Preamplificatore 432MHz RKE04.2009

Rock solid” preamplifier per 435 MHz

Ci sono due situazioni tipiche dell’operatività del radioamatore nelle quali un normale preamplificatore per i 430 MHz può risultare inadeguato:

  • operazioni simultanee multibanda 2m/70cm, magari in contest multi/multi

  • traffico via satellite, modo J (uplink VHF, downlink UHF)

Il problema comune a queste due situazioni è che all’ingresso del front end del ricevitore per i 70cm si presenta una elevata quantità di segnale a 144 MHz che può portare in saturazione il dispositivo attivo (o gli eventuali diodi di protezione/commutazione all’ingresso), peggiorando drammaticamente la ricezione.

La situazione qui esposta è quella più comune ed esemplificativa. I ragionamenti che si svilupperanno possono essere efficacemente reimpiegati per altre situazioni.

Per esempio, 2 medie antenne per i 2m e i 430, parallele fra loro e spaziate circa 3m offrono circa 40dB di isolamento. Supponendo di trasmettere con 100W (ed in contest sono pure pochi…) ecco che all’ingresso del preamplificatore ci ritroveremo circa +10dBm o se volete, ben 10mW!

Spesso il problema della cattiva ricezione viene erroneamente allocato come emissione in terza armonica del trasmettitore. Infatti, 144MHz x 3 = 432 MHz.

Se questo fosse il caso, con un semplice filtro passa basso il problema sarebbe risolto. Questa prova potrebbe essere impiegata come discriminante per definire correttamente il problema.

A puro titolo esplicativo, vediamo alcuni calcoli ispirati a situazioni reali.

Situazione 1: RTX commerciale, media potenza, antenne V e UHF parallele, spaziate qualche metro.

Situazione 2: come la 1, ma introducendo un filtro passa basso sul trasmettitore a 145 MHz

Situazione 3: RTX commerciale con l’aggiunta di un amplificatore lineare da 1kW, non particolarmente filtrato ed antenne ben spaziate su supporti indipendenti.

Situazione 4: come la 3 ma aggiungendo un buon filtro sull’uscita del lineare

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  • Situazione 1: la terza armonica del trasmettitore è ben ricevibile attorno ai 435 MHz. Il front end è però principalmente investito dai ben 500mV del segnale a 145 MHz che mettono in conduzione eventuali diodi di protezione e saturano i primi dispositivi attivi. La ricezione è quindi gravemente compromessa.

  • Situazione 2: si riduce un poco l’effetto della terza armonica del trasmettitore. Il front end continua però ad essere ancora saturato dai ben 500mV del segnale a 145 MHz La ricezione non migliora apprezzabilmente rispetto al caso 1.

  • Situazione 3: la terza armonica del trasmettitore è molto alta e produce verosimilmente prodotti di intermodulazione su tutta la banda UHF. Il segnale a 145MHz non è particolarmente intenso e la sua presenza verrà probabilmente mascherata dagli effetti non lineari prodotti dalla terza armonica.

  • Situazione 4: l’intervento del filtro è chiaramente visibile ed i benefici immediatamente apprezzabili. La terza armonica è ricondotta a livelli gestibili dalla dinamica della maggior parte dei preamplificatori. Il livello della fondamentale rimane a livelli poco pericolosi.

Il problema dei segnali TV e servizi in UHF

Come non bastasse il rientro del nostro segnale a 144 MHz, anche l’ambiente circostante spesso mette a dura prova il nostro sistema ricevente. Per chi opera nella banda dei 430 MHz, i principali nemici alla ricezione sono i trasmettitori TV in banda IV ed i servizi civili appena fuori banda amatoriale.

I limiti di vari ricetrasmettitori e preamplificatori commerciali

Il problema fin qui analizzato è comune a vari ricetrasmettitori ed alla più parte dei preamplificatori commerciali. Non me ne vogliano progettisti e rivenditori, ben capisco che progettare e costruire dispositivi adatti a questo specifico impiego avrebbe costi che la ridotta quota di mercato non pagherebbe. Quindi è logico che chi produce e commercia risponda alla maggioranza del mercato, senza aggiungere costi e prestazioni che solo una minoranza sarebbe disposta a pagare e godrebbe. Questo detto, vediamo a puro titolo d’esempio quali sono i tipici punti deboli di un apparato commerciale, prendendo come base un generico schema di front-end:

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  • I diodi all’ingresso (e talvolta all’uscita) del front end: hanno funzione di protezione del dispositivo attivo ma in caso di segnali ampi (e qui sono pure prima di ogni filtratura, quindi esposti alla somma di tutto quanto ricevuto dall’antenna) entrano in conduzione, distorcendo il segnale in ingresso e generando disturbi su tutta la banda.

  • L’ingresso è a larga banda: questo per motivi di costo, semplicità costruttiva e adattamento per migliori prestazioni di rumore dell’amplificatore. Peccato che la rete d’ingresso così progettata non protegga il dispositivo da forti segnali fuori banda.

Dividere il problema

Come spesso accade quando il problema si presenta complesso è meglio dividerlo in più parti, singolarmente più semplici da affrontare.

Ho quindi deciso di sezionare il sistema in tre parti così congegnate:

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La prima è un filtro elimina banda (notch) sintonizzato sulle frequenze dei 2m. Deve possedere buona attenuazione ma anche minime perdite a 435 MHz per non penalizzare la cifra di rumore totale dell’insieme.

Il secondo blocco è un preamplificatore ad alta dinamica e basso rumore.

La terza sezione è un filtro di banda stretto per eliminare al ricevitore il carico dei segnali, limitrofi alla banda d’ascolto.

Il notch

Il modulo elimina banda è ispirato ad un vecchio articolo di Heinz Hildebrand DL1CF.

Ecco lo schema elettrico così come importato nel mio programma di simulazione MicroCap:

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C1, C2 = 0,5 ÷ 3 pF

C3, C4, C5 = 1 ÷ 22pF

L1, L2, L3 = 3 spire di filo argentato Ø 1,5mm, supporto Ø 7mm

Il circuito è composto da tre celle risonanti parallelo messe in serie al segnale. Dette celle presentano una elevata (teoricamente infinita) impedenza alla loro risonanza, provocando una elevata attenuazione del segnale in ingresso. Al di sopra della frequenza di notch, le tre celle si presentano come una serie di induttanze. Le due capacità verso massa servono quindi a compensare la reattanza induttiva alla frequenza d’ascolto mentre risultano praticamente ininfluenti a 144 MHz.

Vg, Rg, RL sono gli elementi circuitali che simulano l’antenna ed il ricevitore e che mi sono serviti per una prima simulazione i cui risultati sono visibili sotto allo schema.

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L’articolo dichiarava la possibilità di ottenere un’attenuazione fino ad 80 dB a 145 MHz e circa 0,1dB a 435 MHz. Nella misura riportata nell’illustrazione qui a fianco i valori erano sostanzialmente confermati.

L’articolo è abbastanza scarno di informazioni costruttive e così ho cercato di renderlo attuale e facilmente replicabile con materiali e tecniche largamente disponibili.

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Illustrazione 1: Gigatrimmer

Per C1 e C2 ho impiegato dei compensatori ad aria con supporto ceramico noti come Gigatrimmer e prodotti della Johanson, mentre per i 3 elementi serie dei tradizionali Philips 7mm, a film plastico. Le induttanze sono in filo di rame rame argentato e spaziate circa un diametro del filo.

Il tutto è realizzato in aria, avendo grande cura nello schermare sezioni adiacenti per evitare che il segnale da filtrare “aggiri” il filtro stesso. Per questo ho usato una basetta di vetronite ramata come supporto di massa e ho realizzato con carta di spagna da 0,2mm i vari setti divisori delle sezioni del filtro. Per quanto brutto a vedersi, una volta completato e tarato, il filtro elimina banda ha dato i seguenti ottimi risultati:

superpre430_html_75727312Dalle misure si può notare come:

  • l’attenuazione a 145 MHz sia di ben 60dB garantendo un’ottima immunità dai rientri del segnale del trasmettitore VHF

  • l’attenuazione in banda a 435 MHz sia solo 0,3 dB, relé d’ingresso e connessioni comprese, quindi limitate perdite di sensibilità

  • l’adattamento in banda UHF sia molto buono, almeno 20 dB per 150 MHz di banda, questo facilita l’adattamento dell’ingresso del preamplificatore e la sua stabilità

Un buon preamplificatore

Negli ultimi anni la disponibilità di nuovi componenti e sistemi di progettazione al computer ha reso molto più semplice del passato il problema di realizzare amplificatori silenziosi ed al tempo stesso con buona dinamica. A puro titolo d’esempio cito i vari ottimi lavori di YU1AW ed altre realizzazioni basate su GaAsfet di media potenza quali i MGF1801 o il MGF0904A.

Nel mio caso, per semplicità, la scelta è caduta su un prodotto commerciale della Advanced Receiver Research, modello P432VDG, che avevo impiegato in passato con grande soddisfazione. Il prodotto è molto compatto e semplice da usare, reperibile, con un po’ di pazienza su vari siti a poche decine di Euro. Tutto l’amplificatore è contenuto dentro un contenitore professionale in alluminio fresato e dispone di connettori BNC per ingresso ed uscita e due capicorda per l’alimentazione a 12V e la massa. Tutto li.. una vera black-box! Le prestazioni sono buone e molto costanti fra i vari modelli: circa 0,5dB di NF e 18dB di guadagno. La banda passante è abbastanza ampia e può essere impiegato senza altri filtri in zone dove non sussistano trasmettitori in vicinanza.

Il filtro d’uscita

Come fin qui visto, né la rete notch d’ingresso né lo stadio di amplificazione hanno mitigato gli eventuali effetti dovuti a potenti segnali in UHF, tipo TV o servizi civili. Occorre quindi inserire una drastica filtratura, possibilmente con poca attenuazione. Uno dei modi più veloci e di sicuro risultato è stato impiegare un filtro ad elica, sintonizzabile, a due celle. Esistono a mio sapere due prodotti molto simili per prestazioni ed ingombri e sono il TOKO 7HW 43525A450 ed il Neosid 00.51.96.51. La differenza maggiore sta nel range di taratura che è più ampio nel TOKO. Avendolo disponibile nel cassetto ho preferito provare il TOKO attenendo gli ottimi risultati visibili nelle illustrazioni seguenti:

superpre430_html_m49c8746f superpre430_html_6fac2958Nell’immagine a sinistra, il filtro è misurato da 100 a 1500 MHz. Come si può vedere, ha un comportamento molto pulito, senza ritorni fuori banda dove l’attenuazione rimane sempre attorno ai 40dB. A destra invece, si possono meglio valutare le prestazioni attorno alla frequenza di passaggio. La perdita di inserzione è di soli 1,8 dB con i 420 MHz attenuati già di 10dB ed i 470 MHz (inizio banda IV TV) di ben 20 dB. Il return loss è buono e si attesta oltre ai -20dB su tutta la banda utile (435 ± 3 MHz).

L’integrazione degli elementi

Una volta completato il progetto e la realizzazione dei singoli blocchi, occorre integrarli in un idoneo contenitore che li protegga sia dagli agenti ambientali (pioggia e polvere) sia dalle interferenze radio. Un’ottima scelta per costi e prestazioni sono le scatole in alluminio per esterni, che garantiscono una elevata schermatura radio ed un grado di protezione IP65, grazie ad una guarnizione in neoprene fra coperchio e box. Nel mio caso, la versione con alette di montaggio si è rivelata particolarmente conveniente per poterla poi fissare lungo il mast, a fianco dell’antenna. Ogni altra soluzione equivalente andrà ovviamente altrettanto bene.

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Tutti i componenti trovano posto comodamente, pur impiegando un cablaggio punto a punto poco elegante ma molto “domestico”. Sui lati corti opposti della scatola ho montato anche i due relè di commutazione, dei consueti Tohtsu con uscita su connettore N e due ingressi cavo. Il coassiale che porta la potenza in trasmissione è un RG142, un 5mm con isolante in teflon. I cavetti sulla linea di ricezione invece sono dei RG316, un 3mm sempre in teflon. Tipo di isolante e diametro dei cavi sono stati scelti coll’obiettivo di ottimizzare perdite e facilità d’impiego (flessibilità).

Una parola particolare va spesa per la linea che porta l’alimentazione dentro la scatola schermata. Dopo tanti sforzi per eliminare segnali indesiderati dall’ingresso del nostro ricevitore, un approccio sbagliato in questo punto potrebbe vanificare tutto. Il cavo che porta la tensione continua è infatti un’ottima “antenna” e se non adeguatamente filtrato veicola all’interno della scatola schermata quanto raccolto nel suo tragitto, iniettandolo di fatto a valle dei vari filtri. Ecco quindi che è necessario eseguire una adeguata filtratura e schermatura dell’area d’ingresso del cavo di alimentazione. Fortunatamente, la soluzione pratica è più difficile a spiegarsi che a farsi ed uno sguardo alla fotografia dell’interno dovrebbe eliminare ogni dubbio. I condensatori in serie alle linee (+12pre, +12V relè) sono dei comuni coassiali di bypass da 1 nF, saldati su un lamierino d’ottone da 2/10mm che, fermato sotto al dado del passacavo, funge da elemento schermante del compartimento d’ingresso.

Il risultato finale..

Bene, dopo tanti sforzi e ragionamenti dove siamo arrivati? Ecco l’ora della verità, misurata dagli strumenti e dalla prova pratica nella mia stazione.

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Alla prova degli strumenti il risultato è a mio giudizio più che soddisfacente. Il preamplificatore, nella sua interezza (da connettore N a connettore N, cavi e relè compresi) mostra una NF di circa 0.8 dB ed un guadagno di oltre 16 dB: giusto quanto serve per migliorare la ricezione senza saturare il ricevitore e provocare effetti peggiori di quelli che si volevano curare.

Superata la prova strumentale, ecco la verifica sul campo, in questo caso nella mia stazione domestica dove eseguo traffico via satellite in modo J. La situazione di partenza era abbastanza deprimente. Impiego infatti un FT847 tuttofare, senz’altro flessibile ma poco performante. Spesso lavorando in modo J (uplink VHF, downlink UHF) avevo qualche problema di ricezione già col suo preamplificatore interno spento. Talvolta, in caso di downlink debole avevo provato ad inserire il pre interno, ma i risultati erano stati pessimi, con grande desensibilizzazione e rientro dell’up-link. Insomma col satellite (FO-29) lontano era difficile risentire il proprio segnale traslato. L’autunno scorso finalmente completavo questo lavoro e provavo.. ed ecco subito le prime conferme: col nuovo preamplificatore acceso, comunque puntassi le antenne non c’erano effetti alcuni sull’ascolto mentre trasmettevo, anzi, il suo inserimento migliorava nettamente la prestazione del solo FT847. Come dire, c’è meno disturbo a pre inserito che spento! Il downlink a 435 era finalmente pulito e silenzioso, anche in solo ascolto, questo mi fa supporre che anche altri segnali fuori banda (ora drasticamente filtrati), oltre al mio uplink, mettessero in difficoltà il povero front end in 70cm.

Bene, spero che questo articolo porti elementi utili per risolvere un problema che sento comune a molti appassionati e che sia di stimolo magari per creare soluzioni ancora migliori!

Buon lavoro e DX a tutti!

Bibliografia:

Das Mode-J-Filter, Heinz Hildebrand

www.rfmicrowave.it/pdf/catalog.pdf

www.rs-components.it

www.qsl.net/yu1aw

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