Пассивные ВЧ-фазовращатели на основе RC-мостов
RW3DKB, В. Лифарь, г. Юбилейный
При построении простых приемников и трансиверов прямого преобразования (ППП и ТПП) существует две основные проблемы – обеспечение сдвига фаз 90 градусов по низкой и по высокой частоте. Выполнение этого условия необходимо для точного выделения требуемой боковой полосы частот и, соответственно, подавления нерабочей боковой полосы частот SSB сигнала. Кроме этого условия необходимо обеспечить также точный баланс амплитуд сигналов в обоих фазовых каналах 0 и 90 градусов. В целом ряде известных конструкций и ряда других конструкторов в качестве ВЧ-фазовращателя (ВЧФ) используются простые RC-цепочки. Основным недостатком такого решения является наличие всего одной точки точного сдвига фаз и баланса амплитуд. Выше и ниже по частоте от этой точки наблюдается разбаланс фаз и амплитуд, что является неизбежной платой за простоту схемного решения. Именно по этой причине параметры ППП существенно хуже, чем могли бы быть. Решений этой задачи существует множество. Например, использование цифровых микросхем в тракте гетеродина в режиме деления частоты, позволяющее получить в очень широком диапазоне частот достаточно точный сдвиг фаз и стабильный уровень амплитуды, зависящий от типа примененных микросхем. Все здесь хорошо на относительно низких частотах. Однако с ростом частоты начинают заваливаться фронты сигналов, появляется зависимость точности сдвига фаз от топологии печатной платы и влияния монтажных емкостей и индуктивностей печатных проводников. Все это вместе заставляет применять сверхбыстродействующие микросхемы и выполнять ювелирный печатный монтаж таких узлов, что само по себе является сложной инженерной задачей. Такие конструкторские решения, как правило, не по зубам начинающим радиолюбителям, которые нередко задают вопрос – куда подевалась простота ППП, которая так их привлекала? Нет ли более простых решений?
Такие решения есть. Но по целому ряду причин, в основном субъективного характера, они почему-то не прижились в схемотехнике ППП, и остались за бортом применения в действующих конструкциях. Давайте попробуем еще раз в этом разобраться. Может вместе с «мутной водой мы выплеснули и ребенка» в жарких спорах на страницах форумов? О чем идет речь?
Давно известны схемы мостовых RC-фазовращателей, содержащих два резистора и два конденсатора, имеющих точный сдвиг фаз 90 градусов во всем диапазоне частот, и подобранных таким образом, чтобы их квазирезонансная частота располагалась в нужной точке рабочего диапазона. В этой точке достигается точный сдвиг 90 градусов, а также точный баланс амплитуд. При смещении выше или ниже от этой точки баланс фаз 90 градусов сохраняется, изменяется только баланс амплитуд. Следовательно, по сравнению с простой RC-цепочкой, мы имеет практически «идеальный» фазовращаградусов, причем в относительно узких радиолюбительских диапазонах разбаланс амплитуд также весьма мал, не хуже 0.1-0.3 дБ, что позволяет получить подавление второй боковой не хуже 40 дБ. Согласитесь, что всего 4 пассивных элемента взамен 4-х микросхем – неслабая альтернатива. Так почему же никто так и не использует этот вариант на практике? Давайте попробуем с этим разобраться.
На Рис.1 представлена модель такого ВЧФ в симуляторе ЭВБ512 для диапазона 160 метров. Квазирезонансная частота установлена 1.92 МГц. Источник сигнала имеет на этой частоте внутреннее сопротивление 75 Ом. Остальная часть схемы также имеет входное сопротивление 75 Ом, о чем свидетельствует показания вольтметра примерно 500 мВ, т. е. -6 дБ. Что и должно быть в соответствии с законом сохранения энергии – мощность сигнала разделилась пополам, т. е. имеем режим согласованной нагрузки. А теперь смотрим на величину напряжения на сопротивлениях нагрузки R4, R5, которые представляют собой входное сопротивление смесителей, например, типовых балансных на 4-х диодах. Там мы видим около 170 мВ, что соответствует -15,45 дБ относительно напряжения 1 вольт. Много это или мало? Некоторых оппонентов таких схем децибелы 
заставляют биться в истерике. Так много это или мало? А не забыли ли мы о том, что ВЧФ не просто развернул фазы, но и разделил мощность сигнала пополам между каналами 0 и 90 градусов. Таким образом, в каждом канале присутствует по 0.25 исходной мощности, поступившей от источника сигнала. Т. е. налицо прекрасное согласование. Но тогда должно быть -12 дБ. Куда подевались -3,45 дБ? Это и есть потери в собственно фазовращателе, состоящем из R1,R2,C1 и C2. Чтобы понять это мы должны учесть, что фактически нужно сложить вместе два входных сопротивления R4 и R5, включенных последовательно, сложить оба напряжения на них и получить 340 мВ, т. к. это полезная мощность, полученная от источника сигнала. Согласитесь, что коэффициент передачи по напряжению пассивного ВЧФ на уровне Кф=0,34 совсем не так плох, как может показаться на первый взгляд. А если сравнить с 500 мВ на входе ВЧФ, то и совсем хорошо получается. Осталось взглянуть на характеристику амплитудного разбаланса этого варианта ВЧФ, чтобы оценить его возможности. Они представлены на Рис.2. 
Таким образом, представленная модель ВЧФ обеспечивает в диапазоне частот 1,85–2,00 МГц разбаланс амплитуд менее 0,333 дБ. Что само по себе очень неплохой результат, т. е. не требует специальных мер, т. к. ожидаемое подавление будет не хуже 40 дБ при условии таких же характеристик у НЧФ. Предлагаемый ВЧФ можно свободно применять в тракте ГПД, т. к. в нем потери легко компенсируются увеличением усиления. Однако его также можно применить и в тракте сигнала, особенно на НЧ диапазонах, т. к. наличие потерь в данном случае является полезным для увеличения ДД смесителей, другими словами ВЧФ выполняет функции аттенюатора, работать без которого на НЧ бэндах при длинных антеннах бывает проблематично. Критики в данном случае могут наступить на «любимую мозоль», заявив, что данный ВЧФ совершенно не пригоден на передачу. Т. е. это не что иное, как лженаука….
Давайте посмотрим, так ли это. На Рис.3 представлена модель работы ВЧФ на передачу.
Два источника сигнала с выходным сопротивлением 51 Ом и амплитудой 1 В обеспечивают на нагрузке 75 Ом чуть меньше 500 мВ, что говорит о хорошем согласовании ВЧФ с нагрузкой, и потери составляют порядка 6 дБ. Для определения подавления ненужной боковой достаточно поменять фазы источников сигнала, и мы узнаем величину ожидаемого коэффициента подавления для данного ВЧФ. Результат представлен на Рис.4.
В результате получается, что ненужная боковая должна подавиться почти на 69 дБ. Мне думается, что такой вариант должен вполне устроить начинающих радиолюбителей, хотя и основан он на «лженаучном подходе» к теории цепей. Но работать все равно будет хорошо, какая бы критика здесь не прозвучала. Справедливости ради приведу также цифры подавления для ряда других частот диапазона:
1,85 МГц = -44,09 дБ; 1,92 МГц = -50,54 дБ
1,87 МГц = -48,92 дБ; 1,95 МГц = -43,33 дБ
1,90 МГц = -68,62 дБ 2,00 МГц = -37,65 дБ
Таким образом, мы имеем очень простое решение для реализации ВЧФ диапазона 160 метров, содержащее всего 4 пассивных элемента и обеспечивающее подавление не хуже 40 дБ. Для реализации такого ВЧФ достаточно подобрать с максимальной точностью два резистора и два конденсатора. Если требуется сместить точку квазирезонанса, достаточно изменить номинал обоих резисторов в ту, или иную сторону. Формула расчета простая: R=Xc, где Хс= 1/(2*Пи*Fr*C) – реактивное сопротивление конденсаторов на квазирезонансной частоте.
Естественно, что такой ВЧФ может применяться на любой частоте, пересчитав значения емкостей под требуемый резонанс. Например, для диапазона 80 метров для квазирезонанса 3.7 МГц подойдут конденсаторы 470 пФ при резисторах 91 Ом. С ростом частоты для более узких диапазонов может быть получен гораздо меньший разбаланс амплитуд, т. е. подавление по диапазону будет меньше отличаться от максимального на квазирезонансной частоте. Для диапазона 40 метров разбаланс амплитуд находится на уровне менее 0,05 дБ, т. е. подавление будет примерно на уровне 60 дБ. Аналогичные результаты получаются и для 20 метров. Для 10 метров - получается в диапазоне от 28 до 30 МГц не хуже 0,28дБ на краях диапазона. Это тоже весьма неплохо для такого простого ВЧФ. Тем более что при желании работать либо в начале на CW, либо только SSB, можно сместить точку квазирезонанса на нужную частоту, что позволит улучшить подавление на рабочем участке или применить два ВЧФ, т. е. разбить на поддиапазоны.
Подведем итог. Имеется мостовая схема ВЧФ на RC, простая с точки зрения дизайна и настройки, обеспечивающая точный сдвиг фаз 90 градусов в очень широком диапазоне частот и обладающая неплохими параметрами для радиолюбительских диапазонов – реализуется от -40 до -60 дБ подавления ненужной боковой без дополнительной подстройки с низкоомными балансными смесителями. Недостатком данного варианта ВЧФ является наличие затухания порядка 6 дБ, что может быть даже полезным на НЧ диапазонах для расширения динамического диапазона смесителя. Такие характеристики позволяют рекомендовать этот вариант ВЧФ для применения в простых конструкциях ППП/ТПП, поскольку в нем отсутствуют намоточные узлы. Лучшими параметрами, конечно, обладают схемы LC и LCR фазовращателей более высокого порядка, которые сложнее в изготовлении и настройке, т. е. доступны только грамотным радиолюбителям.
