Vysoce kvalitní transvertor na 144 MHz od S53WW

Věřím, že mnozí návštěvníci tohoto portálu již četli popis vysoceodolných předzesilovačů od Robiho S53WW. Robi souhlasil s překladem všech článků, které se nacházejí na jeho webu: http://lea.hamradio.si/~S53WW/. Děkujeme!

Úvod

Javornik 144/14 MHz je vyskoodolný transvertor na 144 MHz optimalizován pro použití s FT-1000MP  jako stanicí na 14 MHz a ztrátou napáječe 0,5 dB mezi anténou a vstupem transvertoru (bez použití přídavných předzesilovačů!).

Má dva (synchronní) RX konvertory s dostatečným ziskem aby překonaly i šumové číslo FT-1000MP, které je při zapnutém IP0 18 dB. FT-1000MP bude vhodné malinko upravit – vyvést na zadní panel konektor se SUB RX tak, aby to nenarušilo vzhled zařízení.

Lokálne oscilátory (130 MHz) jsou v Buttlerově zapojení s nízkošumovými tranzistory BFR93a. K RX směšovačům vedou dvě separátní cesty oscilátorového signálu. Maximální výkon LO do směšovačů je 23 dBm a lze jej nastavit atenuátory (lze použít různé typy směšovačů). Pokud Vám bude stačit jeden konvertor, není třeba postavit dvojici LO.

TX konvertor si poradí se vstupní úrovní budiče na 14 MHz v rozsahu -20 dBm až +20 dBm. Budič s tranzistorem BFG196 pracuje ve třídě A a poskytuje velmi čistý signál úrovně +15 dBm, který stačí k vybuzení hybridu Mitsubishi M57727 (20W) nebo M57713 (10W).

RX konvertor

Schéma RX konvertoru, první část
Schéma RX konvertoru, druhá část

Celkové šumové číslo sestavy (0,5 dB ztráty v napáječi + XVRT + IF RIG) je projektováno na úroveň 2,0 dB (170K), což je lepší, než se vyžaduje pro TROPO na 144 MHz. Ztráty 0,5 dB představuje například 33m 7/8″ kabelu, 18m 1/2″ kabelu nebo 11m AircomPlus/H2000. Pamatujte, že investice do dobrého (čti: hrubého) je mnohem lepší než investovat tutéž částku do předzesilovače pod anténou! V případech, kde není možnost použít krátký napáječ obsahuje návrh způsob připojení předzesilovače 4xBF998 na anténní konektor (js napětí přiváděno přes RX nebo RX/TX koaxiální kabel).

Tabulka 1: technické parametry RX části Javorníku 144/14 MHz:

Zisk transvertoru se nastavuje na vhodnější úroveň při použití jiných typů RIG-ů (tak, aby celkový dynamický rozsah byl co nejideálnější) pomocí atenuátorů před směšovačem. V následující tabulce naleznete hodnoty rezistorů pí-článku (R vůči zemi/seriový R) pro různá šumová čísla RIG-ů tak, aby celkové šumové číslo bylo 1,5 dB.

Tabulka 2: hodnoty rezistorů pí-článku před směšovačem k dosažení celkového šumového čísla 1,5 dB:

Bude-li útlum koaxiálního kabelu větší než 0,5 dB, pro přepočítání potřebného zisku XVRT při požadovaném NF kolem 2,0 dB (T=170K) použijte následující vzorec:
T_IF /G  + T_RX = T
T = 170 – 290*(10^L/10 – 1)
Kde T_IF = 290*(10^NF/10 – 1) a T_RX je funkcí zisku (G) podle Tabulky č.2.

Například: T_IF = 11200 K (16 dB) a L = 0,8 dB ==> T = (170 – 58) = 111 ==> Nejprve vyzkoušíme s G = 446 (26,5 dB) a T _RX = 55 K dá T = 80 což je příliš málo a tak vyzkoušíme další hodnotu z Tabulky 2 a počítáme do té doby, dokud se nedopracujeme ke G = 281 (24,5 dB) and T _RX = 71 K, což vyhovuje oběma podmínkám.

Zjištění hodnoty šumového čísla HF RIG je složitější, než se může zdát. Údaje z recenzí od G3SJX a ARRL vycházejí z citlivosti, G3SJX při 10 dB (S+N)/N na SSB (BW = 2,4 kHz) a ARRL při 0 dB S/N na CW (BW=500 Hz). Za předpokladu, že šumová šířka je stejná jako je šířka filtrů (2400 nebo 500 Hz) si každý může snadno spočítat šumové číslo (například pro údaje ARRL platí NF = MDS – (-174 + 10LOG(BW))). Ale šířka přenášeného pásma šumu není stejná, tento fakt je patrný i při porovnávání vypočítaných šumových čísel podle údajů ARRL a G3SJX. V Tabulce 3 je pro srovnání několik vypočtených hodnot HF RIG-ů. BW šumu je jasně ovlivňováno mezifrekvenčními obvody. Ještě chci říci, že NF vypočítané z údfajů od G3SJX jsou příliš optimistické, protože AF obvody zužují BW a tak některá čísla nejsou odhalitelná (IC-775, TS-870).

Tabulka 3: hodnoty NF různých HF RIG-ů na 14 MHz při zapnutém AIP (Předzesilovač OFF) vypočtené z údajů G3SJX a měření ARRL při předpokladu, že BW šumu a IF filtrů je shodné:

Proč 14 MHz mezifrekvence a ne standardní 28 MHz? Protože linearita přijímačů HF RIG-ů je optimalizována pro 7 a 14 MHz. Na nižších pásmech je možné ji zlepšit zařazením atenuátorů při snížení citlivosti. Linearita na vyšších pásmech některých zařízení je špatná (bez jakéhokoli dobrého technického vysvětlení). Konkrétní linearita novějších zařízení na 28 MHz je velmi špatná (s výjimkou TS-870). Tabulka 4 dává odpověď, jak je to IP3 různých HF zařízení.

Tabulka 4: hodnoty IP3 různých HF RIGů na 14 a 28 MHz při AIP ON (předzesilovač OFF) jak je udává G3SJX (vzdálenost signálů 50 kHz):

Nyní si pojďme porovnat sestavy VHF pracoviště s 0,5 decibelovou ztrátou koaxiálního kabelu, XVRT a HF RIG-em při použití Javorníku 144/14 a LT2S. LT2S je uznáván jako dobrý „standardní“ transvertor se zsikem 20 dB, šumovým číslem 1,0 dB a IP3out +27 dBm. V tabulce 5 jsou údaje o NF a IP3in při použití Javorníku 144/14 a LT2S s různými KV zařízeními (údaje o NF a IP3 jsou z tabulky číslo 3 a 4). Protože LT2S má příliš velký zisk pro některé KV zařízení bude celková citlivost příliš nízká (záleží na šumu antény, co se geograficky různí). Údaje v závorkách platí pro Javorník 144/14 se ziskem nastaveným na takovou hodnotu, aby NF bylo shodné s LT2S. Údaje pro Javorník 144/14 jsou v samostatném sloupci. Pozorným porovnáním lze vidět, že zisk a NF XVRT má vliv na celkovou hodnotu RX systému.

Například vezměme si FT-1000MP s LT2S: může se zdát, že citlivost bude slabá a tak bychom okamžitě přidali předzesilovač se ziskem 10 dB ke anténě. Linearita se v tom případě zhorší o 10 dB (IP3in = -23 dBm) i když je předzesilovač perfektně lineární. Případně zapne na FT-1000MP předzesilovač (IP0 je OFF) – v tom případě IF NF klesne z 18 dB na 8 dB a celkové NF z 3,2 dB na 1,7 dB. Ale! IP3 také klesne z +6 dBm na -1 dBm a celková linearita klesne zhruba na úroveň -20 dBm! Nakonec lze uzavřít, že LT2S lze použít pouze s KV zařízeními, jejichž NF je 10-14 dB a IP3 hodnoty jsou nějakých +20 dBm (na 28 MHz!!!).

Tabulka 5: hodnoty NF a IP3 při použití Javorníku 144/14 na 14 MHz a LT2S na 28 MHz:

Při úvahách o požadované citlivosti na 144 MHz v contestech musíme vzít v úvahu i tepelný šum antény (T_A). V některých pramenech se udává minimálně T_A na 144 MHz 200K, pokud je anténa nasměrována na chladnou oblast oblohy. Skutečnost je vždy ale o něco horší. Na obrázku můžete vidět T_A na našem contestovém pracovišti JN75DS, 1269 m asl při měření 2.7.1999 v 19.00 LT. Nejnižší naměřená hodnota byla 370K, což je ekvivalentní 3,5 dB NF. Maximální hodnoty jsou ve směru města Postojna (zhruba 10 km, 500m asl) 1600K = 8,1 dB a měst Cerknica/Ljubjana.

Je známe, že ak šum RX sytému je zhodný so šumom antény, potom zhoršenie S/N je 3 dB. Je diskutabilné, aké zhoršenie S/N je prijateľné pre VHF Contesting. Ja si myslím, že T_RX by mělo být 0,6krát z hodnoty T_Amin – dává zhoršení S/N o 2 dB. AT_Amin je bráno jako 300/2 + 200/2 = 250K (polovina šumu země a polovina šumu oblohy). V případě NF systému 2,0 dB (170K) tak máme dostatečnou rezervu na nepředvídatelné ztráty v relé, prepojkách a podobne.

Lokální oscilátory

Schéma oscilátoru, první část
Schéma oscilátoru, druhá část
Schéma T/R přepínání
Schéma propojení XVRT

Lokálne oscilátory (130 MHz) jsou v zapojení podle Buttlera s nízkošumovými tranzistory BFR93a. Zapojení má dva separátní oscilátory pro dva RX směšovače. Maximální úroveň buzení z LO má být 23 dBm, kterou nastavíme atenuátory před směšovači. Je možné použít různé směšovače (doporučuji TUF-1H). Při použití 23 dBm směšovače (např.RAY-1 nebo SAY-1) lze dosáhnout zvýšení hodnoty IP3 o 1 nebo 2 dB (vlastního RX konvertoru, protože IP3 je určeno IF RIG-em tak, že je nižší než +25 dBm). Není však na škodu použít RAY-1 při stejném buzení jako TUF-1H (+14 dBm) – je lepší použít SAY-1 než pro +20 dBm P1dB. Jakkoli, cena +23 dBm LO směšovače nestojí za zlepšení o 1-2 dB IP3.
Pokud nemáte zájem o oba RX konvertory, pak stačí zkonstruovat pouze jednu část.

TX konvertor

Schéma TX konvertoru, první část
Schéma TX konvertoru, druhá část
Schéma PA TX konveroru

TX konvertor dokáže zpracovat budící signál 14 MHz v úrovních od -20 dBm po +20 dBm. Pro TRX, který má velmi nízkou úroveň signálu (-10 až -20 dBm) lze zařadit zesilovací stupeň. Za nízkoúrovňovým směšovačem je zařazen nízkošumový širokopásmový zesilovač. Budič pracuje ve třídě A s BFG196 a poskytuje velmi čistý signál úrovně +15 dBm (IMD5 je kolem -60 dBc). Na koncový stupeň je nejefektivnější použít bezproblémový hybridní PA od Mitsubishi M57727 (20W) nebo M57713 (10W). Není to nejlepší technické řešení, protože moduly nejsou nejlineárnější, ale při výkonu 20/10W či méně je snadné dosáhnout potlačení vyšších IMD produktů o více než 120 dB pod úrovní nosné (což stačí k tomu, abychom blízkým stanicím nezpletrovali).

Největším problémem celé TX části je širokopásmový šum. Jsou dva zdroje, které se podílejí na jeho produkci: XVRT a HF RIG. Měřením Javorníku 144/14 MHz při výstupním výkonu 20W bylo dosaženo hodnoty -118 dBc/2,4 kHz a může být ještě zlepšena o 10-15 dB použitím TX směšovače s vyšší oscilátorovou úrovní (pozor – šum TX bude jen -108 dBc/2,4. Šumové spektrum HF RIG je ale mnohem horší! Pohledem do údajů od G3SJX (ARRL měří TX šum pouze ve vzdálenosti do 20 kHz, což lze považovat pouze za fázový šum, nikoli širokopásmový TX šum) lze vidět, že žádný z moderních RIG-ů nemá širokopásmový TX šum lepší než -110 dBc/2,4 kHz ve vzdálenosti 20. V užším rozsahu je kolem 100 dBc/2,4 kHz, což stále není hodnota převládajícího fázového šumu. Znamená to, že poměr S/N vysílaného signálu je pouhých 100 -110 dB!!! Dvě 500W VHF stanice se 16 dBi anténami ve vzdálenosti 100 km (!) s rádiovou viditelností vyprodukují signál o síle -27 dBm – což je 111 dB nad úrovní SSB šumu (beru citlivost -138 dBm). Pouze stiskem PTT na zařízení s úrovní vysílaného šumu -111 dBc/2,4 kHz bude znamenat u protistanice zvýšení šumu o 3 dB!

Někdo by mohl usuzovat, že širokopásmový TX šum je zejména problém během VHF contestů v obsazenějších oblastech. Například, v S5 je průměrně vzdálenost mezi dobře vybavenými stanicemi 50 km a vzdálenosti 10-20km nejsou žádnou zvláštností!

Propojení JAVORNIK-a 144/14 a FT-1000MP

K tomu, abychom plně využili možnosti FT-1000MP se dvěma separátními RX vstupy, budeme potřebovat jednoduchý obvod, kterým spojíme XVRT a IF RIG. Za minimum lze považovat křížový přepínač na 14 MHz, který v jedné poloze spojí oba RX konvertory na vstup MAIN RX. To z důvodu, že SUB RX nemá stejnou kvalitu jako MAIN RX a neposkytuje DSP. Odhaduji ale, že pouze při 20% spojení přepnu ze SUB na MAIN RX.

Interface může také obsahovat obvod, který umožní pracovat systémem S&P na SUB RX s oběma RX konvertory nezávisle na přepínači s kvalitním NB, krystalovými filtry a pod.

Další vývoj

Týká se problémů s vysílaným širokopásmovým šumem. V úvahu přichází zkonstruovat vysoce kvalitní VFO na 130 MHz (raději VXO nebo DDS/PLL) a použít HF RIG na jediné frekvenci. V tom případě by bylo možné zařadit na 14 MHz krystalový filtr mezi RIG a XVRT. Výsledkem by byl lepší poměr S/N vysílaného signálu a nižší úroveň IMD produktů při příjmu.

Dělaj, S53WW
Český překlad Vilém, OM3-0122