Modifikace LNA G4DDK
Od začátku mého EME provozu jsem u paraboly používal výborný předzesilovač od firmy VHF Design osazený MMIC SKY67151 na vstupu. Tato firma již bohužel ze známých důvodů neexistuje. Předzesilovač jsem tenkrát koupil protože jsem chtěl být co nejrychleji provozuschopný s tím že až na to bude čas vyměním ho za lepší. Ukázalo se ale že byl předzesilovač velmi dobrý a tak mě k výměně nic podstatného netlačilo. Nicméně čas nazrál a řekl jsem si že je na čase zkusit něco nového. Původní předzesilovač obsahuje pásmovou propust která však již měla značný útlum na kmitočtu 1260MHz kde smějí vysílat izraelské stanice. Spojení s nimi tak bylo obtížné.
Většina EME stanic dnes používá předzesilovač od G4DDK. Jeho stavebnice ale již na stránkách G4DDK není nabízena a tak jsem se rozhodl pro vlastní realizaci. Navrhl jsem podle fotografií DPS a snažil jsem se co nejpřesněji dodržet rozměry všech kritických spojů. Předzesilovač jsem postavil a fungoval dobře. Co se mi ale nelíbilo byla mechanická stabilita celé kontrukce. Ohrádku jsem vyrobil z pocínovaného plechu tloušťky 0,3mm a to byl problém. Víčko moc nedrželo a při jeho pomačkávání se prudce měnilo šumové číslo. V podstatě nebylo možné dosáhnout stabilního nastavení. Podotýkám že šlo o mechanickou stabilitu ne o zakmitávání LNA. Rozhodl jsem se tedy DPS upravit tak aby ji bylo možné použít ve frézovaném boxu. Zároveň jsem se zamyslel nad upevněním vstupního tranzistoru na drátkách a nelíbilo se mi umístění vstupní cívky těsně u boxu a nad tranzistorem. Tato cívka se ladí stlačováním a roztahováním a tím byla mechanicky namáhána GATE vstupního tranzistoru. Při delším experimentování tak mohlo dojít až k ulomení GATE od pouzdra tranzistoru. Při návrhu nové DPS jsem tedy umístil tranzistor v rovině DPS ke které je připojen 2ma měděnými pásky které tvoří emitorovou indukčnost. Vstupní cívka je umístěna rovněž v rovině DPS. V DPS i frézovaném boxu je vyfrézován otvor pro tranzistor i cívku takže tranzistor i cívka opět visí ve vzduchu jako v původní konstrukci. Výhod tohoto uspořádání je hned několik. GATE není namáhána při ladění na ohyb. Zároveň je daleko snadnější měnit součástky na vstupu i tranzistor - ke všemu je snadný přístup. Další změna kterou jsem provedl je v tom, že jsem zarovnal tranzistory za sebe a tak jsem při zachování rozměrů vedení vzdálil tranzistory od sebe. Předpokládal jsemm že to bude mít kladný vliv na stabilitu zesilovače.
Fotografie prototypu zesilovače:
Osazovací schéma LNA. Udávané hodnoty součástek platí pro pásmo 23cm.
Původní dokumentace předzesilovače je zde.
Schéma zapojení i označení součástek je shodné s původní dokumentací, není tedy důvod přidávat ho do tohoto popisu. Já jsem přidal několik blokovacích kondenzátorů do napájecího vedení. Tyto přidané kondenzátory mají za úkol odstranit rušení které by mohlo přijít po napájecím vedení. Mnou přidané kondenzátory jsem označil čísly C100 a výš. Doporučuji důkladně přečíst původní dokumentaci. Vše co se tam píše platí i pro popisovaný zesilovač. Protože jsem DPS vyráběl doma použil jsem k prokovení měděné nýtky s vnitřním průměrem 1mm a vnějším průměrem 1,4mm. Tyto nýtky v různých průměrech lze koupit v Conrad Electronic. DPS je stejně jako v původní verzi vyrobena z oboustranně plátovaného FR4 tloušťky 1,5mm. Spodní plocha je celistvá a slouží jako zemní plocha. Protože prokovovací nýtky mírně vystupují nad zemní plochu hrozilo nebezpečí že by při přitažení šroubků mohlo dojít k prohnutí desky a prasknutí SMD součástek připájel jsem kolem upevňovacích otvorů mosazné podložky a tím vymezil vůli mezi DPS a frézovaným boxem. Toto opatření by nebylo nutné v případě použití profesionálně vyrobených desek s prokovy.
DPS je ke dnu frézovaného bloku přišroubovaná šrouby M2,5, podložky mají vnitřní průměr 2,8mm. V bocích boxu jsou otvory pro přišroubování SMA konektorů a pro průchodkový kondenzátor kterým přivádím napájecí napětí. Víčko je vyrobené z duralového plechu tloušťky 2mm.
Oživení a nastavení
Bylo by nošením dříví do lesa kdybych opět popisoval to co v původní dokumentaci již dobře popsal G4DDK. Proto se omezím jen na poznatky které jsem získal při oživování mého zesilovače. Nejzásadnější poznatek je že se zesilovač dá velmi dobře nastavit pomocí VNA. Došel jsem k názoru že nejlepší šumové číslo patrně odpovídá naladění na nejlepší odrazy na vstupu. Výstupní výkon z VNA musí být stažen na takovou úroveň aby nedošlo k přebuzení tranzistorů - to by zkreslilo měření. Já k nastavování použil přístroj LibreVNA s výstupní úrovní staženou na -30dBm. Druhý zásadní poznatek je že je nutné dodržet předepsané hodnoty indukčností v napájení. Jsou tam použité indukčnosti 3,3 a 5,6nH. Tyto indukčnosti s kondenzátory C8 a C11 tvoří sériovou rezonanci která omezuje zisk na kmitočtech pod 1GHz. V první verzi zesilovače jsem použil nějaké malé indukčnosti ze šuplíku. Zesilovač ale měl maximum zisku přes 45dB na kmitočtu kolem 600MHZ. Po výměně za předepsané indukčnosti má zesilovač maximum zisku v okolí 1GHz přesně tak jak to autor konstrukce popisuje. Třetí zjištění bylo, že neumím koupit tlumící hmotu předepsanou autorem v množství menším než vagón. Zjistil jsem ale že archy tlumící hmoty prodávají na Aliexpresu. Zkusil jsem jeden arch přibližně velikosti A4 koupit za cenu nižší než 300kč. Polepil jsem touto hmotou celé víčko s vyjímkou prostoru nad vstupním tranzistorem a cívkou. Dále jsem jí oblepil stěny boxu opět s vynecháním v prostoru kolem vstupního tranzistoru. U zesilovače jsem po těchto úpravách nezjistil tendence k zakmitávání.
Tloušťka drátu vstupních cívek je 0,3mm a jsou vinuty na vrtáku o průměru 2,5mm. Emitorové pásky mají tloušťku 0,2mm a Šířku 1,5mm.
Naměřená charakteristika zesilovače:
Bohužel nemám kalibrovanou šumovou hlavu takže neumím změřit absolutní hodnotu šumového čísla. Umím jen porovnat lepší/horší. Nastavil jsem tedy zesilovač na co nejlepší hodnotu a pak se vydal na EME QTH a zkusil předzesilovač vyměnit. Měřil jsem šum slunce ale výsledky byly dost děsivé. Při otáčení parabolou se šum divoce měnil a šum slunce proti nejchladnějšímu místu byl jen asi 14dB což bylo výrazně horší než u stávajícího zesilovače. Můj odhad byl že zesilovač buď kmitá nebo je ovlivňován nějakým silným signálem. Že by byl zesilovač tak špatný jsem si nehodlal připustit :-). Podruhé jsem se na EME QTH vypravil vybaven spektrálním analyzátorem a zjistil jsem velmi silné signály mezi 940 až 980MHz. Zesilovač je zesílil na úroveň kolem -20dBm a pak jsem to připojil do CANFI kde je před klíčenkou RTL ještě přes 20dB zisku. Není divu že klíčenka zcela zkolabovala zahlcením siignálem a ukazovala v programu TotalPower naprosté nesmysly. Bylo tedy jasné, že je nutné použít za předzesilovačem pásmovou propust která by pokryla kmitočty od 1260 do 1300MHz a odřízla rušící signály kolem 1GHz.
Interdigitální filtr
Pomocí kalkulátoru jsem navrhl filtr s požadovanými parametry. Zvlnění jsem zvolil 0,2dB, ale v reálu bylo zvlnění přes 2 dB. Nevím zda je chyba v návrhu nebo nepřesné práci. Navržené rozměry jsem dodržel s přesností cca 0,1mm. Výsledná charakteristika je po kompromisním nastavení použitelná, ale ne skvělá. Podotýkám že filtr musí být na obou stranách zatížen reálnou zátěží 50Ω. Pokud filtr není správně zatížen rozladí ho to. To se stane například pokud je filtr zařazen přímo za zesilovač. Proto jsem filtr umístil až dolů před sekvencer. Propojovací kabel má útlum cca 10dB takže se chová jako útlumový článek a filtr vidí přibližně reálnou zátěž.Naměřená charakteristika filtru:
Naměřená charakteristika zesilovače spolu s filtrem:
Při tomto měření nahrazoval koaxiální kabel útlumový článek 10dB mezi LNA a filtrem.
Po otestování sestavy LNA + filtr jsem se opět vypravil na EME QTH a vyměnil zesilovač. Filtr jsem umístil na konec RX kabelu před sekvencer. Spektrálním analyzátorem jsem již nenašel ani náznak rušících signálů které předtím měřící přijímač zablokovaly. Tentokrát se proto vše chovalo mravně a šum slunce jsem naměřil 18dB oproti 17,5dB s původním zesilovačem. Takže došlo ke zlepšení RX cesty o 0,5dB. Doufal že to bule trochu víc ale zázraky asi čekat nelze. Původní zesilovač taky vůbec nebyl špatný. Šum měsíce teď mám kolem 0,3dB. Na nový zesilovač jsem již navázal několik QSO a vše funguje jak má.
Fotografie interdigitálního filtru:
V provozu se zesilovač osvědčil, takže jsem ho již u paraboly nechal.
Druhý kus zesilovače
Rozhodl jsem se postavit ještě jeden kus pro ověření vlastností a jako zálohu pro případ "nenadálých událostí" :-). U tohoto kusu jsem snížil výšku boxu z původních 30mm na 25mm. Nepatrně jsem upravil i DPS, ale změny jsou spíše kosmetické. Hlavně jsem u kritických součástek použil velikost 0603 místo 0805 jako v původní verzi. Protože jsem již neměl další kus MGF4919G a nechtěl jsem platit další DPD poštovné rozhodl jsem se zkusit objednat 3 kusy z Aliexpresu. Moc jsem od toho neočekával. Předpokládal jsem že to spíš budou nějaké fake kousky, ale řekl jsem si že se nechám překvapit. A překvapení to opravdu bylo protože předzesilovač s těmito tranzistory nakonec byl ještě o nepatrný chloupek lepší než první kus. Tranzistory přišly v pásku který byl částečně rozlepený. Vývody tranzistorů byly zoxidované takže šly velmi obtížně pájet. Ale zesilovač s nimi je stejně dobrý jako první kus.
Z fotografie je vidět že jsem ve vstupní cívce použil tlustší drát o průměru 0,55mm. Dále jsem experimenováním zjistil že je u tohoto kusu lepší pro výstupní vedení z tranzistoru použít místo tenkého drátku měděný pásek stejný jaký jsem použil jako přívod k emitorům tranzistoru. V tomto provedení se výrazně zlepšily odrazy na vstupu. U prvního kusu LNA byl lepší tenký drát. Takže je velmi vhodné při nastavování LNA zaexperimentovat s tímto vedením a vyzkoušet různé průměry drátu nebo velikosti pásku. Na fotografii ještě chybí průchodkový kondenzátor v přívodu napájení. Čekám až mi z Aliexpresu přijdou průchodkové kondenzátory se závitem M3.
Zvlnění charakteristiky pod 1GHz je zde dáno rozptylem hodnot součástek. S11 tohoto provedení ze zlepšilo až na -27dB což se patrně projevilo i maličko lepším šumovým číslem než u prvního kusu. Ale zde bych nebyl tak kategorický - šumové číslo měřím pomocí CANFI a u takto nízkých šumových čísel má na naměřenou hodnotu vliv i stupeň utažení vstupního konektoru takže srovnání je trochu nejisté. Jak už jsem psal mohu porovnávat jen horší nebo lepší, takže dávat sem mnou naměřené hodnoty šumových čísel nemá smysl.
Zajímala mě také odolnost předzesilovače a proto jsem změřil OIP3 tohoto kusu LNA. Naměřil jsem hodnotu kolem 25dBm, což považuji za očekávatelné u tohoto typu zesilovače.
LNA firmy VHF Design
Pro zajímavost jsem stejná měření provedl i u původního LNA od firmy VHF Design.
Zajímané je že pomocí CANFI jsem na tomto zesilovači naměřil šumové číslo přesně stejné jako u druhého kusu LNA a ve všech parametrech LNA VHF Design převyšuje mnou vyrobené zesilovače. Na kmitočtu 1260MHz je sice zisk již na boku charakteristiky filtru snížen o 3dB ale šumové číslo jsem naměřil stejné jako na kmitočtu 1296MHz. Takže je tento LNA použitelný i na 1260MHz. Budu muset provést další srovnávací měření na šum slunce. Rozdíly mezi mnou vyrobeným LNA a LNA VHF Design byly na šumu slunce tak malé že je lze přičíst i nestejným podmínkám měření - např. jiný bod na studené obloze. Uvidíme, blíži se dovolená a budu mít dost času na experimenty se všemi třemi LNA.