Transvertor DJ6EP pro pásmo 13cm

Úvodem: Roman DJ6EP (ex SP3GDQ) je nadaným konstruktérem elektronických zařízení pro pásma nad 1GHz a jeho dobře opakovatelné konstrukce hrají podstatnou roli v tom, že na pásmu potkáváme stále více a více SP stanic v pásmech 23cm a vyšších. Zde popsaný transvertor vzniknul jako další konstrukce na základě zkušeností s již dříve představenými transvertory pro pásma 9 a 6cm. Pokud budete mít zájem o desku plošných spojů, napište mi (OK1VPZ).

Další text už je ryze technický a týká se popisu konstrukce a oživení transvertoru. Dejme proto slovo DJ6EP, který začíná svůj popis velice stručně:
____________________________________________________________________________________

Schema tohoto transvertoru najdete zde. V dalším textu se budu odkazovat na toto schema zapojení. (Pro plné rozlišení obrázků si na ně klikněte.)


Před stavbou transvertoru doporučuji si důkladně přečíst níže uvedené informace. Abych vyloučil případný omyl, připomínám, že jsem částečně využil rovněž fotografie z popisu transvertoru pro pásmo 9cm. S ohledem na velikou podobnost obou zařízení to ale (tato záměna) jistě nebude na škodu.

TRV 13cm - níže popsaný transvertor je založen je jednoduché změně kmitočtu z pásma 13cm (resp. z jeho úzkopásmového segmentu 2320-2322) na dvoumetrové pásmo (zde 144-146MHz). Základní technická data naleznete v níže uvedeném textu.

Kmitočtová konverze vyžaduje signál místního oscilátoru (2176MHz), jenž je získáván z krystalového generátoru, využívající nízkošumový tranzistor řízený polem T1 - SST310. Je v něm vytvářen signál 90,667 MHz, jenž budí ztrojovač kmitočtu s bipolárním tranzistorem T2 - BFR92, jehož výstupní obvod je naladěn na kmitočet 272MHz.

S ohledem na nedostatek místa je výstupní obvod tohoto násobiče prodloužen dodatečnou indukčností (samonosná cívka) L2. Relativně malá kapacita (2p2), propojující tento stupeň s následujícím násobičem dovoluje ve spojení s následujícím názobičem dostatečně dobrou filtraci ostatních harmonických, vycházejících z tohoto násobiče. Následuje zdvojovač z 272 MHz na 544 MHz, což je tranzistor T3 (BFP 196 - je použit i v dalších stupních). Výstupní rezonanční obvod tohoto násobiče je tvořen cívkou L3.


 

Tranzistor T4 zdvojuje signál na kmitočet 1088 MHz, jenž po filtraci v dvouobvodové pásmové propusti budí poslední násobič s tranzistorem T5.

Dutinový rezonátor na výstupu tohoto zdvojovače zajišťuje požadovanou čistotu konverzního signálu 2176MHz pro směšovač.
 

Tento konverzní signál získaný z LO je přiveden na jednoduše vyvážený diodový směšovač s diodou (ve skutečnosti s dvěma diodami) BAT15-099. Pasivní diodový směšovač, jenž je navržen jako kruhový směšovač s obvodem 6/4 Lambda, pracuje jako obousměrný měnič kmitočtu.

Na straně VF brány (2320 MHz), po filtraci signalu pomocí dutinového filtru F2, který odděluje požadovaný signál od zrcadlového kmitočtu (potlačuje blízký zrcadlový kmitočet, jenž je výsledkem nízké MF, nejméně o 20dB), užitečný signál přichází do diodového přepínače RX/TX cesty, využívající diod PIN BAR63-03. Tyto diody jsou řízené napájecími napětími z obou větví transvertoru. Proudy, tekoucí přes tyto diody  dovolují dosáhnout malého průchozího odporu pro VF signály (řádu několik stovek miliohmů) což dovolilo realizaci tohoto poměrně nízkoztrátového přepínače obou druhů provozu.


Vysílací cesta:

Z důvodu snahy dosáhnout spektrálně čistého signálu vysílače se na cestě mezi zesilovačem výstupního signálu ze směšovače IC2 (AG303) a budičem vysílače IC3(AG604-086) nachází další dutinový filtr F3. Pokud je tento filtr správně nastaven, získáme bez problému potlačení nežádoucích směšovacích produktů řádu 50dB.  Správné nastavení provozních bodů jednotlivých zesilovacích stupňů je výsledkem použití odpovídajících hodnot odporů v napájecích obvodech a nevyžadují další regulace. Nicméně, s ohledem na využití širokopásmových obvodů MMIC, jenž pracují na vyšších výkonových úrovních, dochází ve vysílacím traktu k určité náchylnosti k produkci harmonických signálů. To znamená, že jak budič, tak i výkonový zesilovací stupeň, produkují vyšší harmonické.  Mezní kmitočet použitých součástek leží na hranici 6 GHz. Oba stupně jsou tedy schopny vytvářet a dokonce zesilovat signály druhé a třetí harmonické!! To je skutečnost, kterou nemůžeme opominout!!

Jak je uvedeno výše, filtr F3 byl posledním prvkem kmitočtové selektivity (zejména pro LO a LO-IF) ve vysílací cestě. Požadovaná čistota vysílaného signálu nemůže být proto pouze výsledkem činnosti zmíněných dutinových rezonátorů, ale též účelově použitých odlaďovačů harmonických signálů, které jsou součástí dvou dalších zesilovacích stupňů vysílací cesty.



Odlaďovače harmonického signálu 4,64GHz a jejich funkce:

Obrázek znázorňuje funkci čtvrtvlnného odlaďovače v zesilovacím stupni. Toto vedení dokáže potlačit signál druhé harmonické o zhruba 40dB. Jak je ovšem vidět, teoreticky vypočítaný odlaďovač je trochu dlouhý. Není to však výsledkem nesprávného výpočtu, ale faktu, že vlastnosti použitého materiálu FR4 desky plošných spojů se příliš nehodí pro realizaci některých VF obvodů nad 1GHz. Rozptyl jednotlivých parametrů tohoto druhu materiálu je totiž poměrně velký. (Bylo by užitečné napsat pár slov na toto důležité téma.)

Při maximálním výstupním výkonu transvertoru jeho PA produkuje signál druhé harmonické na úrovni -25dB. Po použití popsaného odlaďovače byl signál na 4,64GHz již prakticky na úrovni šumu spektrálního analyzátoru.

Na výstupu výkonového zesilovače se nachází jednoduchá směrová odbočnice s diodou BAT 62 dovolující kontrolu výstupního výkonu. Při výkonu řádu 200mW je stejnosměrné napětí na výstupu detektoru okolo 2,5 Voltu. Rezistor 1K na výstupu obvodu je pouze ochranným odporem. V případě použití nějakého mikroampérmetru coby ukazatele výkonu doporučuji zde použít odpovídající rezistor.



Přijímací cesta transvertoru.

Na vstupu přijímací cesty je použit MGF 4919. Předpětí hradla tohoto tranzistora získáváme z měniče napětí s obvodem IC5, které se dá regulovat v mezích -1,0 až 0 V. Nejlepší výsledek S/N přijímací cesty získáme, pokud napětí na drainu (kolektoru) tohoto tranzistoru bude okolo 1,7V. Za účelem ochrany zesilovače je v napájecí cestě zařazena zenerova dioda 3V3 která omezuje rozsah napájecího napětí pro drain (kolektor) tranzistoru.

Pásmová propust mezi vstupním zesilovačem a druhým zesilovacím stupněm (IC1) měl podle původního zadání zajišťovat pouze jeden účel, a to potlačení mimopásmového rušení, například od vysílačů jiných pásem při contestovém provozu na jednom stanovišti. Bohužel obdobný transvertor na 9cm tento požadavek nesplňoval (rozptyl parametrů páskového filtru na PCB FR4 byl na 3,4GHz příliš velký).

Při respektování rozptylu parametrů použitého materiálu desky plošných spojů, jsem proto použil mikropáskový obvod pásmové propusti se silně nadkritickou vazbou, což má za následek relativně široké propustné pásmo, aby se filtr strefil do užitečného kmitočtu i při velkém rozptylu parametrů desky plošného spoje.

Potlačení signálů z jiných amatérských pásem je v tomto případě minimálně 30dB a ve směru k vyšším kmitočtům dokonce okolo 50dB, což dovoluje současnou práci na dvou i více pásmech (například 13 a 9cm) z jednoho místa.

Celkové zesílení přijímací cesty (bez směšovače) je okolo 30dB a šumové číslo na základě několika měřených exemplářů tohoto transvertora se pohybovalo mezi hodnotami 1,07 až 1,3dB.

Takto zesílený přijímaný signál přichází přes výše popsaný diodový přepínač do obvodu směšovače.



Směšovač na mezifrekvenční straně:

Navržený směšovač již má relativně velkou separaci mezi signály MF a VF.. Poměrně efektivní zádrž pro velmi vysoké kmitočty vytváří útlum v obvodu kruhového sdružovače pro VF kmitočty. A teoretické zbytky signálů nad 1GHz jsou navíc zatlumeny seriovým obvodem L4 s kondenzátorem 12 pF.
Paralelně ke kapacitě 12 pF je připojena indukčnost 330µH, což vytváří zkrat pro stejnosměrný proud tekoucí přes diody D4, resp. D5 jenž tvoří přepínač MF signálů pro cesty TX/RX. Díky velké rezervě zesílení v obou VF cestách nevytváří použití tohoto jednoduchého přepínače MF signálů větších problémů.

Během vysílání dioda D1 odpojuje obvod nastavení zisku přijímacího konvertoru od MF cesty. Antiparalelně zapojené diody D2 a D3 jsou dalším ochranným obvodem pro směšovač.


Napájecí a přepínací obvody:

Celý generátor LO je napájený separátním stabilizátorem napětí VR1 (78M09). Přepínač napětí pro cesty RX a TX je tvořen tranzistory T6 i T7, které jsou přímo řízeny napětím z MF portu transvertoru a přímo ovládají diody MF diodového přepínače. Přes regulátory napětí VR2 a VR3 také napájejí obvody RX a TX cesty. Měnič záporného předpětí pro hradlo vstupního tranzistoru je tvořen běžně užívaným obvodem ICL7660.



Zhotovení transvertoru:

Níže uvedený náčrtek ukazuje pozice otvorů v stínící krabičce. Otvor pro konektor OCXO jsem okótoval jen pro "velice precizní" konstruktéry, kteří chtějí použít vnější oscilátor pro buzení násobičů kmitočtu. Osobně se však domnívám, že stabilita LO transvertoru je na tomto nízkém mikrovlnném pásmu dostatečná, zvláště pokud použijeme dodatečný termostat vytápějící krystal na cca 40°C. (Pokud chcete použít externí oscilátor, neosazujte krystal a do příslušného místa na desce (jeden kontakt pro krystal) připojte přes vazební kondenzátor 100pF pin konektoru SMA vnějšího oscilátoru. Deska plošných spojů je pro tuto variantu navržena.
Důležitým rozměrem je vzdálenost otvorů pro průchodky od okraje stínící krabičky, aby nedošlo k potížím při nasazení víčka krabičky.

Po sražení hran desky plošného spoje na rozměry, odpovídající vnitřnímu rozměru krabičky, spojíme obě poloviny stínící krabičky tak, že je vložíme do víčka, což nám vymezí příslušnou pozici a spájíme je. Po propájení ohrádky namontujeme SMA konektory, ale desku do ohrádky zatím nepájíme..

Dutinové filtry.

Narozdíl od filtrů pro pásmo 9cm, které byly vyrobené z měděných víček pro rozvody ústředního topení, filtry pro 2,3GHz jsou vyrobeny z tenkostěnné mosazné trubky a příslušného těsného víčka z plechu o síle 1,5mm. Obě části jsou spojené tak, že jsem nahřál trubku na teplotu, kdy se jeho průměr zvětšil zhruba o 0,2mm a potom se do trubky naklepne víčko. Pouze pro jistotu dostatečné pevnosti jsem obě části spolu zevnitř rovněž sletoval při použití co nejmenšího množství cínu.

Výkres ukazuje rozměry dutinového filtru (vnitřní průměr trubky je cca 28mm). Při pájení matice pro ladicí šroub ji upevníme v dutině ocelovým šroubem M5. Po vyčistění a vyleštění dutinového filtru (a pokud je to možné, tak také po jeho postříbření) je možno jej připájet do desky plošného spoje. Tuto operaci značně ulehčí předehřátí dutiny filtru horkovzdušnou pistolí. Je přitom třeba zabezpečit již předtím do dutiny zapájenou maticí pro ladicí šroub pomocí trochu delšího nerezového šroubu s navlečenou distanční trubičkou (pochopitelně již předtím do desky zapájíme "anténky" vstupu a výstupu dutinového filtru).

Celou sestavu dutinového filtru při pájení do desky držíme pomocí korkové zátky s vyvrtaným otvorem - ulehčí to proces pájení a chrání před popálením.

Po zapájení dutinových filtrů je již možné zapájet většinu součástek transvertoru, ale zatím nepájíme polovodiče a kondenzátorové trimry. Takto osazenou desku plošných spojů vložíme do ohrádky stínící krabičky s již zamontovanými konektory SMA a zapájíme desku kolem dokola.  Následně zapájíme zbývající součástky transvertoru (nadále však bez polovodičů ve VF obvodech a bez kapacitních trimrů).  Z důvodu pozdějšího nastavování filtru F1 zatím neosazujeme kondenzátor 47pF, propojujícího jednotku oscilátoru se směšovačem.

Trochu pozornosti je třeba věnovat správnému tvaru cívky L1 generátoru. Uvolněné vinutí, nebo jiné mechanické nestability by způsobovaly pozdější odskakování kmitočtu generátoru. Z kostřičky cívky odstraníme tři nepotřebné vývody a vineme 5 závitů drátu o průměru 0,2mm. Polohu vinutí zabezpečíme vrstvou laku (například lak na nehty). Po několika minutách nasuneme na vinutí ferritový hrnec, který by měl být podobně zabezpečený proti otřesům a celek zasuneme do měděného krytu. Kryt připájíme na dvou místech do desky plošných spojů. Cívka L1 je navržená tak, že bude ladit na kmitočtu krystalu jen s mosazným jádrem. Pro nastavení obvodu proto použijeme mosazného šroubku M3!

Nyní je již možné připojit napájecí napětí, nejlépe ze zdroje s nastavitelnou proudovou pojistkou a ověřit funkci přepínače napětí pro RX a TX cestu, práci stabilizátorů a měniče záporného předpětí pro hradlo vstupního tranzistoru -UG, napětí na bázi a kolektoru u tranzistorů v jednotce oscilátoru vč. násobičů kmitočtu. Napětí hradla GaAs-FETu T9 musí být možno regulovat mezi 0 a cca -1V. Odporový trimr předpětí nastavíme na -0,5V. Napětí na drainu vstupního tranzistoru musí potom být okolo 3V. Je užitečné rovněž ověřit napětí na anodách diod D4 a D5, které musí být okolo 0,7V v odpovídajícím modu funkce transvertoru.  
Následně (pochopitelně při vypnutém napájení), zapájíme zbylé polovodiče a znovu ověříme stav jednotlivých napětí. Potom, co máme zapájeny všechny součástky (s výjimkou kapacitních trimrů), je vhodné několikrát transvertor několikrát umýt v alkoholu, abychom se zbavili stop kalafuny. Je třeba to udělat ještě předtím, než budou do obvodů zapájeny kondenzátorové trimry, které by takovou operaci čištění nevydržely (všechny ostatní součástky jsou proti takovému čištění odolné).



Oživení zařízení.

Jak je teoreticky známo, transvertor není ničím jiným, než konvertorem kmitočtu, doplněným podle zadání o určité zesilovací stupně (vysílací a/nebo přijímací). To hovoří o tom, že budeme oživovat zařízení počínaje oscilátorem a nezbytnými násobiči až po získání oscilátorového signálu (LO) pro směšování kmitočtové konverze (v tomto případě o kmitočtu 2176MHz pro MF=144MHz).
Všechny tranzistory v násobičích jsou konstrukčně tak nastavené, že bez buzení prakticky neodebírají proud (pracují v nehluboké třídě C). Když nastavujeme cívku L1, měl by se rozkmitat oscilátor, což se v bodě P1 projeví snížením napětí na hodnotu okolo 8,0 až 8,5V. Navíc je možné pracující oscilátor rovněž indikovat běžným rozhlasovým přijímačem pro FM pásmo.

Pozor!! Jak již bylo řečeno, transvertor pro 13cm vychází z dřívější konstrukce transvertoru pro 3,4GHz. To se týká zejména celé jednotky konverzního oscilátoru. Na základě zkušenosti s tímto oscilátorem se mi v jediném případě (a vyrobil jsem více, než 10ks transverrorů) stalo, že jsem pozoroval velké rozdíly mezi VF napětím, generovaným oscilátorem s tranzistorem T1 (SST310). Projev byl takový, že tranzistor T2 (BFR92) -  ztrojovač z 90,667 na 272MHz odebíral vlivem velkého buzení tak velký proud, že stupěň prakticky ztratil funkci násobiče. Při buzení napětí na kolektoru tohoto tranzistoru spadlo až na 7,0 voltu. Co bylo důvodem tak velmi odlišných parametrů tohoto stupně nakonec zůstalo nevyjasněné. Nechtěl jsem ničit desku plošných spojů při postupné výměně jedné součástky za druhou a tak jsem se rozhodnul obejít problém tak, že jsem v konečné konstrukci transvertoru s takovou možností již raději počítal. Proto na desce plošného spoje existuje jinak nevyužité místo pro kondenzátor, označený na výkresu jako C-xx. V popsaném případě stačilo pro navrácení do běžného provozního stavu tohoto násobiče na místo tohoto kondenzátoru osadit kapacitu 1,5pF paralelně k odporu 15k (z báze T2 na zem).

Když je pracovní bod T2 správně nastaven - ladíme kapacitním trimrem rezonanční obvod 272MHz na maximální úbytek napětí v bodě P2 - musí být stejnosměrné napětí v tomto bodě okolo 8,0V. V praxi se ukázalo, že všechny transvertory se chovají víceméně stejně a ladicí trimr by měl být otočený
přibližně okolo 45°. Všechny násobiče jsou navržené tak, aby neměly jiné, než správné rezonance, takže je možno je ladit jen na požadovaný harmonický kmitočet.
Analogicky ladíme rezonanční obvod 544MHz - měříme napětí v bodě P3 (trimr je otočený zhruba o 120°), které by rovněž mělo být okolo 8,0V. Stejné je to v případě násobiče 1088MHz, kde by mělo napětí poklesnout na cca 7,5V a oba trimry by měly být natočené zhruba o 90°.
Nyní na pájecí místa vazebního kondenzátoru 47pF vedoucího do směšovače připojíme tenký koaxiální kablík a měřič výkonu (spektrální analyzátor). Ladicí šroub dutinového filtru F1 (ladicí šroub po zapájení rezonátoru do desky nahradíme mosazným šroubem M5) by měl být zatočen do polohy cca 1,5 otáčky pod rovinou matice filtru a následně jej nastavíme na maximální výstupní výkon oscilátorové jednotky. V závislosti na parametrech použitých tranzistorů a toleranci hodnot vazebních kondenzátorů mohou být výsledné hodnoty výkonu potřebné pro injekci do směšovače dosti různé. Bývá to vidět již během nastavování jednotlivých násobičů, kdy na měřicích bodech naměříme napětí, značně odlišné od výše uvedených. Pro správnou funkci směšovače je nezbytný výkon 0,5 - 2mW a v takovém případě celá jednotka oscilátoru odebírá ze zdroje okolo 80-90mA. Příliš vysoký výkon konverzního oscilátoru má negativní vliv na čistotu spektra vysílaného signálu.


Korekce výkonu transpozičního oscilátoru:

Pokud by se projevily podstatné odchylky v odběru proudu jednotlivých násobičů, změníme hodnoty rezistorů R1 a R2. Odporem R1 korigujeme vybuzení tranzistoru T4 a odporem R2 proud tranzystoru T5 a tím pádem výstupní výkon celé oscilátorové jednotky (výkon 1mW jako oscilátorová injekce do směšovače je zcela postačující). Například: pokud je odběr proudu tranzistoru T4 příliš vysoký, čili napětí v bodě P3 značně nižší, než je zapotřebí, korigujeme to zvětšením hodnoty R1 z nuly na 10, nebo 22 ohmů atd.

Poznámka: v praxi se na většině kusů transvertoru ukázalo, že oscilátorové jednotky mají obvykle příliš vysoký výstupní výkon. V souvislosti s tím je možné doporučit, že na místo R1 a R2 je možno přímo při osazování desky zapájet odpory 22ohmu.

V některých případech se ukázalo, že výstupní výkon transpozičního oscilátoru leží značně výše, než 10mW a odběr proudu celé oscilátorové jednotky byl okolo 150mA. Je to rozhodně příliš mnoho a navíc se tak vytváří zbytečné teplo!

Po konečném nastavení oscilátorové jednotky odpojíme koaxiální kabel a zapájíme na své místo vazební kondenzátor 47pF..

Mimochodem - existuje dokonce možnost, jak nastavit filtr F1 i bez měření VF výkonu: při montáži směšovacích diod nezapájíme jeden vývod (je jedno který) a ověříme, že se nedotýká pájecí plošky. Jedna dioda tak nyní bude pracovat jako usměrňovač oscilátorového signálu. Tlumivku 330nH zaměníme za SMD odpor řádu 1kOhm. Pokud se objeví na směšovači signál oscilátoru, bude na tomto odporu možné naměřit stejnosměrné napětí o úrovni několika milivoltů.



Přijímací cesta:

V modu RX nastavíme trimrem P1 napětí na drainu tranzistoru T9 na hodnotu okolo 2,0V. Vstup zakončíme terminátorem 50 Ohmů a trimr P2 nastavíme na maximální zisk. Na MF výstup připojíme SSB přijímač 144MHz. Nyní šroubujeme dovnitř dutinového filtru F2 mosazný šroub M5 až zjistíme na přijímači přírůstek šumu. To je bod nastavení filtru na kmitočet okolo 2320MHz. Pokud bychom šroubovali dál, pravděpodobně najdeme ještě jedno šumové maximum, které odpovídá příjmu na zrcadlovém kmitočtu 2032MHz (2176 - 144MHz).


Vysílací cesta:

Na MF vstupu je zapojen vstupní odporový attenuátor, jehož sériový rezistor R je třeba přizpůsobit výkonu, kterým chceme transvertor budit. Vybral jsem několik hodnot odporů, které odpovídají různým hodnotám vstupního výkonu: pro buzení do 20mW – 0R (zkrat), 20-200mW – 330R, 0,2-1 W – 1K, 1-4W – 4,7K.

Trimr P3 nastavíme na max. úroveň MF signálu vstupující do směšovače a na VF výstup vysílací cesty připojíme odpovídající měřič výkonu (např. spektrální analyzátor s předřazeným attenuátorem) a přivedeme (transvertor je přepnut na TX) trvalou nosnou na MF vstup a nastavíme VF výkon filtrem F3 na maximum. Pokud nemáme měřidlo výkonu, zakončíme TX výstup zátěží 50 ohmů a nastavíme filtr F3 na maximum výkonu, detekovaného na směrové odbočnici (monitor) na výstupu TX. Následně stáhneme buzení trimrem P3 až do bodu, kdy VF výkon na výstupu začne výrazně padat a ještě jednou doladíme filtr F2 na max P-Out. Lineárně dosažitelný výkon (s kompresí cca 1dB) by měl být okolo 200mW.


Přeji příjemnou zábavu při stavbě transvertoru a těším se na slyšenou na pásmu!
Jakékoli připmínky i dotazy jsou vítané!

73 Roman, DJ6EP.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Volný překlad textu uvedeného zde: http://www.dj6ep.de/PDF/TRV13op.pdf  připravil se souhlasem autora OK1VPZ.

Poznámka OK1VPZ: v případě, že budete mít zájem o desky plošných spojů (prokovené spoje s maskou), případně o kovové krabičky, napište mi, zkusím zesumarizovat požadavky a zajistit jejich dodávku. Součástky je možno objednat u TME, nebo u firem Mouser,com, Farnell.com apod. Případně se můžete emailem obrátit o pomoc na autora konstrukce (mluví německy a polsky). Sledujte také rozsáhlou diskusi k tematu stavby tohoto transvertoru na webu:  http://www.mikrofale.iq24.pl/default.asp?grupa=160328&temat=335171  pro přístup se však budete muset zaregistrovat.

Další obrázky:
http://www.dj6ep.de/Fotos/TRV13cm/1.jpg
http://www.dj6ep.de/Fotos/TRV13cm/2.jpg
http://www.dj6ep.de/Fotos/TRV13cm/3.jpg