Трансвертер 432 МГц для SDR
Paul Wade W1GHZ ©2019, w1ghz@arrl.net
Я некоторое время думал о трансвертере 432 МГц, чтобы использовать программно-определяемое радио, например Flex-1500, с микроволновыми трансвертерами с 432 МГц ПЧ. Недавно я построил один из aнглийских 2-метровых трансвертеров G4DDK, и мне понравилось, как он использовал готовые детали для создания фильтров, а не спиральные фильтры, которые может быть трудно найти. Поскольку печатные гребенчатые фильтры на печатной плате хорошо работали около 200 МГц в локальных генераторах для моих простых микроволновых трансвертеров, я подумал, что гребенчатые фильтры можно уменьшить до 432 МГц и сделать их достаточно маленькими, чтобы поместиться в трансвертер.Затем, в начале январского конкурса VHF Sweepstakes, я обнаружил, что мой трансивер 432 МГц снова вышел из строя. Я быстро заменил свой IC-706, который работал, но, возможно, был худшим CW-устройством из всех — сигнал выскакивает прямо из полосы пропускания при переключении режимов. Найти слабый сигнал снова может быть сложно. SDR устранит эту проблему. Пришло время для трансвертера, чтобы заменить трансивер.
Трансвертер, способный работать в соревнованиях, требует большей производительности, чем простой микроволновый трансвертер. Используя классический инженерный подход, я рассмотрел трансвертер G4DDK Anglian 144 МГц в поисках идей для кражи. Затем я доработал конструкцию гребенчатого фильтра до разумного размера и скорректировал ее для использования чип-конденсаторов 18 пФ, значение, которое я чаще всего использую в других трансвертерах. Мне удалось разместить три фильтра, один общий после смесителя и по одному в трактах передачи и приема, на печатной плате, что позволило получить разумную стоимость прототипа. Гетеродин не находится на плате трансвертера — я узнал ценность и гибкость модульного подхода.
Описание схемы
На стороне ПЧ смесителя находится схема диплексера 28 МГц, заимствованная из G4DDK, которая обеспечивает импеданс 50 Ом для смесителя на всех частотах — считается, что это помогает улучшить характеристики интермодуляции. На стороне ВЧ смесителя находится один из печатных гребенчатых фильтров 432 МГц, за которым следует разветвитель мощности Minicircuits для разделения приемного и передающего трактов. Тракт передачи имеет две MMIC, драйвер и усилитель мощности, с печатным гребенчатым фильтром между ними. Рик, KK7B, предполагает, что затухание фильтра между двумя MMIC с высоким коэффициентом усиления помогает поддерживать стабильность и хорошее поведение схемы. Аналогично, тракт приема начинается с малошумящего входного каскада MMIC, за которым следует гребенчатый фильтр и еще один каскад усиления.
Рисунок 1 — Принципиальная схема трансвертера 432 МГцВысокопроизводительные MMIC, которые я выбрал, имеют усиление 15 или 20 дБ каждый. Смеситель имеет потери, возможно, 7 дБ, разветвитель мощности — от 3 до 4 дБ, и каждый гребенчатый фильтр имеет потери от 3 до 4 дБ. При различных комбинациях MMIC суммирование дает около 17–23 дБ чистого усиления на передаче и приеме, что примерно соответствует моим измерениям.
В зависимости от выбора компонентов этот трансвертер может быть построен для высокой производительности, с высокоуровневым микшером для лучшего IP3, для довольно хорошей производительности или просто дешево, используя любые старые MMIC из призов на конференц-двери. Типы MMIC, показанные на схеме, являются моим выбором, сверху вниз, для каждого каскада. Значения компонентов не критичны, за исключением конденсаторов, настраивающих гребенчатые фильтры.
В моем первом прототипе, на рисунке 2, используется стандартный микшер уровня (+7 дБм), чтобы избежать осложнений, и нет усилителя гетеродина — в качестве перемычки используется резистор с нулевым сопротивлением. Производительность довольно хорошая, с выходной мощностью >100 милливатт и коэффициентом шума менее 1 дБ. Первоначальный тест показал, что фильтры не совсем на частоте, как ожидалось (см. ниже), но он все равно работал.
Допуск компонентов
Рисунок 2 – Прототип трансвертера 432 МГцПеред тем, как собрать трансвертер, я разрезал печатную плату, чтобы проверить фильтр. С чип-конденсаторами 18 пФ центральная частота была немного ниже, а 432 МГц на несколько дБ ниже. Для проверки я заменил их на 18 пФ конденсаторы другого производителя – теперь центральная частота была немного выше.
Ага! В то время как прецизионные чип-резисторы сегодня подгоняются лазером до точного значения, чип-конденсаторы производятся оптом, а прецизионные значения выбираются в ходе испытаний – допуск 5% – это то, что остается, поэтому емкость либо немного выше, либо немного ниже, но никогда не точно. Digikey и Mouser предлагают допуск 1% примерно в десять раз дороже, но в целом все равно намного дешевле, чем спиральные фильтры.
В ожидании поставки 1% конденсаторов я собрал первый прототип и обнаружил такое же расхождение частоты. Конденсаторы 1% устанавливают фильтры правильно по частоте, как показано на рисунке 3, а также корректируют фильтры прототипной платы.
С 1% конденсаторами полоса пропускания гребенчатых фильтров составляет около 428–440 МГц – 432 МГц должны быть в пределах любого остаточного отклонения допуска. Обычная частота гетеродина, 404 МГц, примерно на 25 дБ ниже. Поскольку путь сигнала проходит через два фильтра, подавление будет еще лучше. Вносимые потери составляют менее 3 дБ и лучше с 1% конденсаторами, а обратные потери также лучше. Улучшенная производительность, вероятно, объясняется тем, что все три конденсатора в фильтре имеют близкие к равным значениям емкости.
Рисунок 3. Распечатанные измерения гребенчатого фильтра, показывающие допуски компонентов.Более высокая производительность
Второй прототип, рисунок 4, имеет высокоуровневый (+17 дБм) смеситель, Minicircuits ADE-1H, который требует большего уровня гетеродина, номинально +17 дБм. В этом устройстве нет усилителя гетеродина, только резистор с нулевым сопротивлением в качестве перемычки, поэтому я мог лучше контролировать уровень возбуждения гетеродина с помощью генератора сигналов. Производительность очень хорошая, с коэффициентом шума менее 1 дБ и выходной мощностью около +21 дБм при компрессии в один дБ.
После этого обнадеживающего результата были собраны еще две платы с высокоуровневыми смесителями и усилителями гетеродина. Производительность передачи была хорошей, но результаты приема были странными — коэффициент шума менялся с уровнем возбуждения гетеродина примерно от 1 дБ до 4 дБ и снова снижался по мере увеличения возбуждения.
Чтобы выяснить, что происходит, я вернулся ко второму прототипу и использовал внешние усилители гетеродина — мои простые платы усилителя MMIC PC с различными MMIC. Я обнаружил похожие странные результаты с внешними усилителями гетеродина, поэтому я заподозрил некоторое взаимодействие между MMIC и смесителем. Поскольку некоторые MMIC могут выдавать более +20 дБм, больше, чем требуется, я добавил аттенюатор на 3 дБ между усилителем и смесителем. Это решило проблему с некоторыми MMIC: PHA-1, PHA-1H, PSA4-5043 и MGA-30489. GVA-84 все еще давал странные результаты, а MGA-30689, который G4DDK использует в своем трансвертере Anglian, повысил коэффициент шума примерно на ? дБ на всех уровнях возбуждения. Я убедился, что хорошие MMIC все еще отлично работают с аттенюатором 2 дБ. Устройство на рисунке 4 включает усилитель гетеродина, за которым следует аттенюатор.
Я не предусмотрел аттенюатор на печатной плате прототипа, поэтому потребовалось немного поработать ножом X-Acto, чтобы установить три резистора – некоторые удобные значения давали затухание примерно 2,5 дБ. Я использовал PHA-1 для усилителя LO на одной плате и PSA4-5043 на другой – любой из них обеспечит адекватную мощность с аттенюатором. С этими изменениями оба трансвертера имеют коэффициент шума менее 1 дБ с широким диапазоном входного сигнала LO. Более высокие уровни мощности LO необходимы для более высокой производительности IP3.
Рисунок 4 – Трансвертер с усилителем LO, аттенюатором и высокоуровневым микшеромСистема трансвертера
Рисунок 5. Прототип трансвертера 432 МГц в жестяной коробкеПлата трансвертера является сердцем системы, но она не готова к выходу в эфир. Также необходимы локальный генератор и схема управления для переключения между передачей и приемом. Если трансвертер должен работать на частоте 432 МГц, а не управлять микроволновым трансвертером, то также понадобится усилитель мощности.
Локальный генератор
Самое важное — это чистый и стабильный локальный генератор, желательно с низким фазовым шумом. У меня есть автономная цепь генератора 404 МГц, которую я построил много лет назад, с выходом около +5 дБм. Этого достаточно для стандартного микшера, поэтому я упаковал плату прототипа в жестяную коробку, показанную на рисунке 5. Она показана подключенной только для приема, для мониторинга маяков и использования с измерителем коэффициента шума. Я следил за маяком около Монреаля, и частота колеблется примерно на 2 кГц – не думаю, что все это в маяке.
Для очень стабильного гетеродина есть несколько вариантов: OCXO, синтезатор или VCXO. В какой-то момент я приобрел коммерческий генератор с маркировкой 101,136354 МГц. Умноженный на 404 МГц, он преобразовал бы 432,000 МГц примерно в 27,5 МГц – не проблема для SDR, так как программное обеспечение можно настроить на компенсацию смещения и считывать 432,000. Для множителей простая плата удвоителя, как на рисунке 6, должна работать нормально (http://www.w1ghz.org/small_proj/Simple_Frequency_Doublers.pdf).
Синтезатор может быть как стабильным, так и точным, особенно если он привязан к GPS, и может быть компактным. Фазовый шум немного выше, чем у кварцевых генераторов, что может быть проблемой в среде с сильным сигналом — взаимное смешивание может увеличить уровень шума и замаскировать слабые сигналы. Сильные сигналы вне полосы можно уменьшить с помощью хорошего фильтра, но сигналы внутри полосы могут быть сложными для контеста в некоторых местах. Я экспериментировал с новым синтезатором «digiLO» от Q5signal.com, показанным на рисунке 7. Он отлично помещается в банку Altoids. DigiLO также можно заблокировать на опорной частоте 10 МГц для стабильного и точного управления частотой.
Рисунок 6. Простой удвоитель частоты с использованием детали MinicircuitsVCXO может обеспечить стабильность, точность и низкий фазовый шум, поэтому он кажется идеальным выбором. Несколько лет назад я описал плату VCXO, которая работает с коммерческими генераторами VCXO на нескольких частотах для привязки генератора к опорному сигналу 10 МГц, например, GPS. Для этого трансвертера очевидным выбором является VCXO 200 МГц на рисунке 8, за которым следует удвоитель на рисунке 6. Результирующая ПЧ-частота составляет 32 МГц, что вполне соответствует диапазону SDR.
Рисунок 7 – синтезатор digiLO от Q5 SignalНаличие нечетной частоты ПЧ может быть преимуществом, если SDR используется с несколькими трансвертерами – если у каждого своя частота ПЧ, сигналы на разных диапазонах не просачиваются и не отображаются как ложные сигналы. Например, VCXO 200 МГц можно использовать в качестве гетеродина для 222 и 432 МГц, с одной ПЧ на 22 МГц и другой на 32 МГц, которые легко разделить с помощью простого диплексера. Другим примером может быть VCXO 100 МГц, обеспечивающий гетеродин для 144, 222 и 432 МГц, с широко разнесенными частотами ПЧ 44, 22 и 32 МГц соответственно.
Рисунок 8 – VCXO 200 МГц (( http://www.w1ghz.org/small_proj/VCXO_for_Microwave_LO_update2.pdf)Усилители мощности
Самый простой способ получения значительной мощности — модуль Mitsubishi. Традиционный уровень мощности для трансвертера составляет 25 Вт, его легко обеспечивает Mitsubishi RA30H4047M1. Для серьезной станции, ищущей QRO, этот уровень мощности проблематичен — недостаточно для работы лампового усилителя, но гораздо больше, чем необходимо для работы современного твердотельного усилителя LDMOS. Поскольку твердотельные усилители легко повреждаются при перегрузке, избыточная мощность — не очень хорошая идея.
Лучшим выбором является модуль Mitsubishi мощностью 7 Вт, например RA07H4047M. Это достаточная мощность для твердотельного усилителя, и требуется меньший ток и радиатор. Мне удалось установить небольшую печатную плату для этих модулей на чертеже трансвертера, показанном на рисунке 9, поэтому я мог попробовать один.
Модулю усилителя нужен фильтр нижних частот для удаления гармоник с выхода. Используя бесплатное программное обеспечение, я разработал тот, который обеспечивает желаемую производительность, но значения индуктивности, показанные на схеме на рисунке 10, довольно малы.
Рисунок 9 – Усилитель мощности на плате ПК с фильтром нижних частотЯ предположил, что небольшая 3-витковая катушка индуктивности может быть в пределах нормы для малых индуктивностей. Я намотал одну на Q-образную палочку и припаял ее к куску печатной платы параллельно с чип-конденсатором емкостью 18 пФ, чтобы сформировать резонансный контур, и добавил разъем SMA. Резонансная частота была измерена с помощью антенного анализатора
Рисунок 10 – Принципиальная схема фильтра нижних частот 432 МГцИндуктивность и конденсатор образуют параллельный резонансный контур, который имеет высокое сопротивление на резонансной частоте и более низкое сопротивление на других частотах. На рисунке 11 показан график импеданса Z на антенном анализаторе с маркером на резонансной частоте 226 МГц.
Рисунок 11. Измерение резонансной частоты L-C-контура с помощью антенного анализатора для определения индуктивностиРасчет резонансной частоты
Переворачивая это, получаем индуктивность
Индуктивность для резонанса с 18 пФ на частоте 226 МГц составляет 28 нГн, что близко к желаемому значению для центрального индуктора — индуктивность можно немного отрегулировать, сжимая витки вместе или растягивая их в стороны.
Удаление одного витка и повторная пайка изменили резонансную частоту до 289 МГц, что соответствует индуктивности 17 нГн, что находится в пределах нормы для меньших значений.
Я собрал фильтр нижних частот с рисунка 10 на печатной плате усилителя без модуля усилителя, используя временные разъемы SMA, чтобы измерить КСВН, который модуль усилителя увидит с 50-омной нагрузкой на выходе фильтра. Фильтр нижних частот должен действовать как линия передачи ниже частоты среза, но иметь высокий КСВН на частотах выше частоты среза, так что эти частоты отражаются, а не проходят через фильтр.
График КСВ на рисунке 12 для фильтра нижних частот с 50-омной нагрузкой на выходе фильтра показывает низкий КСВ, как у линии передачи, ниже 432 МГц, и очень высокий КСВ выше 432 МГц, . Обратите внимание, что я спроектировал фильтр для оптимальной производительности на рабочей частоте за счет немного более высокого КСВ на более низких частотах — очень хороший фильтр на 432 МГц, а не хороший фильтр нижних частот. Кроме того, для каждого конденсатора емкостью 10 пФ я использовал два чип-конденсатора емкостью 5 пФ параллельно для меньших потерь.
Должен признать, что график на рисунке 12 был не первой попыткой. Первый, с индукторами с рисунка 11, был немного выше по частоте даже после сжатия индукторов — я не учел паразитную емкость печатной платы. Намотка новых индукторов с немного большим диаметром дала результат.
Готовый усилитель был закреплен на литом алюминиевом корпусе и запущен. Он легко выдал 7 Вт выходной мощности при входном сигнале +13 дБм, максимально доступном для моего генератора сигналов. Тест на нажатие клавиши в течение 72 часов на этом уровне показал стабильную выходную мощность с разумным повышением температуры.
Рисунок 12 – Измерение КСВ ФНЧ с 50-омной нагрузкой с помощью антенного анализатораУправление
Схема управления обнаруживает сигнал PTT от SDR и переключает трансвертер с передачи на прием. Это может быть простое реле для переключения напряжений или сложный секвенсор, который управляет всей станцией или, по крайней мере, этим диапазоном. В любой станции, кроме простой QRP, требуется какой-то секвенсор.
Я решил использовать свой Умный условный секвенсор, устойчивый к ошибкам, который использует недорогой модуль Arduino для обеспечения интеллекта. Его можно запрограммировать любым удобным для вас способом, как секвенсор или как часть автоматизации станции. Одним из возможных дополнений является загрузка Arduino нужной частоты в синтезатор при включении питания.
Если выход трансвертера ПЧ имеет низкую мощность, как порт трансвертера на SDR, то переключение упрощается — ПЧ можно напрямую подключить к микшеру. Мой интеллектуальный секвенсор имеет переключатель PIN-диода для снижения мощности ПЧ. Поскольку для SDR это не нужно, я сделал меньшую плату для ПК без переключателя PIN-диода, оставив только Arduino для управления, с драйверными транзисторами, необходимыми для переключения напряжений, и коаксиальным реле. Эта версия показана на рисунке 9.
Полный трансвертер
Рисунок 13 – Умный условный секвенсор, устойчивый к дуракам, с Arduino
http://www.w1ghz.org/seq/Smart_Fool-resistant_Conditional_Sequencer.pdfПлаты трансвертера были собраны в старом корпусе трансвертера Microwave Modules. Некоторые детали стоили того, чтобы их спасти, но в литом корпусе были удобно просверлены отверстия для разъемов BNC. Плата трансвертера находится справа на рисунке 14, секвенсор слева, а усилитель мощности на левой стенке. Синтезатор гетеродина в банке Altoids устанавливается над платой трансвертера, как показано на рисунке 15. При окончательной сборке он будет прикручен к крышке. Коаксиальные кабели недорогие на eBay, с большим выбором разъемов.
Первым делом был протестирован секвенсор – использование Arduino упрощает его, задавая большие задержки в программном обеспечении, чтобы последовательность можно было отслеживать на глаз. Затем я провел два дня, гоняясь за обратным идиотским диодом (D8 на фото), который сжег другие компоненты и сработал ограничение тока на источнике питания.
Рисунок 14 – Трансвертер, собранный в литом корпусе перед добавлением локального генератораПосле того, как диод был вырезан, а переключающий полевой транзистор заменен в третий раз, все заработало, и я смог проверить передачу и прием. Затем программное обеспечение Arduino было обновлено до рабочей версии.
Чувствительность приема была хорошей, но усиление передачи казалось высоким – для 7 Вт выходной мощности требовалось всего -11 дБм ПЧ. Этот высокий коэффициент усиления также усиливал утечку гетеродина, поэтому гетеродин был всего на 20 дБ ниже.
Рисунок 15 – Полный трансвертер в коробке с гетеродином в жестяной банке Altoids, который крепится к крышкеНеобходимо было некоторое затухание между трансвертером и усилителем мощности. Я быстро прорезал ножом X-Acto входную линию на плате усилителя и добавил затухание примерно на 10 дБ с помощью чип-резисторов – аттенюатора с последовательностью 75 Ом и шунтом 91 Ом. Как и ожидалось, это уменьшило утечку гетеродина на 10 дБ и потребовало на 10 дБ больше ПЧ.
Эфирный тест подтвердил, что трансвертер работает. Сравнение маяков показывает, что он очень хорошо слышит. Пару часов нажатия клавиш сделали коробку теплой на ощупь.
Измерения
Анализатор спектра дает некоторые реальные цифры, выходящие за рамки «звучит хорошо». Все гармоники подавлены более чем на 70 дБ, поэтому фильтр нижних частот действительно работает. Утечка гетеродина составляет около -37 дБ, поэтому необходима фильтрация перед усилителем. А двухтональный тест на полной мощности показывает продукты третьего порядка на уровне -27 дБ и пятого порядка на уровне -41 дБ. Уровень мощности может быть снижен для управления усилителем LDMOS, что должно улучшить характеристики IMD.
Более высокая мощность
Одной из целей был трансвертер, подходящий для управления усилителем LDMOS. Тот, что на рисунке 16, кажется идеальным выбором, способным выдавать до 400 Вт по разумной цене. Требуется несколько небольших модификаций. У W1FKF есть один такой. Очевидно, это мой следующий проект, чтобы меня услышали.
Резюме
Рисунок 16 – Усилитель LDMOS, найденный на eBayТрансвертер 432 хорошо работает с SDR, предоставляя все преимущества SDR для поиска слабых сигналов. Он хорошо слышит, должен иметь высокий динамический диапазон и вырабатывает достаточно мощности для питания усилителя LDMOS. С опорной частотой 10 МГц для точности и стабильности это может быть серьезной системой.
Трансвертер также может работать с другими трансиверами IF. Для более мощных IF-установок можно использовать версию секвенсора с переключателем на PIN-диоде – он также может разделять передачу и прием, если это необходимо.
Печатные платы доступны для трансвертера, модуля PA и секвенсора.
Примечания
1. Sam Jewell, G4DDK, “A high performance 144MHz transverter and PA – The Anglian,” DUBUS, III/2014, p. 62.
2. Paul Wade, W1GHZ, “Antenna Analyzer Pet Tricks,” QEX, January/February 2019.
3. Paul Wade, W1GHZ, “A Smart Fool-resistant Conditional Sequencer,” Proceedings of the 44th Eastern VHF/UHF Conference, 2018.
4. Don Twombly, W1FKF, “How to Modify E-Bay Amplifier for 432 SSB – 400 Watts PEP,” Proceedings of the 44th Eastern VHF/UHF Conference, 2018.
Материал перевел и подготовил - RA3TOX
[ На главную ] [ В раздел ]
