OK1UFC, České Budějovice, JN78fx, dne 08.11.2017:
Předzesilovače pro pásmo 23 cm s velmi malým šumem - část III.: "Prototyp č. 1 a č. 2"
Důležité detaily v konstrukci
1. U prvního prototypu jsem se nechal inspirovat montáží vstupního polovodiče podle konstrukce G4DDK, označení VLNA 23. Autor použil drátěnou konstrukci indukčností v obvodu Source. A pravděpodobně neřešil konstrukci PCB s ohledem na indukčnosti mikropásků, které jsou poměrně široké a je použito konkrétní prokovení děr. 2. U druhého prototypu jsem použil vlastní konstrukci desky spoje. Indukčnosti jsem vytvořil na PCB - viz foto vpravo. Je bez drátových indukčností. Montáž polovodiče je v takovém případě jednoduchá. Funguje to takto - u každého pásku elektrody Source jsou 4 díry, orientované tak, že se vzdalují od elektrody S. Spoje "prokovuji" v dírkách tenkým drátkem. Nejmenší indukčnost je po "prokovení" nejbližších i dalších děr, větší je po "prokovení" jen vzdálených děr. Další prototyp chystám na továrně vyrobené desce s prokovenými dírami. Tam se postupuje jinak. Pokud je zesilovač nestabilní a potřebujeme zvětšit indukčnost, odvrtáme blízké prokovy u elektrody S. |
Tvar desky a osazení součástí je na obrázcích dole
Orientace na desce Pro lepší orientaci uvádím popis desky. Vpravo u konektoru ANT je v těsné blízkosti anténní relé HF 356. Přímo na pájecí plošce relé je připájem ATC vstupní kondenzátor. Pod relé, nepatrně vlevo, je vstupní HJ-FET. V horní části, zprava je obvod pro Bias. Záporné napětí generuje obvod 7660, proud vstupním polovodičem se nastavuje trimrem P1. Ve střední části desky je druhý stupeň s MMIC SPF5189. Ve spodní části desky jsou stabilizátory napětí. Jednak lineární stabilizátor v provedení 78M05 (odebíraný proud je větší než 100 mA) a také Zennerova dioda Di2 (v pouzdření SOT23, napětí 3V3). Dioda neumožňuje překročit napětí D-S u vstupního polovodič. Fotografie
Na fotce vpravo je pohled do krabičky velikosti 67 x 46 mm z pocínovaného plechu druhého prototypu. Použitý polovodič je pájen přímo na PCB. Na fotografii jsou vidět koaxiální kabely semirigid od SMA konektoru TX k relé. Druhý je z výstupu druhého stupně ke konektoru RX (vlevo). Uprostřed je vidět MMIC typu SPF 5189. Zřetelně jsou vidět vinuté indukčnosti na výstupech obou stupňů (Drain). Na fotografii je LNA odkrytý, připojený ke konektoru SAM šroubovicové antény. V LNA jsou pouze 4 indukčnosti, z toho 2 jsou ve vstupním obvodu HJ FETu. |
Výsledky Popsaný typ LNA je s vestavěným anténním relé. Anténní relé zhorší šumové číslo o cca 0.1 až 0.15 dB. V uvedeném provedení jsem dosáhl naměřené hodnoty NF kolem 0.3 až 0.4 dB při zisku kolem 30 dB. Poznámky Za určitých předpokladů by bylo možné dosáhnout lepších hodnot šumových čísel. Pro mne by to znamenalo komplikace: 1. OK1UFC Small Projekt je založen na využití SMD mikrovlnných anténních relé. 2. Vzdušná montáž vstupního konektoru a rovněž montáž ATC kondenzátoru přímo na špičku relé sníží ztráty použitého materiálu desky ve vstupním obvodu. Šumové číslo se zlepší až o 0.1 dB. Je to pracné. 3. Sliboval jsem si zlepšení NF od vzdušné montáže vstupního polovodiče. První prototyp, který byl tak montovaný, však nebyl v ničem lepší. Proto jsem hledal řešení montáže vstupního polovodiče pájením přímo na desku - viz text a obrázek v úvodu. 4. Nejlepšího NF jsem dosáhl s HJ FETem NE32984 a výborných výsledků s MGF4919G. 5. Na hodnotu NF má vliv celá řada použitých součástí. Jedná se o blokovací kondenzátor o kapacitě 8 pF v obvodu Bias. Používám slídový Cornell Dubilier nebo ATC porcelánový v nejmenším pouzdře. Dále se jedná o rezistor obvodu Bias i blokování napětí Bias. Používám keramické kondenzátory pro mikrovlnné použití. V obvodu Bias 7660 používám keramické kondenzátory s kapacitou 10M. 6. S prvním prototypem jsem experimentoval rovněž bez relé. SMA konektor byl maximálně zkrácen a přímo na konektoru byl pájen vstupní kapacitní čip. Indukčnosti ve vstupním obvodě měly obě cca 4 závity drátu průměru 0.3 mm na průměru 2.5 mm a byly doladěny roztažením na nejmenší NF. V takovém případě NF dosahovalo minima kolem NF = 0.22 dB. 7. Druhý stupeň dosahoval hodnot NF samostatně kolem NF = 0.8 dB 8. První stupeň dosahoval stabilního zisku přes 20 dB. Na stabilitu však pozor. Zatížení druhým stupněm však oběma typům polovodičů vyhovuje. 9. Nastavení pracovního bodu má na šumové číslo zásadní vliv. Jedná se o kruciální záležitost. 10. Nastavení indukčností ve vstupním obvodě má rovněž zásadní vliv na dosažené šumové číslo. Poznámky k nastavování Protože jsem indukčnosti vstupního obvodu musel nastavovat experimentálně, připravil jsem si několik vinutých cíveček. Vždy jsem si nejprve vyzkoušel potřebnou délku vodiče navinutím drátu na vrták. Podle takto zjištěné délky jsem přesně ustřihnul nový CuL drát a ocínoval velice pečlivě konce. Takto jsem navinul několik indukčností s počty závitů 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 5 a 6. Pokud jsem v ladění s konkrétní cívečkou nebyl schopen dosáhnout minima v přijatelném tvaru cívky (např. byla příliš roztažená), cívečku jsem vyměnil za vhodnější. Nastavování ULNA nepovažuji za úplně jednoduché: 1. V každém případě jsem u prototypů experimentálně nastavoval velikost indukčnosti L2 (výstup MMIC). Zisk druhého stupně (MMIC) je v pásmu 23 cm poměrně nízký (12 - 15 dB). 2. První stupeň ULNA s polovodiči MGF1919G měl poměrně velké rezervy. Po sestavení prvního prototypu bylo šumové číslo NF = 0.5 dB, tedy srovnatelné např. s LNA SiGe, který je podstatně jednodušší konstrukce. Pro zlepšení NF bylo nutné nastavit všechny 3 indukčnosti. 3. Indukčností v obvodu drain jsem nastavoval stupeň k hodnotě maximálního stabilního zisku (MSG). S ohledem na NF druhého stupně je vhodné nastavovat MSG na hodnoty větší než 20 dB. 4. Indukčnostmi v obvodě gate jsem nastavoval přizpůsobení na nejlepší NF. Bez nastavování nebylo NF nikdy lepší, než NF = 0.5, i když byl s ohledem na NF nastaven pracovní bod vstupního FETu napětím bias (-Ug-s). 5. Nastavením indukčností v obvodě gate bylo možné dosáhnout hodnot NF lepších než 0.35 dB. Pokud však byla provedena instalace vstupních indukčností a kapacity C1 mimo desku relé, tedy přímo na SMA konektor, ukazoval měřič NF hodnoty kolem NF = 0.22 dB (polovodič NE32984) až 0.24 (MGF4919G).
TU 73, Mira, ok1ufc