Poslední aktualizace 2020

      
 

  Mixer s PLL malé stanice pro pásmo 10 GHz
 
Úvod

Popsaný experiment ukazuje, kudy cesta nevede. Resp. ani náhodou jsem nedosáhl předpokládaných parametrů, pravděpodobně z více důvodů, které jsou uvedeny v textu. Provedu jejich rekapitulaci dříve, než začnete číst:

1. Vstupní předzesilovač je určen pro pásmo 12 GHz, ale v zapojení by měl pracovat cca od 0.4 GHz do 3 GHz, s ohledem na kmitočtový plán TX.
2. Mixer je určen pro použití jako down convertor z pásma 10 - 12 GHz a já očekávám jeho funkci v roli up convertoru z pásma 0.4 GHz do 10 GHz.
3. Buffer amplifier je určen pro kmitočty 1 - 2 GHz. Není určen pro provoz v pásmu 10 GHz, stejně tak výstupní vedení na PCB.

První zkouška

Zvědavost mi nedala. Připojil jsem ke vzorku napájecí napětí, generátor 432 MHz, LO nastavený na f = 25.787179, do výstupního SMA PCB logaritmickoperiodickou anténu a zapnul jsem přijímač pro satelit QO-100. A slyšel jsem svůj signál z pásma 10 GHz. V dalším textu se pokusím vysvětlit, jak je tato metoda ošidná, v čem klame.

Druhá zkouška

Nechal jsem připojený LO (f = 25.787179), odpojil jsem generátor 432 MHz a změřil úroveň na výstupu. Byla asi -40 dBm. Jedná se o násobek (390x) LO, který vygeneroval fázově zavěšený VCO použitého TFF1015. Po odpojení LO se úroveň nezměnila, VCO si kmital volně a kmitočet se samozřejmě přestěhoval.

Po připojení vstupního generátoru byla výstupní úroveň na požadovaném kmitočtu na úrovni cca -36 dBm. Úroveň jsem atenuátorem dále nesnižoval, ale postupně jsem zvyšoval úroveň z generátoru. Zvyšovala se úroveň na výstupu, ale hodnota se zastavila na méně než - 30 dBm. P1dBm se ani neodvažuji stanovit (snad P1dBm = -33 dBm ?). To se mi příliš nehodí pro koncepci TX, resp. to považuji pro mé účely za nepoužitelné.

První závěry

1. Směšovač naprosto nepotlačuje kmitočet místního oscilátoru. To není v dnešní době dobrá vlastnost a lze zkonstruovat nebo pořídit lepší, vyvážené směšovače.
2. Lze navrhnout koncepci směšovače, která pracuje s výstupními úrovněmi P1dBm kolem - 5 až - 7 dBm a s potlačením vstupních signálů o více než 30 dB. Výstupní úroveň je důležitá pro další zpracování signálů v pásmu 10 GHz.


Popsaný směšovač byl zamýšlen jako jedna ze dvou verzí vysílácí části zařízení pro pásmo 10 GHz. V dalším textu je popsáno konstrukční řešení, které jsem zkoušel. V každém případě by muselo být přepracováno, což znamená začít znovu. První změnu bych dělal ve výstupním obvodu, abych zvýšil výstupní úroveň. Například:


Alternativní koncepce (k dnešnímu dni v rozpracovaném stavu) vychází ze standardní koncepce, kterou jsem použil také na setupu pro satelit QO-100. Jde o nepatrně složitější cestu, vyžaduje se použití DDS kolem 2.5 GHz, násobení kmitočtu 2.5 GHz (násobení 4 x, aktivní násobič), směšování vyváženým směšovačem, atd. Alternativa bude popsána na samostatné stránce.

Popis mixeru s PLL pro pásmo 10 GHz

Konstrukce použitého mixeru vychází z koncepce obvodu, který se používá v levných LNB s jedním výstupem. Konkrétně jde o typ TFF1015HN, který pracuje ve velmi nestandardních podmínkách. Pro ověření funkcionalit byla upravena deska ze sigle LNB Zircon L101.

Principielní schéma zapojení je na obrázku č. 1 (pod tímto textem)

Do předzesilovače obvodu se přivádí signál o malé úrovni z TCVRu nebo SDR TX (např. Adalm Pluto). Krystal LO je vypájen a na vstup PLL se přivádí sígnál GPS DO o kmitočtu kolem 25 MHz (dle kmitočtového schématu stanice), přesný kmitočet bude uveden při aplikaci mixeru v transvertoru.

Datasheet TFF1015HN je pro informaci zde.

Z výstupu původního BA (buffer amplifier) je odebírán signál v pásmu 10 GHz, např. 10.368 GHz.

Nestandardní režim obvodu

Obvod pracuje v několika nestandardních paramaterech. Proto upozorňuji na takové skutečnosti. Koncepce nemusí být opakovatelná, při zkouškách nemusí být dosaženo předpokládaných parametrů a řešení se může ukázat jako slepá ulička v mém návrhu.

1. Uvědomme si, že vstupní předzesilovač je určen pro pásmo 12 GHz a já ho chci použít od 0.4 GHz do 3 GHz (koncepce transvertoru s SDR TX).
2. Uvědomme si, že mixer je určen pro použití jako down convertor z pásma 10 - 12 GHz a já očekávám jeho funkci v roli up convertoru z pásma 0.4 GHz do 10 GHz.
3. Uvědomme si, že buffer amplifier je určen pro kmitočty 1 - 2 GHz a já očekávám, že příliš neutlumí signál v pásmu 10 GHz.

4. Obvody PLL, včetně smyčky ladění pracují ve standardním a vyzkoušeném režimu, bez krystalu, se signálem z externího oscilátoru, což bylo mnohokrát ověřeno při modifikacích LNB pro příjem v pásmu 10 GHz.

Provedení směšovače, úpravy LNB

Na LNB byly provedeny tyto úpravy:

I.  Bylo provedeno otevření LNB, odsátí pájky z výstupního konektoru a demontáž desky.
II. Byly provedeny úpravy na desce:

1. Byl odpájen tranzistor druhého stupně předzesilovače (polovodič označený V75).
2. Byl přerušen spoj, kterým se napájí tranzistor V75 (na fotce ozn. křížkem).
3. Byly odpájeny oba zářiče (pro V a H polarizaci) od vstupních obvodů, protože by překážely.
4. Byl odstraněn krystal 25 MHz.
5. Byla vyvrtána díra o průměru 1 mm ve spoji ke směšovači. Díra slouží k připojení středního vodiče SMA konektoru 435 MHz.
6. Byl odstraněn blokovací C ve vstupním obvodu směšovače. Blokoval by vstupní signál 432 MHz.
6a. Byla přerušena indukčnost ve výstupním obvodu (napájení), a to bezprostředně u výstupního vazebního C.
7. Byla vyvrtána díra o průměru 2.3 mm na přívod napájecího napětí + 12 V na označené místo - rezistor na druhém konci indukčnosti.

Poznámky:

Postupujeme opatrně. Nicméně, uvažoval jsem i o SMA konektoru pro přívod injekce 25 MHz přímo do desky. Prokovenou díru jsem poškodil a vrátil jsem se ke koncepci přívodu injekce středním vodičem koaxu RG-174.

Detaily úprav

Z LNB je použita pouze deska PCB a hliníkový dekl. Montáž PCB je provedena na jednostrannou kuprextitovou desku o rozměrech přibližně 56 x 32 mm; k mědi jsou připájeny SMA konektory a kabely RG-174 pro přívod LO a napájení. Deska směšovače neobsahuje filtry 10 GHz. Filtry musí být součástí zesilovače pro 10 GHz.
Deska je přesně svrtána s dírami v PCB.
 

Pohled na PCB

po vyvrtání díry pro vstupní konektor a úprava děr pro vstup LO a výstupní SMA.
Z desky jsou odstraněny zářiče a krystal 25 MHz.

   
Označení důležitých základních prvků na desce

Důležité části, které nesmíme poškodit, jsou:
1. obvod TFF1015, který obsahuje předzesilovač, mixer, PLL, VCO, buffer amplifier
2. obvody smyčky PLL
3. vstupní vazební C
4. propojka výstupu TFF1015 s výstupním vedením k výstupnímu SMA
5. výstupní vazební C
6. stabilizátor napětí, kterým se TFF1015 napájí

   
Pohled na svrtanou PCB

s jednostranně plátovanou základní deskou (materiál tl. 1.5 mm) s konektory a děrami.

Základem úspěchu je přesné svrtání desek.

Můj postup:

1. Přiložím PCB se součástkami a vyvrtanými děrami do rohu desky.
2. Vyvrtám dvě díry průměr 1 mm pro střední vodiče obou SMA.
3. Po vyvrtání první díry prostrčím válcovou část vrtáku průměr 1 mm skrz obě desky, upravím polohu PCB a vyvrtám druhou díru průměr 1 mm.
4. Označím všechny středy všech svrtávaných děr.
5. Vyvrtám všechny díry, provedu zahloubení otřepů mědi.
6. Prostrčím SMA konektory.
7. Sešroubuji dekl, PCB a kuprextit třemi šrouby M 2.5.
8. Zapájím po obvodě SMA k mědi. Opatrně, s deskou PCB jen dva body, zbytek dopájíme bez desky PCB.

   
Pohled na SMA konektory připájené ke kuprextitu

Jsou vidět i tři šrouby M 2.5, které spojují hliníkový dekl, PCB a kuprextitovou desku.

Dva kabely RG-174 slouží k přívodu injekce LO (25 MHz) a napájecího napětí 12V.

SMA konektory (vystředěné s PCB a opatrně přichycené ve 2 bodech) jsou zapájeny po svém obvodě k mědi. Tuto operaci děláme bez PCB, páječkou s vyšším výkonem.

   
Pohled na svrtaný směšovač PLL

Na této a předchozí fotografii je vidět kolize vstupního SMA konektoru s otvorem pro šroub. Rozhodnutí padlo na použití konektoru a vypuštění jednoho ze 4 šroubů M 2.5. Tři šrouby, jak se ukázalo, na sešroubování stačí.

Dva otvory u spodního okraje kuprextitové desky slouží pro možnost přišroubovat směšovač k zařízení transvertoru.

 
Výhody použité koncepce

1. Transceiver (SDR) je propojen se směšovačem jen jedním tenkým koaxiálem (RG-174).
2. Směšovač může být v outdoorové skříni, kmitočet je stabilizován GPS DO.
3. Oscilátor využívá stejného kmitočtu, jako LNB v přijímači. Stačí nám jediný oscilátor GPS DO, Leo Bodnar funguje pro LNB i směšovač s nejnižší úrovní po rozdvojení pomocí SMA "T adapteru".
4. Signál 10 GHz je veden k zesilovači a PA krátkým kabelem.

Výsledky

Byly uvedeny v úvodu. Experiment byl neúspěšný. Navrhl jsem konkrétní změnu. Ale i tak jednoduchá změna vyžaduje použít novou desku s novými konektory v jiné pozici a další práce. Protože čas je jenom jeden, tak pokračování až někdy, hi.

 
   TU 73, Mira, ok1ufc