Схема АМ-передатчика на бумаге выглядит скромно: кварцевый генератор, буфер, драйвер, усилитель мощности, согласующая цепь, антенна. Настоящая проверка начинается позже, когда схему переносят на плату и подают питание. Расчёты обещают подавление гармоник под восемьдесят децибел, а контрольный приёмник через пару кварталов уверенно ловит вторую гармонику так, будто фильтров в конструкции нет вовсе. Разница между красивым расчётом и живым железом почти всегда сидит не в схеме, а в разводке: петли токов, щели в земляном слое, неудачные расстояния между каскадами и конденсаторы не той группы съедают запас молча. Ниже разобрано, как вести плату, чтобы побочные излучения оставались ниже нормы: от происхождения гармоник и требований к спектру до номиналов фильтра и типовых просчётов даже опытных разработчиков.
Откуда в чистой синусоиде берутся лишние частоты
Идеальная амплитудная модуляция занимает в спектре ровно три линии: несущую и две боковые. Реальный выходной каскад рисует вокруг них целый частокол. Причина в нелинейности: транзистор в режиме класса C открыт лишь часть периода, ток коллектора превращается в короткие импульсы, а последовательность импульсов по Фурье раскладывается в веер гармоник. Вторая живёт на удвоенной частоте, третья на утроенной, и уровень их падает медленно.
Каскад с углом отсечки около 90 градусов при питании 13,8 В и импульсах тока порядка одного ампера даёт КПД в районе 70-75 процентов, но плата за экономичный режим сидит в спектре: на выходе однотактного каскада без фильтрации вторая гармоника держится на уровне минус 10-20 дБн относительно несущей, где дБн означает децибелы относительно уровня несущей. Двухтактная схема гасит чётные гармоники сама: токи двух плеч проходят через нагрузку в противофазе и вычитаются. Однотактный каскад на полевом транзисторе IRF510, типичный герой маломощных АМ-конструкций, такого подарка не получает, и его спектр давят фильтрами и разводкой. Добавляется насыщение: стоит транзистору открываться глубже нужного, вершины импульсов сплющиваются, спектр ширится, поэтому правильный режим и смещение выбирают ещё до разводки.
Норма побочных излучений и цена одной гармоники
Требования к внеполосному спектру писаны не для красоты. Средневолновый вещательный диапазон занимает полосу 526,5-1606,5 кГц и разбит на каналы по 9 кГц: звуковые частоты до 4,5 кГц дают две боковые по 4,5 кГц вокруг несущей. Гармоника из этой сетки вылетает далеко: вторая гармоника передатчика на 1000 кГц садится на 2000 кГц, у верхней границы 160-метрового любительского диапазона, третья уходит ещё выше, в гущу коротковолнового вещания.
Регламент радиосвязи Международного союза электросвязи требует ослаблять побочные излучения минимум на 43 + 10 lg(P) дБ относительно средней мощности передатчика, где P означает среднюю мощность в ваттах. Для модели на 10 Вт это 53 дБ, в абсолютных единицах 50 микроватт в антенне; для передатчика на 100 Вт требование ужесточается до 63 дБ. Для частот ниже 30 МГц действует и абсолютный потолок в 50 мВт на побочный сигнал, но относительное требование здесь жёстче.
Кажется, что 50 микроватт это мелочь, но средневолновый приёмник чувствует на входе десятки микровольт, и разница с порогом слышимости составляет тысячи раз. Плата, пропустившая гармонику на минус 40 дБн вместо минус 53, отдаёт в антенну уже целый милливатт, а потерявшая ещё десяток децибел в щелях земли делает передатчик источником помех на весь район. Спор о чистоте спектра решается не в схеме, а в разводке.
Согласующая цепь, которая заодно прижимает гармоники
Выходное сопротивление транзисторного каскада измеряется единицами ом, антенна через фидер требует 50 Ом, и между ними стоит согласующая цепь. По построению это фильтр нижних частот: катушки в последовательном плече, конденсаторы поперёк линии.
Простейшее Г-образное звено считается в две строки. Для согласования 10 Ом с 50 Ом добротность Q равна корню квадратному из отношения 50/10 минус единица, то есть 2. Реактивное сопротивление катушки X = 2 × 10 = 20 Ом, конденсатора X = 50/2 = 25 Ом. На частоте 1000 кГц это катушка 3,2 мкГн и конденсатор 6,4 нФ, ближайший стандарт 6800 пФ. Расчёт элегантный, но добротность 2 фильтрацией почти не занимается: такое звено прижимает вторую гармонику лишь на несколько децибел.
П-образная цепь из конденсатора, катушки и второго конденсатора позволяет задать нагруженную добротность 8-12 независимо от перепада сопротивлений. Чем выше добротность, тем сильнее фильтрация и тем уже полоса, в которой цепь держит согласование при расстройке антенны. Расплата за добротность: циркулирующий реактивный ток, в несколько раз превышающий полезный. При 9 Вт в антенне ток нагрузки составляет 0,42 А, а через катушку идёт в два-три раза больше, и она греется. Одна П-образная цепь с добротностью около 10 обычно прижимает вторую гармонику на 25-30 дБ, а вариант пи-L с добавленной последовательной катушкой добавляет ещё 20-30 дБ и доводит суммарное подавление к 50-60 дБ.
Отдельный фильтр нижних частот и его честный расчёт
После согласующей цепи ставят отдельный многозвенный фильтр, и вот его стоит посчитать до последнего номинала. Пример: несущая 1000 кГц, модуляция звуком до 4,5 кГц, верхняя боковая кончается на 1004,5 кГц. Срез назначают на 1100 кГц: выше верхней боковой с запасом, но достаточно низко, чтобы гармоники попадали в круто падающую часть характеристики.
Берём фильтр Баттерворта седьмого порядка с источником и нагрузкой по 50 Ом, коэффициенты g: 0,4450; 1,2470; 1,8019; 2,0000 и далее симметрично. Первый элемент конденсатор: C1 = 0,4450/(6,28 × 1100000 × 50) ≈ 1,3 нФ. Затем катушка L2 = 1,2470 × 50/(6,28 × 1100000) ≈ 9,0 мкГн. Дальше C3 ≈ 5,2 нФ, L4 ≈ 14,5 мкГн и в зеркальном порядке C5 ≈ 5,2 нФ, L6 ≈ 9,0 мкГн, C7 ≈ 1,3 нФ.
Затухание фильтра Баттерворта считается по формуле A = 10 lg(1 + (f/fср)^2n). Для второй гармоники f/fср = 2000/1100 ≈ 1,82, в степени 14 это около 4300, и подавление выходит 10 lg(4301) ≈ 36 дБ. На самой несущей фильтр теряет около 1 дБ: (1000/1100)^14 ≈ 0,26, откуда 10 lg(1,26) ≈ 1 дБ. Поднимем срез до 1300 кГц, потери на несущей упадут до сотых долей децибела, но подавление второй гармоники просядет до 26 дБ, ведь (2000/1300)^14 ≈ 415. Выбор среза всегда торг между чистотой эфира и нагревом выходного транзистора.
Теперь бюджет всего тракта. Минус 20 дБн второй гармоники на выходе транзистора, минус 25-30 дБ согласующей П-цепи, минус 36 дБ фильтра: на антенне выходит порядка минус 80 дБн при требовании минус 53 дБн. Запас в 25-30 дБ. На бумаге. Куда он девается на живой плате, отдельная история и важнее всех предыдущих вычислений.
Про потери в катушках полезно знать заранее. Катушка 9,0 мкГн с добротностью 150 на частоте 1000 кГц имеет реактивное сопротивление 56,5 Ом и сопротивление потерь всего 0,38 Ом: на токе 0,42 А она рассеивает меньше десятой доли ватта. При стопроцентной модуляции в пике огибающей напряжение и ток удваиваются, а потери растут вчетверо, и это закладывают в сечение провода. Мотается она просто: около 20 витков провода диаметром 1 мм на оправке 20 мм дают 9 мкГн, а на 14,5 мкГн уходит порядка 25 витков. Конденсаторы в фильтре берут с диэлектриком C0G либо слюдяные: керамика X7R под постоянным смещением теряет десятки процентов ёмкости, и срез уползает в полосу. Сердечники берут из карбонилового железа либо обходятся воздухом: феррит на пиках модуляции подходит к насыщению в самый нужный момент.
Если одна гармоника стабильно выпирает, помогает режекторный контур, встроенный в фильтр как дополнительное звено. Резонансная частота LC-контура f = 1/(2π√(LC)): для второй гармоники 2100 кГц с конденсатором 1000 пФ катушка выходит около 5,7 мкГн. Прицепленный наугад контур расстроит согласование: на несущей у него остаётся реактивное сопротивление в десятки ом, поэтому режектор считают вместе с фильтром.
Земляной слой, петли токов и ширина дорожек
Куда уходит запас, посчитанный на бумаге? Чаще всего в землю, но не в ту, что нарисована на схеме. Ток в плате ходит по кругу: от транзистора через нагрузку и обязательно назад, к истоку, по земляному слою. Обратный ток растекается прямо под дорожкой, потому что под ней петля минимальна. Разрыв, щель или вырез в земле заставляют ток делать крюк, петля растёт, а петля с током уже не деталь, а антенна: излучение растёт пропорционально площади петли, току и квадрату частоты.
Цифры на первый взгляд мягкие. Толщина скин-слоя в меди равна 66, делённому на корень из частоты в мегагерцах, в микрометрах: на 2000 кГц это около 47 мкм, и фольга 35 мкм работает почти целиком. На 28 МГц слой сжимается до 12 мкм, ток идёт тонкой плёнкой по поверхности дорожки, и широкая дорожка значит больше, чем толстая. Отсюда правило: ВЧ-тракт с волновым сопротивлением 50 Ом на стеклотекстолите FR-4 толщиной 1,6 мм требует дорожку около 3 мм, а питание усилителя с импульсами тока в пару ампер ведут дорожкой не уже полутора миллиметров, лучше двух.
Переходные отверстия на средних волнах почти невинны: индуктивность отверстия около 1 нГн на 2 МГц даёт всего 0,013 Ом. На 30 МГц то же отверстие превращается в 0,19 Ом, поэтому земляные выводы фильтровых конденсаторов соединяют со слоем минимум двумя-тремя отверстиями в параллель.
Блокировочные конденсаторы живут своей жизнью: у керамики на 100 нФ с индуктивностью выводов около 1 нГн собственный резонанс лежит на 15,9 МГц, выше конденсатор ведёт себя как катушка. Для коротковолновых диапазонов рядом ставят 10 нФ с резонансом около 50 МГц и 1 нФ с резонансом за 150 МГц. Для средних волн хватает 100 нФ, но стоять она должна у самого стока или коллектора, а не у разъёма питания: каждый сантиметр дорожки добавляет индуктивность в петлю гармонических токов.
Развязка каскадов, питание и экранирование
Правило линейной планировки работает безотказно: генератор, буфер, драйвер, усилитель мощности, фильтр и антенный разъём выстраивают в одну линию либо буквой Г, без разворота на 180 градусов. Выход мощного каскада держат в паре десятков миллиметров от входа генератора, а между ними пускают земляную полосу либо ставят перегородку из белой жести, припаянную к слою в нескольких точках. Связь между каскадами идёт через магнитные поля, паразитные ёмкости дорожек и общий провод питания.
Механизм беды через питание виден на числах. Усилитель мощности работает с токами в доли ампера, и если у общего провода 50 мОм, а ток стока качается на 0,5 А, по шине гуляет 25 мВ. Генератор, питающийся от той же шины, подхватывает эти милливольты, и вокруг несущей вырастают боковые полосы, которых не просил микрофон. Лечится каскадно: у каждого каскада своя блокировка из ферритовой бусины, электролита на 10 мкФ и керамики на 100 нФ, генератор садят на отдельный стабилизатор с подавлением пульсаций 40-60 дБ, а между генератором и усилителем мощности ставят буфер с развязкой 20-30 дБ, чтобы качание нагрузки не тянуло за собой частоту. Катушки, если их несколько рядом, разворачивают перпендикулярно либо разносят минимум на диаметр: поле катушки, стоящей вплотную параллельно другой, наводит в соседке ток, и связь идёт мимо всех экранов.
Проверка платы и просчёты, съедающие запас
Проверять начинают на эквиваленте антенны: два резистора по 100 Ом и по 2-5 Вт параллельно дают 50 Ом с пренебрежимой индуктивностью. Анализатор спектра показывает всю лесенку гармоник сразу; его заменяет SDR-приёмник с отрезком провода в пару метров, растянутым невдалеке от платы: точность скромнее, но горбы над несущей видны отлично. Измеряют уровень несущей и каждой гармоники, переводят в дБн и сравнивают с требованием 43 + 10 lg(P), а полезно ещё пройтись по самой плате пробником из витка провода: где горб растёт, там и петля, которую надо закрыть.
Чаще всего расчётный запас съедают одни и те же просчёты:
- конденсаторы X7R в фильтре, чья ёмкость уходит вниз под смещением и тянет срез в сторону полосы;
- фильтр, поставленный вдали от антенного разъёма, когда чистая сторона тащится по дорожке и собирает всё, что должно было остаться в земле;
- щели и вырезы в земляном слое под ВЧ-трактом, заставляющие обратный ток делать крюки;
- одно переходное отверстие на землю фильтрового конденсатора вместо двух-трёх в параллель;
- катушки, стоящие параллельно и вплотную, с магнитной связью через воздух;
- режектор, прицепленный к готовому фильтру наугад, без пересчёта согласования.
Разводка в этой истории работает как последний и самый капризный фильтр. Расчёт даёт запас, плата его либо бережёт, либо тратит за пару неудачных миллиметров, и никакая схема этого не заметит до включения в эфир. Хорошая практика: закладывать в проект запас 6-10 дБ сверх нормы, проверять гармоники на эквиваленте до первого выхода в антенну и править плату по результатам измерений, а не по ощущениям. Тогда контрольный приёмник через пару кварталов слышит ровно то, что передатчик и собирался сказать.