Как измерить уровень гармоник передатчика с помощью программно-определяемого радио и правильно настроить фильтр нижних частот для подавления побочных излучений до требуемого норматива

Радиолюбитель включает самодельный передатчик в первый раз. Антенна на крыше, мощность небольшая, частота выбрана в диапазоне. Всё выглядит пристойно, пока сосед этажом выше не приходит с жалобой: телевизор показывает помехи каждый раз, когда передатчик работает. Знакомая история. Причина почти всегда одна и та же: выходной каскад передатчика помимо основной частоты генерирует её гармоники, вторую, третью, пятую, и они попадают в полосы телевизионных каналов, диапазонов авиасвязи или коммерческого радиовещания. Фильтр нижних частот, стоящий между передатчиком и антенной, должен это исключать. Но чтобы убедиться, что он справляется, нужно измерить.

Именно здесь бюджетный программно-определяемый радиоприёмник превращается из игрушки в настоящий измерительный инструмент.

Откуда берутся гармоники и почему их нельзя игнорировать

Любой усилитель мощности вносит нелинейные искажения в усиливаемый сигнал. Транзисторные выходные каскады особенно в режимах класса C и D работают принципиально нелинейно: транзистор открыт не всё время полупериода, а лишь часть его, и форма тока через него далека от синусоидальной. Разложение несинусоидального сигнала в ряд Фурье даёт бесконечный набор гармоник с частотами, кратными основной. Вторая гармоника передатчика на 14 МГц лежит на 28 МГц, третья на 42 МГц, пятая на 70 МГц. Без фильтрации уровень второй гармоники у простых схем может составлять минус 20-30 дБ относительно мощности основного сигнала. При выходной мощности 10 Вт это 10-100 мВт на гармонике, что вполне ощутимо.

Регуляторные нормы, на которые ориентируются радиолюбители, требуют подавления внеполосных излучений до уровня не хуже минус 40-43 дБ относительно несущей для маломощных передатчиков и до минус 60 дБ и ниже для мощных станций. Традиционный П-контур в выходном каскаде даёт подавление порядка 20-30 дБ, чего катастрофически не хватает. Многозвенный LC-фильтр нижних частот, рассчитанный правильно, способен обеспечить подавление второй и третьей гармоник на 50-80 дБ в зависимости от порядка фильтра.

Но "рассчитанный правильно" и "собранный правильно" это не одно и то же. Катушки с разбросом индуктивности, конденсаторы с допуском в 10%, паразитные связи между элементами, несогласованная нагрузка всё это сдвигает реальную амплитудно-частотную характеристику от расчётной. Измерение после сборки обязательно.

Почему SDR-приёмник подходит для этой задачи

Профессиональный анализатор спектра, способный работать от единиц мегагерц до нескольких гигагерц, стоит десятки тысяч рублей. Это инструмент, недоступный большинству радиолюбителей. Программно-определяемый радиоприёмник на основе чипа RTL2832U с тюнером R820T2 стоит в несколько сотен рублей и при правильной методике позволяет измерять относительный уровень гармоник с точностью, достаточной для практических целей, порядка плюс-минус 3-5 дБ.

Принцип работы SDR как измерительного инструмента прост. Приёмник захватывает полосу спектра шириной до 2,4 МГц за один раз. Программа на компьютере, например GQRX или SDR# с плагином спектроанализатора, отображает этот участок спектра в виде панорамы с шкалой уровня в дБ по вертикальной оси. Перестраивая центральную частоту приёмника, можно последовательно просмотреть основную частоту передатчика и все её гармоники. Разность показаний в дБ между пиком несущей и пиком гармоники и есть то самое подавление, которое требуется знать.

Принципиальное ограничение SDR-приёмника состоит в его собственной нелинейности. Входной каскад на основе R820T2 при перегрузке сам генерирует продукты интермодуляции и гармоники, которые отображаются на экране как будто они пришли из эфира. Здесь и скрывается главная трудность, которую большинство новичков в SDR-измерениях игнорируют с последствиями для достоверности результата.

Аттенюатор как обязательный элемент измерительной цепи

Если подключить выход передатчика мощностью даже в 1 Вт напрямую к SDR-приёмнику через короткий кабель, тот немедленно окажется в режиме жёсткой перегрузки. Динамический диапазон входного каскада R820T2 составляет около 50-60 дБ, тогда как разница между мощным передатчиком и уровнем собственного шума приёмника достигает 100 дБ и более. Перегруженный приёмник показывает десятки ложных гармоник и интермодуляционных продуктов, которые не имеют ничего общего с реальным спектром передатчика.

Решение единственное: аттенюатор. Его задача ослабить сигнал до уровня, при котором приёмник работает в линейном режиме, не создавая собственных нелинейных продуктов. Для типичных любительских передатчиков мощностью 1-10 Вт аттенюатор с ослаблением 40-60 дБ приводит сигнал к уровню в диапазоне минус 10-30 дБм на входе SDR, что является комфортным рабочим режимом.

Аттенюатор собирается из резисторов по схеме Т-образного или П-образного делителя. Для Т-схемы с ослаблением 40 дБ на нагрузке 50 Ом расчёт даёт следующие номиналы: два последовательных резистора по 49 Ом и один шунтирующий резистор 0,5 Ом. В практике часто используют стандартные номиналы: 49,9 Ом и 0,51 Ом, которые дают точное ослабление при правильном монтаже. Резисторы выбираются безындукционные, типа С2-10 или SMD-резисторы в корпусах 0402-0805. Монтаж выполняется в экранированном корпусе с короткими выводами, иначе на высоких частотах паразитная индуктивность выводов нарушает расчётную схему делителя.

Проверить качество аттенюатора перед измерениями просто. Если при удвоении мощности передатчика (на 3 дБ) показания спектроанализатора на частоте несущей изменились ровно на 3 дБ, аттенюатор и приёмник работают в линейном режиме. Если гармоники при этом выросли непропорционально, входной каскад ещё перегружен и нужно добавить ослабление.

Методика измерения подавления гармоник пошагово

Измерительная цепь строится следующим образом. Выход передатчика через аттенюатор соединяется с входом SDR-приёмника коаксиальным кабелем с разъёмами SMA. Передатчик нагружается на эквивалент антенны, то есть на безындукционный резистор 50 Ом мощностью, соответствующей мощности передатчика. Антенна при измерениях к передатчику не подключается: её импеданс зависит от частоты и влияет на реальное подавление фильтра.

Программа на компьютере запускается с максимальным усилением приёмника (gain), которое затем снижается до уровня, при котором пик несущей на экране находится примерно на минус 20-30 дБ от верхнего края шкалы. Это рабочая точка, при которой запас до насыщения достаточен, а собственный шум приёмника не маскирует слабые гармоники.

Процедура измерений включает следующие шаги:

1. Настроить центральную частоту приёмника на основную частоту передатчика. Записать показание уровня пика несущей в дБ.
2. Перестроить центральную частоту на вторую гармонику (удвоенная основная). Записать уровень пика второй гармоники. Разность с уровнем несущей это подавление второй гармоники фильтром.
3. Повторить для третьей, четвёртой и пятой гармоник.
4. Убедиться, что ни одна из измеренных гармоник не превышает норму минус 40 дБ относительно несущей для маломощного передатчика.

Если подавление второй гармоники составляет, например, минус 35 дБ при норме минус 40 дБ, фильтр нуждается в корректировке.

Как настраивать фильтр по результатам измерений

Фильтры нижних частот типа Баттерворт и Чебышев, применяемые в передающих трактах, рассчитываются для строго определённого характеристического сопротивления, как правило 50 Ом. Если нагрузка фильтра отличается от расчётной, амплитудно-частотная характеристика деформируется, частота среза сдвигается и подавление гармоник снижается. Первое, что проверяют при неудовлетворительном результате измерений, это согласование нагрузки с выходом фильтра.

Физическая подстройка фильтра выполняется изменением номиналов элементов. Если SDR показывает недостаточное подавление второй гармоники при хорошем подавлении третьей, частота среза фильтра завышена. Для её снижения увеличивают ёмкость шунтирующих конденсаторов или индуктивность последовательных катушек, исходя из того, на каком звене легче сделать корректировку.

Практичный приём для тонкой подстройки: к шунтирующему конденсатору последнего звена фильтра параллельно подключают небольшой подстроечный конденсатор с диапазоном регулировки 5-30 пФ. При вращении ротора подстроечника SDR в реальном времени показывает изменение уровня гармоник. Найдя минимум на второй гармонике, подстроечник фиксируют лаком, после чего меняют на ближайший стандартный номинал постоянного конденсатора.

Катушки индуктивности в фильтре подстраиваются раздвиганием или сжиманием витков намотки. Каждое воздействие проверяется по показаниям SDR. Это медленный, но точный метод, который даёт результат, недостижимый при слепой сборке по расчётным номиналам.

Ограничения метода и как их учитывать

Абсолютная точность измерений через SDR невелика. Шкала уровня в программах типа GQRX калибруется приближённо, а полосовая неравномерность входного тракта R820T2 достигает 5-6 дБ на краях рабочего диапазона. Это означает, что измеренные значения подавления гармоник могут отличаться от реальных на величину до 5-7 дБ в зависимости от конкретного экземпляра приёмника и частоты измерения.

Для практических целей это вполне приемлемо. Если SDR показывает подавление второй гармоники минус 50 дБ с учётом погрешности ±5 дБ, реальное значение лежит в диапазоне от минус 45 до минус 55 дБ. Обе границы этого диапазона укладываются в норму с запасом. Только в приграничной зоне, когда измеренное значение вплотную подходит к нормативу, неопределённость результата становится критичной и требует более точного инструмента.

Для повышения воспроизводимости результатов рекомендуется проводить измерения несколько раз при одинаковых условиях и усреднять показания. Смена усиления приёмника между измерениями частоты несущей и гармоник недопустима: характер нелинейности входного каскада зависит от установленного усиления, и при его изменении картина спектра меняется непредсказуемо.

Что даёт правильно настроенный фильтр на практике

Передатчик с правильно подобранным и проверенным фильтром нижних частот работает в эфире чисто. Его сигнал не просачивается в соседние диапазоны, не создаёт помех телевизионному приёму, не мешает авиационным и морским службам. Это не просто вопрос законопослушности, хотя и он немаловажен. Это вопрос уважения к другим пользователям радиоэфира и элементарной инженерной аккуратности.

SDR-приёмник как измерительный инструмент закрывает брешь между "собрал и надеюсь, что работает правильно" и "измерил и убедился". За небольшие деньги и с правильной методикой получается рабочая измерительная цепь, которая ловит проблемы, невидимые без приборов. Хорошо собранный аттенюатор, знание ограничений метода и понимание того, как SDR может обмануть при перегрузке, дают результат, с которым не стыдно выйти в эфир.