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.
|