Антенный VHF усилитель

Простой антенный усилитель 100 - 1300 МГц с коэффициентом шума 0,6...0,8 дБ на микросхеме SPF5043Z.
Гончаренко И. В. (DL2KQ)
http://dl2kq.de/ant/3-64.htm
Постановка задачи
Малошумящий усилитель LNA (аббревиатура от англ. Low-noise amplifier) прямо на антенне при сколь-нибудь серьезной работе на VHF необходим. Затухание даже в очень хороших коаксиальных кабелях на сотнях мегагерц вполне ощутимо (не говоря уж об обычных). И неразумно еще до приемника ослаблять потерями в кабеле и без того маленькие сигналы, принятые антенной.
Разных антенных LNA существует немало. Но для самостоятельного изготовления радиолюбителем многие из них имеют следующие недостатки:

Довольно сложные схемы.
Печатная плата с высокими требованиями по точности (которую проблемно, а то и вовсе невозможно изготовить в домашних условиях).
Необходимость настройки (для чего требуются измерительные приборы, которые далеко не у всех есть).
Малый динамический диапазон по интермодуляции. Т.е. при перегрузке мешающими сигналами (например, ТВ и радиовещания, служебных передатчиков, и т.п.) LNA производит помехи на других частотах. Которые по нерушимому закону подлости попадают в принимаемый нами диапазон.
Для ослабления этого на входе приходится ставить узкополосные LC-контура. Но потери в них прямо прибавляются к коэффициенту шума LNA, ухудшая шумовые характеристики всей системы. Для снижения этих потерь контура приходится делать высокодобротными, т.е. с большими катушками. А это усугубляет и без того немалые проблемы следующего пункта.
Этот пункт относится к приемопередающей антенне. При передаче на ней будут десятки, а то и сотни ватт. Понятно, что на передаче LNA отключен. Но ведь речь идет о VHF. И даже малая конструктивная емкость хороших реле на VHF имеет не очень высокий импеданс, снижая развязку.
Большинство транзисторных LNA имеют допустимую входную мощность всего 1 мВт (0 dBm). И при заметном ее превышении горят, даже будучи отключенными от питания. Поэтому для коммутации приём-передача с такими LNA одного, даже очень хорошего, реле на входе как правило недостаточно. Приходится применять более сложные системы коммутации, с дополнительным реле, замыкающим вход LNA.
Если на входе LNA имеются катушки заметных размеров (фильтр или согласование), то ситуация усугубляется. Антенна ведь на передаче излучает. А катушка принимает наводку (контур на входе настроен на рабочую частоту, поэтому его катушка принимает довольно эффективно), которая может быть довольно большой, невзирая на замыкание входа. Поэтому такой LNA приходится хорошо экранировать от собственной антенны. Что тоже не упрощает конструктив.

Принципиальная схема LNA на микросхеме SPF5043Z, лишенного вышеперечисленных недостатков, показана на рис. 1.

Его основа - недорогая (около 3$), но очень удобная микросхема SPF5043Z. Она имеет согласованный вход и выход в широкой полосе, низкий коэффициент шума, большой динамический диапазон и высокую перегрузочную способность по входу.
Параметры
LNA рис.1 при описанном ниже конструктивном исполнении имеет следующие измеренные параметры в любительских УКВ диапазонах:

Усиление: 22,8 дБ на 144 МГц, 20,5 дБ на 432 МГц, 12,1 дБ на 1296 МГц.
Коэффициент шума: 0,6 дБ на 144 МГц , 0,65 дБ на 432 МГц, 0,8 дБ на 1296 МГц .
КСВ по входу: 1,7 на 144 МГц, 1,3 на 432 МГц,1,4 на 1296 МГц. Это без всяких цепей согласования входа.
Точка IP3: выше 26 dBm во всех вышеперечисленных диапазонах (сравните, у большинства транзисторных LNA этот параметр около 0 dBm).
Мощность на входе: поданные на вход 200 мВт (23 dBm) не привели к повреждению усилителя во всех диапазонах (в мануале написано, что он выдерживает до 25 dBm, но выходить на предел мне не захотелось).
Ток потребления 25 mA.
Конструкция
Усилитель собран на плате, вырезанной обычным резаком. Используется двусторонний фольгированный стеклотекстолит толщиной 1 мм, на нижней стороне фольга сохранена полностью и используется в качестве земли, на верхней процарапаны дорожки, как показано на рис. 2.

Габариты платы оцените сами, исходя из того, что габариты корпуса микросхемы 1,2 х 2 мм (не считая выводов). Это, конечно, маленькие размеры, но SPF5043Z еще вполне можно паять тонким жалом обычного паяльника, не используя специальную паяльную станцию с феном.
Пассивные элементы платы типоразмера 0603. Красными точками на рисунке 2 показаны места перемычек, соединяющих шины земли верхней и нижней стороны платы. Их количество выбирается по принципу "кашу маслом не испортишь" - эти перемычки обеспечивают низкоимпедансную VHF землю и устойчивость усилителя к внешним полям.
Последняя при данном конструктиве такова, что LNA не нуждается в отдельном экранированном корпусе.
Вход усилителя распаивается сразу на антенну (если она приемная) или на реле коммутации RX-TX (если приемопередающая). Для защиты от статики и гроз очень желательно, чтобы антенна была бы замкнута по постоянному току и\или заземлена (петлевой или рамочный вибратор и т.п.).
Настройка
Не требуется. Совсем. Даже не представляю, что можно такого сделать, чтобы этот усилитель в описанном конструктиве работал бы неправильно.
Единственное, если для питания используется другое напряжение, чем указано на рис. 1, то измените соответственно R1 (на самом усилителе должно быть 3 В, это оптимум по шумам, при этом он потребляет около 25 мА. При повышении питания на усилителе до 5 В немного возрастает коэффициент шума, но растет динамический диапазон и ток потребления).
Измерения
На рис. 3 приведена частотная зависимость усиления. Чтобы не перегрузить вход анализатора, на выходе усилителя был включен аттенюатор 20 дБ, т.е. усиление выше графика рис. 3 на 20 дБ.

На рис. 4 приведена зависимость KCB входа усилителя от частоты.

Согласование в широкой полосе достаточно хорошее. Чтобы разобраться как его улучшить, обратимся к рис. 5, на котором показана зависимость комплексного входного импеданса от частоты.

Из графика рис.5 следует, что если LNA используется как однодиапазонный, то на 144 МГц для лучшего согласования достаточно включить дроссель 30 нГн последовательно со входом. При этом достигается КСВ < 1,1. В этом случае полоса согласования по уровню КСВ < 1,2 составляет 125 - 165 МГц, что позволяет обойтись без подстройки согласующего дросселя.
В диапазоне 1296 МГц достаточно уменьшить емкость С1 до 9,1 пФ. Подстройка также не требуется.

У этой же фирмы существует микросхема с еще лучшими параметрами SPF5122Z. Она имеет на 0,2 ...0,3 дБ меньший коэффициент шума, на 2...4 дБ выше усиление и на столько же выше перегрузочную способность. Схема включения та же самая, что и на рис. 1.
Но, как обычно, есть нюансы.
Во-первых, SPF5122Z размещена в безвыводном корпусе (квадратик 2 х 2 мм с точеными выводами снизу). А это требует точной разводки печатной платы (с резаком тут никуда) и паяльной станции с феном с точной регулировкой температуры воздуха (чтобы при пайке микросхему только припаять, а не сжечь, ведь греть припой приходится через корпус микросхемы). Что, в любительских условиях сложно.
Во-вторых, SPF5122Z потребляет в два с лишним раза больше тока, чем SPF5043Z (58 мА против 25 мА при питании 3 В). Это приводит к тому, что корпус SPF5122Z заметно греется (помимо двойной разницы в потреблении, у SPF5034Z широкие ленточные выводы лучше выносят тепло из кристалла). И если не принять специальные меры по охлаждению, за счет роста температуры ухудшается коэффициент шума (т.е. основной выигрыш SPF5122Z).

Конструкция R2GKH
     Вот схема моего МШУ. Срисована с рабочего экземпляра. За основу взята статья DL2KQ: "Антенный VHF усилитель". За что ему отдельная благодарность. Реально замеренное значение Кш получилось лучше 1дБ. Недорогой и "легкоповторимый". Конечно не "лунный", но для "тропо" и "метеоров" самое оно.
     Динамический диапазон позволил работать в соревнованиях"Полевой день" на удалении всего 900 метров от городского ТВ- и Радио-ретнаслятора!
     И чертеж печатки, с указанием расположения элементов.
     Элементы 7805, РЭС-49 и светодиод расположены на обратной стороне. Синим на платке выделены точки для зенкования с обратной стороны. Остальные отверстия просто просверливаются и пропаиваются перемычками с обеих сторон платы. Как показала практика, это критично для всех МШУ на SPF-5xxx. ВЧ- разъемы - SMA. Стабилизатор питания 7805 смонтирован на некотором расстоянии от платы, что-бы рассеиваемое им тепло не передавалось на ММIC.
     O настройке: Режим по постоянному току здается резистором R1. Его номинал выбирается из расчета тока (20...40 мА) через SPF. Больше ток - больше динамики, но хуже шумовые параметры. ВЧ-часть настраивается только входной цепью - катушкой L1 Как мне подсказывал Александр RW3AZ: нужно добиться, что бы при подключении эквивалента ко входу шум на выходе трансивера реально увеличивался на слух. "Резонанс" (КСВ=1 :) ) по входу получается где-то в районе 135...138МГц. Сильно размазанный.
    Если вместо L1 поставить перемычку, то получится неплохой МШУ на 70см. А если поставить конденсатор 9,1 пФ, то на 1296.
    Несколько фотогрвфий: