Dragoslav Dobričić, YU1AW

ULTRA-LINEARNI NISKOŠUMNI ANTENSKI POJAČAVAČI  ZA VHF I UHF

Sažetak

U ovom članku biće opisan novi tip niskošumnih antenskih pojačavača koji se zbog svojih izuzetnih šumnih i intermodulacionih karakterisitka preporučuju, osim za uobičajeni DX rad, i za rad u teškim uslovima velikog broja snažnih stanica na opsegu, kao što su primerice takmičenja. Pojačavači su projektovani tako da imaju nizak šum, bezuslovnu stabilnost i izuzetnu linearnost, zahvaljujući korišćenju specijalnih ultra-linearnih, bipolarnih, niskošumnih tranzistora predviđenih za pojačavanje TV signala. Zbog svoje vrlo raširene upotrebe korišćeni tranzistori su jeftini i lako dostupni. Konstruktivno rešenje je izuzetno jednostavno za gradnju sa malim brojem upotrebljenih delova, krajnje jednostavnim podešavanjem i sa velikom ponovljivošću dobijenih rezultata. Sve napred opisano postignuto je vrlo rigoroznom i opsežnom kompjuterskom optimizacijom kako u nelinearnom, determinističkom tako i u statisitičkom domenu.

Uvod

Već skoro tri decenije na VHF i UHF područjima u niskošumnim pretpojačavačima skoro isključivo se koriste FE tranzistori u MOS ili GaAs tehnologiji. Razlog ovome je svakako njihova superiornost u pogledu šuma i pojačanja. Ono sa čime se prilikom upotrebe GaAs FET-ova neminovno susrećemo je problem stabilnosti s obzirom na njihovu uslovnu stabilnost na VHF i UHF  frekvencijama. /Ref. 1-5/.

Međutim sa povećanjem broja stanica na opsezima, korišćenjem sve većih izlaznih snaga, a posebno u takmičenjima, većina ovih niskošumnih pretpojačavača, koji se uspešno koriste u DX, MS ili EME radu, biva preopterećena mnoštvom veoma snažnih signala na opsegu. To se manifestuje veoma velikim intermodulacionim produktima koji “zaprljaju” opseg, što se  kao po pravilu pripisuje drugim stanicama, a posebno onim koje koriste snažne izlazne pojačavače.

Problem naravno može biti u nelinearnim pojačavačima snage koji su to postali zato što su zbog  prevelike snage pobude dovedeni u stanje zasićenja i generisanja velikog nivoa sporednih produkata intermodulacije.

Međutim, mnogo češći slučaj u praksi je da je usled prevelikog pojačanja i nedovoljne linearnosti prijemnika, tj. njegovog ulaznog dela, došlo do preopterećenja i prijemnik je počeo da generiše produkte koji izgledaju kao da stvarno postoje na opsegu.

Da bismo znali kako da se borimo sa ovim problemom, potrebno je da znamo kako, gde i pod kojim uslovima on nastaje.

Važne osobine pojačavača

Pokazalo se da vrlo veliko pojačanje, osobinu pojačavača koju većina amatera najviše ceni i koju je, uzgred, najlakše postići, treba upravo najmanje ceniti, čak naprotiv, treba je izbegavati jer je izvor ogromnih problema!

Neuporedivo je tehnički teže postići druge dve važne osobine pojačavača: nizak šumni broj i veliku otpornost na jake signale, tj. linearnost i upravo su to osobine koje kod pojačavača najviše cene oni za koje decibeli nisu samo puke brojke kojima treba zaseniti neznanje.

Dinamički opseg pojačavača

Kako znati koji su to kvalitetni pojačavači?

Da bi se ova dilema rešila uvedena je mera kvaliteta pojačavača koja obuhvata sve tri pomenute karakteristike pojačavača: šumni broj, pojačanje i izlazni nivo signala za određeni nivo nelinearnih izobličenja.

Ova mera kvaliteta zove se dinamički opseg pojačavača i predstavlja opseg u kome može da se menja nivo signala na ulazu pojačavača, a da signal na izlazu ne pretrpi degradaciju veću od strogo definisane.

Sa donje strane ovaj opseg je ograničen minimalnim dopuštenim odnosom signal/šum izlaznog signala i njega direktno određuje šumni broj pojačavača, a sa gornje dozvoljeni nivo nelinearnih izobličenja.

Donja granica dinamičkog opsega je onaj nivo ulaznog signala koji na izlazu obezbeđuje unapred određeni minimalni odnos signal/šum (S/N). Ako se za donju granicu uzme vrednost S/N=0 (dolazeći signal i prateći šum su jednaki) i ako se sa gornje strane ovaj opseg ograniči maksimalnim izlaznim naponom signala pri kome pojačavač, usled nelinearnih izobličenja, generiše produkte jednake sa nivoom šuma na izlazu pojačavača, dobija se tzv. SFDR (Spurious Free Dynamic Range) ili dinamički opseg slobodan od smetnji, tj. produkata intermodulacionih izobličenja ili IMD.

Pošto su intermodulaciona izobličenja trećeg reda (IMD3) zavisna od ulaznog signala sa kubom, tj. trećim stepenom, to se za svako povećanje ili smanjenje ulaznog signala za 1 dB, produkti intermodulacije trećeg reda povećavaju ili smanjuju za 3 dB. Ovo nam olakšava preračunavanje maksimalnog izlaznog nivoa koji je dat za različite vrednosti odnosa produkata i korisnog signala, ili veličinu IMD3 produkata pri različitim nivoima izlaznog signala. Ali ne samo to, nego nam ubacivanjem atenuatora omogućava i proveru da li je neki pojačavač preopterećen, tj. prepoznavanje da li neki signal koji se čuje na našem prijemniku stvarno postoji na opsegu ili je to samo “bujna mašta” našeg preopterećenog prijemnika. Time se omogućava i otklanjanje preopterećenja i IMD3.

Zbog bržeg porasta nivoa produkata od osnovnog signala, sa povećanjem ulaznog signala, jednog momenta dostiže se tačka u kojoj produkti intermodulacije trećeg reda, IMD3, po nivou dostižu nivo korisnog signala na izlazu i ta tačka se označava sa IP3 (od engl. Interception Point). Da bi se precizno označilo da li se radi o ulaznom ili izlaznom nivou potrebno je to nedvosmisleno označiti pa se uz ovu oznaku često stavlja i podatak o tome da li je u pitanju ulazni ili izlazni nivo. Naravno jedan od drugog se razlikuju za veličinu pojačanja pojačavača. Sreće se i oznaka TOI (od engl. Third Order Intercept).

Ova tačka se često uzima kao mera linearnosti pojačavača i veoma je zgodna prilikom poređenja različitih pojačavača. Poznavajući vrednost IP3 nekog pojačavača u mogućnosti smo da na osnovu toga uvek precizno izračunamo koliki će IMD3 produkti biti pri nekom arbitrarno izabranom izlaznom ili ulaznom nivou korisnog signala.

U slučaju korišćenja prevelikog pojačanja, na primer, višestepenih pojačavača, postoji opasnost da dođemo u situaciju da su antenski šum i sopstveni šum prvog tranzistora toliko pojačani, da pređu granicu linearnog rada poslednjeg tranzistora i da pojačavač bude zasićen već samim šumom i bez signala, ili već pri malim vrednostima ulaznog signala!

Zaključak je jasan: pojačavač vredi onoliko koliki mu je dinamički opseg, a ne koliko mu je pojačanje!

Drugačiji izbor

Dakle, ako želimo da napravimo pojačavač sa što većim SFDR moramo da zadovoljimo sledeće uslove: da imamo što niži šumni broj i što viši IP3, sa prihvatljivim pojačanjem. Pojačanje s jedne strane treba da bude što veće, da bi se sprečio uticaj drugog stepena na povećanje šumnog broja, a sa druge što manje, da bi ulazni IP3 bio što veći, tj, da bi pojačavač trpeo što veće ulazne signale bez izobličenja.

Neophodan je kompromis i on se obično kreće između 13 i 20 dB pojačanja, zavisno od toga koji parametar nam je važniji.

Ako se želi antenski niskošumni pojačavač sa velikim dinamičkim opsegom, onda je izbor odgovarajućeg tranzistora veoma važan. Potrebno je izabrati takav tip tranzistora koji osim niskog šuma i dovoljnog pojačanja na zadatoj frekvenciji, kao i bezuslovne stabilnosti, zadovoljava i uslov da je vrlo linearan, tj da ima visok IP3.

Dosadašnji MOS i GaAs FE tranzistori taj uslov nisu dovoljno dobro zadovoljavali.

Tranzistori koji se posebno grade za ultralinearne radne režime, prevashodno za CATV zadovoljavaju ove kriterijume. Upravo zato je i izabran Simensov bipolarni tranzistor u SMD pakovanju koji nosi oznaku BFP196. Ovom tranzistoru skoro potpuno odgovara Filipsov BFG540/X koji zahteva samo malo drugačiji otpornik za prednapon baze. Ovaj Filipsov tranzistor treba obavezno koristiti na 1296 MHz jer daje nekoliko decibela veće pojačanje od BFP196. Napominjem da BFG540 bez ovog /X takodje može da se upotrebi, ali je raspored izvoda drugačiji, tj. nije pin-to-pin kompatibilan sa prethodnim, pa je potrebno promeniti štampanu pločicu što nije baš preporučljivo.

Šema veze pojačavača

Pošto se radi o širokopojasnom tranzistoru čije su vrednosti Znf i konjugovano kompleksna vrednost S11* relativno bliske 50 oma to je ulazno kolo koje je primenjeno izabrano tako da optimalno prilagodi tranzistor po šumu, a da ujedno obezbedi i određenu selektivnost na ulazu. Variranjem elemenata kola nađen je kompromis koji je obezbeđivao najveću selektivnost uz minimalno povećanje šumnog broja. Na nižim opsezima, gde šumni broj nije toliko važan, kompromis je bio više u korist selektivnosti, koja je na tim opsezima vaznija od šuma. Na višim opsezima je urađeno obrnuto.

Radna tačka tranzisora je takođe izabrana kao kompromis između minimalnog šuma i najvećeg IP3.

Izlazno kolo je relativno širokopojasno i urađeno je korišćenjem štampane induktivnosti da bi se smanjila sprega sa ulazom i obezbedila velika ponovljivost performansi kod velikog broja izgrađenih primeraka pojačavača. Radi očuvanja optimalnog izlaznog prilagođenja pri kome se postiže minimalna IMD, na izlazu nije dozvoljeno nikakvo podešavanje trimer-kondenzatorima ili promenljivim induktivnostima.

Radi postizanja bezuslovne stabilnosti, minimalne IMD, optimalnog pojačanja i minimalnog šuma, primenjena je negativna povratna sprega koja se takodje ne sme proizvoljno menjati.

Mehaničko rešenje

Pločica se radi, prema slici i datim dimenzijama, na dvostranom vitroplastu koji je uobičajen i zadovoljava G10 ili FR4 specifikaciju. Donja bakarna površina je kompletno ostavljena kao masa. SMD komponente su 1206 tipa, a mase se izvode ili metaliziranim rupama ili bušenjem rupa i spajanjem žicom provučenom kroz njih i lemljenjem na obe strane. Paralelno vezani otpornik (22K-47K) i kondenzator (1nF-10nF), koji se nalaze u liniji za pretpolarizaciju baze, leme se tako što se stave jedan na drugi, a ne jedan pored drugog. Kolektor tranzistora je izveden na nožici koja je šira od ostalih.

Upotrebljeni trimer je vazdušnog ili PTFE folijskog tipa, mada može biti upotrebljen i keramički, sa dovoljnim opsegom kapaciteta oko predviđene proračunske vrednosti. Naročito je važno kod pojačavača za više opsege da trimer-kondenzator ima dovoljno mali početni kapacitet.

Kalem se mota od bakarne posrebrene ili lakirane žice debljine d, i mota se n zavojaka na telu prečnika D. Namotan kalem treba razvući na dužinu l.

Kalem treba prilikom lemljenja postaviti tako da mu je donji deo oko 3 mm iznad štampane pločice.

Kutija pojačavača se pravi tako da štampana pločica može da se postavi i zalemi tako da postane dno kutije kao što se vidi na sl. 1. To je najlakše uraditi tako što se bakarnom ili mesinganom trakom debljije 0.2-0.3 mm i širine 25-30 mm štampana pločica “opšije” po obodu i lim se zalemi za donju stranu štampane pločice. Ovako dobijena kutija na koju se montiraju priključci, zahteva još i poklopac koji se pravi od istog lima kao i kutija.

Puštanje u rad i podešavanje

Kada je sve pažljivo zalemljeno, treba proveriti da nije promakla neka greška, i da ne postoji negde neki kratak spoj. Potom treba priključiti jednosmerni napon napajanja i izmeriti struju i napon kolektora. Ako je sve ispravno i pravilno povezano i ako je tranzistor ispravan i dobro povezan vrednosti bi trebale biti blizu onih koje su date u šemi. Ukoliko razlike nisu velike i kreću se oko 10% ne treba intervenisati. Ukoliko su razlike veće treba proveriti napon napajanja, a potom vrednost otpornika od 22 (33) koma za pretpolarizaciju, kome je paralelno vezan kondenzator, smanjiti da bi se struja povećala i obrnuto, povećati da bi se kolektorska struja smanjila. U tu svrhu se ne sme menjati vrednost otpornika od 1 (1.2) koma koji je vezan na red sa prethodno pomenutim.

Ukoliko pak, pri odgovarajućoj struji, napon kolektora nije odgovarajući treba korigovati vrednost otpornika od 56 (82) oma u liniji za napajanje koji se nalazi odmah do stabilizatora napona.

Napominjem da su ovakve korekcije veoma retke i neophodne jedino ako upotrebljeni primerak tranzistora ima dosta drugačije karakteristike od uobičajenih za taj tip tranzistora.

Kada su i napon i struja kolektora u očekivanim granicama, potrebno je priključiti na ulaz pojačavača antenu, a na izlaz prijemnik i podesiti trimer kondenzator na maksimalni prijem neke slabije stanice. Ovime je podešavanje kompletno završeno i dobijene performanse su jako blizu onome što je očekivano i dato u ovom članku. Kod pojačavača za više opsege, posebno za 23 cm postoji mala razlika u podešavanju kada se dobije maksimalno pojačanje i onog kada se dobije minimalni šum. Potrebno je podesiti pojačavač na maksimalno pojačanje i onda ga malo razdesiti na niže po frekvenciji, tj. malo povećati kapacitet trimera, sve dok pojačanje ne padne za 1-2 dB.

Ne preporučuju se apsolutno nikakve izmene i modifikacije osim gore pomenutih, jer je pojačavač optimiziran tako da odmah postigne predviđene kakrkateristike. Bilo kakva modifikacija to onemogućava i rezultati mogu biti mnogo lošiji od predviđenih.

Pojačavač se uvek montira na antenski stub i povezuje što kraćim kablom sa antenom, preko odgovarajućih koaksijalnih releja za prebacivanje antene sa prijema na predaju. Njegovo napajanje predviđeno je kroz koaksijalni kabl koji ga povezuje sa prijemnikom, preko odgovarajućeg adaptera datog na slici, koji je smešten kod uređaja.

Dobijeni rezultati

Kao što se i očekivalo u praksi su potvrđene vrlo dobre šumne karakteristike, koje uglavnom zadovoljavaju sve zahteve za vrlo ozbiljan DX rad. Jedino za EME rad na 432 i 1296 MHz treba možda ići na niže vrednosti šumnog broja, tj. na GaAs FET pojačavač /Ref. 1-5/, ali u svim ostalim slučajevima pojačavač zadovoljava i najstrožije zahteve u pogledu šuma. U isto vreme dobijeni pojačavač  je pokazao izuzetnu linernost sa vrednošću IP3 koja je uveliko premašila 30 dBm na svim opsezima osim na 1296 MHz gde je 3-4 dB manja što je i razumljivo.

Radi poređenja, na slikama je dato ponašanje ovog pojačavača i uobičajenog pojačavača koji koristi GaAs FET.

Na ulaz oba pojačavača dovedena su tri signala od po 7.1 mV (-30 dBm) koja simuliraju “tri jake stanice na opsegu”. Slike 2 i 3 pokazuju šta bi se čulo na opsegu sa idealnim prijemnikom, koji nema sopstvenu IMD. Sa realnim prijemnikom, zbog eventualne njegove IMD stvari bi izgledale još gore! Pre nego što optužite nekoga da “rasipa po bandu” proverite atenuatorom na ulazu da li  možda to ustvari vaš prijemnik zbog velikog ulaznog signala ne stvara IMD!

Potvrđena je velika superiornost pojačavač sa BFP196 u odnosu na onaj sa MGF1302. Razlika u veličini IMD produkata koji bi se pojavili na izlazu iz idealnog prijemnika kada bi se koristio jedan, odnosno drugi tip pojačavača bila je preko 30 dB! Naravno pojačavači su u oba slučaja imali približno isto pojačanje.

U nastavku će biti date pločice, električne i montažne šeme, kao i tipične vrednosti performansi koje se dobijaju za svaki opseg posebno. Date vrednosti su simulirane na računaru, a u praksi se pokazalo na dovoljno velikom uzorku sagrađenih i izmerenih pojačavača da one ne odstupaju više nego što je to uobičajeno kod ovakvih gradnji.

Čak šta više, u praksi se pokazalo da strogo poštovanje uputstava datih u ovom članku direktno vodi dobijanju vrednosti koje su jako blizu onih koje su ovde date!

Upozorenje

Krajnji rezultati koji se u praksi dobijaju sa ovim pojačavačima jako mnogo zavise od toga kakve IMD karakterisitke ima prijemnik koji se nalazi iza pojačavača. Ukoliko on ima lošije karakterisitke onda dobijeni rezultati mogu biti čak i lošiji u pogledu IMD jer kada signali, pojačani u opisanom antenskom pojačavaču, dođu na ulaz lošeg prijemnika izazovu preopterećenje i IMD u njemu i rezultat je loš. Zato se preporučuje da se koristi što manje, tj. samo neophodno potrebno pojačanje između ovog pojačavača i prvog mešača u prijemniku ili transverteru kako bi se očuvala što veća dinamika celog prijemnog sistema.

Ukoliko se pojavi IMD u prijemniku dobro je između pojačavača i prijemnika staviti promenljivi atenuator, odrediti najmanje slabljenje pri kome ona nestaje, zameniti ga fiksnim iste vrednosti i tako raditi. Ova metoda je vrlo efikasna jer sa povećanjem slabljenja atenuatora produkti IMD prijemnika tri puta brže slabe od korisnog signala, tako da je moguće oslabiti produkte do nivoa da se uopšte ne čuju, a da korisni signal ostane vrlo malo oslabljen! Nemojte strahovati da nećete čuti željeni signal, pojačanja ima previše čim se javlja IMD - slobodno ga smanjite!

Kao promenljivi atenuator, za nuždu, može se iskoristiti jedan minijaturni trimer-potenciometar vrednosti 100-150 oma koji se veže na ulaz prijemnika, a može se ugraditi i u kutiju adaptera za napajanje pojačavača prema sl. 4. To predstavlja vrlo praktično i dosta elegantno rešenje bar na nižim opsezima. Može se, u nedostatku boljeg, ugraditi i promenljivi T atenuator od 20 dB koji se koristi u CATV.

Reference:

1.          Dragoslav Dobričić, YU1AW, “Niskošumni antenski pojačavač za 144 MHz”

Radioamater 10/98 str. 12-14 (I deo) i 11/98 str.12-15 (II deo).

Takođe: “Niskošumni antenski pojačavač za 144 MHz”, Tekst predavanja KKE, decembar 1998.

2.         Dragoslav Dobričić, YU1AW, (prevod in priredba S53MV) “Nizkošumni antenski predojačevalnik  za 144 MHz”, CQ ZRS decembar 1999. str. 26 - 31.

3.         Dragoslav Dobričić, YU1AW “Niskošumni antenski pojačavač za 432 MHz”, Radioamater br. 1, 2 i 3 /2001.

4.         Dragoslav Dobričić, YU1AW , (prevod in priredba S53MV) “Nizkošumni antenski ojačevalnik za 432 MHz”, CQZRS br. 6/2000, str. 27-31.

5.         Internet adresa:   www.qsl.net/yu1aw/

Autor je dostupan preko e-mail adrese: dobricic@eunet.yu