Vysoceodolný nízkošumový předzesilovač na 144MHz S53WW

Robert S53WW je skvělý konstruktér zařízení na VKV. Na jeho stránkách naleznete například i popis soustavy antén na 2m vhodné do contestů a kvalitního transvertoru Javornik 144/14MHz. Poprosil jsem ho o souhlas k překladu a publikování těchto článků. Dělaj mi ho obratem zaslal, za co mu patří velké děkuji. Postupně Vám je všechny přineseme na www.cq.sk . Pokud se vám ale nechce čekat, navštivte jeho stránky http://lea.hamradio.si/~s53ww/.

Úvod

Po důkladné analýze různých předzesilovačů pro můj nový 144/14 MHz transvertor jsem nakonec zůstal u Infeon BF998 MOS-FET-e. Měl jsem velmi dobré zkušenosti se starou BF-981 a tak jsem začal testovat BF998. Tento tranzistor je levný, snadno dostupný a má velmi dobré charakteristiky. GaAs FET jsem nepoužil, protože jsou těžko dostupné a drahé, přičemž rozdíly jsou minimální.

Z analýzy transvertoru bylo jasné, že výslednou odolnost celé sestavy určuje předzesilovač (pokud využíváte +17dBm směšovače s oscilátorovým signálem +20dBm a za ním zesilovač s IP3 out > 36dBm a zanedbáváte odolnost KV TCVR)! OK, komerční KV přijímače by neměly mít odolnost špatnou (IP3 in < +15dBm až +25dBm, AOR-7030 až +30dBm). V tomto případě má být IP3 out minimálně na této úrovni (+30dBm). Šum KV přijímačů se pohybuje na úrovni 16dB, v lepším případě kolem 13dB.

Pokud odhadneme ztrátu v koaxiálním kabelu ANT-XVRT asi na 0,5dB a budeme požadovat výsledné šumové číslo kolem 2,2dB, zjistíme, že zisk XVRT musí být minimálně 24dB (se šumovým číslem 1dB). Z toho vyplývá, že IP3 in musí být více než +6dBm (= 30dBm-24dB). Splnit tento požadavek není jednoduché právě kvůli předzesilovači.

Nízkošumový předzesilovač s paralelní kombinací n-krát BF998

Pokus osadit původní předzesilovač novou BF998 nepřinesl výrazné zlepšení. Měl zisk 26,5 dB, šumové číslo 0,8 dB, P1dB 17 dBm vstup IP3 0 dBm. Nejsou to špatné hodnoty, ale mohli být i lepší.

Na prvním obrázku je běžné zapojení předzesilovače s dvoubázovým MOSFET s ohledem na maximální zisk. Idss se nastavuje na minimální úroveň šumu (Idss je udávaný v rozsahu 2 až 18mA – obvykle bývá mezi 10 až 15mA). Vstupní cívka L1 je vinutá na průměru 5mm 1,0mm AgCu drátem; má 6 závitů s délkou vinutí 11mm. Měla by být umístěna minimálně 2mm nad zemí a přinejmenším 10 mm od kovových částí krabičky. Kapacitní trimry musí být kvalitní. Diody (Infineon BAR63-04 nebo BAR64-04 nebo BAR14-1) slouží k ochraně MOSFET. Nemají téměř žádný vliv na šumové číslo ani odolnost, jejich požití v reálných podmínkách je žádoucí. Nejkritičtější částí je transformátor TR1: měl by být navinut na dvouotvorovém jádru velikosti A7 z materiálu U17 (Epcos, dříve Siemens&Matshushita). Materiály jiných výrobců mohou být použity s ohledem na zhoršení zisku a P1dB. Trifilárne navinieme dva závity – je to vždy lepší než autotransformátor se 6 závity (=2×3) primárního vinutí a odbočkou na druhém závitu od studeného konce (v praxi se navinou nejprve 4 závity, zkroucením vodičů se vytvoří odbočka a dovinou se ještě 2 závity). Vývody TR1 je nutno zkrátit na 5mm a vést je v blízkosti země na plošném spoji, jinak se mohou vyskytnout oscilace na vysokých frekvencích.

Při experimentování jsem našel zajímavé zapojení FET (používané v NF zesilovačích), kde paralelně spojené dva identické FET mají nižší šum než jeden! Takže pokud vyberete další BF998 (musí mít stejný Idss, nutno vybrat), můžete se dostat až na hodnotu 0,6dB NF, zisku 26,5dB a stejný nebo horší (!?) IP3 in. Problém s IP3 je vyřešit vhodnějším přizpůsobením výstupu – místo transformátoru s poměrem 3:1 použijeme 2:1. Tímto způsobem dosáhneme +28,5dBm výkonu IP3 (P1dB je + 19dBm). Obecné zapjení LNA n-krát BF998 je na dalším obrázku (dosažené hodnoty jsou uvedeny v tabulce).

Samozřejmě jsem vyzkoušel i čtveřici BF998 (kdo by nechtěl) – šumové číslo se sníží na 0,5dB, zisk zůstává 26,5dB (při nastavení na minimální šumové číslo) má výstup IP3 i +34dBm. Pro dosažení této hodnoty IP3 je nutné změnit poměr TR1 na 1,3:1. Odbočka L1 je ve středu vinutí (na třetím závitu). Při prvním pokusu zesilovač zakmitával nad 3,5GHz, což ale neovlivnilo na 2m. Vyzkoušel jsem umístit po dvojici tranzistorů na každou stranu plošného spoje propojených krátkými drátky a oddělenými obvody předpětí G2 (rozmístění součástek a blokovacího kondenzátoru je kritické). Po této úpravě kmitání zmizelo, ale rád bych poznamenal, že všechna zapojení jsou pouze za určitých podmínek stabilní. Rozmístění součástek je kritické, zejména se to týká blokovacího kondenzátoru 1nF.

Schéma zapojení předzesilovače n-krát BF998 (podobný jako s jednou BF998). Hodnoty proměnlivých součástek naleznete v tabulce. I přizpůsobení vstupu a výstupu je různé (viz.text). Materiál transformátoru je shodný jako v předchozím případě, při požití více BF998 doporučuji velikost A4. Předzesilovače můžeme naladit bez měřící techniky malým trikem na minimální šumové číslo: naladíme je na maximální zisk na 136 MHz (šumové číslo se téměř nemění v širokém rozsahu).

Zde si můžete stáhnout nákres plošného spoje ftp://lea.hamradio.si/pub/vhfct/lnaa2.zip.

	n1	n2	R1	NF [dB]	T [K]	G [dB]	IP3in [dBm]	P1db [dBm]
1 x BF998	4	2	150	0,8	61	26,5	0	17
2 x BF998	2	2	100	0,6	44	26,5	2	19
4 x BF998	1	3	10	0,5	36	26,5	7	23

Push-pull LNA s BF998

Push-pullový zesilovač se ziskem vyrovná dvoustupňovému jednoduchému zesilovači a IP3 je asi o 3dB lepší než v případě paralelní konstrukce. Vyzkoušel jsem zapojit tedy dvojici BF998 do push-pullu. První výsledky byly výborné: IP3 inbolo +6 dBm (P1dB +23 dBm), ale šumové číslo bylo minimálně 1,3dB! Po změně vstupního obvodu jsem dosáhl šumového čísla 0,9-1,0dB, Výstup IP3 32,5dBm při zisku 26,5dB (nastavení na minimální šumové číslo). Výsledné zapojení je spojením dvou jednostupňových zesilovačů podle prvního obrázku.

Push-pullové zapojení dvou BF998. Vstupní cívka L1 je navinuta na průměru 11mm drátem 1,0mm AgCu; má 4 závity a délka vinutí je 7mm. Vazební cívka má 1 závit na stejném průměru jako L1 smaltovaným Cu drátem tak, že nemůže zkratovat L1. Transformátory TR1 a TR2 jsou na shodném materiálu jako jednoduchý LNA (velikost A7, materiál U17, Epcos). Výstupní transformátor TR2 má dva závity bifilární.

Pak jsem se ještě pokusil o push-pullové spojení čtveřice BF998. Záměrem bylo dostat IP3 in kolem +9dBm při šumovém čísle asi 0,8dB. I když IP3 in jsem dosáhl podle představ, v mých silách nebylo dosaženo požadovaného šumového čísla. To bylo stále vyšší než 1,3dB, co se mi zdálo nevhodné k XVRT. Pro jiné účely může ale tato hodnota vyhovovat, žádá si to ještě experimentování.

Upozornění:
Tyto předzesilovače nejsou vhodné pro přímé připojení před přijímač nebo transvertor protože mají velmi vysoký zisk. Jejich efektivní využití (i když já nedoporučuji používat předzesilovače) je možné s útlumovým článkem na jejich výstupu, co sníží zisk. Ve většině případů 6-10dB zisku je dostatečné na předzesilovač, pokud skutečně musí být použit. S útlumovým článkem -20dB se celkové šumové číslo zhorší z 0,5/0,6/0,8dB na 1,3/1,4/1,5dB. S útlumovým článkem -16dB se celkové šumové číslo zhorší z 0,5/0,6/0,8dB na 0,8/0,9/1,1dB. Takže doporučuji Vám za předzesilovačem používat atenuátor -16dB (hodnoty pí-článku jsou 68 ohmů vůči zemi a 150 ohmů mezi nimi).

Vysoce kvalitní VHF a vyšší předzesilovače naleznete na stránkách Dragana YU1AW: www.qsl.net/yu1aw/low_noise.htm.

Do září 2002 jsem postavil šest předzesilovačů s se šumovým číslem 0,5-0,6dB (BF998 Philips, označené Mop) a tři se šumovým číslem 0,8-0,9dB (BF998 Infeon, označené Mos). Špatné zprávy jsou, že Epcos přestal distribuovat materiál U17 a je tedy velmi obtížné sehnat dvouotvorová jádra U17/A4. Není zatím známa jejich náhrada, ale jádra podobné velikosti z materiálu s permeabilitou mezi 20-30 jsou použitelné…

Po přeměření devíti předzesilovačů doporučuji jednoduchý způsob nastavení LNA 4xBF998 na minimální šum: nalaďte trimr C na maximální zisk, pak zvyšujte jeho kapacitu, zatímco zisk nepoklesne o 1dB! Naladění není kritické, vstupní obvod je širokopásmový při nastavování minimálního NF (asi 10 MHz).

Dělá, S53WW
http://lea.hamradio.si/~s53ww/
Přeložil a upravil se souhlasem autora Vilém, OM3-0122