Obsah článků          

    
 

Praktické zkušenosti při stavbě UHF LNA


Všeobecně

V tomto článku bych chtěl shrnout překážky, které mi kazily při stavbě LNA radost. A také zásady, které se mi osvědčilo dodržovat. Nechci, aby moje články byly jen návody, které lze kopírovat. Takové články píší mnohem povolanější profesionálové, než jsem já. Jde tu o můj technický deníček s projektem, který jsem opustil před 25 léty, kdy jsem miloval provoz via Amsat Oscar AO13 a postavil tenkrát LNA pro 144 a 432 MHz (dual gate GaAs MESFET). Teď mě zajímají pouze optimalizace anténních soustav. Jenže nemám rád jen výsledky, které ukazují měřicí přístroje. Rád slyším DX spojení.  Spadl jsem tedy a doslova z nouze do nudného projektu jednoduše realizovatelných LNA, bez kterých slabé signály slyšet nelze. A slabé signály v ham praxi, to jsou stopy malých EME stanic a JT65B.

1. Konektory

1.1. SMA konektory

SMA konektory jsou dostupným typem konektoru. Zásuvky, které jsou určené k montáži na PCB nebo do plechové krabičky, jsou bez problémů. Méně spokojen jsem byl s konektory určenými k montáži na koaxiální kabel. Střední pin je opravdu maličký. Firma Telegartner doporučuje krimpování středního pinu matricí #1, nicméně, proti krimpování vnějšího pláště nic nemám, ale krimpování miniaturního středního pinu se mi nelíbí. Taky si nedovedu představit zaletování středního vodiče koaxiálu do pinu tou miniaturní dírou, která v pinu je. Takže to dělám tak, že střední vodič dokonale napustím flux pastou, která obsahuje Sn-Pb pájku a ohřeju pin hot air pistolí s malým a přesně směrovaným proudem vzduchu. Pin se skutečně připájí, navíc je i krimpován a dielektrikum koaxu se díky přesnému směrování horkého vzduchu nepoškodí. Pin se rovněž "neoletuje" cínem a jde do díry v teflonu zastrčit.

U SMA konektorů chráním vnější krimpovaný šestihran smrštitelnou trubičkou. U konektorů SMA se mi líbí, že po montáži chráním celý konektor větší smršťovací trubičkou. Spoj zásadně neomotávám vulkanizační páskou. O čem hovořím, poznáte, až si budete chtít omotat páskou dva konektory vedle sebe, hi. Se smršťovací trubičkou žádný problém.

1.2. N konektory

Sehnal jsem jakési čínské. Jsou krimpovací, mají teflonové dielektrikum a pozlacený střední pin lze pájet. Měřením jsem nezjistil, že by na UHF pásmu měly nějaké impedanční prohřešky. Opatrně by se dal pin pájet klasicky, letovačkou. Pin je, na rozdíl od SMA štekru, dost veliký, ale i tady raději používám flux pastu s Sn-Pb pájkou a hot air pistoli. Nestane se mi, že bych si omylem na pin letovačkou šáhnul a ocínoval si ho tak blbě, že by nešel do konektoru zasunout. To pak je po radosti a začnete pracovat s jehlovými pilníčky.

Krimpovaný šestihran chráním smršťovací trubičkou. Bohužel, armatura N konektoru je velká, celý spoj nejde chránit jednoduše velkou smršťovací páskou a vždy nejsou k dispozici vhodné kabelové návleky.

2. PCB desky, zemnění

2.1. Popis PCB, materiál, zemnění

Všechny LNA, které jsem na tomto webu popsal, jsem montoval na desce z materiálu FR4 (laminát). Motiv jsem vytvářel jen z jedné strany. Druhá strana byla vždy zemnicí. Dírky, které nemají být propojené se zemí, jsou zahloubené vrtáčkem. Spoje, které propojují země, tvoří vždy dvě dírky. Někdo používá duté nýtky. Nic proti tomu nemám. Nicméně drátek tvarovaný do písmene U a prostrčený skrz obě díry v desce drží dostatečně do té doby, než ho propájíme z obou stran. Kdo má možnost výroby desek s prokovenými dírami, nemusí se zajímat o tento homebrewing (bastl-fuš, jak tomu také říkáme). Nicméně, proletované dvoudíry mi také dobře posloužily bez ztráty desetinky dB u NF.

Poznámka: Na starších motivech desek LNA mohou být jen samostatné zemnicí díry. To jsem používal při bastlení do té doby, než mě párkrát vypadnutý drátek při pájení dopálil. Z obou stran jsou obvykle propájené všechny zemnicí vodiče elektrolytických kondenzátorů v napájecích obvodech.

2.1. Součásti

Při konstrukci LNA se nevyhneme součástkám pouzdřeným do pouzder SMD. Mimo aktivních prvků je nezbytné používat SMD kondenzátory.

2.1.1. Kondenzátory na vstupu doporučuji používat s vysokou jakostí, porcelánové dielektrikum, výrobce ATC. Jsou drahé, ale vždy, když jsem je u maličkých hodnot musel použít, bylo změřené šumové číslo LNA cca o 0.1 dB nižší, než u keramických C SMD.
2.1.2. Kondenzátory blokovací používám keramické a raději řadím paralelně několik různých velikostí, např. 1n, 10n, 100n. Moje oblíbená velikost je 1206. U pásma 1296 MHz používám kombinaci 330 pF, 3n3, 47n.
2.1.3. Aktivní prvky - přiznám se, že pouzdro SOT-89 u MMIC PGA103+ mi vyhovuje. PGA103+ žere 100 mA a ohřívá fólii spoje. Nutně ho musíte pořádně přiletovat, pájka musí rozvádět teplo do fólie PCB i do plechové krabičky. MMIC má při vyšších teplotách samozřejmě vyšší hodnotu NFmin a to je to, co nechceme. Problém mám s hodně maličkými pouzdry. Přiznám se, že jsem koupil několik vhodných polovodičů, ale zatím jsem se nedostal k tomu, abych si nechal udělat profi PCB a zaletoval je nějakou v amatérských podmínkách aplikovatelnou technologií.

2.1.4 Stabilizátory napětí 78L0x. Používám ty v pouzdrech SOT-89. Pozor na ně. Některá napětí nebyla čistá, ovlivňovala bias aktivního prvku. Ve spektru se objevil další druh šumu. U takového LNA se nedalo přiblížit k NFmin. Kupodivu tohle zmizelo, když jsem LNA napájel z precizního laboratorního zdroje. Přiznám, že mě to vypeklo. Např. jsem si naměřil NF = 0.5 dB, LNA jsem připojil k anténě a moc jsem toho z JT65B nedekódoval. Vyměnil jsem LNA za horší a dekódoval jsem :-). Takže jsem znovu měřil, NF bylo stejné, měřil jsem se zdrojem u antény a ejhle, NF nebylo stejné. Náprava byla možná 2 způsoby - výměnou 78L05. Problém mi dělal jen jediný výrobek. Vyplatilo se mi těch pár kousků zahodit. Vyléčit se to však také dalo. Stačilo používat uvnitř LNA na stabilizované větvi elektrolytický kondenzátor paralelně k sérii blokovacích C. Ještě lépe bylo, když byl elektrolyt za malým rezistorem na výstupu.

Nyní existují lepší regulátory napětí, jejichž výstupní napětí je z hlediska šumu čisté. Nemám s nimi mnoho zkušeností, ale chystám se ověřit a napíšu o tom.

2.2. Stínění

U LNA vřele doporučuji použít stínící krabičky z pocínovaného plechu. U rezonančních čtvrtvlnných vedení na vstupu MESFET to bylo nutností. Drze jsem vyzkoušel takovou konstrukci pouze na PCB. Fungovala. Kupodivu jsem i s oblíbenou tetrodou Si MOS BF998 docílil maličkého šumového čísla i s levnými ladicími trimry Murata. Opakovatelné řešení to však asi nebude. LNA patří do krabičky.

2.3. Napájecí konektory

Používám dva (nebo více) piny z lámacího pole, rozteč 2.5 mm. Jednak tím napájím LNA při měření šumového čísla. Zkonstruoval jsem několik LNA s napájením po koaxiálním kabelu, ale nakonec jsem se  vrátil k oddělenému, samostatnému napájení. K napájení LNA používám kablík RG-174.

2.4. Indukčnosti ve výstupním obvodu aktivního prvku

Některé MMIC, např. MAX2640 mají řešen výstup bez indukčnosti. Jiné MMIC, např. PGA103+, vyžadují indukčnost ve výstupním obvodu. U PGA103+ se mi konkrétně osvědčila vinutá indukčnost. Pro 432 MHz používám lakovaný vodič dlouhý přibližně lambda/4, tj. 17 cm. Vinu drátem o průměru 0.23 mm na vrták o průměru 3.2 mm.

3. Osazování a pájení

Nejdřív pájím zemnicí propojky, napájecí špičky, elektrolytické kondenzátory. Potom rezistory (velikost 1206), blokovací kondenzátory. Vždy všechny od stejné hodnoty. Potom zapájím napěťový regulátor a oživím zdroj. Pájení pokračuje vinutými prvky. Překážely by při montáži malých SMD součástí. Nakonec pájím aktivní prvek (MMIC).

Nejsem již mladý a zrak také není nejlepší. SMD součásti mám při pájení na světlé podložce desky. Pájím pod lupou s osvětlením. Pájím tak, že plošky potřu flux pastou, součástku velikosti 1206 uchopím pinzetou (menší pipetou, proto je nemám rád), přiložím na desku a tenkou špičkou letovačky připájím jeden vývod. To udělám u všech součástí stejného rozměru. Potom pod lupou pájím druhý vývod, a to tak, že v jedné ruce mám letovačku, v druhé trubičkovou pájku (0.5 nebo 1 mm, zásadně Sn-Pb). Pájka se musí pořádně rozlít. Pak stejným způsobem připájím i ten první vývod.

Poznámky:

1. Prototypy LNA jsem dělal na oboustranných deskách PCB, leptaných v chloridu železitém. Po vyleptání, vyprání, byly desky natřeny pájitelným kalafunovým lakem. Na takové desce se opravdu dobře pájí Sn-Pb pájkou. Bezolovnaté pájky nepoužívám. Nedělám tolik prototypů, abych okolí zasral olovem třeba v takové míře, jako dříve automobilisté nebo myslivci, lovící kachny s náboji, které obsahovaly olověné broky. Bezolovnaté pájení možná mnoha technologům vyhovuje, já to však nepovažuji za pájení, ale za smrkání, které zhoršuje spolehlivost přístroje.

2. Pokud mi nějaké zapojení LNA vyhovuje, vyrobím si druhý vzorek na hezčí desce fotochemickou cestou. Nebo si nechám takové desky za pár korun vyrobit.

4. Ostatní

Vyhnu se zde úmyslně technologiím amatérské výroby desek. Mohli jste si všimnout několika detailů. Desky kreslím pomocí SW k tomu určenému. Myslím, že je jedno, jakým SW, o to tu vůbec nejde. Jde o to, že u VF obvodů je třeba často modifikovat geometrické rozložení i vlastní komponenty. To už nejde na papíře tak dobře. Předpokládám, že každý použije takový SW, na který je zvyklý. Pro výrobu desky fotocestou dělám export motivu do bitmapového souboru, který tisknu na laserové tiskárně na fólii zrcadlově, aby vytištěný motiv byl přímo směrem k citlivé vrstvě. Také jste si mohli všimnout, že jsem některé desky LNA namaloval fixkou podle vytištěné předlohy. V takovém případě jsem si vytiskl na papír motiv v měřítku 1:1, důlčíkem přenesl základní díry jako orientační body a zbytek "dotvořil" fixkou. Není to vzhledné, stydím se za fotografie, ale všechny takto vyrobené LNA fungovaly.

4.1. Měření LNA

Měření LNA bude věnována samostatná část. Musím ji ovšem napsat a také pořídit potřebné podklady a fotografie. Chtěl bych tu stručně popsat dvě metody, klasickou, dobře známou hot/cold metodu s generátorem šumu (noise source) s "hot power" cca 5dB ENR a druhou metodu, provedenou jako měření nízkých šumových čísel pomocí spektrálního analyzátoru s nízkošumovým předzesilovačem. Zejména u druhé metody by se dalo očekávat, že se bude hodit spíš k měření velkých hodnot NF (dB), nicméně, pravděpodobně se doby změnily.

4.2. Návrhy LNA

To je také téma samostatné části. Začal jsem s článkem o závislosti šumového čísla LNA na impedanci zdroje. S tím, jak vypadají kružnice konstantních šumových čísel ve Smithově diagramu, co to je NF min (dB), jak se uvádějí typické šumové parametry aktivního prvku a s příkladem, jak se s tím prakticky dělá. To považuji za minimální základ pro neprofesionály v oboru LNA.


© 2016  Míra Šídlo, ok1ufc, datum poslední úpravy: 05.9.2016