W powiększającym się na wszystkich pasmach elektronicznym smogu, mój syn Matej OK1TEH długo naciskał mnie aby przygotować solidnieszy, niż klasyczne konstrukcje oparte o tranzystor MGF1302 osiągające współczynnik szumów na poziomie 0,45dB, przedwzmacniacz (LNA) na 70cm.

Ponieważ w sieci można znaleźć sporo różnych rozwiązań LNA gdzie wielu konstruktorów powiela wady i zalety wcześniejszych rozwiązań i które często publikują jako swoje własne rozwiązanie, to nie było łatwe znaleźć naprawdę dobre i powtarzalne rozwiązanie, które by było z sukcesem wykonane przez wielu OMs i które nie było by ekstremalnie trudne do wykonania w domowych warunkach. Innym - acz nie ostatecznym kryterium jest optymalne dopasowanie wejścia, ponieważ LNA pracuje na końcu kabla a nie bezpośrednio w punkcie zasilania dipola anteny.

Wybór tranzystora był w miarę prosty – zwyciężył dobrze znany ATF54143 f-my Avago. Przy rozsądnej cenie i wyśmienitych parametrach jest on relatywnie łatwo dostępny od różnych dystrybutorów. 

Drugim kryterium był współczynnik odbicia na wejściu. Finalny wybór padł na LNA w wykonaniu OZ1PIF ponieważ jest ono używany przez wielu entuzjastów EME i jest najlepszym rozwinięciem konstrukcji PA3BIY, opisanej w Dubusie (co jest świadectwem jakości). Peter OZ1PIF sprzedał z sukcesem setki sztuk, zatem to rozwiązanie jest w pełni sprawdzone. Szereg operatorów używa to rozwiązanie jako bazę do ich własnych konstrukcji – na przykład Zdenek OK1DFC zrobił LNA na 23cm na bazie opracowania W6PQL ale z układem automatycznej polaryzacji ustalającym punkt pracy tranzystora ATF według PA3BIY...  Co jeszcze ważne, rozwiązanie OZ1PIF  wygrywa gdyż dostępne są pliki Gerbera przygotowane przez OZ3SW, co oszczędza nasz czas i daje nam możliwość wykonania profesjonalnych płytek drukowanych bez potrzeby opracowywania dokumentacji.

Tak więc bazując na powyższych rozważaniach skończyły się spekulacje na temat tego rozwiązania i nie przeprowadzałem dogłębnej analizy układu. Zamówiliśmy płytki i pudełka metalowe. Matej kupił elementy SMD, załatwiliśmy złącza SMA, superniskosratne trymery Tekelec Air Tronic zostały wygrzebane z 20 letniego złomu, a później trochę drżącymi rękami osadzałem 5 płytek drukowanych (4 miały być na 70cm, piąta na 2m).

Jak widzicie na zdjęciach starałem się to zrobić najprecyzyjniej jak to jest możliwe. Starzeję się i moja inwencja twórcza się obniża ale priorytetem jest perfekcyjne wykonanie. Mogę powiedzieć, że instrukcja montażu wedlug OZ1PIF została wykonana przynajmniej w 99.9%.  Motywacja była prosta – nie warto tracić czasu skoro ta konstrukcja LNA została tak dobrze  wypróbowana już przez setki użytkowników. Moje zainteresowanie ma też inne podłoże niż sama konstrukcja LNA, za czasów komunistycznych budowanie przedwzmacniaczy UHF TV z najlepszą liczbą szumową otwierało bramę do wolnego świata, hi...

Wzmacniacze uruchomiłem, najpierw sprawdzając je stałoprądowo (ATF-y sztutka w sztukę brały prąd pomiędzy 53-58mA) a później na analizatorze widma. Zostało zmierzone maksymalne wzmocnienie (średnio było o 1dB mniejsze niż podawane przez OZ1PIF) jak również sprawdzono współczynnik odbiciowy na wejściu (dopasowanie). Ten parametr nie był tak wyśmienity jak w artykule OZ1PIF, ale po pewnym odstrojeniu osiągnąłem zadowalającą wartość -20dB. Wszytsko pracuje dobrze i bezproblemowo, bardziej lub mniej perfekcyjnie. Nie było potrzeby robienia zmian, wymiany elementów itd. Po prostu dobre rozwiązanie, które działa z marszu. Przy okazji, drut miedziany o średnicy 2.6mm jest używany jako centralna żyła w przewodzie H-1000.

I wtedy nastąpił dramat.  Uruchomiłem starszy miernik szumów HP. Kiedy się wygrzał przeprowadziłem jego kalibrację i rozpocząłem pomiary tych LNA. Pierwszy rezultat był szokujący – 2.4dB!  Dostrajanie pomagało w zakresie setnych części dB. Kolejny miał 1.63dB, trzecie 2.75dB, czwarty podobnie!  Ponieważ ranek jest lepszy od wieczoru, poszedłem spać.

Później miałem zajęte dwa dni ale nie zapomniałem o tym i rozważałem różne hipotezy, jak zły materiał płytki (ale to od razu odrzuciłem ponieważ jedna z płytek była oryginalna od OZ1PIF), złe tranzystory (pochodziły od różnych dostawców), złe złącza (chińskie ale z teflonem, po sprawdzeniu dwóch połączonych semirigidem tłumienie było rzędu 0,1dB), złe trymery (ale to w starym LNA powodowało 0,45dB NF). Nie było widać jasnej usterki. Na koniec, jak zwykle pomogła mi matematyka.

Rezultat mojej prostej analizy układu wejściowego był w miarę jasny – kiedy zamodelowałem komputerowo każdy element z uwzględnieniem strat okazało się, że największy wpływ ma kondensator blokujący C4 na zimnej stronie cewki L1. Przy realnym tangensie strat w standardowym kondensatorze ceramicznym 1nF, nie możemy spodziewać się żadnych cudów i współczynnik szumów jest zdegradowany. Rezystor R1 jeśli nawet nie jest dobrze odblokowany przez C4 to nie zwiększy start układu rezonansowego. Niestety nie miałem niskostratnych kondensatorów (jak np. ATC) o wystarczającej pojemności, tak więc niezbędnym było inne udoskonalenie układu.

Najlepsze kondensatory blokujące w.cz. nie do końca dobrze blokują. Bezpośrednie połączenie galwaniczne ma dużo mniejszą rezystancję szeregową zatem i straty. Bramka tranzystora nie może być połączona z masą więc dlaczego nie zrobić tego na większej impedancji, gdzie straty w kondensatorze będą pomijalne. Innym powodem przeróbki wejścia LNA było zwiększenie jego odporność na iskrzenie (przepięcia).  W oryginalnym układzie szansa na uszkodzenie ATF-a jest większa, gdyż relatywnie duża impedancja rezystorów R1+R2+R3 nie może zapobiec przepięciu przeniesionemu przez pojemność wejściową C1.  Przy okazji, w takich rozwiązaniach zaobeserwowano wiele uszkodzeń LNA zrodziło pogłoski, że tranzystory ATF54143 są ekstremalnie wrażliwe na elektryczność statyczną. W moim przekoaniu odpowiada za to nie zła konstrukcja tranzystora ale złe rozwiązanie samego LNA!

 Aby dalej nie męczyć tym wywodem wykonana modyfikacja jest przedstawiona na tych zdjęciach:

Wejściowy obwód rezonansowy jest uziemniony od zimnego końca, natomiast gorącą stroną jest podłączony do bramki tranzystora poprzez dodany kondensator. Jego optymalna wartość, dobrana na zasadzie prób, wynosi ok. 5.6pF dla 432MHz i 10-12pF dla 144Mhz.  Napięcie polaryzujące bramkę FET-a jest podłączone poprzez dławik powietrzny. Jest on nawinięty drutem 0,25mm na średnicy 2mm (ok. 30 zwojów). Tych kilka zdjęć jest lepsze niż długi opis:

Współczynnik szumów (NF) tak wykonanych LNA spadł do ok. 0,5dB dla obu pasm. Szereg LNA miało nawet poniżej 0,45dB. Jednak przy pomiarach tak niskich NF ważne jest użycie bardzo dobrych złącz/redukcji  zarówno przy pomiarach jak i przy kalibracji (być może z tego powodu pojawiają się wyniki poniżej 0,2dB, hi). Radzę wszystkim wierzącym w swoje pomiary przeczytać artykuł  jak również wyniki pomiarów w publikacji EME Newsletter K2UYH tutaj.

W praktyce, nie słuchamy współczynnikiem szumów czy odpornością IP3, ale uszami. Teraz był czas na pomiar współczynnika odbicia na wejściu.  Pomiary te nie były tak optymistyczne jak w oryginalnej konstrukcji OZ1PIF.  Moje LNA optymalizowane na najlepszy NF miały współczynnik odbiciowy na wejściu tylko -6 -9dB..... Kiedy zestroiłem je trymerem na najlepsze dopasowanie to NF spadł do ok. 0,7dB. To jest logiczne, gdyż tranzystory PHEMT mają minimum szumowe zawsze w innym punkcie niż dopasowanie energetyczne. Sytuacja pewnie będzie lepsza dla pasm 23 i 13cm gdzie uda się zbliżyć bardziej oba warunki dopasowania poprzez relatywnie szerokopasmowy układ wejściowy. Ale taki układ nie jest odpowiedni dla niższych pasm. Nie jestem jedyny, który jest o tym przekonany.

Szerokopasmowe dopasowanie jest dobre dla EME jednak nie dla stacji kontestowej, gdzie problemem są silne sygnały spoza pasma, w szczególności produkty intermodulacyjne drugiego rzędu nadajników DVB-TV, które mogą powodować spory QRN na 23cm. Wielu zawodników już się spotkało z tym problemem, hi.

Jakie dopasowanie jest lepsze – szumowe czy impedancyjne ?  Końcowy efekt zależy od tego gdzie jest umieszczony LNA jak i wypadkowego współczynnika szumów całego toru odbiorczego. Może on być nawet lepszy z lepszym dopasowaniem impedancyjnym i gorszym szumowym  niż odwrotnie. Przy okazji zajrzyjcie do tabeli określającej straty na skutek niedopasowania i będziecie mieć temat do myślenia.

Nie martwcie się kiedy chcecie zbudować LNA a nie macie do dyspozycji miernika szumów. Dopasowanie impedancyjne pokrywa się na ogół z dopasowaniem na największy zysk. Optymalizacja na najmniejsze szumy z grubsza odpowiada odstrojeniu obwodu wejściowego w stronę większych częstotliwości, czemu będzie odpowiadało zmniejszenie wzmocnienia o ok. 0,9dB. To się dobrze sprawdziło w przypadku 4 wzmacniaczy na 432MHz. LNA na 2m zachowuje się podobnie acz dysponując tylko jednym egzemplarzem trudno mi to uogólnić.  Poniższa tabela przedstawia rezultaty pomiarów:

LNA z przedstawioną wcześniej modyfikacja będzie na pewno bardziej odporny na przepięcia od wyładowań niż oryginalna konstrukcja OZ1PIF czy podobne modyfikacje SM6FHZ.  Jeśli nie chcesz tak zmodyfikować LNA to spróbuj rozwiązania YU1AW czy F8KTH – to drugie nawet na oryginalnej płytce.  Jeśli myślisz o zastosowaniu diody Schottky jako zabezpieczenia to przeczytaj ten opis , współczynnik NF będzie pogorszony o 0,15dB ale jeszcze bardziej pogorszy się odporność na intermodulację.

Odporność intermodulacyjna LNA wg OZ1PIF nie była mierzona. Nie mam dwóch dobrych generatorów tak więc muszę wierzyć danym producenta tranzystora datasheet.  Opisana przeze mnie modyfikacja nie powinna pogorszyć odporności na intermodulację. Najnowsze przedwzmacniacze z ekstremalną odpornością IP3 mają znaczenie w warunkach amatorskich tylko w przypadku toru odbiorczego kiedy obserwuje się problemy z kompatybilnością  elektromagnetyczną (EMC) od sygnałów spoza pasma. Wtedy zaleca się zastosowanie LNA za którym zainstalowany będzie cyrkulator i filtr pasmowo-przepustowy (BPF). W przypadku zakłóceń występujących w paśmie IP3 LNA nie musi mieć już takiego znaczenia gdyż bardziej znaczącą rolę będzie odgrywał współczynnik IP samego odbiornika. Więcej o tym tutaj: tutaj .

Konkluzja ? To jest kolejne potwierdzenie, że lepiej jest zmierzyć niż ufać. Nawet dobrze sprawdzone konstrukcje mogą nie mieć deklarowanych parametrów. Pewne strony Web tolerują nawet więcej niż papier... Nawet mała niedoróbka w konstrukcji czy w opisie elementów może spowodować zupełnie inne rezultaty.

Tyle ode mnie. Życzę miłej zabawy przy konstrukcji przedwznacniacza, transwertera czy końcówki na półprzewodnikach (SSPA) życzy

OK1VPZ.

Uwaga: dla mechanicznego zamocowania małego dławika w.cz. (jak w bramce ATF54143) zastosowałem z dobrym skutkiem klej do tkanin firmy Bison o nazwie Textile Adhesive (dostępny też w Polsce). Nie zaobserwowałem wpływu na paramtery w.cz. co by mogło skutkować pogorszeniem NF.

DODATEK

 Od czasu pierwszej publikacji tego artykułu wykonałem dwa kolejne LNA. Również odebrałem szereg głosów o oscylacjach układu polaryzacji bramki jak i zastosowania innych tranzystorów. Pozwólcie zatem na kilka słów w tym temacie.

 A)  na początek załączam zmodyfikowany przeze mnie schemat LNA z wprowadzonymi zmianami. Oryginalny schemat OZ1PIF znajduje się  tutaj. 

B). jeden z przedwzmacniaczy zachowywał się gorzej pod względem intermodulacyjnym niż pozostałe. Lokalne stacje kontestowe były odbierane ze spletterem chociaż ich sygnał był odbierany przez inne LNA OK.  Rozwiązanie zaproponował Josef OK1TKP – to były oscylacje układu polaryzującego bramkę. Kiedy sprawdziłem oscyloskopem, na dwu z 6 LNA dało się zaobserwować na kolektorze tranzystora PNP  BC857 oscylacje, gdzieś ok. 200mVp-p, co oczywiście ruinowało parametry intermodulacyjne LNA. Oscylacje ustały po dołączeniu kondensatora tantalowego 10uF z kolektora tranzystora BC857 do masy (równolegle do C7). Jeszcze lepszym rozwiązaniem jest wymiana tranzystora BC857B na inny z mniejszym wzmocnieniem jak BC857A (kod na obudowie SMD 3A lub 3E) i po tym dodatkowo dodanie dla pewności tego kondensatora 10uF.  Prawdopodobnie OZ1PIF też się spotkał z tym problemem (nic o tym nie wspominając) gdyż na zdjęciach zdjęcia  widać kondensator elektrolityczny w tym właśnie miejscu a na liście elementów jest inny tranzystor niż na schemacie.  Na koniec – przypuszczam, że oryginalny układ wejściowy jest bardziej podatny na te oscylacje niż ten po mojej modyfikacji.

 W praktyce okazało się, że LNA ma dobrą odpornośś intermodulacyjną na silne sygnały spoza pasma. U OK1TEH szumy od nadajnika DBV-T były mniejsze dla LNA z ATF54143 w porównaniu do starszego LNA z MGF1302.

 C).  Sprawdziliśmy użycie alternatywnego tańszego tranzystora ATF 35143, który w porównaniu do oryginalnego ATF54143 jest itermodulacyjnie troszkę gorszy od ATF54143 ale ma teoretycznie ma ciut mniejsze szumy.   Nie mogę potwierdzić, że szumowo jest lepszy ale  w warunkach poza zawodami, można zaakceptować jako tańszy zamiennik oryginalnego. Należy pamiętać, że ATF35143 ma inny zalecany punkt pracy (2V i 15mA wobec 3V i 55mA) i dlatego wymaga dodatkowych modyfikacji:

●             oba rezystory R10 i R11 (oryginalnie 150ohm) należy zaminić na 56ohm
●             indukcyjności L4 i L5 (2nH dla 70cm) zostały zastąpione kondensatorami SMD 470pf (rozmiar 1206)
●             bramka tranzystora będzie na zerowym potencjale tak więć przy prądzie drenu 15-20mA będzie ujemnie   spolaryzowana (ok. -0,45V).  Zerowe napięcie na bramkę podane jest przez dławik z rezystora R1 (100ohm)   odblokowanego do masy kondensatorem C4

●             układ polaryzacji (z tranzystorem PNP) nie jest użyty
●             wartość R6 (22ohm) zmieniniona jest na 120ohm

Rezultaty nie były sprawdzane na więszej ilości egzemplarzy, tak tylko dla informacji, wzmocnienie było trochę mniejsze (ok. 14dB na 70cm), współczynnik szumów ok. 0,45dB.

Współczynnik szumów takiego LNA z ATF35143 mógłby być jeszcze lepszy gdyby zastosować obwód wejściowy o większej dobroci (jak np. rezonator 1/4 długości fali wykonany z półcalowego kabla koncentrtycznego).  Ale ta idea oczekuje prztestowania przez kogoś.

To by było na tyle odnośnie konstrukcji LNA Petera OZ1PIF.  Może ta informacja pomoże komuś.

73 de Vladimir
OK1VPZ

PS: Dzienkuje bardzo Michalowi SP2IQW za tlumaczenie!

Kolejna notatka z 2018 roku tutaj.