Apuntes sobre receptores de conversión directa

(2000)

(Ultima actualización 2002-07-10)

Por Miguel R. Ghezzi (LU 6ETJ)
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SOLVEGJ Comunicaciones
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En esta página iré volcando circuitos y experiencias realizadas en receptores de conversión directa. La intención final (si es que algún día se concreta) es desarrollar un receptor capaz de cubrir desde 3 hasta 500 MHz..

Un receptor de conversión directa (RCD) no es "menos" que un superheterodino, de hecho hasta podemos afirmar que en muchos aspectos es "más". Antiguamente no era posible lograr las capacidades alcanzables hoy en día con modernos y elaborados componentes, por eso antiguamente el Superheterodino se imponía para superar deficiencias tecnológicas. Con la aparición del amplificador operacional, los métodos modernos de síntesis de filtros, la integración en gran escala y una mayor estabilidad de los componentes, se logran resultados que hubieran sido casi imposibles o extremadamente caros algunos años atrás.

Un receptor de conversión directa puede ser muy malo si no se consideran los detalles importantes (lo mismo puede afirmarse de un superheterodino). Con ello queremos decir que "cualquier conversión directa" no será un buen receptor; en todo caso no pasará de ser más que un simpático juguete electrónico. Sería injusto juzgar al método por los pobres resultados producidos por un diseño deficiente e ineficaz...

La sensibilidad de un RCD simple puede ser tan buena como la de cualquiera, pero, recibiendo BLU siempre tendrá una relación señal-ruido 3 dB inferior a la de uno provisto de un filtro para ese modo. Por el contrario, recibiendo una estación de doble banda lateral, el receptor de BLU es el que tendrá un empeoramiento de 3 dB respecto de este. Ello lo hace particularmente idóneo para acollararlo con un sencillo trasmisor de BLD. De todas maneras, con un poco más de elaboración puede conseguirse que el este tipo de aparato sea capaz de suprimir la banda lateral no deseada, con lo cual ya le puede competir al "big brother".

Si el oscilador de conversión produce una señal libre de espúreas estará libre de "pajaritos". Solamente habrá de cuidar que el filtro de entrada impida el ingreso de las frecuencias correspondientes a las armónicas de la frecuencia de recepción, sobre todo cuando se emplean mezcladores a diodos que producirán armónicas del oscilador en el proceso de mezcla aún cuando el oscilador entregue una señal pura.

Respecto a su inmunidad a la modulación cruzada será tan alta como la de cualquier buen receptor porque depende casi de las mismas consideraciones.

Las técnicas que aparentemente son más benignas para implementar cuando se emplean en superheterodinos no ayudan nada con estos receptores: A los mezcladores bipolares, FET o MOSFET single ended, mezcladores de un solo diodo o simplemente balanceados, haremos muy bien en evitarlos (de hecho también deberían descartarse en cualquier buen receptor). Mezcladores doble balanceados o doble-doble balanceados, ya sea a diodos, bipolares o MOSFET permitirán lograr lo máximo del aparato.

Al igual que en cualquier receptor, deberá evitarse cualquier desprolijidad de diseño y/o construcción que obligue a instalar preamplificadores antes del mezclador. En bandas ruidosas tales como 160, 80 y 40 m, normalmente la figura de ruido del receptor, sin preamplificador, será más que suficiente. Por encima el "pre" comienza a hacerse necesario, pero no hay que abusar. Si el preamplificador tiene ganancia variable habrá que emplear la mínima que nos asegure una buena recepción de las señales débiles. No ha de olvidarse que las virtudes en radiofrecuencia de este sistema se basan en que toda la ganancia se aplique a partir del mezclador (ídem para superheterodinos). Esto quiere decir que no debe compensarse una falta de ganancia en el amplificador de audio por ganancia en RF delante del mezclador.

El filtrado de la entrada es necesario para un funcionamiento perfecto, pero un diseño cuidadoso deberá permitirnos escuchar bastante satisfactoriamente para "el arranque" con un simple filtro pasaaltos con una frecuencia de corte de 2 o 3 MHz que elimine la habitual sobrecarga de las emisoras de broadcasting de AM, lo mismo puede decirse del pasaaltos en ciudades donde existan emisoras cercanas de FM con potencias considerables.
Desde luego que siempre, cuanto más agudo y mas selectivo sea el filtrado de entrada, más improbable será que se reciban señales indeseadas fuera de banda capaz de producir modulación cruzada, pero modernamente los muy buenos receptores emplean un limitado juego (5 o 6 para la gama de HF) de filtros pasabanda fijos preajustados, y un RCD también será un muy buen receptor si se respetan las mismas consideraciones que para sus hermanos "mayores".


Manos a la obra...

El proyecto está basado en lo que denomino "el Linux de los receptores" ya que muchos colegas de todo el mundo hacen aportes al mismo, El diseño original es el "R2" de Rick Campbell (K7B), originalmente publicado en QST de Enero de 1993 y que ha sido empleado exitosamente desde 25 kHz hasta 6 GHz...!

El circuito estará modularizado de modo que cualquiera de los módulos pueda emplearse separadamente para experimentos variados.

A diferencia de los circuitos que habitualmente aparecen en las revistas o handbooks, incluiré datos fundamentales del diseño de manera que el aficionado avanzado pueda evaluar las propiedades de las distintas etapas y realizar los cambios y/o mejoras que se le ocurran disponiendo de más información. Dicho de otro modo, no deseo "recetar" un receptor, sino proporcionar una guía que permita conocerlo más íntimamente porque es bien sabido que "no se puede querer lo que no se conoce"...

Los filtros de entrada

Los filtros de entrada se proyectarán para que sean compatibles con un trasmisor que más adelante pueda acompañar al receptor, por lo que optaremos por una combinación pasabajos - pasaaltos, independientes, para que el pasabajos pueda luego colocarse directamente sobre la entrada de antena y que sirva tanto al receptor como al receptor. Nada impide que el pasa-altos también esté directamente sobre la antena, pero introduciría una pérdida de inserción  innecesaria y no cumple una función esencial para un trasmisor correctamente diseñado. Puesto que intentamos realizar un aparato relativamente cuidado, optamos por filtros relativamente elaborados. Las tablas con los coeficientes para la síntesis de los filtros pueden encontrarse en muchos libros pero una fácil de usar, normalzada para 1 MHz y 50 Ohm se encuentra en muchos handbook de la ARRL (páginas 2-52 a 2-53 de la edición 1.994).

Los inductores pueden construirse con toroides o solenoides según sea más conveniente. Como referencia pueden emplearse los métodos provistos en este mismo sitio web en el artículo "Construcción de Inductores de radiofrecuencia" o cualquiera que Ud. ya conozca. En el filtro pasabajos de salida debe tenerse en cuenta que, si se emplean toroides, los núcleos deben ser capaces de manejar la potencia del amplificador lineal previsto. 

  Pasabajos
  Tipo Polos Ripple Fc Atenuac. L1 C2 L3 C4 L5 C6 L7
80 m Tch 7 1   45@7MHz 2,1 1000 3,7 1000//100 3,7 1000 2,1
40 m Tch 7 1 8,1   1,2 560 2,1 560//56 2,1 560 1,2

 

Pasaaltos
  Tipo Polos Ripple Atenuac. L1 C2 L3 C4 L5 C6 L7
80 m Tch 7 0,1 44@1,65 MHz 1,3 1000 0,91 1000 1,3    
40 m                      

Inductancias en uHy, capacidades en pF. Ripple en dB, Atenuaciones en dB, frecuencias en MHz. // significa "en paralelo con".

El mezclador

Emplearemos un mezclador doble balanceado SBL-1 de Microcircuits porque es muy económico, y tiene muy buenas características. La respuesta de RF cubre de 1 a  500 MHz, con lo cual podremos recibir casi todas las bandas de aficionados. La pérdida de inserción del mezclador será levemente menor que 6 dB

En la entrada correspondiente al oscilador de conversión se colocará un atenuador de 6 dB para que este puerto esté bien terminado.

El preamplificador de audio de 50 Ohm - bajo ruido 

Este circuito es una modificación de uno que no he podido localizar a su autor;  tiene una figura de ruido de tan solo 2 dB y una impedancia de entrada de 50 Ohm, adecuada para conectarlo a la salida de un mezclador doble balanceado comercial económico (aprox. U$S 10 en Argentina), tal como el SBL-1. La figura de ruido total para la combinación del SBL-1 con este amplificador estará en el orden de los 8-9 dB, adecuada para la recepción en las bandas más ruidosas. Más adelante veremos que colocando un preamplificador de 10 a 15 dB, tal como el MAR-6 de Minicircuits (para las bandas más altas) con una figura de ruido propia de 3 dB, el conjunto nos presentará  una figura de ruido total de unos 3,7 a 3,3 dB, excelente para las bandas más altas.

En la figura siguiente vemos la respuesta de este amplificador evaluada con el Microcap VI (y que coincide con el test real); su ganancia es aproximadamente 42 dB. Vemos también que la impedancia de entrada es 50 Ohms para la banda de interés con un notable aumento en las bajas frecuencias por la presencia del capacitor de 22 uF en la entrada. Este capacitor, en realidad forma parte del diplexer, que convendrá colocar a la salida del mezclador. Si no se emplea el diplexer convendrá aumentar este valor.

Los transistores sugeridos por el autor son 2N 4401, yo utilicé BC 548 en el prototipo.

El preamplificador de audio interetapa

Consta de un simple LM 387 (que es un doble amplificador operacional de bajo ruido) tomado de un viejo preamplificador de micrófono perteneciente a una consola de audio para emisoras de broadcasting que producíamos en nuestra empresa hace algunos años. Su ganancia es aproximadamente 45 dB y es capaz de excitar directamente a un amplificador de potencia tipo LM 380 o LM 386. Desde luego que entre el amplificador de potencia y este habrá que colocar el filtro pasabanda, que habitualmente se diseña para ganancia unitaria.

El filtro pasabanda para AM - BLU

El filtro pasabanda, que se conecta directamente después del amplificador de bajo ruido, es absolutamente fundamental en un receptor de conversión directa. Equivale al filtro de cristal de un BLU y de él depende la selectividad dentro de la banda. Si Ud. desea que su receptor compita con el equipo comercial deberá prestarle especial atención a esta etapa. Cualquier simplificación en este sentido lo alejará mucho del objetivo propuesto.
En este caso hemos proyectado un filtro Tchebyscheff  de 3 polos para la frecuencia de corte inferior y de 7 polos para la de corte superior, ambos con un ripple de 1 dB. Puesto que los polinomios dan valores de capacidad y/o resistencia no normalizados, el filtro se modeló en un CAD (Microcap VI) y se reemplazaron los valores calculados por valores normalizados, verificando que la curva resultante se mantenga dentro de los resultados razonablemente esperados. La frecuencia de corte inferior es 150 Hz y la superior 2.700 Hz. El esquemático y la respuesta puede verse en las figuras siguientes.

Nótese la acusada pendiente en las frecuencias altas, a 3 KHz hemos logrado una atenuación de casi 20 dB...!

Debajo tenemos un filtro con una frecuencia de corte (-3dB) de unos 2,3 a 2,4 KHz que provee una recepción más confortable que el anterior para mi gusto particular. No es tan grave como puede pensarse y aún es levemente más aguda que la que se escucha en el filtro normal de un Drake TR7 que tengo en la estación. Los valores de capacidad "extraños" surgen de colocar en paralelo dos valores estandar, a saber: 35n7=33n//2n7; 5n38=4n7//680; 51n7=47n//4n7; 147n=100n//47n. Trate de emplear capacitores al 5% o 10% de polyester o cerámicos bien medidos, ya que los cerámicos para desacoplamiento pueden tener valores mayores que los nominales.

Nótese que este filtro posee una atenuación de -35 dB a la frecuencia de 3KHz, mientras que el anterior a la misma frecuencia atenuaba -20 dB. La atenuación a frecuencias más alejadas de la de corte es prácticamente la misma para ambos filtros.

Los amplificadores operacionales son TL 082 y puede utilizar sus patitas a discreción.

Problemas con el zumbido...

Un inconveniente frecuente en este tipo de receptores es el zumbido de 50 Hz.

Una de sus posibles fuentes era de esperar: Hay mucha ganancia en audio frecuencia y por lo tanto es imprescindible tomar todos los recaudos acostumbrados para el armado de este tipo de amplificadores. El empleo de cables blindados y/o retorcidos entre etapas, correcto filtrado de fuente, etc. son de rigor.

Pero hay otra rebelde fuente de zumbido que es bastante difícil de advertir. El zumbido aparece cuando aplicamos el oscilador local al mezclador o al sintonizar la entrada si empleamos un preselector sintonizable.

Este fenómeno produce mucha confusión pues nada que se haga en el amplificador de audio lo elimina y, el hecho que desaparece cuando desactivamos el oscilador de conversión, ya es un indicio bastante evidente de que no proviene las etapas de audio...

El odioso zumbido se hace presente habitualmente cuando se conecta la antena...

El problema suele producirse por la siguiente situación:

Una parte de la señal del oscilador de conversión escapa hacia la antena por medio del mezclador siendo irradiada, y, especialmente si utilizamos una antena unifilar, asimétrica o desbalanceada, ella operará cerrando parte de su circuito por tierra, entonces parte del la corriente de antena producida por la señal radiada por el oscilador fluirá por la conexión a tierra. Parte de este camino a tierra es a través de la fuente de alimentación y la línea de energía domiciliaria. La corriente encuentra un camino por la capacidad de acoplamiento entre los devanados primario y secundario del transformador y los diodos rectificadores. Puesto que los diodos funcionan como interruptores que se abren y cierran a 50 Hz, la corriente de radio frecuencia originada por el oscilador es interrumpida y por lo tanto modulada en amplitud a esa frecuencia. De este modo la señal es tratada como una señal normal recibida y se demodula por el mezclador como cualquier otra, lo que hace totalmente imposible eliminarla operando sobre las etapas internas del receptor.

Una aparente solución es disminuir la inyección del oscilador, lo cual, naturalmente disminuye la irradiación, pero esto deteriora la resistencia del mezclador a la modulación cruzada. Otro concepto incorrecto es inyectar al mezclador una frecuencia igual a la mitad de la de recepción. La aparente mejora consiste en que la energía de segunda armónica, ahora encargada de realizar la conversión, es mucho menor y, para el caso, equivale a disminuir el nivel de inyección...! el precio sigue siendo muy alto: Pobre inmunidad a la intermodulación...

La solución más sencilla es obvia: Emplear baterías...

La más prolija pasa por el empleo de antenas balanceadas, como los dipolos, para que el circuito de RF no se cierre a través de tierra. Chokear efectivamente el cable de alimentación de línea y la alimentación de CC y también evitar que fluya corriente de RF por la parte exterior del coaxil chokeando, si fuera necesario, también a este.

Problemas similares también suelen presentarse en receptores superheterodinos por razones semejantes, de manera que estos consejos pueden ser útiles para mejorar los "noveleros" de onda corta.

Las señales de AM y BLU no detectado se "cuelan"

Este es un inconveniente típico de los receptores de conversión directa. La peor elección en este sentido será emplear como mezclador un MOSFET de doble compuerta o un FET. Los convencionales operan como "detectores de ley cuadrática" lo cual, si bien es una característica deseable por su mayor inmunidad a la modulación cruzada, tiene una seria desventaja: También son detectores de AM. Esto queda oculto en un receptor superheterodino porque la AM detectada aparece como audio y no puede pasar por el amplificador de FI, pero en nuestro caso este audio detectado va directamente al amplificador de ídem...!

Entonces la primera elección será un mezclador a diodos operando en modo "switching", esto significa un mezclador con fuerte inyección en su puerto de oscilador local. Existen mezcladores que realmente se comportan como interruptores pero no son comunes, aunque han sido tratados en la literatura amateur desde hace tiempo.

Suele sugerirse como respuesta a este problema aumentar la selectividad de entrada mediante preselectores sintonizables. Esto es muy cierto si la banda pasante de un filtro de entrada es tan grande que incluye alguna banda de broadcasting de onda corta local (tal como les sucede a muchos aficionados cercanos a una poderosa emisora internacional en la banda de 40 m) o de intensas emisiones cercanas, pero de poco servirá si la señal de AM está en nuestra propia banda, pues difícilmente podremos lograr que el preselector atenúe la señal de un colega que opere a 30 KHz de nuestro corresponsal. Si eso fuera útil, difícilmente habríamos pasado de los primitivos "neutrodinos" a los modernos superheterodinos. Por ello es necesario atacar el problema en su raíz con alguno de los medios antedichos.

Continuará...

73's y DX...


Referencias:

"Second thoughts on the direct-conversion receiver", Ham Radio Magazine, Noviembre 1977.


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