LNA napájení

Obsah článků

Napájení LNA předzesilovačů pro UHF (432 MHz) po koaxiálním kabelu z TCVRu, PA nebo z napájecího adaptéru

Všeobecně

Nízkošumové (LNA) předzesilovače pro VHF a UHF pásma lze zpravidla úspěšně napájet po koaxiálním kabelu. Nejjednodušší zapojení jsme kdysi dávno (před více než 20 léty, hi) používali u oblíbených dvoustupňových tranzistorových TV předzesilovačů:

Ani v dnešní době se princip napájení LNA nezměnil. Některé TCVRy (např. oblíbený ICOM 910H) mají dokonce na vnitřní vodič anténního konektoru přivedené napájecí napětí +12V. Zdroj pro LNA lze z menu zařízení zapínat a vypínat. Já používám pro napájení LNA toto téměř standardní zapojení - viz obrázek vpravo. Pro oddělení vf výstupu od ss napájecího napětí používám obvykle dvě SMD tlumivky v sérii. Pokud to jde, volím raději větší typy, alespoň 0805, protože menší velikost SMD špatně vidím. Za důležité považuji, aby provedení tlumivky bylo takové, aby vlastní rezonanční frekvence byla těsně nad použitým pracovním pásmem. To se nemusí zadařit u větších hodnot indukčností. SMD tlumivky jsou však levné a tak u prototypů dávám pro jistotu dvě do série. Např. 2 x 250 nH až 1000nH.
	Pokud TCVR nemá vestavěné obvody pro napájení LNA, používám zapojení napájecího modulu podle obrázku vlevo. U starých modulů mám ještě indukčnost vinutou podobně, jako na fotografii TV předzesilovače. Kdysi jsem používal asi 20 závitů CuL na průměru 3.2 mm. Indukčnost takové tlumivky je asi 400 až 500 nH. Z hlediska impedančních skoků v napáječi to však není nejlepší řešení. Proto jsem u nového modulu použil dvě tlumivky SMD velikosti 805, s indukčností 2 x 250 nH v jednom případě a 2 x 2.2 mikroH v druhém případě. Oba napájecí moduly spolehlivě fungovaly jak na 144 MHz, tak na 432 MHz. Druhý modul jsem vyrobil z tak malého kousku kuprextitu, že vzdálenost mezi naletovanými SMA konektory je právě na připájení oddělovacího C a tlumivky jsou vedené kolmo od něho. Tvar malé desky pro rozměr SMD 1206, bez ochranné diody a jen s jedním blokovacím C je zde pod textem:

Napájecí napětí pro aktivní prvky, tj. pro integrované obvody MMIC (PGA-103+, SPF-5043, 5122), tranzistory P-HEMT či tranzistory Si-Ge vždy stabilizuji třísvorkovým lineárním stabilizátorem typu 78LXX na potřebnou hodnotu, např. 3.3 V, 5 V. Používám stabilizátory v pouzdrech SOT-89. Na výstupu stabilizátoru mám vždy v sérii rezistor R a svorky blokuji mimo keramických SMD kondenzátorů také elektrolytickými kondenzátory. Ve výstupním napájecím obvodě často používám v sérii s tlumivkou SMD také tlumivku vytvořenou motivem plošného spoje (v CADu volím tloušťku spoje 0.25 mm). Přestože jsem neměl v úmyslu v této sérii článků popisovat LNA, protože bylo publikováno mnoho dobrých konstrukcí, popsal jsem alespoň několik důležitých principů této obvodové techniky.

Proč tolik péče obyčejnému napájecímu obvodu?

Pro příjem velmi slabých signálů jsem měl snahu mít zesilovače s velmi nízkým šumovým číslem NF. U některých řešení jsem si všiml, že šumové číslo ovlivňovala stabilita výstupu aktivního prvku. V jednom případě to byla dokonce stabilita napájecího napětí z lineárního stabilizátoru. Při pracovním proudu MMIC I=40 mA stačilo na výstup zařadit rezistor 10 Ohmů a blokovat ho tantalovým kondenzátorem paralelně k SMD keramice. V dalších případech to byla nestabilita zapojení daná nepřizpůsobením výstupního obvodu LNA. Na tuto problematiku jsem se podíval podrobněji.

Stejnosměrné napájení po koaxiálním kabelu

Stejnosměrné napájení po koaxiálním kabelu znamená vložení vědomých nehomogenit do výstupního vedení. Na obrázku vlevo dole vidíte celkem slušně vyřešený napájecí obvod pro kmitočty od 100 do 500 MHz. Na obrázku vpravo dole vidíte obvod vyřešený méně vhodně. K čemu v obvodech došlo? Průběh VSWR na obrázku vlevo odpovídá obvodu, u kterého bylo použito více SMD indukčností zapojených do série. Ve zkoumaném kmitočtovém pásmu se nepatrně projevuje indukčnost přívodů vazebního kondenzátoru. Na obrázku vpravo je použitá nevhodná indukčnost. Její malá hodnota, nízký rezonanční kmitočet a velká parazitní kapacita způsobila na nejnižších kmitočtech vysoký nárůst VSWR. Vysoká indukčnost přívodů vazebního kondenzátoru způsobuje nárůst VSWR na vysokých kmitočtech. Obecně nízká hodnota indukčnosti způsobuje nehomogenitu v anténním vedení, jehož důsledkem je ten vlnitý průběh VSWR v závislosti na kmitočtu. A to některým výstupním obvodům PHEMT zesilovačů vadí.

Stejnou skutečnost lze vyjádřit v return loss (RL) diagramech:

Příčiny naměřených hodnot jsem uvedl. Důsledky také. U konstrukcí LNA, které jsou citlivé na velikosti impedancí výstupního obvodu, dochází ke ztrátě stability a v některých případech i ke zhoršení šumových parametrů.

Teoretické vysvětlení jevu

Teoretické vysvětlení jevu si můžeme znázornit ve Smithově diagramu. Podrobně se k tomu ještě vrátím v teoretických článcích, které budou v kapitole o nehomogenitách ve vedení. Tu však musím napsat. Ale vypůjčím si odtud pár obrázků.

Na schámatu (nad textem zde) jsou nakreslené jen dvě nehomogenity - napájecí indukčnosti o velikosti 100 nH. Jsou na začátku a na konci koaxiálního vedení. Již tyto dvě nehomogenity nám s napájecím vedením způsobí pohyb výstupního bodu téměř od středu diagramu, kde je VSWR=1.06 až ke kružnici VSWR=1.41; tím máme objasněné zvlnění v průbězích naměřených a výše uvedených.

Pozn.: s každými cca 170 mm délky oběhne výstupní bod kolem dokola středu - viz zelená kružnice, v diagramu zrovna ukončená na lambda = N + 0.24 x lambda. Obdobně nám oběhne výstupní bod na anténním analyzátoru se změnou frekvence od 100 MHz (VHF) do 500 MHz (UHF).

Na zvětšeném středu obrázku vlevo vidíte právě ten detail, kdy délka vedení téměř kompenzuje minimum VSWR (cca na hodnotě VSWR=1.06)

Vliv sériové indukčnosti oddělovacího kondenzátoru

Sériová indukčnost přívodů oddělovacího kondenzátoru v napájecím obvodu LNA je fakt svinstvo. Proto jsem si napájecí modul udělal jen tak krátký, jak to odpovídalo délce SMD kondenzátoru. Vysvětlení je prosté - viz obrázek dole:

Z diagramu je zřejmé, že na kmitočtu 430 MHz se nám parametr VSWR při hodnotách každé indukčnosti L = cca 500 nH pohybuje kolem středu diagramu v zanedbatelných hodnotách. Pokud však stejnosměrně oddělíme napájecí obvody nevhodným kondenzátorem, jehož parazitní indukčnost (je v sérii s kapacitou) se pohybuje řádově kolem hodnoty 5 nanoHenry, VSWR takového napájecího modulu bude mít zvlnění ve frekvenční oblasti na hodnotě VSWR = 1.36 - viz červená kružnice.

Závěr

1. Anténní zesilovače LNA, se kterými jsem experimentoval, jsem chtěl mít napájené po koaxiálním kabelu. Prototypy na aplikačních deskách, které byly určené ke zkouškám na stole, jsem napájel vždy samostatným napájecím kabelem (bude uvedeno u jejich popisů). S těmi jsem prováděl základní měření NF. Zesilovače, se kterými jsem dělal praktické zkoušky, byly napájené pomocí zde popsaných metod. Vždy jsem však kontroloval analyzátorem, zda RL koeficient není horší než 20 dB (VSWR lepší než cca 1.3 - viz obrázky měřených průběhů vlevo). Pak byly LNA obvykle velice stabilní, dosahoval jsem publikovaných šumových čísel (pokud jsem neudělal botu ve vstupním obvodu). V jednom případě byl jeden ks zesilovače s šumovým číslem o téměř 0.5 dB horší než ten druhý, ale příčinou bylo kolísání napětí za napěťovým stabilizátorem.

2. Prakticky jsem s novou generací mých LNA experimentoval pouze jako SWL. Většina z nás však potřebuje dělat spojení. Na pásmu 432 MHz jsem ještě zkoumal vliv anténních relé v signálové cestě. Použité relé v přijímací cestě je zde popsané. Typ MW relé, které jsem osadil je Panasonic ARE10A12. V přijímací cestě je tedy anténní N konektor, vedení na PCB desce k relé, MW relé, 2 ks SMA konektorů a jeden kus SMA-M / SMA-M adaptéru, který propojuje relé a LNA. Abych byl upřímný, je toho dost, ale byl jsem schopen dekódovat JT65B signály EME u silných stanic na 432 MHz s 15-ti prvkovou yagi anténou. V druhé anténě jsem měl horší předzesilovač (s SPF5043), ale bez těch konektorů a signály šly dekódovat lépe, hi.

Pozn.: Na 432.080 až 432.150 MHz jsem jen EME SWL. O vysílání neuvažuji, antény nejsou na stožárech a nemám k dispozici potřebný výkon vysílače. Ale pro praktické hraní se slabými UHF signály je EME super a byl bych rád, kdyby tam byly aktivity alespoň takové, jako na 2m.