Při používání speciálních přijímacích antén na nízkých KV pásmech se radioamatéři často potýkají s problémem nízké úrovně přijímaného signálu. Antény typu beverage, Flag, Pennant, EWE nebo K9AY poskytují výborné směrové vlastnosti a výrazně potlačují rušení, jejich výstupní úroveň je ovšem podstatně nižší než u klasických vysílacích antén. Právě pro tyto aplikace vznikl předzesilovač W7IUV od Larryho Molitoru, který se za léta používání stal jedním z nejznámějších nízkofrekvenčních předzesilovačů pro DX příjem na pásmech 160 ma 80m.
V článku se dočtete
Proč se používají předzesilovače na KV
Mnozí radioamatéři si kladou otázku, zda má předzesilovač na krátkých vlnách vůbec význam. Moderní transceivery jsou zpravidla dostatečně citlivé a jejich vlastní šum bývá nižší než externí šum zachycený anténou. Situace se však mění při použití přijímacích antén s velmi nízkým ziskem nebo u dlouhých napájecích vedení.
Předzesilovač v takovém případě nepracuje proto, aby „vytvářel“ nové signály. Jeho úkolem je zvýšit úroveň přijatého signálu ještě před ztrátami v koaxiálním vedení nebo před vstupem do přijímače. Zároveň musí mít dostatečně nízké šumové číslo, aby nezhoršil odstup signálu od šumu. Důležitější než samotné šumové číslo je ovšem na nízkých pásmech schopnost zpracovat velmi silné signály bez vzniku intermodulace. Atmosférický šum, průmyslové rušení a silné rozhlasové vysílače vytvářejí na vstupu přijímače podmínky, které dokážou zahltit nekvalitní předzesilovač.
Právě proto Larry W7IUV již v původní dokumentaci zdůrazňuje, že nejdůležitějším parametrem předzesilovače pro pásmo 160 m není šumové číslo, ale hodnota OIP3, tedy výstupní intercept třetího řádu. Ta určuje odolnost vůči intermodulačním produktům vznikajícím při přítomnosti silných mimopásmových signálů.
Unikátní vlastnosti koncepce W7IUV
Předzesilovač W7IUV vznikl jako výsledek dlouholetého vývoje určeného pro DX provoz na 160m. Autor postupně opustil řešení využívající JFET tranzistory, MMIC zesilovače a další populární koncepce, protože nedosahovaly požadovaného dynamického rozsahu. Namísto toho použil bipolární výkonový tranzistor 2N5109 pracující v lineárním režimu s výraznou zápornou zpětnou vazbou.
Právě zpětná vazba je jedním z hlavních důvodů mimořádně dobré linearity zapojení. Předzesilovač není navržen jako extrémně nízkošumový laboratorní zesilovač. Prioritou je schopnost pracovat v reálném anténním systému bez vzniku nežádoucích produktů při současné dostatečné citlivosti.
Další výhodou je jednoduchá konstrukce. Aktivní část sestává pouze z jediného tranzistoru, několika rezistorů, kondenzátorů a transformátoru na feritovém toroidním jádru. Navzdory jednoduchosti dosahuje parametry, které jej dodnes udržují mezi nejpoužívanějšími předzesilovači pro Beverage a podobné přijímací antény.
Technické parametry
| Tranzistor | 2N5109 (alternativně 2N3866 nebo DCP68) |
| Napájení | 12,6 až 13,6 V |
| Zisk | přibližně 18 až 21 dB |
| Pracovní rozsah | přibližně 1 až 30 MHz |
| Šumové číslo | lépe než 4 dB, typicky kolem 2 dB |
| OIP3 | přibližně +42 dBm |
Měření publikovaná Karlem OK2ZI potvrdily zisk přibližně 18 dB a velmi dobré impedanční přizpůsobení. V praxi jde o hodnoty plně dostačující pro většinu přijímacích antén používaných na KV pásmech.
Schéma zapojení
Základ zapojení tvoří tranzistor 2N5109 v zapojení se společným emitorem. Kolektor je připojen přes autotransformátor k napájení a zároveň tvoří výstupní obvod. Rezistory R2 a R3 zajišťují zpětnou vazbu, která výrazně zlepšuje linearitu a vstupní impedanci. Emitorová kombinace odporů 4,7 Ω a 10 Ω stabilizuje pracovní bod tranzistoru.
transformátor T1 zajišťuje impedanční transformaci 1:4. V původních verzích se používal toroid FT50-43 s 10 závity bifilární. Pozdější úpravy autora doporučují jádro typu 75, které přináší lepší intermodulační vlastnosti.
Na obrázku schématu publikovaného OK2ZI je použit FT50-43 s deseti bifilárními závity, což odpovídá původní verzi konstrukce. Tato verze se mezi radioamatéry používá dodnes a poskytuje velmi dobré výsledky zejména u antén Flag a Beverage.
plošné spoje od OK2ZI
Podíl na proveditelnosti předzesilovače má Karel OK2ZI, který připravil profesionálně navržené plošné spoje. Ty výrazně zjednodušují stavbu a minimalizují riziko chyb při rozmístění součástek.
Předzesilovač jsem stavěl právě na plošném spoji od Karla OK2ZI. Jako první jsem osadil rezistory, kondenzátory a ochrannou diodu. Nejvíce práce si vyžádalo navinutí transformátoru na toroidním jádru. Začátečník může mít s bifilárním vinutím zpočátku problémy, zkušený konstruktér jej však zvládne bez větších komplikací.
Jako poslední jsem osadil relé a tranzistor s chladičem. Chlazení není třeba podceňovat. Předzesilovač bývá často umístěn ve vnější skříňce u antény a během letních dnů může být vystaven přímému slunečnímu záření. Tranzistor proto musí mít dostatečný chladič.
Zapojenie fungovalo na prvé zapnutie. Stačilo skontrolovať odoberaný prúd a následne vykonať meranie pomocou nanoVNA. Naměřený zisk v KV pásmech odpovídal hodnotám publikovaným dalšími autory. Předzesilovač jsem navíc doplnil o tlumivku na výstupu dle návrhu Honzu OK2ZAW pro potlačení společného proudu po koaxiálním vedení.
V současnosti ho používám s přijímací anténou Flag a výsledky jsou velmi dobré zejména na 160 ma 80m.
Měření a praktické zkušenosti
Karel OK2ZI publikoval dvě série měření. Výsledky potvrzují velmi malý průchozí útlum v režimu bypass a zisk přibližně 18 dB v aktivním režimu. Zároveň byly ověřeny dobré impedanční vlastnosti a stabilita zapojení.
Podobné výsledky publikoval i Tobias DH1TW, který pomocí VNWA analyzátoru naměřil přibližně 20 dB zesílení v rozsahu 1 až 30 MHz při velmi dobrém vstupním přizpůsobení.
YouTube videa
Pro zájemce o praktická měření a stavbu jsou zajímavá následující videa:
Ve videu je prezentováno měření zisku pomocí nanoVNA, přičemž autor uvádí přibližně 21 dB zesílení.
Druhé video ukazuje použití předzesilovače W7IUV s magnetickou smyčkovou anténou při přijímacím provozu.
Kde koupit a cena
Originální předzesilovač se běžně prodává jako stavebnice jen výjimečně, avšak Plošné spoje od OK2ZI jsou dlouhodobě dostupné prostřednictvím eBay. Cena samotného plošného spoje se pohybuje přibližně kolem 4,70 USD, přičemž je třeba připočítat poštovné.
Kompletní osazení včetně tranzistoru, relé, konektorů a skříňky obvykle vychází na několik desítek eur podle použitých součástek. Nejproblematičtější položkou bývá originální tranzistor 2N5109, který je dnes méně dostupný než v době vzniku konstrukce.
Závěr
Předzesilovač W7IUV patří mezi ověřené konstrukce pro lowband DX příjem. Jeho největší předností není extrémně nízké šumové číslo, ale vysoký dynamický rozsah a výborná odolnost vůči intermodulaci. Právě díky tomu se stal standardem při použití antén Beverage, Flag, Pennant či K9AY.
I po více než dvou desetiletích od svého vzniku se jedná o zapojení, které má co nabídnout moderním radioamatérům. Při použití kvalitního plošného spoje od OK2ZI a dodržení doporučených konstrukčních postupů se jedná o projekt, který zvládne většina středně pokročilých konstruktérů a který dokáže citelně zlepšit vlastnosti přijímacího systému na nízkých KV pásmech.
Dobrý článek. Je třeba podtrhnout že se týká o předzesilovač pro loop anteny a anteny který dávají slabý signál. Architektura se společným emitorem toho víc neumí.
Pokud si sestavíte IP3 nebo IM3 měřák, přijdete na to, co lidi neustále publikují za kraviny. Neznám důvod zblbnutí. Možná chtějí být kopírováním článků zajímavý, zajímavý svými pa-vědeckými leštěnými prdy. Tím mířím mimo tento článek do jiných končin.
Měřit IP3 chce dva kmitočty. Dostatečný výkon aspoň 100mW sloučený na jeden výstup. Filtr na harmonické, protože nebudu měřit harmonické a všechno dohromady. Potom utlumový článek po 1dB. Mechanický stačí, dost dobré jsou některé military GaAs s FET uvnitř. Ovšem musíte si útlumový člen naprogramovat nebo cvakat BCD vypínačem. To je jedno.
Spektrální analyzátor se vstupním atenuátorem ukáže rostoucí, pohyb IP3 produktů.
Přidáním 1dB signálu vzrostou IP3 produkty o 3dB. Tak to chodí správně.
Produkty IP4 podle mého nemá cenu měřit, protože to uvaříte.
A jak vlastně měřit?
Měřít IP3? Měřit něco jiného? Měřit 1dB kompresi? Měřit 1dB kompresi vezme i pár dní, podle teploty okolí, kvality oběda, když si někdo vypůjčí kabely, a tak. SMA.
Lepší je měřit ůroveň IP3 produktú proti nosným, třeba na -50dBc nebo -30dBc. Měření je jednoznačné, opakovatelné, nic neodpálíte. Můžete srovnat různý tranzistory.
Různý ferity taky. Žádný ferit není kouzelný, jenom má Bsat saturation level a ztráty, a komplexní permeabilitu podle kmitočtu. Měřit v jednotkách Gauss. Jednotky Tesla jsou k prdu, to vám asi na škole neřekli, malý hnidy čísla. Motorola používala levná jádra z Indiany, dnes to je asi tak stejné. Linearita byla někde do B= 100 Gauss. Což je klíčové číslo.
Přesycené ferity znečistují spektrum. Pak slyšíte ten bordel na pásmu spojený s vyzařováním fázového šumu, což dřív nebývalo.
Kouzelné tranzistory taky neexistují, můžete jen konstatovat po přeměření že 2N2222 není moc jinačí a o 3dB horší než 2N5109, ovšem v té pravé konfiguraci. Můžete si takto přeměřit bázmeky z Číny, slučovače, symetrizátory, LNA, a vůbec. I rezavý šroub má své IP3.
Jestli má někdo volné ruské 6W JFETs dejte vědět. Stálo by za to je vyzkoušet. Zatím je prodávají lichváři z DDR. Rusové používali na „silicon die“ hliník místo zlata, takže po čase se struktura sam otrávila hliníkem. Možná se to změnilo, nevím.