Zesilovač LZ1AQ pro smyčkovou anténu

Zesilovač je standardní diferenciální zesilovač v zapojení se společnou bází [1]. Diferenciální vstupní odpor zesilovače je přibližně 3 ohmy při 1 MHz (stoupá s frekvencí, 7 ohmů @ 30 MHz, model SPICE) a zajišťuje vyrovnaný anténní faktor v širokém pásmu. Tato velmi nízká vstupní impedance snižuje také citlivost smyčky na elektrickou složku pole na minimální úroveň. Zesílení zesilovače s 1 m² smyčkou je nastaveno tak, aby výsledný anténní faktor byl přibližně mezi 0 až +6 dB/m (závisí na velikosti smyčky, tvaru a indukčnosti). V tomto případě je úroveň výstupního vnitřního šumu na aktivní WSML (Wideband Small Magnetic Loop) smyčce asi 10-15 dB nad úrovní vlastního šumu RX s MDS-130dBm @ 500Hz (tato citlivost je obvyklá u většiny komerčních transceiverů). Zvýšení zesílení zvýší pouze nelineární úroveň zkreslení.

Obr. 1a. Schéma zesilovače

Obr. 1b. Schéma napájecí části

Diferenciální zesilovač má dvě výhody pro redukci nelineárního zkreslení - snižuje úroveň signálu o 6 dB na každé rameno a snižuje výstupní úroveň intermodulačních produktů 2. řádu (a všech sudých řádů) o 20 - 30 dB. Potlačení závisí na symetrii tranzistorových párů a výstupním širokopásmovém transformátoru. Narušení druhého řádu jsou zde hlavním zdrojem rušivých signálů.

Zapojení zesilovače

Tranzistory jsou populární PN2222A (ekvivalent 2N2222A), které se chovají poměrně lineárně [2], šumové číslo kolem 4 dB a přijatelný ztrátový výkon. Použití tranzistorů s nižším šumem nijak podstatněji nesnižuje celkovou úroveň šumu. Pro zlepšení potlačení intermodulačních produktů 2. řádu by měly být použity odpovídající páry tranzistorů (párovat alespoň podle h_FE). Kolektorové proudy prvního a druhého páru jsou kolem 25 mA a 40 mA. Výkonová ztráta PN2222A (případ TO92) je 0,5 W při 50 ° C. V běžném rozsahu okolních teplot tyto tranzistory pracují bez chladičů. V případě, že smyčka bude použita pro kmitočty do 50 MHz, musí být výstupní tranzistorový pár s F_T > 1 GHz (BFR96 apod.). S úspěchem jsem vyzkoušel tranzistory 2N2222 "v plechu", tzv. v pouzdru TO-18, stejně tak vyhoví 2N2219.

Neexistuje zde žádné klasické impedanční přizpůsobení antény ke vstupu zesilovače, protože anténa skutečně pracuje v režimu zkratu. Modeloval jsem několik řešení se vstupními širokopásmovými transformátory. Lze sice dosáhnout mírného snížení hladiny šumu na některých frekvencích, ale změna není v žádném případě nikterak významná, proto bylo ponecháno nejjednodušší řešení bez transformátoru. Vstupní dolní propust (C5, L1, R21 - C10, L2, R22) slouží k částečnému potlačení signálů z rozhlasového pásma FM. Tento filtr také zlepšuje frekvenční odezvu na vyšších frekvencích. Q filtru je ovlivněno odpory R21, R22. Toto řešení je vhodné zejména ve městech, kde jsou obvyklé velmi silné signály blízkých FM vysílačů a bez tohoto filtru může docházet ke vzniku intermodulačních produktů. Filtr lze vynechat, pokud v okolí nejsou žádné vysílače FM nebo anténa bude používána jen na KV pásmech.

Zesilovač je velmi odolný vůči přetížení signálem z vlastního vysílače. Vstupní ochranu zajišťují antiparalelně zapojené diody D1 - D8. Větší počet diod je použit proto, aby obvod snesl větší proudové přetížení, které bývá nejčastější příčinou jeho zničení signálem z vlastního vysílače. Smyčka byla namontována 20 m od vysílací antény, napájené 1,5 kW PA a bez problémů vydržela 48 hodin trvající závod. Pro lepší ochranu před statickou elektřinou byl doplněn ochranný obvod s D9, D10, D11, D12 a R23.

V zesilovači se v hojné míře používá potlačení soufázových proudů (common mode currents) pomocí tlumivek, oddělovacích transformátorů a balunů mezi zesilovačem a napájecí částí.

Krabička Hammond 1509

Zesilovač je umístěn v odlitku Hammond 1509 (ekvivalent SODIAL Wate M1E7) s krytím IP67 (obr. 2). Tyto krabičky jsou běžně dostupné na trhu - lze použít jakékoli podobné. Připojovací kabel mezi anténou a přijímačem je stíněný typ UTP se 4 kroucenými páry, jaký se používá v sítích LAN. Signál a napájení používají oddělené páry. Používají se standardní konektory RJ45. Tyto konektory jsou velmi levné a spolehlivé, ale konektor RJ by měl být umístěn uvnitř krabice, protože není vodotěsný. Není třeba, aby byl box stíněn - předpokládá se, že anténa bude namontována alespoň několik metrů od elektrického zařízení a sníží se přímý vliv pole na desku zesilovače. Musí být spojen se zemí RX (šasi), ale na konci (anténa) by měl být plovoucí. Uzemnění zdroje (PS) je také plovoucí, pokud je použito nezávislé napájení stejnosměrným proudem. Ovládací skříňka obsahuje konektory RJ a BNC, tlumivky PS a balun T3. Skříňka by měla být stíněná, protože je umístěna v ham shacku a je možné rušení. Kabel má impedanci 100 Ω a může být připojen přímo na 75 nebo 50 Ω vstup RX bez znatelných nepříznivých účinků. Puristé, vyžadující přesné přizpůsobení, mohou použít širokopásmový impedanční transformátor 2:1.

V kabelu jsou 4 nepoužité vodiče. Ty by měly být uzemněny v části RX. Lze je použít pro dálkové ovládání přídavných relé nebo rotátoru.

Konstrukce

Zesilovač je postaven na desce plošných spojů o rozměrech 92 x 54 mm, která velmi dobře pasuje do odlitku Hammond 1509 (ekvivalent SODIAL Wate M1E7). 

Plošné spoje - vrchní strana

Plošné spoje - spodní strana

Konektor RJ45 je umístěn přímo na desce, uvnitř krabičky je i místo na průchodky pro vstup antény. Zesilovač je nutné orientovat tak, aby kratší strana krabičky s konektorem RJ45 směřovala dolů a průchodky pro anténní vstup nahoru. Díra v krabičce v místě konektoru musí být poměrně velká, aby jí prošel konektor RJ45. Před nakrimpováním konektoru na kabel je třeba nasunout gumovou průchodku, určenou pro příslušný průměr díry. Stabilizátor 7810 je rovněž na desce tak, aby mohl být šroubkem M3 (příslušnou díru je samozřejěm nutné předem vyvrtat) přitažen ke stěně krabičky, která slouží jako chladič. Vstupní průchodky, průchodku pro konektor RJ45 a šroubek je možné utěsnit silikonovým tmelem.

Pro napájecí část v ovládací skříňce není k dispozici plošný spoj, předpokládá se buď "vzdušná" prodrátovaná konstrukce, příp. lze použít odřezek univerzální desky.

Ke stažení:

Gerber soubory desky plošných spojů

Článek [2]

Odkazy:

[1] Levkov Chavdar, LZ1AQ, Wideband Active Small Magnetic Loop Antenna, http://www.lz1aq.signacor.com/docs/wsml/wideband-active-sm-loop-antenna.htm

[2] Trask Chris, Bipolar Transistor Evaluation, http://home.earthlink.net/~christrask/Bipolar%20Transistor%20Evaluation.pdf