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7MHz 直接轉換式接收機

No.43   1996 Aug.   p44~47,   by 編輯部



    在業餘無線電發達的國家,業餘無線電人員執照總是從最基本開始,以美國為例,從基本的無須 CW 莫爾斯碼考試的所謂 No-Code 執照,到最頂端的 Extra 執照,總共分成五個等級,等級低的就有許多工作頻率範圍的限制,必須要到相當等級之後,才能隨心所欲地悠游於所有開放的波段及頻率範圍內。

    在這種情況下,要涉入一般真正的業餘無線電領域,也就是高頻的國際通訊,相信都是大家夢寐以求的。在你還沒有成為真正的的業餘無線電一員時,何不製作一個可以監聽業餘無線電 CW 及 SSB 通訊的接收機。這樣就可以先聽為快,同時也為更高等級所需要的常識做準備。

    有興趣試試不同的操作經驗嗎?如果你是一位不安於現狀的業餘無線電愛好者,這部直接轉換式接收機應該可以提供一個全新的體驗。有許多早期通過業餘無線電信人員考試的朋友,因為某種原因並未設台,當然也沒有購買無線電收發機,建議這些朋友可以從「收聽」起步,以奠定日後加入業餘無線電通訊活動的鞏固基礎。

    這裡介紹一個簡易的無線電電子製作,40 公尺波段 (7MHz) 的石英控制直接轉換式接收機,所謂「直接轉換式」,就是指把無線電訊號經過一道混頻手續後,直接轉換為聲頻訊號的接收機。如果你已經領有執照尚未設台,或者是正準備考試取得執照,可以趁著還沒有機會購買收發機之前,利用這部直接轉換式接收機來監聽 40 公尺波段的 CW 及 SSB 訊號過過癮。

    本機線路並沒有什麼翻天覆地的新觀念,更沒有牽涉到任何新進技術。這個製作可以說完全是替新手著想下的產物,線路設計與製作沒有任何陷阱,施工及測試也都很容易進行,零件也方便取得。所使用的電容、電阻是一般的電子零件,任何電子材料行都可買到,雖然也有一些比較特殊的電子零件,只要多問幾家,也都可以買到。若不清楚,請參看圖 2 的多腳電子零件接腳示意圖。

Fig 02
圖 2:直接轉換式接收機使用到的多腳零件示意圖。



電路

    這部接收機的主要工作原理是把兩個訊號混頻,一個是來自天線,也就是想要接收的訊號,另一個是由接收機線路本身產生 (Q1 為中心的振盪線路)。參看圖 1 是這部石英控制直接轉換式接收機的完整電子線路圖,U1 就是混頻的主角,那是被動式混頻器,凡是進到這裡面來的訊號及其諧波都會產生混頻作用。在這個線路,我們要的並不是混頻後的加總訊號,這時頻率大約會在 14MHz 附近的訊號,我們要的是混頻之後的頻率差,也就是天線進來的訊號與接收機產生的訊號的頻率差,如果這兩訊號頻率夠接近的話,會產生在聲頻附近的 訊號。如果混頻之後產生我們想要的訊號,這訊號經由 U2 內的運算放大器線路濾波之後,會由 U2 的另一個運算放大器做初步的放大,再經由 U3 進一步放大,最後可以推動喇叭或是耳機發出聲音,此即這部直接轉換式接收機可以讓你收聽到來自天線的射頻無線電訊號的工作原理。

Fig 01
圖 1:7MHz 直接轉換式接收機線路圖。



線路基本原理

    本機振盪線路是採取「可變頻率石英晶體振盪器」 (VXO),這種由石英晶體為主的振盪線路所引起的頻率變化稱為「拖曳」 (Pulling),這是經由負載阻抗作用的變化所引起的。因為石英晶體內部是由大小極精密的石英片組成的,在業餘無線電界中,早期都稱石英晶體為岩石 (Rocks),不只因為石英的確硬得像岩石,而由石英晶體控制線路為主的接收機、發射機、收發機等,因為石英晶體振盪的關係,選台頻率都不能變動,因此就稱這類情況為「岩石固定」 (Rockbound);後來利用「拖曳」技巧,讓岩石固定 (應該說是石英晶體控制),接收機可以稍微變動頻率,總算讓岩石固定接收機可以讓一般人接受。

    至於石英振盪線路能「拖曳」的程度大小,完全由 L2 的電感值及石英晶體的種類來決定。如果採用 FT-243 型石英晶體及大電感值的 L2 的話,頻率可以更動的範圍是石英晶體額定頻率往下 50KHz;這個製作中,頻率的變動範圍設定在 25KHz,這振盪線路的頻率穩定性很不錯。

    在整個線路中,頻率的變動可以說是完全由電感 L2 及石英晶體 Y1 來決定。而且 L2 如果採取串連的組合方式,會比單獨一個來得好,例如使用三只分別是 10、10、及 2.7 微亨利的電感串連,比單獨使用一只 22.7 微亨利的電感來得好。但是這 L2 電感值也不能太大,過大則會使振盪線路停止振盪,稍後再做說明。

    針對石英晶體,我試過好幾種包裝,但是 FT-243 型及 HC-6 型好像比較適合這個 L2 及 C7 組成的拖曳線路。如果採用比較普遍的 HC-18 金屬包裝,就要有更大的 L2,才能達到相同的拖曳頻率範圍,以體型很小的 HC-45 型石英晶體測試,L2 大到 59 微亨利時,可以拖曳的頻率才勉強達到 15KHz。


輸入濾波器及混頻器

    C1、L1 及 C2 構成了接收機的輸入濾波器線路,這濾波器基本上是一射頻的帶通濾波器,其中央頻率就是 40 公尺波段,讓 7MHz 的訊號可以通過,而超過 7MHz 以外的訊號衰減,這可以防止過多過強的訊號進入到混頻器內,防止混頻器輸出端出現不必要的訊號,例如很強的地方電台或是電視訊號等干擾,在一般接收機設計裡,稱做「拾波濾波器」 (Peaking Filter),相當於某些商品接收機的「預選器」 (Preselectcr),參看圖 3 是這拾波濾波器的特性分析。U1 是一種被動式的雙平衡式混頻器,編號是 SBL-1。這類由二極體環構 成的混頻器,其性能表現與端負載的情況有很大的關係,R11 及 C8 就是這混頻器的端負載,這樣才能提供射頻訊號有純阻抗性負載,才不會破壞 U2 線路的增益及雜音指數等特性。由 R11、 C8、L3 及 C9 組成的混頻器輸出網路的分析如圖 6 所示。

Fig 03
圖 3:由 C1、C2、及 L1 組成的射頻前端拾波濾波器的特性分析。

Fig 06
圖 6:由 R11、C8、L3 及 C9 組成的混頻器輸出網路的分析。



聲頻放大器及聲頻濾波器

電容編號CW SSB
C12 0.0033 0.001
C13 0.1 0.001
C14 0.0022 0.001

    U2B 把來自 U1 的輸出訊號放大而 U2A 則組成低通濾波器,由 C12、 C13、及 C14 組成的網路,適合接收 CW 訊號,如果針對需要更大頻寬的 SSB 單邊帶訊號,請參看下表所示的零件更換值。

    U3 是聲頻放大器 IC,負責接收機的聲頻放大,U3 的聲頻放大增益遠超過 60dB,輸出功率可以比射頻輸入訊號的功率大上百萬倍,因此不要讓喇叭或耳機等接線靠近電源線,因為很容易感染到電源訊號所引起的哼聲,而且也不要讓喇叭線太靠近線路板,這樣可能會在音量開大時,造成回授而產生振盪現象。


製作

    有經驗的老手看到這麼簡單的線路,就會知道有好幾種的製作方法,可以隨心所欲自行選擇;若是新手,建議應該洗線路板來製作。線路板可以自行佈線,從線路看起來並不怎麼複雜,佈線時如果對零件接腳不熟悉可以參考實際零件或圖 2。線路板也可以採用雙面方式,也就是一面完全是接地面,另一面則是拉線及安放零件,雖然線路的工作頻率並不高,但畢竟也是射頻,因此接地就顯得相當重要;除此之外,雙面板也有其他很重要的注意事項,線路板上沒有用到的孔位,可以人工的方式來穿孔,讓它雙面接通,這樣可以減少某些銅箔 路徑上的電感量。人工穿孔並不難,以電阻或是電容接腳剪下來的裸線穿過孔,雙面吃上銲錫即可。而有些零件的接腳孔位上就可以雙面接地 (如 C1、C2 等),碰到這些零件接腳,只要雙面都上焊錫就可以了。

    使用雙面板的另一個重要注意事項是,接地面的孔位上要加大洞口的孔,讓沒有接地的腳位能正常連接,如果這加大孔口處理不好,很容易讓零件接腳誤觸接地,可以找加大孔口的鑽頭,使用時,鑽床的速度要慢,最好不要超過每分 300 轉,而且手把施力要輕。

    製作完成後,最好把接收機安裝在金屬殼內,如果使用塑膠質的外殼,選台的電容會因為無法隔離,造成手觸選台電容時,會有頻率偏移的現象。當然也不一定要完全把這部接收機包在外殼內,可以選擇一塊適合的基座,把這部接收機放在基座上。自製這樣的一個基座也很簡單,以木質為基座,配以一片薄的鋁質面板就可以了。這面板上可以安裝選台電容,聲頻放大器的增益鈕及接頭,而基座就只放線路板及天線端子。


檢查

    在加上電源之前,應該先仔細檢查線路接點,注意有無錯接、虛焊、跨接等情況,同時依照線路圖再檢查各零件是否正確,如果有三用電表,可以確定一下各接地點是否確實,這包括 U2 及 U3 的第四腳,U1 的第 2、5、 6 腳,以及 C7 的可變電容抽腳。檢查過接地點之後,再來檢查電源腳,例如 U3 的第 6 腳與電源線之間的阻抗應該小於 1 歐姆,而 U1 第 8 腳與電源線之間因為有 R1 的關係,所以阻抗應該是 47 歐姆左右。

    如果看來一切就緒,就可以加上電源了。這接收機線路可以接受的電源電壓是 6-13.5 伏特,但是最好把供電限制在 9~12 伏特之間。第一次投入電源時,最好使用有限電流功能 (設在 150~200 毫安培之間) 的電源供應器,或者是在電源線上串一 150 毫安培的保險絲。等到確定沒有問題之後,再取消限電流功能或是取掉保險絲。接上天線之後,把音量鈕調到最大,應該可以聽到有聲音發出,沒有聲音出現的話,那就要檢修了,但是別擔心,不會很難的。


檢修

    第一印象最重要的就是聲音,把音量鈕調到最大,應該可以從喇叭或耳機聽到一陣陣的雜音,如果沒有話,可以拿根金屬質的棒子 (螺絲起子最方便),以身體當成訊號產生器 (如果擔心電源供應器會有交流電路徑存在,可以改用乾電池供電)。把音量鈕調到最大,手持螺絲起子 (針、或其他金屬都可以),輕觸 U3 的第 3 腳,如果發出了短而尖銳的爆米花聲音,這表示聲頻放大器工作正常,如果還是沒有聲音的話,那就是聲頻放大器線路有了問題。

    再檢查 U2 的第 3、5 腳,然後一路延伸到天線上去。如果碰撞天線沒有聲音,觸動 L3 時有聲音,那表示問題在振盪線路,可能沒有起振,要檢查石英晶體振盪器有沒有振盪。有兩個簡便的方式,一是把這接收機帶到有收發機的朋友那裡去,兩部放在同一房間內,利用朋友的收發機來接收這接收機的振盪訊號,另外就是利用圖 4 線路自行製作一簡易的射頻偵測器,配合數字顯示的三用電表,檢測振盪線路是否起振,如果在振盪線路上偵測不到任何電壓,表示振盪線路沒有振盪,要注意檢查振盪線路時,記得把選台電容在兩底端之間 轉動,以確定可變電容全程範圍內都可振盪。

    Q1 基極上的電壓大約是供電電壓的一半,如果集極上的電壓與供電電壓相接近。而 Q1 基極電壓是供電電壓一半的話,那表示 Q1 應該正常。如果確定是振盪線路不起振的話,也許可以試看看把 L2 電感值降低。當然最簡便的方式,是請教有業餘無線電電子製作經驗的朋友。

Fig 04 圖 4:自製射頻偵測器線路。   Fig 05 圖 5:讓自製接收機與發射機成為收發機的接收發射切換開關。



操作

    雖然這部 7MHz 直接轉換式接收機,使用的零件很少,功能上也很有限,但是令人感到訝異的是,這部接收機的性能很好,以訊號產生器及耳朵測試時,輸入的射頻訊號大約在 0.3 微伏時就可以明顯聽到 400Hz 聲音,而在 1 微伏時,訊號就很清楚了。

    雖然大多數的業餘無線電通訊活動,都是使用接收機與發射機連在一起的收發機,不過,接收機與發射機分開的結構也有不少優點,這一點對於想自製簡易業餘無線電電台的人而言,更是一項大優點。一般說來,收發機內都含有複雜的接收與發射切換開關,附有監聽功能 (sidetone),頻率偏移及其他會讓人有一頭霧水的複雜功能。如果接收機與發射機分開,就可以利用接收機來監聽自己的發射訊號。發射與接收分開,就會出現使用天線收發切換的問題,參看圖 5 是天線切換器,它可以讓接收機與發射機共用一只天線。


日後打算

    就算是日後升級,購買一般的業餘無線電收發機,這部 7MHz 直接轉換式接收機還是挺管用的,如果不想拿著一部好幾萬元的收發機到處跑,那麼在出外旅行、露營、野餐等活動時,就可以帶著這部接收機同樂。如果想建立一座簡易的業餘無線電台,更可以自製一部發射機,與此接收機結合,就是很標準的自製業餘無線電台。 END



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