LNA (Low Noise Amplifier) ad alta dinamica con ATF
54143 per 144-432-1296 MHz
Onorio
Cenni I4CIV, email: i4civ.onorio@gmail.com
Introduzione
Come noto, nelle comunicazioni radioamatoriali
realizzate in VHF e frequenze superiori via troposcatter o per riflessione EME
attraverso lo spazio, le performance del sistema ricevente, se
ottimizzate, diventano determinanti per il successo di collegamenti altrimenti
impossibili. Questi contatti “estremi” richiedono che il rapporto
“Segnale/Rumore” (S/N) sia il più basso possibile. Essendo, questo rapporto, direttamente
legato alla cifra di rumore è possibile migliorarlo realizzando preamplificatori a basso rumore, chiamanti
anche LNA, da poter inserire sullo stadio di ingresso dei ricevitori.
Dagli inizi degli anni settanta
ad oggi ho realizzato diversi LNA col fine di ricercare una bassa cifra di
rumore, un discreto guadagno ed un’ alta dinamica.
Il mio primo preamplificatore fu realizzato
con il Mosfet 40673 della RCA, che collegai al front-end dei “telaietti della
Philips” modificati per la banda dei 2m.
Per ridurre le perdite di
ingresso ai minimi termini ed avere un elevato “Q” era importante usare linee risonanti
in rame argentato da abbinare a dei costosi condensatori variabili in
porcellana con filettatura micrometrica montati, in aria, all’interno di contenitori
di ottone argentato poiché ogni perdita, espressa in dB, si traduceva in un pari
aumento anch’esso in dB della cifra di rumore.
In queste realizzazioni come non ricordare il Mosfet BF988 o il noto FET a
singolo gate U310.
Poi, con l’avvento dei primi GaAsFET
che montai su circuiti stampati e componenti in tecnologia in SMD, le cifre di
rumore si attestarono su frazioni di dB e i guadagni superiori ai 20 dB. L’MGF
1302 essendo stato progettato per una bassa corrente, circa 10 mA per la
migliore NF, presentava però il punto di compressione e la IP3 ( 3rd Order
Input Intercept Point ) inferiore a quelle dei vecchi FET.
Impiegando invece GaAsFET di
potenza, per esempio l’MGF 1801 che si potevano alimentare con una maggior
corrente di drain, si otteneva una buona NF associata ad una elevata IP3.
Interessanti sono state le esperienze
eseguite sul circuito sviluppato dal dottor David Norton mediante l’impiego di
trasformatori a reazione negativa e moderni transistor bipolari che venivano fatti
lavorare con correnti elevate. Tale progetto era in grado di fornire una
elevata IP3 tale da soddisfare le esigenze di immunità alla
compressione ed al bloccaggio dei forti segnali. Va comunque evidenziato che
con i transistor disponibili all’epoca la cifra di rumore non poteva mai scendere
sotto la soglia del decibel.
Oggi, grazie soprattutto allo
sviluppo della telefonia cellulare e della tecnologia wireless, sono reperibili
sul mercato ed basso costo componenti attivi in versione SMD le cui
caratteristiche sono molto valide per la realizzazione di LNA nelle bande
V-U-SHF. Allo stato attuale dell’arte componenti attivi della famiglia degli E-Phemt
o dei MMIC, hanno finalmente tutti i
requisiti per la realizzazione di ottimi LNA. Da questi dispositivi si possono ottenere
contemporaneamente e per un ampio range di frequenze, una bassa cifra di rumore,
un alta dinamica, un buon livello di amplificazione oltre ad ottimo return loss
in ingresso che in uscita.
In Internet si possono facilmente
reperire diverse realizzazioni di LNA, le quali sono state progettate da esperti
tecnici OM. Si tratta di progetti molto validi, facilmente ripetibili che permettono
di semplificare notevolmente la loro costruzione.
Poiché recentemente anch’io mi
sono affidato a questi progetti, nel seguito riporto alcune note sintetiche in
merito ai risultati ottenuti, alle problematiche riscontrate nonché alle soluzioni
adottate.
Tali note non hanno la pretesa di
trattare l’argomento in maniera esaustiva, ma solamente di sfiorarlo con la
speranza di poter suscitare ad alcuni la voglia di prendere il saldatore in
mano ed a cimentarsi con soddisfazione alla costruzione di questi LNA, che
consentono di ottenere con un livello medio di difficoltà, ed a costi
estremamente contenuti, elevate performance.
Altre informazioni sono state desunte
da “Application Note 1299 della Avago datasheet” (1), in modo che uno dei
E-Phemt prodotto dalla stessa Avago, l’ATF 54143, possa fornire le migliori
performance nella realizzazione di LNA per le frequenze dei 144 – 432 – 1296
MHz.
Questo E- Phempt è molto
interessante poichè non necessita, al contrario dei FET tradizionali, di bias
di gate negativo separato ma solamente di una tensione positiva di circa 0,6 V
fra il gate ed il source per una corrente nominale di drain
Le caratteristiche ed il package
dell’ATF 54143 sono indicate nella sottostante tabella 1.
Tabella 1
Preamplificatore per
i 144 MHz
Questo preamplificatore (foto 1) è
in uso nella mia stazione già da alcuni anni con ottimi risultati. Il circuito
può essere anche realizzato in “aria” ma ritengo possa essere un’impresa
avventurosa con risultati non certi, pertanto consiglio di acquistare il
circuito stampato e di eseguirne il montaggio come da indicazioni fornite
Foto 1 – L’LNA per i 144 MHz inserito nel contenitore Teko mod. 392
Il progetto realizzato da Peter
Hoefslott PA3BIY, è stato descritto su Dubus Informationen n.1/2002 (2) e
ripreso con un articolo su RR n. 2/2007 da Michele Senestro I1TEX (3).
Mi risulta che L’LNA sia utilizzato
da tantissimi DX-ers che operano sulla frequenza dei 144 MHz, sia via EME che
via Tropo in quanto se ben realizzato risulta caratterizzato da un Input Return
Loss = 12 dB, da un Output Return Loss =
25 dB, e da un 3rd Order Input Intercept Point = + 4 dBm.)
PA3BIY è un ottimo DX-ers e detiene
attualmente il terzo posto assoluto nella classifica della Toplist dei 144 MHz.
Ho chiesto a Peter via E-Mail di
inviarmi il circuito stampato ed il E-Phemt, non fornisce il Kit completo, ed egli
senza nemmeno attendere di ricevere l’importo dovuto, ha provveduto a spedirmi quanto
richiesto. La busta imbottita mi è pervenuta in meno di una settimana e conteneva
oltre al PCB ed il E-Pempt anche le note per un corretto montaggio. Peter,
inoltre, mi regalava un doppio diodo Pin in antiparallelo inserito in un unico
case, il HSMP-3822 con il consiglio di collegarlo fra il centrale del
connettore di antenna e la massa a protezione delle scariche statiche. Mi rassicurava
inoltre che la sua inserzione non avrebbe peggiorato in alcun modo la
NF e tantomeno la dinamica.
Lo stampato, a doppia faccia con
fori metallizzati, è realizzato in maniera professionale e riporta con
serigrafia tutte le diciture e le posizioni dei vari componenti. Il montaggio e
le saldature sono semplificate con l’impiego di componenti in tecnologia in SMD
della serie 1206 che hanno dimensioni “più maneggiabili” rispetto alla serie
0806. (foto 2)
Foto 2 – LNA per i 144MHz, sulla destra è visibile la bobina del circuito di ingresso.
Schema elettrico
Lo schema elettrico dell’LNA è indicato in fig. 2 e come si
vede è il risultato una accurata progettazione
Figura 2 - schema elettrico
Per ottenere le massime
prestazioni occorre usare, nel circuito di adattamento di ingresso, dei condensatori
a chip in porcellana ad alto Q tipo ATC 100 B ed un buon condensatore di
sintonia con filettatura micrometrica tipo Johanson oltre ad una bobina in rame
argentato da realizzare con filo del diametro di 2 mm ed avvolta su di un
supporto di 10 mm
di diametro.
Il circuito così realizzato
permette di ottenere un buon compromesso fra selettività e perdite. PA3BIY ha inoltre curato la controreazione, utile per il
buon funzionamento dell’LNA, verificando tramite un adeguato programma di
simulazione, il giusto valore di induttanza da inserire in serie ai terminali
di soure del E-Phemt.
Si nota che a monte del circuito
d’ingresso ed in serie al gate è stata inserita un rete L-R-C per rendere più stabile
lo stadio amplificatore. La polarizzazione positiva del gate è ottenuta con un
circuito attivo mediante l’impiego un transistor PNP che alimentato con la
stessa tensione disponibile sul drain permette di mantenere la corrente
costante al variare della temperatura. Si ricorda che una elevata corrente di drain
fornisce una migliore linearità, questa, infatti, è stata fissata a circa 60 mA.
Montaggio
Seguendo la serigrafia il
montaggio dei componenti non presenta particolari difficoltà, mentre occorre
una certa attenzione nella saldatura del Phemt; per quest’ultimo è preferibile
usare un saldatore alimentato a batteria. Solitamente per lavorare utilizzo un
saldatore alimentato a 24 V con un trasformatore a doppio isolamento, che però
al momento di saldare i piedini viene distaccato dall’alimentazione e collegato
a massa assieme allo stilo del saldatore
e la pinzetta utile per il posizionamento del componente.
A lavoro ultimato ho inserito lo
stampato in una scatola di lamierino stagnato della Teko mod. 392 fissandolo
alla stessa mediante 5 viti da 3MA con i rispettivi dadi avvitati sul piano di
massa.
Ho anche saldato i diodi Pin, così
come consigliato da Peter, fra il centrale del connettore e la massa del
contenitore.
I connettori usati sono un N maschio
sull’ingresso ed un N femmina sull’uscita e sono saldati sulle pareti opposte
della scatola. L’N maschio sull’ingresso mi permette di collegare direttamente senza
l’aggiunta di altri cavi l’LNA sul connettore
N femmina del relè coassiale di antenna. Si tratta di un relè di buona
qualità con isolamento fra gli ingressi maggiore di 60 dB che ho posto
all’interno di una scatola stagna per impianti elettrici posizionata in mansarda e fissata sulla parte
più alta del palo di sostegno della mia antenna che entra nel sottotetto. In
questo modo ho ridotto al minimo la lunghezza di un cavo coassiale a bassa
perdita che collega il dipolo dell’antenna yagi al relè coassiale. L’LNA in
mansarda è molto comodo in caso di sostituzioni o verifiche oltre al vantaggio
della protezione dei componenti alle intemperie.
Un problema comune a tutti gli
LNA è la possibile distruzione a causa dell’eccessiva potenza al terminale di
ingresso specialmente se questo è usato in unione ad un trasmettitore di
elevata potenza. E’ possibile prevenire questo inconveniente usando un relè
coassiale con il più alto isolamento tra le porte. Per la potenza massima consentita dalla
licenza di OM è comunque sufficiente una attenuazione di almeno 60 dB ed il
relè deve commutare dalla ricezione alla trasmissione mediante una logica gestita da un ciclo
sequenziale.
Sull’uscita dell’LNA e prima
dell’ingresso al ricevitore, ho inserito un filtro passa banda. Si tratta di
una doppia cavità reperita fra il surplus parecchi anni fa. La cavità è stata descritta su
questa rivista RadioKit n. 3/95 (4). L’attenuazione data dall’inserzione del
filtro è irrilevante e la selettività eccezionale. In ogni caso, vista la difficile
reperibilità di questo modello, anche l’inserzione di altri tipi di filtri passa-banda
di buona fattura è sempre consigliabile.
Taratura
Per la taratura è buona
norma collegare l’ingresso e l’uscita sul carico di 50 ohm e una volta
data l’alimentazione al circuito occorre verificare la corrente assorbita dal drain
che deve essere quella indicata sulle
specifiche di progetto, inoltre aprendo e chiudendo il coperchio della scatola
non si debbono osservare cambiamenti di guadagno o variazioni di corrente. Il
mio montaggio è risultato incondizionamente stabile e tale deve essere poiché il
progetto viene dichiarato con un k > 1. La taratura può essere eseguita, senza
particolare strumentazione, in maniera abbastanza precisa regolando il
condensatore di ingresso per il massimo segnale ricevuto da un debole beacon. Naturalmente
la minor NF si potrà ottenere con adeguati strumenti di misura calibrati.
Risultati ottenuti
Il prototipo è stato testato con
la valida collaborazione di Bruno IW0BFZ e Sandro I0JXX al XXIV Symposium
Tecnico Scientifico promosso dalle sezioni ARI di Terni-Orvieto il 17 maggio
2009.
Il Noise Analyzer della Agilent
mod. N 8973 A
con un range di frequenza da 10 MHz a 3 GHz è stato calibrato alla temperatura
ambiente di circa 22
gradi centigradi alla frequenza di 144.300 MHz.
I valori misurati sono i
seguenti: Noise Figure = 0,45 dB; Guadagno = 23,2 dB.
Preamplificatore per i 432 MHz
Visti gli ottimi risultati
ottenuti dal preamplificatore per i 144
MHz ero deciso di realizzare lo stesso per i 432 MHz modificando solamente i
valori di alcuni componenti.
Era sufficiente riadattare il
circuito di ingresso e di uscita per questa frequenza così come era necessario ridurre
i valori delle induttanze di controreazione in serie ai source ed al gate del
ATF 54143.
Le modifiche che avevo pensato le
vidi già realizzate con successo da parte di OZ1PIF Peter Frenning, il quale le
aveva descritte sulla rivista Dubus Informatione n.4/2006 (5), e nel suo sito Internet
(6).
Ero comunque interessato ad altre
esperienze con l’ATF 54143. Trovai così, su internet, un progetto realizzato da
G0MRF David Bowman originariamente per i 70 cm e poi per i 435 + 1296 MHz. (7). Lo
schema è stato presentato anche su RR 4/2008 e RR11/2008 da parte di Roberto
Butori IW5BSF (8).
Decisi di realizzarlo e pertanto
contattai via E-mail David il quale mi inviò un kit completo, con le istruzioni
per il montaggio, oltre ad un altro PCB. Il kit completo non comprende i
connettori il condensatore passante ed il contenitore.
La busta imbottita impiegò, dalla
partenza, 7 giorni per essere recapitata a destinazione.
Lo stampato o PCB è realizzato su
laminato comune FR4 dello spessore di 0,031 inch pari a 0,78 mm, a doppia faccia e
passivato con sali di argento in soluzione di cianuro. I ritorni di massa sono ottenuti
con fori metallizzati. Purtroppo però la mancanza di una serigrafia, che riporti
le diciture e le posizioni dei vari componenti, richiede una maggiore
attenzione nel posizionare i componenti in tecnologia SMD della serie 0806.
Figura 3 - schema elettrico
Schema elettrico
Lo schema elettrico dell’LNA è
indicato in fig. 3.
Il circuito di ingresso a linee
provvede all’adattamento di impedenza a 50 ohm per la migliore cifra di rumore,
il filtro passa alto riduce il guadagno sotto la frequenza operativa ed è valido
anche per i segnali in banda 2m. Un’adeguata controreazione si ottiene variando,
con un punto di saldatura sullo stampato, il valore dell’induttanza da inserire
in serie ai terminali di soure del E-Phemt.
L’addizionale induttanza può
avere un effetto pronunciato sulle performance dell’amplificatore. Alcuni degli
effetti indesiderati sono il cut-off-band, scarso guadagno e basso return-loss di ingresso ed uscita
riferito a 50 ohm. Mentre gli effetti benefici includono il miglioramento del
return-loss e cioè basso SWR ed elevata stabilità. Queste induttanze su PCB
sono a bassa perdita e a differenza delle resistenze non generano rumore.
La polarizzazione positiva del gate
è ottenuta con un circuito attivo mediante l’impiego un transistor PNP che
alimentato con la stessa tensione disponibile sul drain permette di mantenere
la corrente costante al variare della temperatura. In questo progetto il
dispositivo è polarizzato per una corrente di drain di circa 30 mA.
Montaggio
Prima di intraprendere le
saldature dei componenti SMD sullo stampato consiglio di tirare a lucido le
piste strofinando, con un panno di cotone asciutto, le parti passivate che
esposte all’aria col tempo tendono ad ossidarsi e rendono più difficili le
saldature dei componenti sul PCB.
Ricordo che tali saldature debbono
essere eseguite con pochissimo stagno e presentarsi lucide e fluenti e pulite
dai residui lasciti dalla fusione dello stagno.
Al termine delle saldature, occorre
verificare con una lente di ingrandimento la rispondenza dei componenti saldati
con lo schema elettrico.(foto 3)
Foto 3 – LNA per i 432MHz, sulla sinistra è
visibile il circuito di ingresso.
Lo stampato è stato inserito in
un contenitore realizzato con lamierino di ottone argentato delle dimensioni di
57 x 36 x 28 mm.
Il piano di massa del circuito è saldato, da entrambi i lati, alle pareti del
contenitore lungo l’intero perimetro. Il piano delle microstrip è spaziato di 13 mm dal bordo superiore del
contenitore.
Il connettore coassiali per
l’ingresso è di tipo SMA (femmina) con flangia direttamente saldata alla parete
del contenitore, mentre ho usato un connettore BNC (femmina) verso l’uscita.
L’alimentazione avviene al
terminale di un condensatore passante da 1nF che ho fissato con vite filettata
sulla parete laterale a fianco del connettore di uscita. L’altro capo del
passante collega, mediante un diodo, l’ingresso del 78L05ACM in tecnologia SMD quale stabilizzatore dei 5
V. Il diodo che ho inserito, non previsto nel progetto originale, protegge
l’LNA dalle inversioni di alimentazione. Non ho montato l’impedenza L5 da 270
nH in quanto nessuno dei miei preamplificatori viene alimentato attraverso il
centrale del cavo coassiale.
Grazie all’alta IP3
del dispositivo attivo in ingresso è stato previsto solamente un blando
filtraggio ma è opportuno inserire sull’uscita dell’LNA un filtro passa-banda a
basse perdite ed alta selettività onde evitare sovraccarichi al ricevitore. Personalmente
adopero un filtro surplus a doppia cavità tarato per la frequenza in uso e
simile a quello installato per la
frequenza dei 144 MHz.
Il filtro in uscita influenza solo
minimamente la NF
totale del sistema poiché anche la minima perdita che esso introduce viene attenuata
dal guadagno dell’amplificatore stesso. Dopo il preamplificatore ci possiamo
permettere anche una perdita per attenuazione tanto più alta quanto maggiore è
il guadagno dello stadio amplificatore. Questa affermazione può essere
verificata applicando le formule di
Friis.
Verifica del funzionamento
Trattandosi di un circuito
montato su microstrip (no tune) non è previsto alcun tipo di taratura ma
solamente la verifica del regolare funzionamento. Dopo aver collegato
l’ingresso e l’uscita su di un carico di
50 ohm ed alimentato il circuito si deve verificare che la corrente assorbita
dal drain sia quella indicata dalle specifiche di progetto, inoltre togliendo e
chiudendo il coperchio della scatola non si debbono osservare cambiamenti di
guadagno o variazioni di corrente.(foto 4)
Foto 4 - Verifica assorbimento di corrente e stabilità
del LNA per i 432 MHz
All’inizio delle verifiche, i
risultati ottenuti sono stati inferiori alle attese nonostante il montaggio
fosse stato curato al meglio. L’LNA non risultava incondizionamente stabile presentando
un K, (fattore di stabilità di Rollet), < 1 (l’amplificatore oscilla per
certe combinazioni di impedenze di sorgente o di carico) ed una NF peggiore di
quella dichiarata nelle specifiche.
Dato che ero a conoscenza che le
addizionali induttanze poste in serie al source potevano avere effetti
pronunciati sulle performance dell’amplificatore, ho variato il valore delle
stesse.
Lo stampato infatti è stato disegnato
per avere una induttanza variabile da collegare ai source. Ciascun terminale di
source è connesso ad una linea in microstrip che può essere connessa a massa,
con una “paglietta” in ogni punto lungo la linea. Dopo alcuni tentativi ho
trovato la giusta induttanza per ciascun source posizionando il corto mobile ad
una distanza approssimata di 3,0
mm. Tale distanza va misurata a filo dal piedino fino al
più breve punto di massa. La parte di induttanza deve essere rimossa tagliando
la parte inutilizzata. Il circuito aperto di stub può causare oscillazioni ad
alta frequenza.
Dopo queste modifiche l’ LNA
risultava incondizionatamente stabile oltre a presentare una migliore cifra di
rumore.
La NF sull’ingresso è diminuita ulteriormente sostituendo
C1 e C2 con dei condensatori a chip in porcellana ad alto Q tipo ATC 100 B, il
valore di C2 è stato cambiato da 68 pf a 470 pf, mentre sul condensatore C3 da
1 nF ho saldato un altro condensatore in parallelo da 10 nF. Le impedenze L1 ed
L4 sono state sostituite con altre di maggior “Q” e realizzate con filo di rame
argentato.
Queste sono formate da 3 spire
del diametro di 0,8 avvolte in aria su diametro di 3 mm, questi valori teorici, ottenuti
da un programma di simulazione, sono risultati validi anche all’atto pratico.
Inoltre, la corrente di drain è
stata aumentata da 30 mA a 60 mA allo scopo di ottenere una migliore linearità.
Questo nuovo valore di corrente si è ottenuto diminuendo la resistenza R5 da 47
Ω a 23,5 Ω mettendone in parallelo un’altra da 47 Ω.
Infine per migliorare il “K” ho aggiunto in parallelo ad L4 un
resistore shunt. Tale resistore deve essere scelto accuratamente perché un
valore troppo basso può diminuire la migliore condizione di intecept-point. Il
valore di R9 calcolato a 330 Ω è risultato un buon compromesso
Risultati ottenuti
Questo prototipo è stato testato
mediante il Noise Figure Meter della Hewlett –Packard mod. 8907B calibrato alla
frequenza di 432,000 MHz alla temperatura ambiente di circa 29 gradi centigradi.
I valori misurati sono i
seguenti: Noise Figure = 0,42 dB; Guadagno = 20,67 dB.
Preamplificatore per i 1296 MHz
Poiché avevo a disposizione un
altro PCB ho pensato di utilizzarlo apportando solamente alcune variazioni nei
valori dei componenti impiegati per una migliore ottimizzazione alla frequenza
dei 1296 MHz.
Va precisato che il normale
laminato FR4 che ha una costante dielettrica bassa con valori generalmente compresi
fra 4,3 - 4,8 non è consigliato per essere usato per frequenze superiori al GHz
a causa delle maggiori perdite, sarebbe stato meglio utilizzare del laminato
teflon con il quale avremmo potuto ottenere, in termine di NF in ingresso, alcune
frazioni di dB in meno.
L’aspetto positivo, delle
maggiori perdite del dielettrico, è che queste offrono una protezione contro
gli eventuali inneschi quando, come in questo caso, si utilizza un dispositivo
attivo.
Schema elettrico
Il filtro in ingresso del tipo passa-alto
riduce il guadagno al disotto la frequenza operativa dove il “K” (fattore di
stabilità) è più basso, inoltre la sezione ad “L” svolge anche la funzione di
bias per il gate.
La tensione di bias è stata
fissata anche in questo caso a 0,6 V. Con questo valore la corrente rettificata
di gate è inferiore a 2mA con un input/power di 10 dBm. Inoltre la Ids fissata a 60 mA, determina la migliore
condizione di intercept-point.
Le capacità in serie C1 e C8
hanno la funzione di blocco della corrente continua.
Il “Q” dell’induttanza di shunt
L1 è estremamente importante dal punto di vista delle perdite come pure quello
dei due condensatori C1 e C2. Ricordo che qualunque perdita di accoppiamento in
ingresso ha un impatto diretto sulla cifra di rumore. Bassi valori di “Q”
incrementano la NF
e ciò va considerato attentamente.
Alle frequenze molto basse il
gate è terminato resistivamente con la combinazione di R1 e C3, allo stesso
modo R4-C5-C6-C7 provvedono, sempre per le frequenze basse, alla terminazione
resistiva del drain quale aiuto alla stabilità. Inoltre con C5 del valore di 10
nF e C6 di 220 pf si ottimizza l’intercept-poit di uscita.
Per migliorare il “K” ho aggiunto in parallelo ad L4 un
resistore shunt.
Il valore di R9 calcolato a 330 Ω
anche in questo caso è risultato un buon compromesso.
Il circuito integrato
stabilizzatore dei 5 V in tecnologia SMD siglato 78L05ACM è stato sostituito
con un 78M05 per avere una maggiore dissipazione di calore.
Quest’ultimo pur avendo una
diversa connessione di soli tre terminali, può essere montato senza modificare
le piste del PCB ma solamente riducendo
l’altezza dell’integrato accorciando i tre terminali piegandoli di 90° e saldandoli
ai rispettivi pin dello stampato, lo stabilizzatore dovrà presentarsi parallelo
al circuito stampato e con la scritta rivolta verso l’alto.
L’elenco dei componenti è
riportato nella tabella sottostante.
C1 = 8,2 pf ATC 100B R1 = 50 ohm TR1 = ATF 54143
C2 = 8,2 pf ATC 100B R2 = 10 K TR2 = BC857b
C3 = 1nf R3 = 1
K U1 = 78M05
C4 = 10 nf R4 = 10
ohm D1 = 1N4007
C5 =10 nf R5 = 22 ohm U1 = 78M05
C6 =220 pf R6 = 1K
C7 = 8,2 pf R7 = 1,5 K
C8 = 8,2 pf R8 = 10 ohm
C9 = 10 microf R9 = 330 ohm
C10 = 10 microf
C11 = 100 nf
C12 = 10 microf
L1 = 3,3 nH 1,2 spire filo rame
argentato diam. 0,8 mm
su supporto diam. 3 mm
L4 = 5,6 nH 1,8 spire filo rame
argentato diam. 0,8 mm
su supporto diam. 3 mm
L6-L7 stampate su PCB
Montaggio
Durante l’esecuzione delle
saldature consiglio di prelevare, dalla propria
custodia, un componente alla volta e di tenere lo schema da un lato e segnare
con una matita ogni componente saldato sullo stampato, in questo modo si
evitano possibili dubbi sul corretto valore o sulla corretta inserzione del
componente.
Ricordo che tali saldature
debbono esse eseguite con pochissimo stagno e presentarsi lucide e fluenti.
Quando il PCB è completo di tutti i componenti previsti è necessario rimuovere
il flussante, non consumato, dagli eventuali ossidi che assieme alle polveri,
se non eliminate oltre a presentare una pessima estetica potrebbero
comprometterne il funzionamento.
Anche questo circuito stampato è
stato inserito in un contenitore realizzato con lamierino di ottone argentato
delle dimensioni di 57 x 36 x 28
mm. Il piano di massa del circuito è saldato, da
entrambi i lati, alle pareti del contenitore lungo l’intero perimetro. Il piano
delle microstrip è spaziato di 13
mm dal bordo superiore del contenitore. Questa
dimensione pare non sia critica anche perché con la chiusura del coperchio del
contenitore non si notano instabilità del E-Phemt dovute ad accoppiamenti
indesiderati per irradiazione e riflessione delle pareti metalliche da parte
delle linee e delle bobine.
Il connettore coassiale per
l’ingresso è di tipo N (maschio) con flangia direttamente saldata alla parete
del contenitore, ed un connettore N (femmina) verso l’uscita.
L’alimentazione avviene al
terminale di un condensatore passante da 1nF con vite filettata che ho fissato
sulla parete laterale a fianco del connettore di uscita. (foto 5).
Foto 5 – Piano di montaggio dell’LNA per i 1296 MHz e disposizione dei
componenti SMD
Verifica del funzionamento
Anche per questo circuito montato
su microstrip (no tune) non è previsto alcun tipo di taratura ma solamente la
verifica del regolare funzionamento così come per il prototipo dei 432 MHz. Dopo
aver collegato l’ingresso e l’uscita su di un
carico di 50 ohm si verifica che la tensione e la corrente assorbita dal
drain sia quella sopraindicata. Il prototipo è stato testato con una Vd
di 3,0 V ed una Id di 60 mA.
Aprendo e chiudendo il coperchio del
contenitore, vale ripeterlo, non si debbono notare cambiamenti di guadagno o
variazioni di corrente dovute alla instabilità del Phemt per causa di
accoppiamenti indesiderati per irradiazione e riflessione delle pareti
metalliche da parte delle linee e delle bobine. (foto 6 ).
L’LNA è risultato
incondizionamente stabile presentando un K > 1 (cioè non oscilla con nessuna
possibile impedenza di sorgente o di carico) questo perché avevo trovato, sullo
stampato, il giusto valore di induttanza per ciascun source posizionando il
corto mobile ad una distanza di circa 2,0 mm misurato a filo del piedino fino al più
breve punto di massa.
Foto 6 – L’LNA per i 1296 MHz inserito nel
contenitore di ottone e coperchio in PCB
Risultati ottenuti
Anche questo prototipo è stato
testato al XXIV Symposium Tecnico Scientifico di Terni-Orvieto.
Il Noise Analyzer della Agilent
mod. N 8973 A
è stato calibrato alla temperatura ambiente di circa 22 gradi centigradi
alla frequenza di 1.296,300 MHz.
La foto 6 mostra lo strumento
usato con il grafico del guadagno e della cifra di rumore.
Il guadagno nominale è stato di
16,12 dB a 1296,300 MHz e la cifra di rumore di 0,85 dB.
Le migliori performance sono
state riscontrate a 1255,00 MHz con un guadagno di 17,30 dB ed una cifra di
rumore di 0,63 dB. Durante queste verifiche, il valore dichiarato sulla 3rd
Order Input Intercept Point = + 4 dBm, non è stato misurato.
Successivamente ho eseguito
alcuni confronti con altri LNA di caratteristiche note ed ho potuto rilevare,
per questo progetto, una maggior dinamica. Mi riprometto quanto prima anche una
verifica strumentale.
Foto 6 – Grafico di NF e Gain a 1296,300 MHz su Noise Analyzer della Agilent mod. N 8973 A
Conclusioni
Per questo prototipo, nonostante
la cifra di rumore ottenuta sia molto valida per l’impiego terrestre, occorre
però evidenziare che il basso costo dello stampato, eseguito su FR4, ha
contribuito a peggiorare leggermente la cifra di rumore. Questa sarebbe stata sicuramente
inferiore se si fosse utilizzato un migliore substrato. E’ noto che a frequenze
elevate le perdite per attenuazione del PCB, dei connettori usati e la
coniugazione delle linee per l’adattamento di impedenza vanno ad aggiungersi
alla cifra di rumore intrinseca del componente attivo; questa per l’ ATF 54143 è
di 0,3 dB alla frequenza di 900 MHz..
In termini di prestazioni della
cifra di rumore è naturalmente possibile ottenere di meglio, va comunque rilevato
che, anche nell’ipotesi ideale di poter raggiungere le stesse prestazioni
intrinseche del dispositivo usato, nei collegamenti via troposcatter avremmo
ottenuto un vantaggio in termini di S/N non percettibile.
Per ottenere valori di NF ancora
più bassi, di quelli ricavati da questo progetto, ritengo sia necessario
cambiare completamente la filosofia del montaggio.
In un ottica futura, si
potrebbero minimizzare le perdite realizzando il circuito in aria, mediante l’utilizzo
di linee argentate montate all’interno di un contenitore metallico fresato ed
argentato ecc. Tutto ciò richiede la disponibilità di una adeguata attrezzatura
meccanica e di una buona manualità. Inoltre è necessario avere a disposizione una
valida strumentazione per la messa a punto dell’LNA. Questo perché i montaggi in
aria non sono ripetibili come quelli realizzati su PCB, pertanto diventa fondamentale
ottimizzare i parametri di S11 ed S22 al fine di ottenere il miglior
return-loss sia di ingresso che di uscita; allo stesso modo si deve ottenere la
massima stabilità ed il massimo guadagno poichè questi fattori sono influenzati
dalla disposizione dei componenti e dagli accoppiamenti parassiti.
Credo che soddisfare i requisiti sopraindicati
non sia alla portata di molti; invece le soluzioni qui proposte sono facilmente
ripetibili e permettono di ottenere risultati certi ed a costi estremamente
contenuti.
i4civ.onorio@gmail.com
Referenze:
(1) www. datasheetarchive.com/ATF54143-datasheet.com
(2) Dubus Informationen n. 1/2002
pag. 6 di Peter Hoefslott PA3BIY
(3) Radio Rivista n. 3/2007 pag.
90 di Michele Senestro I1TEX
(4) RadioKit n. 3/95 pag. 23
Filtro Passa Banda per VHF e UHF di Zelino Rossi I1RSX.
(5) Dubus Informationen n. 4/2006
pag. 54di Peter Frenning OZ1PIF
(6) www.frenning.dk/oz1pif.htm
(7) www.g0mrf.com/432LNA.htm
(8) Radio Rivista n. 4/2008 pag.
66 - Radio Rivista n11/2008 pag. 71 di Roberto Butori IW5BSF
La presente descrizione è stata pubblicata su Radio Kit Elettronica anno 2010 mese settembre a pagina 13 e mese di ottobre a pagina 9.
