LNA PGA103+ pro UHF (432 MHz), napájený po koaxiálním kabelu

LNA osazený obvodem MMIC s Pseudomorphic High Electron Mobility (p HEMT) polovodiči a s typovým označením PGA103+ jsem prvně realizoval po drobné úpravě Ondrovo (ok1cdj) desky. Změna spočívala ve výměně aktivního prvku (SPF5043Z byl nahrazen typem PGA103+) a několika drobných úpravách. Snad ještě zmíním výsledky. S obvodem SPF5043Z jsem docílil NF=0.85 dB na kmitočtu 432 MHz. S obvodem PGA103+, po osazení vstupního oddělovacího C=1n od výrobce ATC a po drobné úpravě v napájení jsem docílil NF=0.50 dB, rovněž na kmitočtu 432 MHz. Zde si můžete rovněž stáhnout Ondrou publikovaný původní design LNA (formát pdf).

Schéma

Použitý aktivní prvek je obvod PGA103+, který má na vstupu a na výstupu mikropáskové vedení a oddělovací kondenzátory. Kvůli minimalizaci šumového čísla doporučuji osadit na vstupu kvalitním kondenzátorem, např. porcelánovým od ATC. LNA je napájený po koaxiálním kabelu podle dříve uvedených zásad. Na schématu jsou označené "baterie" blokovacích kondenzátorů. Použil jsem kapacity 1n + 10nF paralelně a na desce jsem nechal místo ještě na 100nF, kdyby to bylo třeba. Napěťový regulátor jsem použil třísvorkový, v pouzdře SOT-89.

Rozměr SMD součástí:
1. pasivní (rezistory, kondenzátory): 0805
2. indukčnosti s nízkým Q: 0805
3. 78L05: SOT89
4. konektory: SMA samice, s ant. relé je vstup propojen adaptérem SMA-M to SMA-M (samec-samec)
6. napájecí konektor pro relé: lámací špičky s roztečí 2.5 mm

Konstrukce

Zesilovač jsem postavil na oboustranně plátovaném kuprextitu, tl. 1.5 mm, mat. FR4. V kruhových otvorech jsou drátové propojky proletované. Otvory, které mají být izolované od drátu, jsou zahloubené vrtáčkem. Konstrukce desky (osazovací plán) vypadá takto:

Rozměr oříznuté desky je 40 x 27 mm (tečky rastru jsou po 1 mm). Pohled na drátěné komponenty (kondenzátory 6.3uF)je "skrz měď". Pouzdro SOT-89 není z knihovny, protože jsem použil větší pájecí plošky. U MMIC jsou naletované propojky, kterými je obvod propojen se zemí na druhé straně.

Naměřené parametry prototypu

šumové číslo NF (dB): 0.50 dB; této hodnoty se na kmitočtu 432 MHz dosahuje při připojení k tzv. systémové impedanci Z0=50 Ohm. Pokud vám ani takto nízká hodnota NF nevyhovuje, zkuste optimalizaci šumového čísla jednoduchými prostředky - viz např. popis řešení na konci tohoto článku.
Odhaduji, že NFmin = cca 0.20 - 0.25 dB.
zisk (dB): cca 23 dB

Závěr

Prototyp zesilovače se jevil jako naprosto stabilní. Přijímané signály zdály se být čisté, v mém QTH bez různých interferencí na pásmu. Odolnost vůči silným signálům jsem zatím nezměřil. Opět po měření zveřejním výsledky. Další jednoduchou konstrukci LNA s jiným aktivním prvkem jsem popsal zde.

Poznámky

1. Bystré oko kamaráda si všimlo, že deska u antény je trochu jiná, než kterou jsem publikoval. Stalo se. Když jsem kreslil "osazovací" plán, tak jsem omylem vytáhl první nástřel desky. Jenže když jsem ji potřeboval vyrobit, nelíbila se mi na ní samostatná špička s napětím 12 V pro anténní relé. Při měření šumového čísla tudy zesilovače napájím a napájecí drát mám z koaxiálu, na který jsou přiletované dvě špičky s roztečí 2.5 mm. Taková deska vypadá takto:

Sami vidíte, že se až tak moc neliší. Dole uprostřed je ten napájecí konektor.

2. V literatuře autoři uvádějí u totožného zapojení lepší NF, než jsem já naměřil. Konkrátně u jedné stavebnice komerčně prodávané stavebnice uvádějí NF = 0.35 dB. Někteří autoři naměřili na automatickém měřiči NF od 0.29 do 0.4 dB. Ano, je možné, že lze takového NF dosáhnout. Já měřil jen jediný prototyp.

 

1. N konektor
2. krátký kus (1.5 m) tlustého koaxiálu
3. N konektor
4. Anténní MW relé (osazeno Panasonic ARE 1012, útlum odrazem na 70 cm do 0.1 dB)
5. SMA spojka
6. Filtr
7. SMA spojka
8. LNA PGA103+

tak měřák NF ukazoval NF = 1.2 dB. S tímto NF se daly nějaké stanice dekódovat. Jenže, je to čisté řešení? 2ks SMA spojek, odělený filtr, bez kterého bych si nebyl jist, že dodělám spojení ..... Takže je tu velké pokušení - zda se věnovat se vývoji propusti s extrémně nízkým průchozím útlumem. To znamená nešetřit na firmě Johanson (kondíky s vysokým Q). A zadělat na spodní desku LNA přímo.

Ten princip krátké radosti měl však ještě jeden důvod. V noci pršelo. Taky se ochladilo. A když jsem měřil NF druhý den, naměřil jsem  NF = 1.8 dB. Interdigitální filtr z kuprextitu se rozladil. To znamená nešetřit ani na dobrém frézaři.

Obě zkušenosti pro mě znamenají, že projekt mi momentálně stojí. Jednak si budu muset něco přečíst na Internetu, zda náhodou někdo neudělal podobnou zkušenost. Ale právě k tomuto sebevzdělávání nám ham hobby a Internet občas dobře poslouží. Ale také je tu to druhé pokušení. Zda bych se neměl věnovat opět konstrukci selektivních LNA s rezonátorem na vstupu. Moje zkušenost je právě teď taková, že se mi to jeví jako ten pravý kompromis pro malou EME stanici, tedy její vstupní část přijímače.

25.8.2016: O problematice jsem našel hezký článek na Internetu: http://www.ok3rm.cz/?q=node/251 (díky, Zdeňku, OK3RM), ale hlavně jsem během týdne vyrobil úplně stejný filtr. S posledním kondenzátorem Johanson, který jsem doma měl. Bohužel, také jsem musel použít na propojení LNA a filtru SMA spojku. A pravděpodobně jsem se dostal na obdobné parametry (432.1 MHz, NF=0.85 dB, G=20dB).

Vše nakonec dobře dopadlo. Hluk na pásmu 432 MHz nebyl rovnoměrný. Po propátrání okolí jsem nalezl telekomunikační zařízení, které produkovalo zajímavé spektrum. Po výměně spínaného zdroje hluk z pásma v mém QTH zmizel.

31.8.2016: Publikoval jsem článek o tom, jak optimalizovat vstup LNA na dosažení nízkého šumového čísla. A zmínil jsem také LNA s PGA103+. Dva čtenáři mě požádali, zda nemohu uvést konkrétní příklad. Tady je, ale varoval jsem vás. Prázdninové prototypy jsem maloval fixkou a LNA nejsou provedeny nijak hezky:

1. Deska byla upravena pro plechovou krabičku, kterou lze koupit v GME. Rozměr krabičky je 30 x 45 mm. Deska je větší a má rozměr asi 32 x 47 mm:

Na desce jsou plošky pro vstupní indukčnost (1závit), pomocí které je optimalizováno přizpůsobení vstupu na nejlepší NF (dB). Ve výstupním obvodu jsem použil také vinutou cívku, sice navinul jsem 17 cm drátu o průměru 0.23 mm na vrták o průměru 3.2 mm, ocínoval konce a zaletoval místo kupovaných tlumivek. Kvůli tomu byla také deska upravena.

 

2. Zemní spoje jsou udělané technologií drátěných propojek, protože ručně dělat prokovené dírky neumím, hi. Aby mi drátek nevypadl dříve, než ho zaletuji na obou stranách, vrtám vedle sebe vždy dvě dírky, drátek ohnu kleštičkama do tvaru U a prostrčím 2 dírkami. Pak to proletuji. Zemní spoje jsou u každého LNA dost důležité.
3. Provedení indukčností je vidět také při pohledu dovnitř krabičky. Já vás varoval, že to není hezký pohled. Motiv je skutečně vysmahnutý od ruky, spoj není pořádně očištěn od laku, součástky jsou osazené křivě. Ale funguje to.
	Tak to raději zavřeme plechovým víčkem. Právě s tímto LNA jsem docílil nejmenšího NF = 0.24 dB. O tom, jak se navrhuje vstupní přizpůsobení LNA s tím, co umíme a s tím, co normálně máme k dispozici, je tento článeček.
Šumové parametry použitého obvodu pro kmitočet 432 MHz jsem spíš odhadl, než změřil v přípravku. Měření v přípravku bylo určitě zatíženo chybou. Pracoval jsem s hodnotami NF min = 0.25 dB, Magnituda = 0.500, úhel = 40°, Rn = 0.08 Ohmu, vše při napětí Unap = 4 V, Id = 95 mA. Znázornění šumových parametrů je na obrázku vpravo. Při systémové impedanci Z = 50 Ohmů by měl obvod dosahovat NF = 0.5 dB. A to při dodržení konkrétních zásad, které souvisejí s jakostí oddělovacího C na vstupu, s minimální indukčností propojek, které propojují zemní fólie PCB a s napájecím napětím U nap. NF min bylo u mých vzorků dosahováno při U nap = 3.3 - 4.0 V. Zvyšováním indukčnosti na vstupu se NF postupně snižovalo, dosáhlo minima a potom začalo poměrně rychle narůstat. To je logické, když se podíváte na kružnice s konst. NF, zjistíte, že při poměrně značném zvyšování L šumové čílso pomaličku klesá, ale když opouštíte kružnice, rychle stoupá. Schéma zvyšování L a vlivu na NF (dB) je zde:
Minimálního NF nelze pouze indukčností dosáhnout. Ke kružnici NF min jsem se dostal pomocí malé kapacity (do 1 pF).
V mém případě jsem dne 3.9.2016 zkoušel LNA s připojeným anténním relé, které jsem popsal zde. Finální použité provedení ještě popíšu. Relé má díky mikrovlnnému SMD relé Panasonic extrémní izolační schopnost mezi RX a TX.To, co není úplně v pořádku, je nízká izolační schopnost proudového TX relé, které má velkou zatižitelnost kontaktů, ale mizernou izolační schopnost. Díky tomu je vstup LNA zatížen maličkou kapacitou na vstupu. Ta způsobí, že v použité kombinaci relé + LNA degraduje NF na hodnotu nepatrně vyšší, než 0.5 dB. NF lze optimalizovat v zapojení s relé. Optimalizace je na obr. vpravo. Použitý princip je stejný. pomocí indukčnosti v zapojení LNA na vstupu opustíme systémovou impedanci 50 Ohmů a transformujeme na NF = 0.28 dB.
Poznámka 1: Malé indukčnosti vždy měřím v přípravku rezonanční metodou. Indukčnost naletuji na podobné plošky, jako jsou na plošném spoji LNA a změřím ji. Pro první odhad je dobré vypočítat si hodnotu indukčnosti pro danou geometrii nebo počet závitů pro potřebnou indukčnost. Vím, že si tohle dělá každý svým oblíbeným kalkulátorem. Výpočet vypadá např. takto: Závěr Obvody SPF5189 (PGA-103+) jsou výborné součástky. K hlavním výhodám patří pouzdření do pouzdra SOT-89, vysoká hodnota OIP3 = 39 dB a dosahování nízkých šumových čísel v širokém rozsahu kmitočtů. Na nízkých kmitočtech je vhodné šumové číslo optimalizovat. Bez optimalizace se nelze přiblížit k NF min. O tom, proč to tak je a čeho lze jednoduše docílit, jsou oba moje články. Další, bezesporu nepopiratelnou výhodou, je snadná stavba LNA a vysoká opakovatelnost amatérské výroby.