Navigation
Home

Quick info
Created on :
2000-01-02












































Signalen versterken boven de 1000 MHz,

Een interresante hobby.




Stage verslag 2
Daan Vreeken, PA4DAN
MTO-HTO





Voorwoord


Het zenden en ontvangen van ATV signalen is mijn grote hobby.
Om de signalen goed te kunnen ontvangen moet het signaal direct na de antenne versterkt worden. Als hobby project heb ik een versterker gebouwd die signalen tussen 1200 en 1300 MHz versterkt.
Omdat ik zoveel tijd in het ontwerpen van de versterker heb gestoken, wil ik de ervaringen die ik heb opgedaan graag met anderen delen.
Daarom gaat dit verslag over het ontwerpen, meten en bouwen van een 23cm LNA (Low Noise Amplifier).

Alhoewel het onderwerp van dit verslag deel is van mijn hobby, heeft het zeker raakvlakken met de bezigheden in mijn stage periode.
Meten aan en werken met hoog-frequente signalen gebeurt bij Bombeeck dagelijks.






Inhoudsopgave




Titel pagina

Voorwoord

Inhoudsopgave

Inleiding

1 - Wat is een zendamateur?

2.1 - Hoe werkt ATV?

2.2 - Wat bepaald de eigenschappen van een printspoor?

2.3 - Een printplaat kiezen

2.4 - Rekenen aan printmateriaal

3.1 - De eisen voor de versterker

3.2 - Verstelbaar bandfilter

3.3 - De eerste versterker trap

3.4 - De tweede versterker trap

4 - De werkende versterker

Besluit

Literatuur lijst

Bijlagen






Inleiding


Om niet meteen in het diepe te springen en met moeilijke formules te gaan gooien, zal ik stap voor stap uitleggen wat mijn grote hobby, het zendamateurisme, precies inhoudt, om vervolgens dieper en dieper in te gaan op de theorie achter het ontwerpen en bouwen van een Low Noise Amplifier.






1 - Wat is een zendamateur?



Om zendamateur te worden, moet je een landelijk examen maken. Als je dit examen haalt, krijg je een zendmachtiging en mag je jezelf zendamateur noemen.
Bij deze zendmachtiging hoort een 'call', of roepnaam. Deze call bestaal uit 2 delen: de prefix en de suffix.

De prefix
De prefix bestaat uit twee letters en een cijfer. De eerste letter geeft het land aan waar de machtiging in gehaald is. In Nederland is de eerste letter van de prefix een 'P'.
De tweede letter geeft het soort machtiging aan. In Nederland zijn er 3 verschillende soorten machtigingen mogelijk waarvoor verschillende examen-eisen gelden:

Machtigings typeOmschrijving
Novice

(prefix letter: D)
De 'nieuwelingen' machtiging.
Het examen dat je hiervoor moet halen is redelijk eenvoudig en is door
iedereen met een redelijke elektronische kennis en kennis van de
machtigings-voorwaarden te halen.

Met deze machtiging mag je uitzenden in twee frequentie-banden:
De 2m band (144-145 MHz) en de 70cm band (430-440 MHz).
Het maximale vermogen dat uitgezonden mag worden is 40 Watt.
C

(prefix letter: C)
Om een C machtiging te halen moet je een moeilijker examen maken waarbij
een stuk dieper wordt ingegaan op vooral de elektronische kennis.

Met een C machtiging mag een amateur op alle amateur-banden boven de
30 MHz uitzenden met een vermogen van 400 Watt of 120 Watt (dit is per
band afhankelijk).
A

(prefix letter: A)
De A machtiging is in Nederland de hoogst haalbare machtiging.
Om deze te halen moet je hetzelfde theorie examen afleggen als voor het
C examen en daarna nog een tweede examen.
Dit tweede examen is een praktijk examen morse-telegrafie waarbij je
morsetekst op een bepaalde snelheid (12 woorden per minuut) op moet
kunnen nemen en moet kunnen seinen.

Met deze machtiging mogen dezelfde banden gebruikt worden als met de C
machtiging, maar nu mogen ook alle banden onder de 30MHz gebruikt
worden.


Het cijfer in de prefix is bedoeld om het aantal mogelijke letter-combinaties groter te maken.

De suffix
De suffix bestaat uit 2 of 3 letters. Jaren geleden mochten deze gekozen worden, maar omdat het aantal zendamateurs toenam is besloten om de suffix-en gewoon maar op alfabetische volgorde uit te geven.
Doordat een paar jaar geleden het complete systeem waarmee de overheid de call's bijhoudt geautomatiseerd is, mogen amateurs nu weer zelf een call kiezen bij het aanvragen van de machtiging.

In mei 2000 heb ik het morse-telegrafie examen gehaald en ik heb nu dus een A machtiging met als call: PA4DAN.
Als zendamateur mag je uitzendingen maken in een aantal daarvoor bestemde frequentie-banden. Je mag dus verbindingen maken met andere zendamateurs wereldwijd.

Zenders voor de amateur banden kun je kant en klaar in de winkel kopen, maar het leuke van zendamateur zijn is dat je ook zenders zelf mag bouwen. Als je een zender zelf gebouwd hebt en je weet zeker dat deze voldoet aan de eisen die aan de zendapparatuur gesteld wordt, mag je de zender gebruiken om er verbindingen mee te maken.

Verbindingen kun je op verschillende manieren maken:

CW
De aller eerste manier waarop verbindingen werden gemaakt was met behulp van morse-telegrafie. Hierbij wordt de zender simpelweg aan- en uitgeschakeld. Hiermee kunnen letters in morse-code worden uitgezonden.
Zelfs op de dag van vandaag worden er nog wereldwijd verbindingen met morse gemaakt.

AM
AM staat voor amplitude modulatie. Hierbij wordt het vermogen van de zender groter en kleiner gemaakt proportioneel aan het uit te zenden signaal.
Met AM kan spraak uitgezonden worden. Ook signalen waar veel hogere frequenties in voorkomen dan in spraak kunnen worden uitgezonden in AM.
Zo worden TV-signalen over de kabel en door de ether bijvoorbeeld uitgezonden in AM.
Morse is eigenlijk AM waarbij de amplitude geschakeld wordt tussen 0 en 100%.

FM
FM staat voor frequentie modulatie. Een FM zender varieerd niet de amplitude van het signaal, maar deze veranderd de frequentie van het signaal proportioneel aan het uit te zenden signaal.

PM
PM staat voor Phase Modulation, of fase modulatie in het nederlands. Hierbij wordt de fase van het signaal proportioneel aan het uit te zenden signaal verdraaid. Deze manier van moduleren wordt voornamelijk gebruikt voor digitale data overdracht.


Verder dan dat een zender het signaal op verschillende manieren uit kan zenden, is er ook nog verschil in het soort signaal dat uitgezonden kan worden.
Deze signalen kunnen zijn: morse telegrafie, spraak, data-communicatie en televisie-signalen.
Het uitzenden van televisie signalen door amateurs wordt ATV, of Amateur TeleVisie genoemd.





2.1 - Hoe werkt ATV?



ATV kan op twee manieren worden uitgezonden, in AM en in FM. Alleen in de 70cm band (430-440 MHz) wordt ATV in AM uitgezonden. Op alle hogere banden worden ATV signalen in FM uitgezonden.
De bandbreedte van een video-signaal is ongeveer 6 MHz. De hele 70cm band is maar 10 MHz breed, er is dus geen ruimte om in deze band meerdere ATV zenders tegelijk te gebruiken op verschillende frequenties.
Omdat de amateur-banden op hogere frequenties (boven de 1 GHz) veel meer bandbreedte bieden, wordt ATV voornamelijk uitgezonden op de 23cm en 13cm band. Zie onderstaande tabel voor een lijstje van een paar amateur banden samen met de beschikbare bandbreedte:

GolflengteBegin- en eind-frequentie (in MHz)Bandbreedte (in MHz)
2 m144 - 1452
70 cm430 - 44010
23 cm1240 - 130060
13 cm2320 - 2450130
3 cm10000 - 10500500


Naarmate de frequentie hoger wordt, wordt de voor amateurs beschikbare bandbreedte groter. Maar waarom wordt ATV dan niet altijd op 10 GHz uitgezonden, als daar de beschikbare bandbreedte toch 500 MHz is?
Simpel: Hoe hoger de frequentie wordt, hoe moeilijker het wordt om een zender of ontvanger te maken.
Op lage frequenties maakt het niet zoveel uit als je op een print een transistor aansluit met een spoor van 10cm. Maar als het om frequenties gaat boven de 1 GHz, is een stukje printspoor ineens helemaal niet meer een laag-ohmig stukje koper. Het printspoor wordt dan ineens een spoel. En als er in de buurt van dat printspoor een ander spoor aanwezig is, of bijvoorbeeld een aardvlak, dan blijkt dat zelfs als de sporen niet met elkaar verbonden zijn, ze elkaar toch hevig beinvloeden.

Dit is een enorm voordeel en een enorm nadeel.
Het nadeel is dat je niet meer gewoon zomaar iets aan kunt sluiten en alleen maar op de componenten hoeft te letten, want dan blijkt achteraf dat het toaal niet doet wat je wilt.
Een voordeel is dat je een hele berg componenten niet meer hoeft te gebruiken, omdat je spoelen, condensators en filters allemaal kunt maken door printsporen bepaalde vormen en afmetingen te geven.





2.2 - Wat bepaald de eigenschappen van een printspoor?



Elk spoor van een print, ook wel striplijn genoemd, kan worden gezien als een stukje coax kabel met een bepaalde karakteristieke impedantie, propogatie snelheid en capaciteit.
De variabelen die voor het bepalen van deze waardes een rol spelen zijn aangegeven in de volgende afbeelding:
Microstrip

De afbeelding stelt een dwars-doorsnede van een print voor met aan de onderkant een aardvlak, in het midden het printmateriaal en bovenaan een striplijn.
Er staat voor de dielectrische constante van het printmateriaal. Dit getal geeft aan hoeveel keer zo groot de elektrische veldsterkte tussen de geleiders is tenopzichte van vacuum als isolator.
Alle andere letters stellen de aagegeven maten voor.

Als alle bovenstaande waardes bekend zijn, kun je met de volgende formules alle eigenschappen van de striplijn bepalen:

Microstrip formules


! LET OP !
Alle lengte's en breedte's zijn in mils.

Zo is de karakteristieke impedantie van de striplijn.
Co is de capaciteit van de striplijn per Inch.
Tpd is de 'propergational delay' of de tijd die een signaal nodig heeft om van de ene kant van de striplijn naar de andere kant te komen (in nano secondes per voet).

Nu we het juiste gereedschap hebben gevonden om aan striplijnen en printen te kunnen rekenen, kunnen we een keuze maken uit de verschillende soorten printplaat.






2.3 - Een printplaat kiezen



Aan de formule uit 2.1 valt af te leiden dat naarmate de dikte van de print toeneemt, ook de breedte van een spoor met een bepaalde karakteristieke impedantie toeneemt.
Hele dunne print levert dus hele smalle sporen op, maar hele dikke print levert erg brede sporen op. Smalle sporen zijn moeilijk te etsen en zullen dus een grote afwijking opleveren. Te brede sporen dempen het signaal, dus ergens tussen heel dik en heel dun zal moeten worden gekozen.
Ik heb gekozen voor een print met een dikte van 0.8mm. De printplaat heeft aan beide kante een koperlaag van 0.025mm.






2.3 - Rekenen aan printmateriaal



Aangezien ik niet wist wat de dielectrische constante van het gekozen printmateriaal was, heb ik deze moeten bepalen.
Om dit te doen heb ik de print aangesloten alsof het een condensator is met beide lagen koper als platen. Als je weet hoe groot de condensator is, kun je als je de maten van de print weet de dielectrische constante uitrekenen met de volgende formule:

C = E0 * Er * A / d

De betekenis van de letters:
 Letter 
 Betekenis
Cde capaciteit van de condensator in Fahrad
E0de dielectrische constante van vacuum
Erde dielectrische constante van het materiaal (in dit geval dus de tussenstof van de print)
Ahet oppervlak van de platen in vierkante meters
dde afstand tussen de platen in meters


Om de meting zo nauwkeurig mogelijk te maken heb ik een zo groot mogelijke 'condensator' gemaakt. Ik heb dus het grootste stuk print dat ik heb gebruikt. Deze printplaat is 149mm breed en 608mm lang.

De print is voor de proef op de volgende manier aangesloten:
Condensator meetopstelling

De waarde van de weerstand is niet te klein genomen, omdat de condensator dan te snel zou opladen of ontladen om een nauwkeurige tijd-meting te doen. Een te grote weerstand zou ook meetafwijkingen veroorzaken, doordat de Volt-meter zelf ook een bepaalde weerstand heeft. Voor de weerstandwaarde heb ik 120 kilo Ohm gekozen en als Volt-meter heb ik een scoop met een 10M Ohm ingang gebruikt om de afwijking zo klein mogelijk te houden.

Om de tijdsconstante van de RC-combinatie te bepalen, om zo uiteindelijk de grootte van de condensator te kunnen achterhalen, heb ik een spanning van 10V aangebracht op de schakeling. Vervolgens heb ik met de scoop gemeten hoe lang het duurde voordat de spanning op de 'condensator' voorbij 0.636 * 10V ging. Deze tijd heet de RC-tijd en wordt afgekort met de letter T (uitspraak Tau).
Uit de meting bleek dat de RC-tijd 650 microseconde bedroeg.

Met de volgende formule kunnen we nu de grootte van de condensator bepalen:
T = R * C

Hieruit blijkt dat de print een condensator is van 5.42 nF.
Als we nu de bovenstaande formule voor het berekenen van de grootte van een condensator invullen, rolt daaruit dat de dielectrische constante van het printmateriaal ongeveer 5.4 is.
Deze waarde is niet erg nauwkeurig, omdat exacte printdikte niet bekend was. Wel kan hiervan afgeleid worden dat het printmateriaal epoxy glass moet zijn. (zie site 'Dielectric base materials').
In de striplijn berekeningen ben ik uitgegaan van een dielectrische constante van 2.0. Dit is geen rekenfout, de dielectrische constante neemt namelijk af naarmate de frequentie hoger wordt. Op 1 GHz is de dielectrische constante van 5.4 afgenomen tot ongeveer 2.0.

Omdat de antenne en de ontvanger die ik op de versterker aan ga sluiten een karakteristieke impedantie hebben van 50 Ohm, zullen sporen die het signaal bewandeld ook 50 Ohm moeten zijn.
Nu alle eigenschappen van de print bekend zijn, kunnen we met de formules uit 2.2 berekenen dat de breedte van een spoor ongeveer 2mm moet zijn om een karakteristieke impedantie van 50 Ohm te bereiken.





3.1 - De eisen voor de versterker



De versterker die ik wil bouwen is bedoeld om ATV signalen in de 23cm band (1240 - 1300 MHz) mee te kunnen versterken.
Het is dus de bedoeling om signalen van deze frequenties zo veel mogelijk te versterken.
Maar de versterker mag niet zomaar elk signaal versterken, omdat ik zelf ATV-signaal uitzend in de 13cm band (2320 - 2450 MHz). Signalen in deze band zullen dus door de versterker onderdrukt moeten worden.
Ook in de 2m band (144 - 145 MHz) wil ik kunnen zenden zonder dat de verster hierdoor vastloopt, dus niet alleen hogere frequenties dan de gewenste band, maar ook de lagere frequenties zullen tegen gehouden moeten worden door de versterker.

De versterker niet te veel ruisen. Als de versterker veel ruis maakt, zouden zwakke binnenkomende signalen 'verdrinken' in de ruis. Dit wil zeggen dat de hoeveelheid ruis groter is dan het signaal zelf, waardoor het signaal niet meer te ontvangen is.

De verschillende onderdelen van de versterker (vanaf de ingang tot aan de uitgang) worden uitgelegd in de volgende paragraven.






3.2 - Verstelbaar bandfilter



Om te voorkomen dat ongewenste signalen door de versterker versterkt zullen worden, wordt het signaal eerst gefilterd door een band-pass filter.
Dit filter bestaat uit een striplijn en vier varicap-diodes.

Een varicapdiode is een diode die in de sper-richting wordt aangesloten. De anode en kathode vormen twee platen net als in een condensator. Door de spanning op de diode te varieren, varieert de grootte van de electron-vrije ruimte tussen de anode en de kathode, waardoor de capaciteit van de varicapdiode dus veranderd.
De varicapdiodes vormen samen met de striplijn een afgestemde kring. Deze kring heeft een lage impedantie op de resonantie frequentie en een hoge impedantie op alle andere frequenties. Dit wil zeggen dat signalen die qua frequentie in de buurt van de resonantie frequentie liggen, zonder problemen door het filter gaan. Signalen die in frequentie veel hoger of veel lager dan de resonantie frequentie zijn zullen hevig onderdrukt worden door het filter.
De resonantie frequentie van het filter wordt bepaald door de lengte van de striplijn en de grootte van de varicapdiodes. Na een aantal test filters gebouwd te hebben bleek dat een spoor-lengte van ongeveer 250mm een filter oplevert dat niet te breedbandig doorlaat en ongewenste frequenties voldoende onderdrukt.

Het schema van het filter:


De spoelen hebben enkel als nut voor gelijkspanning een kortsluiting te vormen zonder daarbij de hoogfrequente signalen te beinvloeden.
Met de potmeter kan de spanning op de varicapdiodes geregeld worden en hiermee kan dus de resonantie-frequentie van het filter worden ingesteld.

Uit metingen bleek dat signalen van de gewenste frequentie (1240 - 1300 MHz) ongeveer 1.5 dB door het filter worden gedempt, terwijl signalen met een frequentie van 2000 MHz meer dan 35 dB worden gedempt.
Het filter werkt dus prima.






3.3 - De eerste versterker trap



Nadat het signaal uit het filter komt, gaat het de eerste versterker trap in. Als versterker heb ik gekozen voor een HEMT (High Electron Mobility Transistor) FET, namelijk de MGF4910D van Mitsubishi. Deze FET is gemaakt om signalen van frequenties tot 12GHz meer dan 10 dB te kunnen versterken.
Aangezien de versterking van een FET afneemt naarmate de frequentie hoger wordt, kun je wel nagaan dat deze FET enorm goed versterkt op 1.2 GHz.
De hoeveelheid ruis die een FET produceerd neemt toe met de frequentie. Aangezien deze FET op 12 GHz een ruisgetal van 0.60 dB heeft, zal deze op 1.2 GHz dus zeer weinig ruis veroorzaken.

Het schema van de eerste versterker trap rond de MGF4910D :
Versterker trap

Omdat deze FET pas geleid bij een negatieve gate spanning, is de spanning met de potmeter regelbaar tussen 0 en -10V.
De striplijn aan de drain van de FET werkt als filter. De lengte van dit printspoor is 32.5mm. Dit is een kwart van de goldlengte (rekening houdende met de verkortings-faktor van het spoor). De impedantie van een kortgesloten lijn van een kwart golflengte, is hoog-ohmig.
Het spoor is echter alleen hoog-ohmig op de frequentie waarvoor geldt dat de lengte een kwart golflengte is. Lagere frequenties worden door de striplijn doorgelaten en vervolgens kortgesloten door de condensator naar aarde.






3.4 - De tweede versterker trap



Het signaal dat uit de eerste versterker trap komt, wordt op de ingang van de tweede versterker trap aangeboden. De tweede versterker trap werkt precies hetzelfde als de eerste. De uitgang van de tweede versterker zit aan de uitgang van de versterker verbonden.

Het totale schema ziet er nu alsvolgt uit:
Totaal schema

Omdat de versterker bovenin een antennemast komt te hangen, wordt de voeding voor de versterker via de coax kabel aan de uitgang naar de versterker toe gestuurd. Om deze voedingsspanning van het signaal af te halen, zit er aan de uitgang een spoel. De spanning '+Vin' die de spoel van de kabel af haalt, gaat naar een apart printje toe dat de verschillende voedings-spanningen maakt voor de versterker (+10V, +5V en -10V).






4 - De werkende versterker



Na de bouw van de versterker is dit het resultaat:

(Voor meer plaatjes: zie bijlagen)






Besluit



Tijdens het testen van de versterker blijkt al gauw dat een goede voorbereiding zeker zin heeft. De versterker werkt perfect en heeft in de 23cm band een gain van ongeveer 35 dB. Andere frequenties worden goed onderdrukt.

De versterker is intussen in de antennemast gehangen en op de antenne aangesloten in plaats van de versterker die er eerst hing. Bij het maken van de oude versterker was niet gelet op de impedanties van printsporen en deze presteerde dus ook aanzienbaar slechter.

Eerst ontving de ATV repeater in Eindhoven (PI6EHV) met veel ruis, nu heb ik continu ruis vrij beeld en de signaal sterkte van het signaal dat de ATV ontvanger berijkt is veel groter.






Literatuurlijst



Internet sites
http://iaehv.iaehv.nl/users/post/pi6ehv/ PI6EHV ATV repeater
http://www.pi6alk.nl/ PI6ALK ATV repeater
http://www.pi6anh.nl/ PI6ANH ATV repeater
http://home.casema.nl/chrix/ PI6ATS ATV repeater
http://141.224.128.13/ Central states VFH Society
http://www.hzeeland.nl/~eddy/ham/links.html Diverse links naar amateur pagina's en projecten
http://psycho.psy.ohio-state.edu/atco/plevel.htm ATV P-level reporting
http://www.sigcon.com/news/skineffect.htm Skin Effect Calculations
http://www.ee.surrey.ac.uk/Personal/D.Jefferies/transmission.html Transmission lines
http://www.mwrf.com/index2.html Microwaves and RF
http://www.ee.surrey.ac.uk/Personal/D.Jefferies/microwaves.html Microwaves
http://www.veron.nl/ VERON - Vereniging voor Experimenteel Radio Onderzoek Nederland
http://www.vitsch.net/ham/docs/stripline_calc/ PCB Trace impedance calculator
http://www.vitsch.net/ham/docs/line_driving_and_system_design.pdf Line driving and system design (pdf-file)
http://www.epanorama.net/documents/wiring/cable_impedance.html Cable and stripline impedance
http://www.onlineconversion.com/ Online conversion - Convert anything to anything else
http://parlex.com/tech_papers/Flexible_CircuitDielectric.htm Dielectric base materials







Bijlagen






Klik op de plaatjes voor een grotere versie. (niet van toepassing bij de uitgeprinte versie van dit verslag :)

De LNA van buiten en binnen Een kijkje onder de motorkap

De zijkant van dichtbij Compleet ingeblikt en klaar voor gebruik

De LNA in de antenne mast

Beeld van PI6EHV, een ATV repeater in Eindhoven




Terug...




Email me with questions/comments : Daan <Daan @ pa4dan . nl>