VLNA для EME связей

VLNA для EME связей

Очень малошумящий  предусилительсилитель для диапазонов УВЧ
автор  «Sam Jewell, G4DDK»

VLNA Paper For EME2012 V2
VLNA Paper For EME2012 V2
VLNA-Paper-for-EME2012-V2.pdf
2.1 MiB
11 Downloads
Детали

 

 

 

Печатная плата МШУ:

LNA Ver2
LNA Ver2
LNA-ver2.lay
32.9 KiB
9 Downloads
Детали

Оптимизация МШУ на 1296 МГц.

Автор Сергей Жутяев, RW3BP
Четверг, 15 Апрель 2010
Немного истории
Впервые с генератором шума я познакомился кажется в 1963 году. Нашел вакуумный шумовой диод 2Д2С и соорудил свой первый измеритель коэффициента шума. Это была ламповая эпоха, хотя она уже подходила к концу. Высшим достижением стали так называемые нувисторы, разработанные фирмой RCA. Они имели наилучшие шумовые параметры. У нас они тоже выпускались (например 6С52Н, 6С53Н…), но появились слишком поздно и широкого применения не получили. Зато еще до этого появилась советская миниатюрная металло-керамическая лампа 6С17КВ, которая имела очень маленькие шумы. Она была лучше чем нувисторы и еще долго держала первое место, не уступая лучшим транзисторам. Первый транзисторный приемник на 144 и 432 МГц я сделал в 1966 году. На входе приемника стояли самые лучшие для того времени транзисторы. Но тем не менее они пока были хуже чем лампы. Пожалуй только в семидесятых лампы были окончательно побеждены. Во второй половине 70х я закончил разработку транзисторных трансвертеров для любительских УКВ диапазонов (144 МГц, 432 МГц и 1296 МГц ), описал их в книжке и получил за трехлетний каторжный труд гонорар 422 рубля. С начала 80х я практически полностью переключился на работу. К радиолюбительству я вернулся в середине 90х. Пока я занимался работой произошла главная революция в технологии МШУ. Имею в виду появление на рынке малошумящих арсенид-галлиевых полевых транзисторов. Эти транзисторы перевернули представление о границах достижимого. При комнатной температуре стало возможно то, что ранее получалось огромными усилиями при криогенных температурах. Сейчас возникает ощущение, что главные технологические достижения уже позади. За последние 10 — 20 лет существенного улучшения шумовых параметров не видно.

Особенность радиолюбительского применения данных транзисторов в том, что мы их используем совсем не на тех частотах, на которые они рассчитаны. Даже 1296 МГц это слишком низкая частота для большинства из них. Поэтому первые МШУ на СВЧ полевиках были очень несовершенны и неустойчивы в работе. Но это было 30 лет назад. Я этим вопросом занялся всего 4 года назад и имел возможность опереться на накопленный за предыдущие годы опыт.

Конечно более или менее надежное понимание различных хитростей пришло не сразу. Главное, что я сделал правильно в самом начале, это занялся усовершенствованием измерений (см предыдущую часть статьи). Первый этап был скорее ознакомительный. Реальные результаты пошли после того, как был готова к работе измерительная установка с «холодной» рупорной антенной. К этому времени я уже накопил некоторый опыт и изготовил несколько вариантов МШУ. Начал чувствовать некоторые закономерности. В это время довольно удачно обратил внимание на МШУ G4DDK. Предусилитель мне понравился «с первого взгляда», т.к. был очень близок к тому, к чему я сам потихоньку подходил. Я имею в виду не только схему, но и конструкцию. Все довольно просто. Корпус из луженой жести. Печатная плата из обычного FR4. Для снижения потерь входная цепь не имеет контакта с печатной платой и «висит в воздухе» между входным разъемом и затвором транзистора. И, конечно, два каскада. Это мне тоже к тому времени стало ясно. Дело не только в том, что надо получить необходимое усиление, а еще в том, что в двухкаскадном усилителе проще обеспечить стабильность.

Сделал печатную плату и смонтировал первый образец на ATF36077. Довольно легко получил коэффициент шума чуть больше 0.3 дБ. Единственная проблема, с которой пришлось бороться, это склонность входного транзистора к генерации СВЧ колебаний. Тем не менее, малошумящий усилитель G4DDK мне понравился. Все мои последующие эксперименты я делал на этой «платформе». Здесь мне очередной раз помог Владимир RA3ACE. Он смонтировал мне несколько печатных плат, а я занимался корпусами, разъемами и входными транзисторами. Это позволило прокручивать разные варианты, не трогая достигнутого ранее. К тому же можно было изготовить пару МШУ для использования только как «эталон» для калибровки измерительной установки. Главное это то, что я освободился от необходимости думать про вспомогательные цепи — стабилизаторы, преобразователи, регуляторы цепи смещения… . Все то, что мне обычно лень делать и что меня всегда раздражало. Можно было сконцентрироваться на главном, на борьбе за коэффициент шума.

В этой части статьи я не хочу писать формулы и углубляться в теорию. Просто постараюсь показать те приемы, с помощью которых добивался улучшения чувствительности МШУ. Эти приемы были найдены в многочисленных экспериментах известным методом проб и ошибок. Конечно это стало возможно благодаря точным и надежным измерениям. И конечно эти поиски опирались на некоторые основные принципы и на некоторые гипотезы, которые возникали по ходу дела.

Долго искал способ изложения материала и, в конце концов, остановился на следующем. Решил взять исходный вариант МШУ G4DDK и поэтапно вносить в него свои изменения. При каждом изменении фиксировать полученный результат. Давать необходимые иллюстрации и пояснения. Хорошо, что на предыдущей ЕМЕ конференции я приобрел у Сэма G4DDK полный набор деталей (правда, к сожалению, без SMA разъемов). Теперь этот набор очень пригодился. Итак

Шаг 1. Исходный вариант МШУ G4DDK.

Сборка МШУ не вызвала вопросов. Все детали аккуратно разложены по пакетикам и промаркированы. Инструкция подробная и понятная. Как обычно особое внимание уделил сборке входной цепи. Здесь очень важно аккуратно обращаться с флюсом. Если канифоль или прочий флюс попадет под входной транзистор, то это может заметно ухудшить коэффициент шума. То же самое относится к входному конденсатору 2.7 пФ и к входному разъему. Если флюс попадет в щель между центральным выводом разъема и фторопластовым изолятором, то его уже ничем оттуда не удалишь. Мне трудно оценить степень ухудшения чувствительности, т.к. специальных экспериментов на этот счет я не делал. Но деградацию коэффициента шума наблюдал не один раз. Так что лучше не рисковать. Последнее время я эти пайки делаю с помощью тонкого припоя (0.25мм) котрый содержит мало флюса. Ножки транзистора немного загибаю вниз, так что он слегка приподнят над платой. Стараюсь паять только кончики ножек. То же самое относится к центральному выводу разъема. Кстати разъемы применил фирмы Amphenol.

Первое включение прошло без сюрпризов. МШУ сразу заработал, но коэффициент шума был хуже ожидаемого. К сожалению я этот результат не записал. Думаю было примерно 0.35 дБ или даже хуже. Выяснилось, что есть самовозбуждение на СВЧ.

Для проверки я использую простой прием. Держу ладонь над усилителем, а затем начинаю перемещать ладонь вверх и вниз. Крышка с усилителя конечно снята. При этом наблюдаю за уровнем шума на экране анализатора спектра. Если ладонь не оказывает заметного влияния на этот уровень, то все в порядке. Если уровень начинает быстро флюктуировать, то СВЧ генерация есть. Для примера смотри рис 4.1.

rw3bp_niose_measurement

Рис 4.1

Здесь время развертки 10 с. Половину времени я держал ладонь неподвижно, вторую половину двигал ладонь вверх — вниз. Можно конечно обойтись без анализатора спектра. Надо просто смотреть на ток первого транзистора. Для эксперимента я подключил осциллограф к резистору R4 (150 Ohm). Переключил вход с DC на AC и поставил чувствительность 5 mV на деление. Осциллограф маленький, изолированный от «земли». Поэтому подключил его прямо параллельно резистору (корпус на выход стабилизатора 5 V). На рис 4.2. показано, что и таким способом все прекрасно видно.

rw3bp noise measurement

Рис. 4.2

Пришлось положить кусочек поглотителя рядом с выходом первого каскада рис 4.3.

rw3bp g4ddk lna

Рис. 4.3

При этом генерация полностью исчезла. Подстроил режим по постоянному току. Оптимум примерно соответствует максимуму шумового сигнала на выходе МШУ, т.е. максимуму коэффициента усиления. Немного подстроил катушку, которая подключена к затвору входного транзистора. Окончательный результат на скриншоте рис 4.4.

rw3bp noise figure measurement

Рис. 4.4

Шаг 2. Оптимизация входного каскада.

Главная проблема оптимизации — это получить наивысшую чувствительность и при этом сохранить устойчивость МШУ. Обычно эти параметры противоречат друг другу и приходится искать компромисс. К профессиональным МШУ обычно предъявляется требование безусловной стабильности (unconditionally stable LNA). Иногда ее называют абсолютной стабильностью. Это означает, что самовозбуждение усилителя должно отсутствовать независимо от условий на входе и на выходе. При любых импедансах, при любых КСВ. Критерием является коэффициент устойчивости «K», который не должен быть менее единицы на любой частоте, где транзистор сохраняет усилительные свойства. Для определения «K» должны быть известны S-параметры МШУ во всем диапазоне частот. Формула для вычисления «K» довольно громоздкая и, в общем, бесполезная для нас. Для измерения S-параметров нужен очень дорогой векторный анализатор цепей. Если же получать S-параметры с помощью моделирующих компьютерных программ, то там коэффициент «K» вычисляется автоматически.

Рецепты оптимизации МШУ известны давно. Я впервые прочел об этом в статьях, которые написал Rainer DJ9BV. Например http://www.mrs.bt.co.uk/dubus/9104-5.pdf . Это статьи в журнале DUBUS начала девяностых годов. Там он ссылается на более раннюю статью, которую написал Al WB5LUA (теперь W5LUA). Более поздняя статья DJ9BV (DUBUS 4 — 93) описывает МШУ на 23см, который содержит все те технические решения, которые применяются до сих пор. Это отрицательная обратная связь за счет индуктивности в цепи истока, это резистор на выходе транзистора, который повышает устойчивость в широком диапазоне частот. Это частотно зависимые потери в цепях питания, которые повышают устойчивость на низких частотах.

Отрицательная обратная связь за счет индуктивности в цепи истока это наиболее эффективный прием, который начал применяться профессионалами на стыке семидесятых и восьмидесятых годов. Эта обратная связь не только снижает усиление и повышает устойчивость каскада. Она помогает сблизить оптимальное согласование по минимуму коэффициента шума с оптимальным согласованием по коэффициенту усиления. Только благодаря обратной связи удается разработать чувствительный МШУ с хорошим КСВ по входу. Это хорошо показано в статье, которую написали Al W5LUA и Tommy WD5AGO ( http://www.ntms.org/files/CS2007_LNA.pdf ). Однако у этого приема есть ограничения. С ростом частоты обратная связь переходит из отрицательной в положительную. Начиная с некоторого значения индуктивности условие К>1 на высоких частотах не выполняется. МШУ теряет устойчивость. Поэтому приходится идти на компромисс. Частично повышать устойчивость за счет индуктивности, частично за счет резистора на выходе транзистора.

Когда я экспериментировал с МШУ, то на практике заметил, что резистор на выходе транзистора заметно портит коэффициент шума. Возникло желание по возможности уменьшить этот резистор. Кончилось тем, что я его совсем убрал. Поначалу обеспечивал устойчивость RLC шунтами на выходе транзистора. Позже начал увеличивать индуктивность обратной связи. Тут надо было преодолеть психологический барьер. Всю жизнь, еще начиная с ламп я боролся с паразитными индуктивностями. Всегда считал, что чем надежнее заземлен общий электрод (катод, сетка, эмиттер…) тем лучше. А тут пришел к тому, что истоки транзистора висят на двух тонких проволочках. Тем не менее это работает. Не очень технологично, но эффективно и устойчиво. Возможно помогают потери на излучение, которые растут с увеличением частоты. Итак убираем резистор из цепи стока. В истоки добавляем две медные проволочки диаметром 0.18 мм и длиной 5мм. Припаяны к вутренним переходным отверстиям на плате (туда, куда были до этого припаяны ножки транзистора). Затем согнуты петельками и припаяны к концам ножек истока. Транзистор приподнят над платой на 2…2.5 мм. Выход транзистора соединен с линией такой же проволочкой. Длина по месту. Смотри рис 4.5

rw3bp lna

Рис. 4.5

Результат показан на рис 4.6. Улучшение 0.031 дБ или 2.2K.

rw3bp LNA noise measurement

Рис. 4.6

Шаг 3. Уменьшение влияния второго каскада.

Схема МШУ содержит еще ряд элементов, предназначенных для повышения его устойчивости. К сожалению они ухудшают коэффициент шума. В частности это резистор R3 (51 Ом), стоящий в цепи постоянного тока. Он вносит заметные потери в межкаскадную цепь. Резистор ухудшает коэффициент шума второго каскада, а следовательно и общий коэффициент шума. Подробнее это влияние было рассмотрено во второй части статьи. Попробуем убрать резистор.

rw3bp LNA

Рис. 4.7

На рис 4.7 показана переделка. Резистор R3 удален. Вместо резистора добавлена дроссельная катушка, которая идет на блокировочный конденсатор (100 пФ). Далее через дополнительный резистор 100 Ом. Резистор и дополнительный конденсатор стоят «домиком» на плате. Таким образом резистор 51 Ом заменен на резистор 100 Ом. Правда перед этим был удален резистор R2 (22 Ом). Поэтому общее сопротивление возросло на 27 Ом по сравнению с оригиналом. Результат переделки показан на скриншоте рис 4.8. Улучшение 0.01 дБ или 0.7K.

rw3bp noise measurement

Рис. 4.8

Шаг 4. Замена входного разъема.

Разъем непосредственно стоит во входной цепи МШУ. Потери в разъеме напрямую суммируются к коэффициенту шума. Чем же плох такой красивый, сияющий золотом разъем. Проблема в том, что для подавляющей массы разъемов толщина золотого покрытия составляет 0.1…0.2 мкм (микрона). Это примерно в 20 раз меньше, чем толщина скин-слоя. Под золотом всегда слой никеля, который служит барьером против диффузии золота в нижние слои. Далее основной металл. Для гнезда разъема это обычно упругая бронза, которая является плохим проводником. В результате основная часть высокочастотного тока протекает по плохому проводнику, что увеличивает потери. Более толстое золотое покрытие встречается только в дорогих специальных разъемах. Но даже там оно тоньше скин-слоя на частоте 1296 МГц. В результате я перешел на наши, еще советские разъемы с серебряным покрытием СР-50-727ФВ. Правда они имеют метрическую резьбу М6х0.75, но импортная дюймовая гайка прекрасно на него наворачивается. К сожалению обратной совместимости нет. Метрическая гайка на дюймовую резьбу не наворачивается. Серебрянное покрытие толщиной 6 мкм с большим запасом перекрывает скин-слой. К тому же серебро превосходит золото по проводимости. Для справки толщина скин-слоя на частоте 1ГГц в микронах составляет:

Серебро   2.0
Медь      2.1
Золото    2.6
Никель    9.0

rw3bp lna

Рис. 4.9

rw3bp lna

Рис. 4.10

На рис 4.9 разъем в первоначальном виде. Затем я отрезал лишнее и припаял его на место рис 4.10.

Результаты замены показаны на скриншоте рис 4.11. Улучшение 0.022 дБ или 1.5K.

rw3bp lna

Рис 4.11

Шаг 5. Замена входного конденсатора.

Я не нашел в спецификации на набор тип входного конденсатора 2.7 пФ. Поэтому решил попробовать заменить его на уже проверенный SQCAEA2R7BATME фирмы AVX. Это ответственная деталь и от нее многое зависит. Замена дала результат. Смотри скриншот рис 4.12 . Улучшение 0.01 дБ или 0.7K.

rw3bp LNA noise measurement

Рис 4.12

Шаг 6. Замена входного транзистора.

Правильный выбор входного транзистора это очень важный вопрос. На первый взгляд ничего сложного. Открываем справочные данные и ищем транзистор с самым хорошим коэффициентом шума на частоте 1300 МГц. Но на практике все совсем не так. Как показывает опыт, лучшие результаты получаются на транзисторах, которые совсем не предназначены для использования на столь низких частотах. Часто справочные данные на самые интересные транзисторы начинаются с 2 ГГц или даже с 4 ГГц. Но даже если эти данные приведены для более низких частот, они носят очень приблизительный характер. Похоже это результат математического моделирования, а не реальных измерений. Заводской контроль проводится на частотах выше 10 ГГц, т.е. очень далеко от нашего диапазона. Все это усложняет задачу правильного выбора.

В результате единственным надежным способом выбора становится прямой эксперимент. Конечно это очень трудоемкий способ. К тому же никогда не знаешь какие экземпляры транзистора тебе достались, поэтому трудно делать обобщающие выводы. Например у меня ничего хорошего не получилось с транзистором ATF36077, очень популярным в Северной Америке. Не знаю в чем дело. Возможно к нам попадают далеко не лучшие экземпляры. Еще одна проблема это подделки, которых все больше на рынке электронных компонентов. Иногда это грубые подделки, которые легко определить с первого взгляда. Иногда это понимаешь только по результатам измерений. Часто это низкосортные транзисторы с аккуратно измененной маркировкой.

Первый, по настоящему хороший результат удалось получить с транзистором NE32584C. Получил коэффициент шума в районе 0.2 дБ. После этого попробовал найти что то подобное среди современных транзисторов серии NE, но увы это не удалось. Несмотря на то, что datasheet обещал более хорошие параметры, реальные измерения это не подтвердили. Следующий значительный прирост результатов получился с также не новым транзистором MGF4919G. И тоже более новый транзистор MGF4953A оказался хуже старого. Вопреки написанному в справочных данных.

В октябре 2009 я еще раз проверил имеющиеся у меня транзисторы в составе одной из последних версий МШУ. Для каждого транзистора подбирался оптимальный режим по постоянному току. Входная цепь также подстраивалась. Получил следующие результаты для коэффициента шума:

FHX35                 0.24 dB
NE32584C              0.22 dB
NE334S01              0.19 dB
NE3210S01             0.185 dB
NE3514S02             0.18 dB
NE3511S02             0.175 dB
MGF4953A              0.155 dB
MGF4919G              0.14 dB

Надо сразу отметить, что конкретный экземпляр NE32584C явно невысокого качества. Старые, которые я приобретал еще в конце девяностых, начале двухтысячных, у меня закончились. Этот из вновь приобретенных и не самых удачных. Итак на данный момент для меня чемпион это MGF4919G. Все остальные тоже хороши, но до чемпиона явно не дотягивают.

Итак заменяю NE32584C на MGF4919G. После замены потребовалась подстройка режима по постоянному току. Напряжение на затворе -0.155 V, на транзисторе 1.2 V. Результаты замены показаны на скриншоте рис 4.13. Улучшение 0.028 дБ или 2.0K.

rw3bp noise measurement

Рис 4.13

Шаг 7. Замена индуктивности L2.

Еще один источник дополнительного шума на входе МШУ это резистор R1 (51 Ом) в цепи постоянного тока затвора входного транзистора. Емкость блокировочного конденсатора C2 невелика (8.2 пФ). Поэтому резистор R1 вносит потери во входную цепь. С понижением частоты эти потери растут, что обеспечивает стабильность МШУ на низких частотах. Для уменьшения потерь на рабочей частоте я решил увеличить индуктивность L2. Теперь катушка содержит 4 витка. Входной каскад после переделки показан на рис 4.14.

rw3bp lna

Рис 4.14

Результаты переделки на рис 4.15. Улучшение 0.008 дБ или 0.5K.

rw3bp noise measurement

Рис. 4.15

На рис 4.16 и 4.17 показаны результаты измерений после седьмого шага. На рис 4.16 показан уровень ослабления волны, отраженной от входа МШУ. На частоте 1296 МГц это -15.5 дБ, что соответствует входному КСВ = 1.4. Коэффициент усиления МШУ показан на рис 4.17. На рабочей частоте коэффициент усиления равен 36.9 дБ.

rw3bp noise measurement

Рис. 4.16

rw3bp noise measurement

Рис 4.17

Наконец в запасе остался только один решительный шаг.

Шаг 8. Убираем конденсатор С1.

При работе ЕМЕ входной конденсатор C1, в принципе, не нужен. Зонд облучателя антенны не имеет контакта с корпусом. К тому же он хорошо экранирован от внешних воздействий. Поэтому электрический контакт затвора входного транзистора с зондом абсолютно безопасен. Проблемы возникают не при эксплуатации МШУ, а при его настройке. Стандартный источник шума имеет сопротивление по постоянному току 50 Ом. Поэтому при настройке потребуется дополнительный разделительный конденсатор. Я для подобных целей иногда использую SMA адаптер «папа/мама» типа BLK-18 (Mini-Circuits) с конденсатором внутри. Так называемый DC Block. Однако при измерениях с «холодной» рупорной антенной подобной проблемы нет. Ведь в ней тоже стоит изолированный от корпуса зонд. Итак производим последний выстрел — убираем C1. Переделка показана на Рис 4.18. Следующую иллюстрацию Рис 4.19 привожу потому, что на ней хорошо получились индуктивности в истоках транзистора. Перед переделкой попробовал заменить MGF4919G на другой экземпляр. Но это не дало заметного улучшения. Напротив, ликвидация C1 дала результат. Смотри Рис 4.20. Улучшение 0. 011 дБ или 0.8 K.

rw3bp lna

Рис. 4.18

rw3bp lna

Рис. 4.19

Перед переделкой попробовал заменить MGF4919G на другой экземпляр. Но это не дало заметного улучшения. Напротив, ликвидация C1 дала результат. Смотри Рис 4.20. Улучшение 0. 011 дБ или 0.8 K.

rw3bp lna

Рис. 4.20

В результате всех внесенных изменений улучшение составило 0.12 дБ или 8.4K.
Окончательный результат NF = 0.132 dB. Tn = 8.9 K.

Выводы.

Я постарался наглядно продемонстрировать эффективность методов, найденных в ходе многочисленных экспериментов. Время от времени я использовал моделирующие программы, но больше как подсказку, а не как основной инструмент. Конечно у меня есть своя конструкция МШУ, в которой реализованы продемонстрированные методы. Но я все пытаюсь его улучшить и никак не могу поставить точку. Надеюсь в ближайшее время закончить эту работу и дать описание своего МШУ. Впрочем особого выигрыша по сравнению с продемонстрированными цифрами там нет. Лучшее, что я получал — это NF = 0.125 дБ. Разница всего 0.7K. Хотя, конечно, эти градусы достаются все тяжелее и тяжелее.

И, конечно, напоминаю, что все эти цифры соответствуют некоторой моей шкале. Сотые доли децибела близки к истинным значениям. Тысячные доли годятся только для относительных измерений.