Российский УКВ портал
Главная arrow Статьи arrow Аппаратура arrow Впечатления от экспериментов с VLNA G4DDK (23 cm)


Впечатления от экспериментов с VLNA G4DDK (23 cm)

Версия в формате PDF Версия для печати
Автор Сергей Жутяев, RW3BP   
Вторник, 27 Май 2008

В последнее время всё большей популярностью среди любителей ЕМЕ связи на 23 см получил VLNA (very low noise amplifier) G4DDK . Особенно в Европе.

Надо сказать, что он мне тоже понравился с первого взгляда. Дело в том, что некоторое время назад я сам решил заняться МШУ (малошумящий усилитель) именно на 23 см. Уже успел попробовать несколько вариантов и постепенно сам подходил к подобной конструкции.

           Захотелось поскорее попробовать усилитель в работе, тем более, что установка для точного измерения коэффициента шума уже была построена и отлажена. Печатную плату помогли нарисовать «вприглядку» ребята на работе. Так что через пару недель несколько плат для экспериментов были у меня в руках. Основной монтаж (без коробочки и входной цепи) помог сделать Владимир RA3ACE. Так что всё получилось очень оперативно. Наверное, честнее было купить платы у автора, но, надеюсь, Сэм G4DDK меня простит. Я не собираюсь торговать его платами или усилителями. Итак, по порядку.

 

1. Измерительная установка


Как я уже писал, захотелось самому разобраться в тонкостях МШУ на 23 см и попробовать сделать что-то своё. Фактически, это часть общего проекта под девизом «Как имея маленькую антенну не выглядеть на 23 см ЕМЕ бедным родственником».

Было ясно, что без соответствующего измерительного обеспечения заниматься этим бесполезно. 

Пару слов о методе измерения коэффициента шума.
При измерениях ко входу МШУ подключается согласованная нагрузка, шумовая температура которой может принимать два известных значения.

 

На практике это хороший аттенюатор, на вход которого подключен шумовой диод. Первое значение шумовой температуры это когда диод выключен. Оно равно физической температуре аттенюатора. Второе значение  шумовой температуры – это когда диод включен. Оно равно физической температуре аттенюатора плюс добавка, генерируемая диодом. Чем больше аттенюатор, тем меньше влияние коммутации шумового диода на выходное КСВ (SWR). Однако шумовая добавка уменьшается. Естественно, чем с более чувствительными усилителями мы работаем, тем меньшая добавка требуется. Для стандартных шумовых головок принят коэффициент ENR (excess noise ratio), показывающий, во сколько раз добавка превышает стандартную комнатную температуру 290К. Обычно это 5дБ и 15дБ для совсем уж тупых приемников.

 

Далее необходимо измерить уровень (мощность) шума на выходе МШУ,  соответствующий первому и второму значению шумовой температуры входной согласованной нагрузки и вычислить их отношение (т.н. Y фактор). Зная эти три величины, можно посчитать коэффициент шума МШУ и соответственно его шумовую температуру. Как кому нравится.

 

Итак, необходимо точно определить три величины. Первое – шумовую температуру шумовой головки в положении «выкл» (равна физической температуре головки). Второе - шумовую температуру шумовой головки в положении «вкл» (определяется по известному ENR или калибруется по заранее известному МШУ). Третье – точно измерить выходное отношение уровней шума для двух режимов шумовой головки. Это одна из сложных составляющих процесса измерения.

 

Дело в том, что шум это по определению случайный процесс. Если сделать несколько коротких измерений, то результаты будут сильно отличаться друг от друга. Для получения надежного результата с заданной точностью необходимо усреднить большое количество таких измерений. Важна также полоса частот, в которой производится измерение. Чем более широкополосный шум, тем точнее результат. В фирменном приборе по умолчанию используется полоса 4 МГц и время усреднения порядка единиц секунд. Если полосу уменьшить в 10 раз, то время усреднения надо увеличить в те же 10 раз. Понятно, что со стандартным трансивером с его полосой 3 кГц ловить нечего.

Итак, первое, что мне было нужно для точных измерений – это стабильный источник шума. Можно, конечно, купить на Ebay шумовую головку от HP. Однако, даже б/у головка с сертификатом стоит несколько тыс. долларов. Впрочем, у меня задача проще. На абсолютные измерения я пока не претендую, а диапазон рабочих частот ограничен 1296 МГц +/- совсем  немного. По моей просьбе Владимир RA3ACE сделал источник на эмиттерном переходе транзистора (ещё из моей старой книжки) и поместил его в термостат. Кроме GPS стандарта и «Гиацинта» на столе появился ещё один постоянно включённый в сеть блок. Итак, вопрос стабильного шумового источника был решён.

Следующий вопрос – чем измерять уровень шума. Существует несколько описаний самодельных измерителей под названием PANFI и SPANFI. Однако мне не пришлось этим заниматься. На старости лет повезло стать пользователем анализатора R&S FSH-6. Несмотря на то, что это портативный сервисный прибор, возможности его довольно высоки. Для меня было важно, что прибор может измерять эффективную мощность шума (rms) в полосе до 1 МГц. Далее все измерения можно сбрасывать через ИК порт в компьютер и обрабатывать. Полоса 1 МГц при времени накопления 10-20 с, позволили проводить довольно достоверные измерения. Кстати, несложно прикинуть, какое время усреднения потребуется для такой же точности, если измерять шум с помощью звуковой карты с выхода трансивера. При полосе 3 кГц это примерно 3000-6000 с или 50-100 минут.

 

С этой измерительной системой я поработал некоторое время и приобрёл очень важный опыт. Многое стало более ясным. Среди нескольких предусилителей наилучшие параметры получил с усилителя, сделанного по классической схеме WA6PY с резонатором на входе.

Image

Image

 По моим оценкам 0,25 дБ. Однако, хотелось улучшить точность измерений, а главное, уйти от основного источника ошибок присущего даже дорогим приборам. Эта ошибка связана с небольшим изменением КСВ шумовой головки при включении шумового диода. Изменения невелики, но ведь бы ловим тысячные доли дБ. Изменение КСВ приводит к изменению режима работы МШУ и, соответственно, к небольшому дополнительному изменению уровня шума. В результате даже на фирменных приборах можно получить фантастические результаты, которые будут сущим обманом. Всё это хорошо изложено в статье “Noise Figure Measurement Accuracy – The Y-Factor Method”  . Самый радикальный способ – это снизить температуру нагрузки. Если делать измерения не при комнатной температуре (примерно 300К), а снизить её до 30К, то точность автоматически возрастает в 10 раз. Конечно, держать дома установку для производства жидкого гелия нереально. Однако, использовать так называемую холодную рупорную антенну, применяемую в радиоастрономии, вполне возможно. По моей просьбе Дмитрий RA3AQ разработал очень хороший вариант рупорной антенны.

Image 

Через некоторое время рупорная антенна висела на стене дома и смотрела в небо. Конечно, лучше было бы ее наклонить и направить на Полярную звезду (убрать суточные вариации шума), тем более что стена удачно ориентирована север-юг. Но, боюсь, такая пушка напугала бы всех соседей. А так получилась просто вентиляционная труба.

Image 

 К этому времени получил МШУ производства HB9BBD с измеренным коэффициентом шума 0,2 дБ. Большое спасибо Александру RW1AW, который дал мне его на время для калибровки системы. Усилитель сделан со швейцарской аккуратностью. Всё что можно покрыто серебром и золотом. Поэтому стабильность параметров во времени не вызывает сомнений.

Первые же измерения показали, что я несколько занижал свои результаты. Лучший предусилитель (с резонатором) оказался тоже на уровне 0,2 дБ.

Рупорная антенна работала отлично. Оценки показали, что шумовая температура на выходном разъёме составляет всего около 14К. Это означает, что точность измерений удалось повысить в 20 раз! Теперь сотые доли дБ в коэффициенте шума определялись с хорошей точностью и стабильностью. На рисунке показана схема антенны и соединительного тракта.

Image

На рисунке: рупорная антенна (1), коаксиально волноводный переход (2),  1.6м кабеля 7/8 дюйма (3), направленный ответвитель (4), разъем N типа (5), адаптер N/SMA (6), нагрузка 50 Ом (7), аттенюатор (8), генератор шума (9).

Элементы тракта вносят некоторые потери и увеличивают шумовую температуру. Попытаемся оценить эту добавку:

 

  • потери в самой рупорной антенне, отрезке круглого волновода и КВП (коаксиально волноводном переходе) можно оценить как 0.025дБ или 2К.
  • потери в отрезке кабеля 7/8 около 0.07дБ или 5К
  • шум направленного ответвителя с учетом его коэффициента развязки около 1К.
  • шум потерь в выходном разъеме типа N и адаптере N/SMA около 2К.

Если суммировать эти добавки и вычесть из 14К, то получается, что шумовая температура собственно антенны экстремально низка. В самых хороших условиях она ненамного превышает уровень реликтового шума (2.7К). Настолько хорошо, что в это даже трудно поверить. Это заставило меня много раз всё проверять и перепроверять. Пока ошибки я не нашёл. Если считать, что всё верно, а похоже так оно и есть, можно делать не только относительные, но и абсолютные оценки точности измерения коэффициента шума. При измерениях я могу определить только суммарную температуру антенны и предусилителя. Далее возникает задача как их разделить. В случае комнатных измерений это просто. Зная физическую температуру нагрузки, мы фактически знаем её шумовую температуру. В случае измерения с рупорной антенной сложнее.  Температуру нагрузки (антенны) можно только оценить. Рассмотрим пример. В результате измерений получаем, что суммарная температура нагрузки и усилителя 28К. Если температура антенны 14К, то температура предусилителя тоже 14К (0,2 дБ). Если температура антенны 10К, то температура предусилителя 18К (0,26 дБ). Но дело в том, что температура антенны никак не может быть 10К. Реликтовый шум плюс легко считаемые потери не позволяют этого предположить. Это даёт возможность даже без наличия эталонного МШУ сделать абсолютную оценку коэффициента шума. Если я получил 0,2 дБ, то это может быть 0,21 или, возможно, 0,23 дБ. Но никак не 0,26 дБ, как было показано выше. Впрочем, 0,23 дБ – это тоже очень неплохо. Итак, имея в наличии хороший измерительный инструмент и определённый опыт в конструировании МШУ я решил поиграть с VLNA G4DDK.

Image 

2. VLNA G4DDK


Сэм G4DDK пишет, что базой для его конструкции послужил МШУ, разработанный WD5AGO (Tommy Henderson). Томми – это один из очень известных конструкторов МШУ. Итак, если к конструкции приложили руки два таких известных специалиста, то тут наверняка можно ожидать интересные и оригинальные решения.
В прототипе второй каскад выполнен на транзисторе ATF10135, который уже давно не производится. Сэм заменил транзистор на современный  ATF54143, пересчитал и скорректировал топологию печатной платы. К сожалению описания или хорошей фотографии МШУ WD5AGO у меня нет, однако, похоже все остальное осталось без особых изменений.

Всё остальное – это простая жестяная коробочка, печатная плата на простом стеклотекстолите и входная цепь, висящая между входным разъемом и затвором транзистора, не имеющая контакта с платой. Всё то, к чему я тоже пришёл, и поэтому был крайне заинтригован ожиданием результатов эксперимента.

3. Первый результат.


Первую плату я собрал на входном транзисторе ATF 36077. Усилитель сразу заработал, но оказался склонным к СВЧ генерации. Как оказалось в последствии, без специальной поглощающей СВЧ резины, рекомендованной автором, успокоить входной транзистор крайне тяжело. Мне это удалось, введя небольшие изменения. Я отпаял сток транзистора от опорной площадки и соскоблил её с платы. Затем повернул антипаразитный резистор на ребро и подпаял сток «на весу». Тем самым уменьшил ёмкость на землю и увеличил коэффициент включения антипаразитного резистора в выходную цепь на СВЧ. Впрочем, дальнейший опыт показал, что подобный трюк помогает далеко не всегда.

Image

В общем,  усилитель понравился, но не впечатлил. Как не бился, получить результат лучше, чем 0,28 дБ не смог. Это, конечно, тоже неплохо, но не высший класс. Понравилась устойчивость усилителя на низких частотах. Дело в том, что облучатель ЕМЕ антенны – это, как правило, рупорный облучатель. Как известно, волновод имеет предельную рабочую частоту, ниже которой волна в волноводе не распространяется. На частотах ниже граничной для входного волновода рупора сопротивление на разъёме становится чисто реактивным, почти без потерь. Многие предусилители, прекрасно работающие с резистивным генератором шума, легко теряют устойчивость при подключении к реальной антенне. Так что измерение коэффициента шума с холодным рупором позволило к тому же проверять МШУ почти в реальных условиях. Это ещё одно достоинство данного метода. Далее меня что-то отвлекло. Возможно, эксперименты с модулями. Я отложил усилитель в сторонку и собирался вернуться к нему позже. Новый импульс дал обмен мнениями со Зденеком OK1DFC. Он подсказал, что от ATF 36077 большего ожидать не приходится. И посоветовал попробовать NE 32584. Я, в принципе, сам намеревался это сделать, но всё жалел транзистор, так как у меня осталось их всего две штуки. Хорошо, быстро запаял новый транзистор и результаты меня сразу поразили.

4. VLNA G4DDK на NE32584


Это уже была совсем другая песня. Очень быстро вышел на рекордные показатели около 0,2 дБ. Ещё несколько вечеров, и лучший экземпляр показал 0,18 дБ. Вот тебе и хвалёные резонаторы. И всё это при хорошем SWR по входу.

Image

 Кстати в МШУ с резонатором мне не удалось получить пристойный КСВ (SWR), впрочем, МШУ HB9BBD обладает тем же недостатком и даже в большей степени. Так называемая Т-образная схема согласования на обычных катушечках работает прекрасно. Единственно, что требуется – это один высокодобротный конденсатор. В Москве конденсатор фирмы ATC найти трудно. Однако, в фирме Элкотех есть добротные конденсаторы AVX, которые работают не хуже. С обычным конденсатором результат будет заметно хуже. Но насколько, я специально не проверял.

К сожалению  NE32584 это уже большая редкость. Правда, их довольно много в старых спутниковых головках. Маленький, белый, с буквой D на крышечке. Однако, достать его оттуда и не повредить – это большая проблема. Работать он конечно будет, но предельных параметров можно не получить. Лучший способ – это постараться  найти замену среди современных транзисторов.

5. Особенности настройки


Инструкция по настройке есть на сайте G4DDK. Да собственно, никакой настройки нет. Установить режим первого транзистора и немного скорректировать катушки. Впрочем, гнуть катушки совершенно необязательно. Если их намотать в соответствии с рисунком, то хороший результат получается сразу. Дальше можно только поломать дорогой конденсатор или сломать транзистор. Главная проблема совсем в ином. Как определить наличие и устранить СВЧ генерацию входного транзистора. Генерация бывает разного уровня и иногда почти незаметна по внешним признакам. Самый простой способ – это измерять ток, потребляемый МШУ. Цифровой мультиметр, особенно если в нём 4 цифры, позволяет видеть малейшие вариации тока. Для начала надо постараться заведомо устранить генерацию и заметить значения тока. На входе и выходе МШУ должны быть резистивные нагрузки. При наличии поглощающей резины, можно её положить поближе к транзистору, включая входные цепи. Иногда достаточно накрыть транзистор пальцем (при этом не забыть держать вторую руку на корпусе). В общем, всё это видно по току. Когда он успокоится и не будет реагировать на небольшие перемещения, то, скорее всего, всё чисто. Получаем ток, к которому надо стремиться в рабочем режиме. Конечно общий потребляемый ток МШУ дрейфует и данную операцию приходится регулярно повторять. Автор предлагает наклеить кусок поглощающего материала на крышку корпуса. В каждом наборе, который он предлагает, такой материал имеется. Сэм особо отмечает, что это единственно надёжный способ подавления СВЧ генерации. Видимо, так оно и есть. Я попробовал четыре экспериментальных образца усилителя, однако все они ведут себя немного по-разному. Только в одном и не самом лучшем удалось подавить генерацию без СВЧ поглотителя. В двух других поглотителя на крышке

Image

 не хватило (возможно, у меня не совсем тот материал) и пришлось принять дополнительные меры. Помог кусок поглотителя на печатной плате рядом с выходом транзистора. В другом случае пришлось добавить поглотитель на торцевую стенку.

Image

В любом варианте категорически недопустимо располагать поглотитель в районе входной цепи. Коэффициент шума (NF) при этом катастрофически ухудшается. Если СВЧ генерацию удалось подавить, то МШУ готов к работе. Повторяю, что корректировать входные индуктивности имеет смысл только при наличии приборов. Если всё же есть желание подстроить, то лучше трогать ту катушку, которая идёт на затвор транзистора. Если есть приборы, то полезно измерить коэффициент усиления усилителя.

6. Выводы


-  Полученные результаты настолько хороши, что пропала мотивация делать новый вариант МШУ. Надеюсь только временно.

-  Надо искать замену NE32584 среди современных транзисторов. Пока, без серьезной оптимизации под каждый тип транзистора, я получил следующие результаты:

NE32584          0.18 дБ

NE3511S02      0.21 дБ
NE3514S02      0.22 дБ
NE334S01        0.23 дБ
ATF36077        0.28 дБ


73! RW3BP  

Последнее обновление ( Понедельник, 02 Июнь 2008 )
 

У Вас недостаточно прав для добавления комментариев.
Возможно, Вам необходимо зарегистрироваться на сайте.