Poslední aktualizace 2020

      
 

   Moderní zdvojovače a násobiče kmitočtu
 
Úvod

Moderní zdvojovače a násobiče kmitočtu jsem zařadil do této minipublikace z více důvodů. Jsem přesvědčen, že se jejich použití nevyhneme, pokud začneme při stavbě malé amatérské stanice uvažovat o práci na centimetrových vlnách digitálními druhy provozu nebo SSB. Více výrobců nabízí celkem pestrý výběr, přesto již v dnešní době jsou některé levné, zajímavé a cenově dostupné typy označované jako "obsolete".

Aktivní a pasivní zdvojovače (násobiče) kmitočtu

Existují typy aktivních násobičů, které nejsou pouhými zdvojovači (doubler), ale násobiči s násobícím poměrem vyšším (např. 4x až 12x nebo 16x) a celou řadou funkcionalit daných dnešním digitálním světem (vícenásobnými vstupními násobiči, programovatelnými harmonickými filtry, vícenásobnými PA s diferenciálními výstupy), s řízením funkcionalit přes SPI sběrnici. Jako příklad uvádím čtyřkanálový typ ADAR2001 od Analog Devices, který pracuje se vstupními frekvencemi od 2.5 GHz do 10 GHz, tj. s výstupními frekvencemi od 10 GHz do 40 GHz. Datasheet ke stažení je zde. Uvádím pro informaci, ale při stavbě malé staničky pro pásmo 10 GHz nemám pro typ s uvedenými funkcionalitami uplatnění.

Protože předpokládám, že pro maličkou 10 GHz stanici použiji jako kmitočtovou základnu levný programovatelný kmitočtový normál, který jsem popsal zde, uvažuji o násobení 4x, abych se dostal např. na kmitočet 9.936 GHz (oscilátor pro heterodyn s fRX = 10.368 GHz, fIF = 432 MHz), použiji násobení 4x a kmitočet na DDS = 2484 MHz. Pro takový příklad vidím jako velice vhodný aktivní typ Analog Devices HMC443, který pracuje s násobením 4x, před a za pasivní násobičkou má zesilovače pro použitá kmitočtová pásma. Násobič lze navázat přímo na DDS generátor (pracuje v rozsahu od -15 dBm do + 5 dBm) a na výstupu obdržíme úroveň cca 4 dBm. Obvod má zajímavé potlačení harmonických kmitočtů a pro informaci uvádím datasheet obvodu. V této fázi návrhu jde o velice vážnou úvahu, součástky jsem objednal a čekám na jejich dodání. Bohužel, nesehnal jsem za slušné peníze vývojový kit, abych se nemusel dělat s deskou PCB.

Pasivní zdvojovače kmitočtu

Přestože jsou pasivní zdvojovače kmitočtu u mnoha typů označovány jako "obsolete", jsou při konstrukci malé stanice aplikovatelné. Jako příklad uvedu dva typy od Analog Devices a jejich datasheety dávám pro ilustraci ke stažení. Jde o typ HMC189AMS8, který násobí kmitočty od 2 GHz do 4 GHz dvakrát a typ HMC204, který násobí kmitočty od 4 GHz do 8 GHz dvakrát.

Výhodami pasivních zdvojovačů (doubler) je:
- nevyžadují napájení
- lze sehnat osazené moduly s SMA konektory.

Nevýhodami pasivních zdvojovačů jsou:
- vyžadují poměrně značné úrovně signálů na vstupu (např. +10 dBm až +15 dBm)
- mají konverzní ztrátu, např. 17 až 18 dB

Uvedené nevýhody v praxi znamenají, že musíme u řešení LO s pasivními zdvojovači použít celou řadu kaskádovatelných MMIC zesilovačů. Na vstupu musíme zesílit signál z DDS generátoru, mezi doublery musíme upravit úroveň a nevyhneme se zesilování na 10 GHz před směšovačem heterodynu.

Základní zkouška pasivních zdvojovačů
 

1. cílem zkoušky bylo vyzkoušet, zda modul pasivního zdvojovače kmitočtu (doubler) zdvojuje při nízkých úrovních signálu (např. 0 dBm).

2. cílem zkoušky bylo ověřit, zda zdvojovač pracuje mimo jmenovitý frekvenční rozsah při malých úrovních.

3. cílem zkoušky bylo ověření, zda lze zdvojovače zařadit kaskádně, bez zesílení.

4. cílem zkoušky bylo ověření, zda lze úrovně na výstupu ověřit jednoduchým měřičem úrovně s AD8317 (logaritmický zesilovač s detektorem do 10 GHz).

Výsledky experimentů jsem zachytil na následujících fotografiích.

Úroveň na výstupu DDS (0dBm):
 

Úroveň na výstupu DDS. Odpovídá hodnotě cca -26 dBm. To je o 10 dB menší úroveň. Při snižování vstupní úrovně roste konverzní ztráta pasivního zdvojovače kmitočtu:
 

 
Použití zdvojovače mimo frekvenční (poloviční kmitočet)
 i úrovňový rozsah (úroveň je o 15 dB nižší:
 

 
Konverzní zisk se zhoršil o 20 dB, ale násobič stále násobí, signál je měřitelný jednoduchým indikátorem s logaritmickým zesilovačem, je slyšitelný na kontrolním RX a je viditelný na levném čínském spektrálním analyzátoru:

 
Kaskádní řazení zdvojovačů, buzení malou úrovní signálu:
 


Signál po konverzi je slyšitelný kontrolním přijímačem s LNB. Nicméně, signál po čtyřnásobení byl zeslaben o - 60 dB:

 
Závěr (odpovědi o ověření čtyř stanovených cílů jednoduchých experimentů)

ad 1.: Snížení úrovně signálu na vstupu o cca 15 dB vedlo ke zvýšení konverzní ztráty zdvojovače o 10 dB (to je dost). Proto na vstupu zdvojovače doporučuji použít MMIC zesilovač.
ad 2.: Práce mimo frekvenční rozsah rovněž zyšuje konverzní ztrátu, např. o 10 dB. Práce mimo frekvenční rozsah a současně na malých úrovních již generuje maličkou výstupní úroveň (menší, než -40 dBm). To prakticky vylučuje použití pasivního zdvojovače v zapojení LO.
ad 3.: Kaskádní řazení zdvojovačů bez zesílení není možné. Při malém buzení lze sice výstupní signál přijímat na RX s rozsahem 10 GHz, ale úroveň  (- 60 dB) je pro použití v LO heterodynu nevyhovující i pro další zesilování (navíc na vysokém kmitočtu).
ad 4.: Pokud nemáme při měření nic lepšího k dispozici, tak nám jednoduchý indikátor (měřič) úrovně s logaritmickým zesilovačem a detektorem poskytne cennou službu alespoň při získání velice informativních výsledků.

Rozhodnutí

V článku jsem popsal velice zjednodušený myšlenkový postup při rozhodování o koncepci lokálního oscilátoru heterodynu (nebo transvertoru) pro pásmo 10 GHz. Přestože mi zbyde celá řada MMIC obvodů pro zesilovače se ziskem cca 10 dB (do 10 GHz), které bych mohl osadit a použít s pasivními zdvojovači kmitočtu, rozhodl jsem o aktivním násobiči kmitočtu, protože mi lépe vyhovuje z hlediska úrovní. Předpokládám, že před směšovačem bude LO zesilován v jediném MMIC zesilovači (s rezervou zisku) a úroveň bude upravena atenuátorem.

Poznámky:

1. Použitý DDS generátor se velice osvědčil a byl vyzkoušen v transvertoru pro uplink satelitu QO-100 (kmitočet 2256 MHz). Provozoval jsem ho nějakou dobu s GPS DO, viz popsaná úprava. Pro uplink 2400 MHz a umístění DDS oscilátoru v hamovně však GPS DO nebylo nutné. Kmitočet TCXO si po nějaké době "sednul", rozdíl teplot v mé hamovně použití nevadí.

2. Pro použití uvedené desky DDS na maličké stanici pro 10 GHz je použití GPS DO nezbytné!

3. Uvažuji rovněž o úplné náhradě generátoru DDS v případě, kdy použiji pro generování signálů SDR transceiver s více výstupy TX. V takovém případě může být jeden výstup TX použit pro generování přesného kmitočtu, který bude dále násoben popsaným způsobem a samostatný SDR generátor nebude třeba.
 

   TU 73, Mira, ok1ufc