какие фокусы с гармониками способен вытворять генератор Колпитца при некорректно заданном режиме работы. И о стабилизации несущей частоты радиопередачи также следует задуматься.
Опыт с искажением формы сигнала транзисторной ёмкостной трёхточки
Сборка, замечания, впечатления
Что касается реальных недостатков конструктора, не относящихся к умышленному ограничению мощности радиопередачи, то здесь следует отметить хлипкий корпус из не самого лучшего пластика.
Ничего смертельного, но одна из внутренних стенок корпуса, которая должна служить упором ручки выключателя питания, отломилась и даже отсутствовала в упаковке. То есть дефект проявился не в ходе транспортировки, а ранее. Либо обломок где-то потерялся у меня или на таможне, и его никто не заметил.
Теперь у одной из раций болтается ручка включения. На работоспособность это не влияет, но впечатление портит.
Чтобы подстраивать частоту при закрытом корпусе с помощью отвёртки, целесообразно просверлить отверстие над контурной катушкой. После настройки это место следует заклеить прилагаемой красочной наклейкой.
Оба приёмопередатчика заработали сразу же после сборки, и это можно наблюдать на видео.
Качество звучания оставляет желать лучшего, но не стоит забывать, что перед нами просто игрушка. В квартире через две стены между дальними комнатами и в парке на расстоянии порядка тридцати метров слова собеседника становятся практически неразборчивыми, но щелчок вызова отчётливо слышен.
Микрофонному тракту весьма пригодился бы компрессор — устройство для сужения динамического диапазона аудиосигнала.
Без компрессора тихую речь трудно разобрать, а громкая сильно искажается. Разумеется, последнее усугубляется сдвинутой рабочей точкой усилителя Лина: происходит обрезание (клиппинг) нижней полуволны аудиосигнала.
Как бы то ни было, удовольствие от сборки пары трансиверов на дискретных транзисторах просто огромное. Такие штуки воплощают детские мечты, и уже поэтому их стоит собирать.
НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:
— 15% на заказ любого VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS
