Трансвертер 3см своими руками
Назад-
Для "затравки" выкладываю два фото нового трансвертера на 3см.
Трансвертер изготовлен из доступных деталей, все транзисторы взяты из спутниковых головок.
Материал платы ФАФ-4Д толщиной 1мм .
Трансвертер имеет на выходе 10мВт и используется на приём с частью спутникового конвертера в качестве мшу и облучателя. На передачу КВП с рупором изготовленный из спутниковой головки.
Подробнее о конструктиве, методике расчёта и файлы печаток выложу в течении недели.
1.jpg
2.jpg
-
Как и обещал начну описание трансвертера.
С чего нужно начать, начинать нужно с подготовки измерительного комплекса, для настройки аппаратуры в этом диапазоне нашей промышленностью выпускалось не так уж и много приборов, а найти их сейчас и за разумные деньги весьма сложно, из наиболее дешёвых и в принципе достаточных для простых измерений могу порекомендовать измерители мощности серии М3-ХХ, но даже их достать весьма сложно. Несмотря на то, что у меня имеется такой прибор я всё же изготовил так сказать его самодельный аналог.
В основе конструкции лежит чип от Аналог Девайс AD8317 (AD8319), собранная на нём измерительная головка позволяет с достаточной для радиолюбителей точностью проводить измерения на частотах от 100МГц до 10гГц. Схема включения этой микросхемы взята из Datasheet, а измерительная часть с сайта Кубанских радиолюбителей http://www.cqham.ru/powermeter1.html Нужно помнить, что микросхема AD8317 (19) в отличии от AD8307 имеет обратную характеристику, поэтому для работы схемы достаточно лишь поменять полярность на входе АЦП мультиметра. Далее немаловажной является конструкция самой головки, в архиве (1) выкладываю печатную плату, материал печатки текстолит толщиной 1мм, плата припаивается непосредственно к SMA разъёму. Мне попалась какая то нестандартная микросхема, расстояния между выводами отличались от заявленных в описании, поэтому настоятельно рекомендую проверить печатную плату после приобретения микросхемы. Детали входной цепи размера 0603, в идеале 0402, входные конденсаторы желательно сделать из двух напаянных друг на друга конденсаторов ёмкостью 0,047мкф и 100пф, можно и 1000пф и 10пф (если не планируете использовать головку на частотах ниже 500МГц). Дальше головка обпаивается обычной жестью от консервной банки. Фото моей измерительной головки накрученной на аттенюатор показано на фото 1, как раз в момент настройки умножителя 2556МГц.
Теперь о калибровке, для калибровки такой головки желательно иметь ГСС с рабочей частотой хотя бы до 1000МГц, хотя производитель и заявляет о неплохой линейности в широком диапазоне частот, в реальности эти заявления далеки от истины, нелинейность довольно приличная +\- 3-4дб и это при условии идеально выполненной входной цепи. Входное КСВ и реальный динамический диапазон измерений тоже оставляют желать лучшего. Поэтому если есть возможность откалиброваться во всём диапазоне частот, то лучше сделать это, изготовив калибровочную таблицу.
Но что делать, если нет доступа к поверенной измериловке?
Тут нужно понимать, что для радиолюбительских измерений достаточно относительных показаний, можно просто взять из datasheet график зависимости выходного напряжения от уровня входной мощности и при помощи аттенюатора (из бухты кабеля например) и трансивера на 1296МГц откалибровать наш прибор. ВАЖНО!- максимальный уровень сигнала на входе микросхемы AD8317 (19) составляет порядка +10дБм, то есть 10мВт, при подаче большего уровня микросхема выйдет из строя, нужно также не забывать о статике, которая так же может повредить вход и выход микросхемы. При помощи такого детектора можно настраивать практически все каскады трансвертера, проверять их стабильность работы и оценивать коэффициент усиления каскада и как следствие степень согласования, а при помощи ответвителя или циркулятора можно измерять КСВ антенны. Неплохим дополнением к этой головке является фиксированный или переключаемый аттенюатор, такие аттенюаторы можно приобрести на аукционе за вполне разумные деньги.
Также на аукционе можно приобрести резонансный частотомер, вещь очень полезная, можно оценивать спектр выходного сигнала и определять на какую частоту настроен умножитель или фильтр. Цена такого прибора на аукционе составляет порядка 80-90 долларов. Эти частотомеры выпускались разными фирмами, один из таких частотомеров показан на рисунке 2. Дополнив такой частотомер вышеописанной головкой можно получить довольно неплохой измерительный комплекс.
1.jpg
2.jpg
AD8317.rar
-
Результаты калибровки (выполнил UA3DJR)
Показания HP8672A dbm Показания (AD8317) dbm[/b]
UHV=3300 MHz внутренний атт=0 внешний =21.6 dbm
-60 -40.8
-50 -40.8
-40 -39.5
-35 -34.5
-30 -29.4
-20 -18.8
-10 -9.9
0 0
VHV=10368 MHz внутренний атт=0 внешний =0 dbm
-20 -48.3
-10 -38.9
-9 -38.6
-8 -36.8
-7 -35.4
-6 -33.4
-5 -32.1
-4 -30.1
-3 -28.1
-2 -26.3
-1 -24.1
0 -22.8
VHV=10368 MHz внутренний атт=0 внешний =23 dbm
+10 -38.8
+11 -37.2
+12 -35.9
+13 -35 -
Странно, я свою калибровал по показаниям М3-51 на частоте 10368МГц при помощи трансвертера DB6NT и переключаемого аттенюатора . Возможно проблемы с КСВ по входу, либо перемаркированный чип попался.
-
Александр, поздравляю с завершением настройки, впечатляют энтузиазм и объем проделанной работы!
Желаю дальнейших успехов!
-
Фот фото сделанное при измерении КСВ облучателя. При измеренях сразу вылазиет наружу качество китайских разъёмов и переходов. Открывается ужасная картина, если при накручивании нашего М3-51 М3-56 на выход ответвителя имею отражёнку порядка -30дб, то при использовании переходов китайского производства получается в лучшем случае -10дб.
неплохие показатели имеют аттенюаторы NARDA -25дб купленные правдо недёшево, 50 енотов за шт.
SWR.jpg
-
Да!! Александр "за"травку" спасибо "HI!!", есть над чем думать, если есть возможность схемки выложить и платки, будем ждать.
-
Итак, измерительный комплекс у нас готов, что делать дальше?
Дальше нам необходимо найти материал для печатной платы трансвертера. В продаже на рынках ещё можно найти наш отечественный ФАФ или ФФ или ещё какой материал, мне с этим помог UX7V за что ему отдельное спасибо, у всех разные возможности и как следствие каждый сможет найти то, что сможет найти J. Поэтому я не стану в описании трансвертера привязываться к конкретному материалу платы, а постараюсь описать методику расчёта конструктива, чтобы каждый мог легко пересчитать печатку под себя.
Отмечу, что наилучшим (из опыта) является импортный материла , роджерс например, импортные материалы отличаются довольно стабильной Ер (диэлектрической проницаемостью) по всей площади листа, наш же материал страдает не только разбегом толщины диэлектрика , но и плаванием проницаемости в разных точках листа.
Всё же для первой своей конструкции я применил наш ФАФ-4Д толщиной 1мм, использовать большую толщину материала не рекомендую, дело в том, что при большой толщине диэлектрика увеличивается длинна проводников соединяющих обе стороны платы (эмиттеры транзисторов с корпусом) , что может привести к потере усиления , рассогласованию и самовозбуждению каскадов. Большинство конструкций которые я встречал на этот диапазон изготовлены на материале толщиной 0,5-0,8мм.
Допустим, что материал мы выбрали, и достали, на кусочке заветного флана видим, что он работает на частоте выше 10гГц , его толщина 1мм и диэлектрическая проницаемость его равна 4, НЕ СТОИТ ОБОЛЬЩАТЬСЯ , я настоятельно рекомендую проверить эти параметры, а именно:
Вырезаем из него плату необходимого размера 155Х60мм и измеряем его ёмкость, далее отрезаем кусочек 20Х20мм от основного куска (желательно из середины листа) и вытравливаем его, после травления измеряем толщину диэлектрика. По разнице толщины диэлектрика и толщины фольгированного материала находим толщину медной фольги (замечу, что для большей точности, советую измерить лист в нескольких местах и усреднить эти данные). Все эти данные записываем и подставляем в формулу на рис.3 (любезно предоставил Игорь UN9GW) По расчёту проверяем диэлектрическую проницаемость. Допустим, что всё у нас совпало, и Ер действительно оказалась скажем 4, что дальше, дальше самое интересное, переходим к расчёту согласования каскадов и линий передачи.
Для тех, кто хочет глубже изучить вопросы согласования, настоятельно рекомендую ознакомиться с материалом по этой ссылке http://avr123.nm.ru/soglasie.htm
Более кратко, применительно к нашему трансвертеру опишу чуть позже.
3.GIF
-
Начинаем расчёт, для этого нам понадобиться две простые, и что немаловажно бесплатные программы – TXLine и Smith V2
Первая находиться по ссылке http://www.vhfdx.ru/faylyi/view-details/radiolyubitelskie-raschetyi/txline-zip
Вторая http://ineedfile.com/smith-chart-v2-0
Запускаем программу TXLine, в открывшемся окне нас интересует закладка Microstrip –расчёт микрополосков, здесь в разделе Material Parameters задаём параметры нашего материала, в левой части диэлектрика, в правой фольги. В левой части в описании может стоять что угодно, главное, чтобы Dielectric Constant (диэлектрическая проницаемость) стояла наша , измеренная на нашем материале величина, та самя 4, в правой части выбираем Copper (медь).
Ниже, в левой части стоят Electrical Characteristics (электрические характеристики) Здесь нас интересует следующее:
Impedance- сопротивление линии – в нашем случае 50ом
Frequency- частота- выбираем 10368 и размерность –MHz (МГц)
Electrical Length (электрическая длинна линии) выбираем 90 и размерность deg – градусы ( поскольку для наших расчётов понадобятся четвертьволновые отрезки линий, то выбираем 90 градусов, т.к. 90 градусов и есть четверть дины волны)
В правой часть нужно установить везде размерность (mm) миллиметры , а в нижние окошки подставить наши измеренные ранее данные материала:
Height (H) – толщина диэлектрика (к примеру 1мм) (вспомните, измеряли кусочек вытравленной платки)
Thickness (T)- толщина фольги (к примеру 0,05мм) Мы вычисляли эту величину ранее.
Дальше необходимо нажать нижнюю стрелочку, то есть рассчитать данные.
Результат виден на рис.4
В полях Pfysical Length (L) получили физическую длину четвертьволновой линии на материале с заданными параметрами.
В поле Width (W) получили ширину 50 ти омной линии на данном материале.
Эти расчёты очень важны, поскольку при проектировании 50ти омной техники необходимо достаточно точно знать ширину и длину линий в зависимости от диэлектрической проницаемости материала. При помощи этой программы можно легко считать «в обе стороны» , меняя направление расчёта стрелочками, задавая как электрические, так и физические параметры линий.
Описывать другие, не менее интересные вкладки этой программы я не буду, поскольку они нам пока не понадобятся.
4.JPG
-
Цитировать
Начинаем расчёт, для этого нам понадобиться две простые, и что немаловажно бесплатные программы – TXLine и Smith V2
Первая находиться по ссылке http://www.vhfdx.ru/faylyi/view-details/radiolyubitelskie-raschetyi/txline-zip
Вторая http://ineedfile.com/smith-chart-v2-0
Для расчета полосков так же рекомендую AppCad , фирмы Agilent Technogogies.
Так же большую помощь в настройке окажет рупорок с двумя диодами . Я писал в форуме по 10 ГГц о нем. Один детекторный , для настройки передатчика на 10 ГГц , второй умножительный КА602 для умножения 1296 МГц в 10368 МГц . Можно по максимуму настроить приемный тракт.
-
После ознакомления с расчётом линий приступим к самому интересному моменту, расчёту каскадов. Поскольку достать «специализированные» транзисторы для постройки трансвертера весьма проблематично я решил отталкиваться от того, что можно найти в продаже, а именно от транзисторов из головок спутникового ТВ. Здесь стоит обратить внимание на следующие особенности.
1 Мощность транзистора, дело в том, что транзисторы в головках предназначены для работы в качестве предварительных усилителей и как следствие обладают малым значением IP3 , то есть малой предельной мощностью в линейном участке. Также из данных на эти транзисторы стало ясно, что при выходной мощности 5-10мВт их коэффициент усиления составляет порядка 4-6дб(транзистор уходит в режим « насыщения»), в отличии от 10-12дб при работе в нормальном режиме. Данные по «подводимой» мощности некоторых транзисторов приведены на рисунке 5(нужно помнить, что Ptot это мощность, рассеиваемая транзистором, реальная же выходная мощность составляет обычно не более 20 процентов)
2 режим работы транзистора, дело в том, что на эти транзисторы в их описаниях приведены параметры только для одного режима работы ( в лучшем случае для двух), режима работы при максимальном усилении и минимальном шуме, и как следствие небольшом рабочем токе и малой выходной мощности.
Исходя из вышесказанного я проектировал схему трансвертера расчитывая запас усиления как по приёму, так и по передаче.
При проектировании каскадов вашего трансвертера вы естественно будите отталкиваться от имеющихся транзисторов, но всё же я вам рекомендую разобрать несколько разных головок, разных производителей и поискать хотя бы 2-3шт транзистора с хорошим IP3 , например FHX35 или им подобных, они очень пригодятся для оконечного каскада и последнего усилителя гетеродина, остальные каскады можно в принципе строить на любых транзисторах.
5.JPG
-
Теперь приступим к расчёту каскада, из наиболее часто встречающихся транзисторов нам известен транзистор NE4210S01,(маленький, чёрный с буквой L на корпусе)
Скачиваем на него datasheet (приведён в файле 2)
Из даташита нам необходима ТАБЛИЦА S-параметров, выглядит она примерно так, как показано на рисунке 6.
В этой таблице нам пока понятны только данные о режиме транзистора Vds=2V (напряжение сток исток=2в) Id=10ma (ток стока 10ма) – это и будет режим работы транзистора.
Дальше идёт таблица S параметров для этого режима, я не буду вдаваться в тонкости этой таблицы , а лишь постараюсь показать пример расчёта в программе Smith Chart при помощи этих данных.
Параметры S1.1 это параметры входа транзистора
Параметры S2.2 это параметры выхода транзистора
Из таблицы мы видим, что для разных частот эти параметры будут разными, нам необходимо к примеру рассчитать каскад усилителя гетеродина, поскольку частота гетеродина у нас составляет 10224МГц находим ближайшие к этой частоте параметры S1.1 и S2.2 видим следующую картину:
Frequency S1.1 S2.2
MHz MAG. ANG MAG. ANG.
10000.0000 0.538 -129.7 0.270 -95.5
10500.0000 0.517 -138.8 0.250 -107.2
Пропорционально можно вычислить параметры для нашей частоты, для простоты можно взять частоту 10200МГц
В принципе, из опыта достаточно взять ближайшую частоту из таблицы параметров, такой точности вполне достаточно для радиолюбительских расчётов, поскольку точность изготовления и реальный разброс параметров транзисторов всё равно могут потребовать дальнейшей подстройки каскада, да и отклонение в конечном результате после расчёта будет весьма несущественным (вы это заметите чуть позже).
Принимаем для расчёта параметры для частоты 10000.000МГц (10гГц)
Frequency S1.1 S2.2
MHz MAG. ANG MAG. ANG.
10000.0000 0.538 -129.7 0.270 -95.5
Запускаем программу Smith-Char
В открывшемся окне мы видим диаграмму Смита , эта и есть та заветная диаграмма , на которой показаны кривые активных и реактивных сопротивлений, вот теперь и проясняется, что это за такие параметры S1.1 и S2.2, это как бы координаты на карте, которые указывают точку с определённым активным и реактивным сопротивлением на данной диаграмме, именно такое комплексное сопротивление будет иметь вход (S1.1) и выход (S2.2) на данной частоте. Наша же задача состоит свести эти реактивности к точке с сопротивлением 50ом и минимальной реактивности в этой точке, эта священная точка находиться в центре диаграммы, если поводить курсором мыши по пустой диаграмме, то мы увидим , что в нижний части окна программы меняются разные значения, активные и реактивные сопротивления выраженные как в омах, так и в градусах, но нас больше здесь интересует именно VSWR (КСВ) – рисунок 7
6.JPG
7.JPG
2.pdf
-
Приступаем к согласованию
Для этого видим окошко программы с надписью ToolBox , щёлкаем по кнопке DATAPOINT (ввод точки) и выбираем инструмент ввода – Keyboard (клавиатуру)
В открывшемся окне нам необходимо выбрать размерность вводимых величин (обычно в даташитах S параметры приведены в полярной системе координат ) выбираем polar, а поскольку у нас в таблице указаны коэффициенты отражений, а не реальные сопротивления, то выбираем reflection coefficient, ниже указываем частоту, на которой производим расчёт (в нашем случае 10224МГц).
Дальше вводим сами коэффициенты, к примеру нам необходимо рассчитать входную цепь транзистора, для этого нам естественно понадобятся параметры его входа S1.1, мы видим, что в окошке есть Magnitude и Angle, это и есть те самые MAG и ANG из даташита на транзистор, вводим эти значения с одной очень важной поправкой, вводимые значения, не должны иметь знак минус, т.к. сопротивления и коэффициент отражения не может быть отрицательным (если тут я в чём то ошибаюсь, то поправьте меня) , то есть просто меняем знак минус на плюс. Как показано на рис 8 и нажимаем OK.
Теперь мы видим точку 1 которая появилась на графике, это и есть точка с комплексным сопротивлением входа транзистора на данной частоте.
Теперь наша задача заключается в постройке цепи согласования, которая приведёт кривую графика к точке с нулевой реактивностью и минимальным КСВ
8.JPG
-
Для этих целей в программе имеется набор элементов, они условно делятся на две подгруппы SHUNT (параллельные) и SERIES(последовательные). Поскольку на этих частотах согласование элементов чаще всего осуществляют линиями, то нас как раз и интересуют эти самые линии. Для начала попробуем из нашей точки выйти на ближайшую кривую реактивности, которая ведёт к точке с нулевой реактивностью (жирная синяя линия) для этого попробуем последовательно с источником (транзистором) включить микрополосковую линию. В подгруппе SERIES выбираем линию (правый нижний квадратик с нарисованной линией) , появиться окно с параметрами линии, здесь мы видим сопротивление линии и диэлектрическую проницаемость среды, на которой выполнена линия. Сопротивление линии, пока для удобства оставим 50ом, а вот диэлектрическую проницаемость нам необходимо взять именно ту, которой обладает наш материал, напомню, мы её вычислили ранее , при проверке нашего материала платы, и она у нас получилась равной 4. Нажимаем OK, что мы видим, на графике появилась окружность с привязанному к ней курсору мыши, если перемещать курсор по окружности в направлении стрелок, которые указанны на ней, то мы увидим, что слева, в окошке, где вырисовывается схема согласования меняется дина появившейся линии согласования. Нам же как я и говорил ранее нужно прийти к ближайшей линии, проходящей через точку с нулевой реактивностью, перемещаем курсор до этой линии и нажимаем левую клавишу мыши, появляется точка 2. (рис9)
9.JPG
-
Теперь попробуем достичь искомой точки, для этого нам пригодиться открытая линия. Выбираем из подгруппы SHUNT закладку линии (щёлкаем по кубику с их изображением) вводим сопротивление (50ом для удобства) и нашу диэлектрическую проницаемость 4 , нажимаем ОК и в открывшемся окошке выбираем OPEN END (линия с открытым концом). Вуаля! Видим, что появившаяся окружность на графике, точно описывает необходимую нам окружность, а направление стрелок совпадает с необходимым нам направлением движения по графику. Приводим курсор мыши к точки с нулевой реактивностью и КСВ=1 и нажимаем левую клавишу мыши. Образовалась третья точка (как показано на рис 10) В левой части окна программы , там, где показана электрическая схема мы видим реальную схему согласующей цепи, от транзистора до источника. На этой схеме показаны как электрические(electr), так и физические (mech) длинны линий согласования. Нас здесь интересуют именно физические длинны линий, поскольку мы изначально задавали при расчёте диэлектрическую проницаемость материала платы, то и физическая длинна просчитанной линии соответствует длине линий на нашей плате, а поскольку мы при расчёте задавали сопротивление этих согласующих линий 50ом, и при расчёте в программе Txline мы тоже считали ширину линий под наш материал, то расчёт согласования входа транзистора можно считать оконченным. Аналогично считается и выходная цепь транзистора, для этого просто подставляем при расчёте параметры S2.2 (параметры выходной цепи)
10.JPG