|
Světový
rekord na 122 GHz, zkušenosti a popis zařízení [2014] Článek
napsal OE5VRL a OE4WOG - Začátek
#01 - Blokové schéma transverteru / CW majáku běžně používaných na mm vlnách
Na obrázku #01 je zobrazeno
"klasické" schéma transvertoru používaného na kmitočtech nad 100 GHz bez
filtru zrcadla. Během prvních testů byly použity OCXO a fixním násobičem
(x96 / x128). OCXO dnes většinou nahrazuje PLL od OE2JOM. #02 - Schéma násobiče pro 38/40 GHz
V zapojení je použit buď násobič s fixním nastavením (x96 nebo 128krát) MKU od firmy Kuhne/DB6NT (nová generace vybavená PLL), nebo je použit násobič využívající VCO typu DRO (Dielectric Resonator Oscillator), který umožňuje flexibilní změnu referenční vstupní frekvence pro LO z OCXO nebo PLL modulu. Pro pevné násobení např. x96 je pro 122 GHz vyžadována vstupní frekvence kolem 141 MHz. Nevýhoda: krystal běží v 5. overtonu, což způsobuje vyšší fázový šum a vyšší požadavek na teplotní stabilitu. Alternativní řešení: použití DRO. Skládá se z keramického rezonátoru (pecky z mikrovlnné keramiky), hřebenového generátoru, rozmítače a PLL. Fázový šum DRO je stejného řádu jako u jiných běžných násobičů, ale je možné jeho "zavěšení" do PLL.. Možnost volitelně nastavit násobící poměr umožňuje využít nižší vstupní (referenční) frekvence v rozsahu mezi 90 až 105 MHz. #03 - 13,4 GHz DRO od firmy CTI
Na obrázku #03 je zobrazen
13,4 GHz DRO od firmy CTI s externím referenčním vstupem. DRO lze nalézt i
v satelitních hlavičkách. V komerčních směrových rádiích bývá DRO
nejmodernějším řešením LO. Rozsah ladění je několik stovek MHz, rozsah
"zachycení" DRO-PLL přibližně 10 až 15 MHz. .
#04 - Pohled do útrob oscilátoru DRO 12,575 GHz s vestavěným referenčním
oscilátorem Ve výprodeji je možné nalézt řadu obdobných DRO se zabudovaným referenční oscilátorem.
#05 - Ztrojovač pořízený z
výprodeje, který pracuje od 13 do 39 GHz Druhý stupeň násobícího řetězce se skládá z takzvaného modulu "ztrojovače", což je vlastně lineární výkonový zesilovače se ziskem 50dB a výstupním výkonem až 100mW původně pracující v rozsahu 38 až 39 GHz (použitý v mikrovlnných spojích GSM operátorů). Násobení na cca 40 GHz má tu výhodu, že ho lze použít i pro pásma 76 GHz (subharmonický směšovač x2) a 122 GHz (harmonický směšovač x3). DL2AM několikrát popsal různé modely, které jsou dostupné na E-bay. Vstupní konektor je SMA a na výstupu je vlnovod WR28.
#06 -
Zapojení 60 GHz LO pro 122 GHz subharmonický směšovač Alternativně je možné použít koncept 60 GHz LO pro 122 GHz subharmonický směšovač. Walter Iller, DH6FAE, Karl Ochs DJ6BU a Jürgen Dahms DC0DA navrhli a implementovali tento koncept LO pro 122 GHz. Toto zpracování LO má však tři stupně a zdvojnásobuje od 15 GHz nejprve na 30 GHz a poté na 60 GHz. Subharmonický směšovač s tzv. antiparalelní diodou se používá na 122 GHz. Nevýhoda: kvůli nízkému výkonu na 60 GHz je myslitelné použití pouze pro RX. Toto zpracování 60 GHz LO popsal Jürgen Dahms, DC0DA ve sborníku konference Dorsten GHZ 2009, název: „Nový přijímačový mixer pro 122 GHz“.
#07 - PCB od DB6NT pro 122 GHz směšovač / CW maják Pro konstrukci směšovače jsou k dispozici desky s obvody od společnosti Kuhne electronic, které umožňují různá připojení k vlnovodu WR28.
Obrázek #08 výše zobrazuje subharmonický směšovač s antiparalelní diodou. V závislosti na typu diody existují rozdíly v zapojení MF a v nastavení pracovního bodu. Kvůli zpětnému DC je nutné v zapojení s jednou diodou použít tlumivku. Ve spodní části obrázku je zobrazen zesilovač na plošném spoji č. 26 podle DB6NT s přepínáním RX / TX, který dává kladné spínací napětí pro přepnutí RX / TX. Ve směru TX je signál IF směrován pomocí regulace úrovně (přibližně 50 až max. 100mW). Při přepnutí pro RX se doporučuje snížit vstupní výkon LO a tím v případě potřeby dosáhnout nižší hodnoty šumu, který je též dán typem použité diody. Určitá zlepšení může také přinést změna klidového proudu diody. Pokud se rozhodneme použít
obvod pro vysílač CW majáku, stupeň MF a další stupeň jsou vynechány. U
varaktorů nebo jednotlivých Schottkyho diod je 0,22µH tlumivka
(stejnosměrná zpětná vazba) nahrazena trimrem, aby bylo možné nastavit
pracovní bod. Varaktorové diody vyžadují pracovní odpor 5 až 10 kOhm.
Pokud používáme pouze jednotlivé Schottkyho diody, měly by stačit nižší
hodnoty.
#09 - Pouzdro pro diody GaAs Flip Chip
Pro 122 GHz CW maják ( se
ztrojovačem)
se používá samostatná Schottkyho dioda MAE1310 nebo MAE1317. Při použití
varaktorové diody na 76 GHz je dosaženo výstupního výkonu kolem 10mW,
výstupní výkon na 122 GHZ je o 10dB nižší (1 mW). Antiparalelní diody se
používají pro subharmonické přijímací směšovače a jednotlivé diody
(MAE1317 nebo MAE1310) pro harmonické směšovače. Všechny diody mají
stejnou velikost pouzdra. Na obrázku je flipchipová dioda MAE1317 od M/A
Com. Mechanické rozměry jsou: 0,66 x 0,33 x 0,19 mm.
#10 - Lepení diod Ať už Schottkyho nebo varaktorové diody, komponenty se lepí pozlacenými připojovacími plochami (0,2 x 0,17 mm) na páskový spoj desky plošných spojů pomocí vodivého stříbrného lepidla.
Práce a instalace flip-chip diod je vysvětleno v popisech od společností Kuhne electronic a DL2AM. Pro práci potřebujete různé náčiní a pomůcky, jehly, párátka atd.
Od doby prvních pokusů v pásmu 122 GHz byl vyvinuta celá řada VF pouzder pro směšovače a násobiče. Na předchozím obrázku je zobrazena kompaktní a minimalistická konstrukce OE5VRL.
Obrázek ukazuje 122 GHz transvertor I. generace OE5VRL uzpůsobený pro montáž transvertoru do ohniska paraboly.
Na přechozím obrázku je zobrazen 122 GHz transvertor OE3WOG II. generace s 13,5 GHz DRO s OCXO a držák antény o průměru 20 mm v ohnisku 70cm paraboly KEPS.
Na předchozím obrázku je fotka 122 GHz transvertor WA1ZMS a W4WWQ (W2SZ), který byl v roce 2005 použit pro vytvoření nového světového rekordu na vzdálenost 114km.
Předchozí obrázek zachycuje 122 GHz zařízení Milana, OK1UFL a Pavla, OK1AIY (vpravo na obrázku). Pohyblivá stativová hlava je připojena k mechanickému interface, na kterém je paralelně nainstalován transvertor s parabolou a QRO CW maják s hornou. Systémy běží současně, výkonnější maják slouží k přesnému dosměrování paraboly.
Většinu měření v pásmu mm
vln lze zařadit do několika základních oblastí, jedná se o: měření výkonu,
šumového čísla, měření frekvence, měření síly signálu, fáze a čistoty
signálu (jestli signál neobsahuje vyšší harmonické složky či parazitní
signály).
Pokud není k dispozici profesionální měřící technika, je možné si vypomoci při nastavování transvertoru a CW majáku pomocí MF výstupu na druhém zařízení či za pomoci jednoduchých měřících pomůcek. V OE se pravidelně setkáváme během kontrolních dnů, kdy si vzájemně porovnáváme parametry našich zařízení a vyměňujeme zkušeností.
Na předchozím obrázku se nachází 122 GHz CW vysílač OE3WOG s 1 mW výstupem a DRO s PLL (verze 2013) Další obrázek ukazuje 122 GHz transvertor a CW vysílač OE5VRL.
Všechny parabolické antény, které se v současné době používají na mm pásmech v OE, jsou vyrobeny z jednoho hliníkového kusu a byly vyrobeny pomocí CNC stroje. 121 cm anténa (35 kg) je také vyrobena z hliníku, ale pochází z komerční výroby. K uchycení 121 cm antény byl proto nutný dodatečný mechanický interface, viz obrázek. Pro úspěchy na mm páskách je zásadní pravidelné setkávání mm nadšenců během kontrolních dnů, výměna zkušeností a praktické zkoušky zařízení v terénu.
Podmínky během pokusu o rekordní spojení na 122 GHz: na obrázku je teréní LOS profil mezi Plöckensteinem a Untersbergem, první Fresnelova zóna nebyla narušena.
Na mm pásmech mm je kromě útlumu volného prostoru také zásadní přídavný atmosférický útlum, jak je názorně vidět v následující tabulce.
Podle výše uvedené tabulky
byl přijímaný signál 5 dB nad šumem našeho přijímače pouze teoreticky, ve
skutečnosti jsme z různých předešlých testů již věděli, že ne vždy je mezi
našimi zařízení shoda do posledního 1dB. CW maják OE5VRL dával asi o 3dB
menší výstupní výkon (-3 dbm), zatímco na straně OE3WOG byl zase o něco
citlivější přijímač směšovače, takže ve výsledku se rozdíly vzájemně
odečetly. Zařízení jsme tedy rozdělili takovým způsobem, že předpoklad
úspěšného příjmu signálu byl zhruba stejný. Pokud by dodatečný útlum
atmosféry byl vyšší pouze o 0,05dB/km (6,6dB/132km), spojení by se
nepodařilo.
Od dob prvních pokusů
používáme na pásmech 76 a 122 GHz systém uchycení feedu pomocí držáku o
průměru 20mm. Přesně před ohniskem je objímka namontovaná na stativu s
otvorem 20 H7. V tomto otvoru je ozařovač společně s transvertorem nebo CW
vysílačem zasunut zepředu a mechanicky připevněn. Tato konfigurace
umožňuje snadnou výměnu zařízení ve velmi krátké době. Při testování
mikrovlnných pásem má smysl nejprve nesměřovat anténu na nižší frekvenci
(10, 24, 47, 76 GHz) a poté přejít na další vyšší pásmo. Anténu je třeba
znovu a znovu donastavovat (čím je použita vyšší frekvence, tím je hlavní
lalok antény užší). K ozáření paraboly na všech frekvencích nad 10GHz
používáme příslušné kruhové vlnovody.
Aby bylo možné přesně nasměrovat parabolu s velmi úzkým hlavním lalokem, je nezbytná stabilní montáž. Vřetena se závitem jsou ideální pro jemné nastavení. Stativ musí být samozřejmě také robustní, aby poskytoval stabilní a větruvzdornou platformu.
Názorný příklad toho, jak velký výkon do jaké paraboly je nutné použít pro překlenutí příslušné vzdálenosti.
Videa na YouTube, která se zabývají tématem 122 GHz:
http://www.youtube.com/watch?v=JlgoepVF43E
http://www.youtube.com/watch?v=cynX4VD2n6Q
http://www.youtube.com/watch?v=E6LP6hBSeIY
http://www.youtube.com/watch?v=SHrMtOXnf98
http://www.youtube.com/watch?v=OMronFbILRY
Budoucí projekty:
60 GHz LO pro 122 GHz subharmonický směšovač
Potlačení fázového šumu
T9 CW signál také na 122 GHz
Zlepšení ozáření povrchu antén
134 GHz ( nebo i výše ? )
?
TNX OE4WOG & OE5VRL za svolení uveřejnit jejich prezentaci na webu OK2KKW web - editoval a přeložil OK1TEH |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
