LAAJAKAISTAISET RF-VAHVISTIMET


15.8.2010

Tein tälle sivulle vähän päivitystä ekan kerran 11 vuoteen koskien lähinnä vahvistinmallin
697-1 korjauksen videolinkkejä:
osa 1 ja osa 2. - muu teksti onkin sitten vuodelta 1999.



Tarkoitukseni ei ole tässä yhteydessä selvitellä RF-vahvistimien koko kirjoa
vaan paneutua vastaanottimen ja antennin välille liitettyihin vahvistimiin lähinnä
keskiaalto-ja tropiikkibandien kuuntelua ajatellen.

Heti aluksi on syytä muistuttaa, että optimituloksen saavuttamiseksi olisi ennen
vahvistinta hyvä käyttää hyvän dynamiikan omaavaa vaikkapa "passiivista preselektoria"
eli halutulle taajuudelle säädettyä virityspiiriä. Tällä voidaan välttää ongelmia
joita voi syntyä varsinkin jos käytettävän vastaanottimen etupiirit ovat laajakaistaiset
ja se ei ole erityisen hyvä signaalinsietokyvyltään.

Esittämäni vahvistimet ovat suunnitellut 50 ohmin sisääntuloimpedanssille,
joten antennin olisi oltavatäten sovitettu jos ei käytetä preselektoria tai
antenninvirintintä jonka ulostuloimpedanssi on tässä luokassa.

Joskus 90-luvun lopulla sain tiedusteluja uuden AOR 7030:n ostajilta mahdollisuuk-
sista parantaa vastaanottimen herkkyyttä keskiaalloilla varsinkin päiväkuunte-
lussa. Tietysti mahdollisuuksia on "viritellä" itse laitetta, muuttaa komponent-
teja jne.

Koska nämä ovat kuitenkin usein hankalia toteuttaa ja koska erillisen vahvis-
tinpalikan käyttö on monipuolisempaa päädyin aloittamaan kokeilut erilaisilla
kytkentävaihtoehdoilla.

Kuunneltaessa esim Lapissa ovat olosuhteet aivan erilaiset niin kotimaisen
kuin eurooppalaisenkin häiriötason suhteen. Voitaneen sanoa, ettei vahvistin
käytettäessä sitä Lapissa tarvitse läheskään yhtä hyvää dynamiikkaa kuin
etelässä kun se on pitkän lanka-antennin ja vastaanottimen välissä.

Molemmissa tapauksissa olisi vahvistin saatava tietysti itsessään mahdolli-
simman vähäkohinaiseksi vaikka aina väitetäänkin , että "man made noise"
onkin alataajuuksilla niin suuri, ettei asialla ole merkitystä. Mielipiteeni on
kuitenkin se, että summautuu se kuitenkin kokonaisuuteen.

Toisaalta vahvistimissa havaittu kohina on myös usein lopputulos systeemin
jonkin osan huonosta signaalinsietokyvystä.
Jotta vahvistin toimisi kaikissa
tilanteissa hyvin pitää sen omata laaja dynamiikka.


Normaalisti ei myöskään vahvistuksen tarvitse olla kovin suuri. Luokkaa 10 dB
on usein riittävä. Tutkittuani eri lähteistä kokemuksia mitä erilaisista laitteista
oli saatu päädyin unohtamaan toteutukset feteillä tai mosfeteillä. Silti on täysin
mahdollista tehdä hyvä vahvistin feteilläkin kunhan komponentit valitaan oikein.

Mosfet vahvistimet taas ovat omiaan antennirakenteissa joissa antennista saa-
tava signaali on tasoltaan pieni kuten erilaisissa loopeissa ja piiskoilla tms.
toteutetuissa aktiiviantenneissa.

Kun antennina ovat tehokkaat antennit on vahvistimen signaalinsietokyky koe-
tuksella.Esimerkiksi itselläni jenkkisuuntaan vedetyn päätevastuksettoman anten-
nin toinen vastaanottosuunta sattuu erittäin sopivasti Venäjälle ja on oivallinen pit-
käaaltoantenni tässä tapauksessa.

Spektrianalysaattorilla katsottuna taajuuden 234 kHz asema on moninkertaisesti
voimakkaampi kuin yksikään muu koko kuuntelualueella välillä 500kHz-30MHz.

Seurattuani analysaattorin näytöltä asemaa ja samalla kuunnellessa eri taajuuksia
havaitsin huomattavan määrän ylimääräistä kohinaa ja joitain vinkunoita häipyvän
heti ko. kun lähetin suljettiin.

Syy on helposti ymmärrettävä. Vahvistimen vahvistaessa yhtä voimakkaasti esim.
100-200mV:n signaalia kuin mikrovolttitasoisiakin joutuu vastaanotin koville mikäli
sen etupään virityspiirit eivät ole tehokkaat. Ja leveillä bandisuotimilla varustetuissa
halvemissa nykypäivän vastaanottimissa ei yleensä etupiirejä tässä mielessä voi
kehua.
Syy voi tietysti olla osittain myös ionosfäärissä tapahtuvassa ristimodulaatiossa
jota esiintyy isotehoisilla LF-alueen lähetteillä.

Näistä lähtökohdista aloin kokeilla erilaisia toteutusvaihtoehtoja, joista pariakin eri
toimintaperiaatetta ja useanlaistakin eri versiota viime vuonna.

Käyttämieni vahvistinkytkentöjen periaatteina ovat joko tavanomainen RF-takaisin-
kytketty vahvistin tai tyyppi, jossa takansinkytkentä toteutetaan laajakaistamuunta-
jalla.

Tämän tyyppisistä vahvistimista on mm. amerikkalaisissa julkaisuissa ollut runsaas-
ti artikkeleita ja monet ovat pitäneet niitä parhaina vaihtoehtoina kun haetaan hyvää
dynamiikkaa.

Käytännön kokeilujen jälkeen päädyin pitämään muuntajatakaisinkytkettyä ratkai-
sua parempana vaihtoehtona näistä kahdesta. Samaan tulokseen ovat päätyneet
näköjään monet muutkin asiaa harrastaneet.
Korjattavakseni tuli 1997 valmistamani malli josta seuraavat pari kuvaa:



Kuten huomaa ovat maalit vähän ajan saatossa lähteneet
- johtunee huonosta pohjustustyöstä...



Trankun vaihdon jälkeen vahvistin oli sitten mittauspöydällä.

Kytkennöissä käytetyistä transistoreista yleisin on 2N5109, joka on varsin vanha
mutta erittäin käyttökelpoinen tyyppi. Täysin toimiva transistori on myös 2N4427,
joka on ominaisuuksiltaan kuitenkin edellistä heikompi. Hyviä tyyppejä ovat NEC:in
NE41632B, Motorolan MRF517 jne.

Sopivia transistoreja on paljonkin . Tärkeää on kuitenkin kohtuullisen korkea ylä-
rajataajuus ja IMD ominaisuudet. Pienestä kohinasta ei tietysti ole haittaa. Pinta-
liitostransistoreista toimii BFG198 oikein hyvin tässä tarkoituksessa. Hyvien IMD-
arvojen saavuttamiseksi on käytettävä ko.transistorille optimoitua kollektorivirtaa,
jonka on oltava kohtalaisen suuri verrattuna tavanomaisiin piensignaaliasteisiin.
Mentäessä vielä pitemmälle kannattaa transistorit valikoida ja opimoida toiminta
kussakin tapauksessa erikseen mittaamalla.

Normaalisti kuitenkin antavat yhdelle transistorityypille määritellyt komponenttiar-
vot riittävän suorituskyvyn ilman ihmeempiä virittelyjä.

Pintaliitoskomponenteilla toteutetun vahvistimen kaavio
/piirilevykuva( luonnollista kokoa suurempi kuva, transistorina BFG540/x)
Useimpien kotisivujeni kytkennöissä esitettyjen transistorien datoja on saatavissa
tästä Philipsin datalehtien hakupalvelusta PDF:nä.



Yläpuolella olevaassa kuvassa ei sitten näy muuta kuin takaisinkytkennän
muuntaja ja releet, koska muut komponentit ovat pintaliitostavarana levyn juotospuolella.

Samantyyppisistä vahvistimista - jotka käyttävät Nortonin patentoimaa ideaa
- löytyy mitoitusohjeita myös esimerkiksi Low Noise RF-amp sivulta.
Useat kytkennät eivät ole alunperin ajateltu keskiaaltokäyttöön,
joten mm. ferriittimateriaalin valinnan suhteen on huomattava se mitä tässä
artikkelissani myöhemmin mainitsen.

ANTENNIVAHVISTIN ULKOKÄYTTÖÖN



Yllä olevassa kaaviossa on esimerkki vahvistimen kytkennästä,
jos vastaanottimeen tuleva koaksiaali on pitkä.

Tässä tapauksessa syötetään vahvistimen käyttöjännite koaksiaalia
pitkin ulos sijoitettuun vahvistimeen.



Edellisessä kuvassa on jännitteensyöttöosa, jonka olellisia osia ovat
virtalähteestä RF:n erottava kuristin, sulake suojaamaan poweria
koaksiaalin mahdolliselta oikosululta ja DC:n vastaanottimesta
erottava kondensaattori.
Itse vahvistimessa on ledi, josta näkee käyttöjännitteen päälläolon.
Lisäyksenä "sisäkäyttöön" tehtyyn vahvistimeen ovat suurijännitteiset
erotuskonkat sekä ylijännitteen suojakomponentit antennisisäänmenossa.
Tehokkaampi rajoitus ylijänniteiltä on kyllä tarpeen mikäli laitetta käytetään
kesällä ukkosalttiilla paikalla tai pitkien lankojen yhteydessä.
Antennijohdon irrottaminen vahvistimesta kesäaikaan on kuitenkin
varmin tapa säilyttää se ehjänä.
Ulos tuleva vahvistin on tietysti syytä tehdä kosteudenkestäväksi.
Piirilevyn vahva lakkaus molemmin puolin ja tiivis kotelointi ovat paikallaan.

Klikkaamalla saat kuvan sekä sisä - että ulkoyksiköstä tästä vahvistimesta.
Ulkoyksikkö on varustettu sellaisilla BNC-rungoilla, joissa on O-regastiiviste
ja purtilo on muutoinkin varustettu lisätyillä silikonitiivisteillä.



Mikäli aikoo soveltaa suoraan esimerkiksi joissain radioamatöörijulkaisuissa olevia
kytkentöjä niin törmää todennäköisesti vaikeuksiin vahvistuksen lineaarisuudessa
keskiaaltotaajuuksilla tai jopa alemmilla lyhytaaltotaajuuksilla. Ongelmaan saa
jonkin verran apua hätäratkaisuna kasvattamalla inputin kytkentäkondensaattorin
arvoa, joka on yleensä lyhytaaltoalueen vahvistimissa liian pieni ajatellen keskiaal-
tojen alapäätä.

Muuntajatakaisinkytketyn vahvistimen muuntajan materiaalin ja kierrosmäärien
optimointi olikin sitten jo varsinainen työmaa. Jotta vahvistin vahvistaa hyvin ja li-
neaarisesti myös keskiaallot, 1 MHz alapuolella on käytetty kelasydänmateriaali
erityisen merkityksellinen.
Tämänkaltaisissa kytkennöissä on rautajauhe tai ferriittimateriaalin merkitys kar-
keasti ottaen sitä vähämerkityksisempi mitä korkeampi on taajuus. Tietysti tämä
ei tarkoita pientaajuusalueen materiaalien olevan soveliaita lyhytaaltoalueelle. Eri
kokeiluversioissa olen käyttänyt ensin toroidirunkoja ja sittemmin "potcore" tyyp-
pisiä - varsinkin koska minulla oli niitä eri materiaaleista valmistettuna runsaasti
varastossa.

Kelojen käämintä on myös tavanomaiselle rungolle helpompaa kuin toroidille, jos-
kin pienien kierrosmäärien kyseessä ollen sen merkitys on vähäinen.Materiaaleista
voi sanoa, että "philipsin violetti" tms. tyypit eivät sovellu tähän tarkoitukseen.
Permeabiliteetin tulee olla suhteellisen suuri , arvot väliltä 4000 - 6000 ovat sopivia.
Esimerkiksi Siemensin N30 tai Amidonin 'J'/75 on hyvä.

Kokeilujeni perusteella ei näillä taajuuksilla laajakaistamuuntajissa käytetyllä lan-
galla ole sinänsä kovin suurta merkitystä. Olen käyttänyt sekä normaalia emaloitua
käämilankaa, että Wire-Wrap lankaa ilman huomattavaa vaikutusta ominaisuuksiin.
Viimeksimainitun kytkeminen on usempikäämisissä rakenteissa helpompaa joh-
tuen mahdollisuudesta käyttää eri värejä.

Mikäli vahvistin ei toimi ja se on muutoin oikein kytketty vaihda emitterillä olevan
linkkikierroksen päät keskenään.Kytkennät eivät käytettäessä näin pieniä vahvis-
tuksia ole sinänsä kriittisiä.

Kun rakenne toteutetaan kaksipuoleisella levyllä, jossa komponenttipuolen folio
muodostaa yhtenäisen maatason ja ferriittihelmi muistetaan asentaa transistorin
kollektorijohtimeen on toiminta vakaata. Toimintaa voi vielä optimoida lyhyemmillä
johdotuksilla kuin käyttämässäni piirilevyssä.

Kuunneltaessa heikkoja asemia esimerkiksi Lapin olosuhteissa on mahdollista
kytkeä kaksi tämän tyyppistä vahvistinastetta peräkkäin. Rakenne kannattaa
toteuttaa niin, että vaihtokytkimellä voidaan valita joko ohitus tai yksi tai kaksi
vahvistinta. Tässä rakenteessa on syytä olla erityisen tarkkana tulo-ja lähtöpuolien
pitämisessä kaukana toisistaan. Myös vaihtokytkennän ohjausjohdotus on syytä
suorittaa mahdollisimman lyhyesti ja tarvittaessa maadoittaa niihinkin mahdolli-
sesti indusoituvat suurtaajuudet kondensaattoreilla.

LAAJAKAISTAINEN VAHVISTIN LYHYTAALTOALUEELTA MUUTAMAAN GIGAAN

Seuraavassa esitetty vahvistin soveltuu hyvin yleiskäyttöön - kuten skannerien,
taajuuslaskimien, VHF - UHF - vastaanottimien ja myös lyhytaaltoalueen
vastaanottimien vahvistimeksi.
Se voidaan sijoittaa antennin yhteyteen ja syöttää jännite koaksiaalia pitkin.
Korkeammilla taajuksilla haluttaessa ohitus vahvistimelle tulisi käyttää
koaksiaalireleitä tai suunnitella sitten koko printti uusiksi RF-käyttöön sopivia
releitä käyttäen.
Tällä vahvistimella ei tietenkään voi korvata erittäin vaativassa käytössä
ylemmilla taajuksilla toimittaessa esim. GaAs-fet yms. vahvistimia.
Voi olla tarpeen varustaa vahvistin vaimentimella yliohjauksen välttämiseksi
- on käytetty myös syöttöjännitteen - eli käytännössä virran - säätöä,
mutta se on kyllä ehdottomasti vääräoppinen tapa josta tulee ongelmia dynamiikassa.

Pitkään on ollut saatavissa monoliittivahvistinpiirejä kuten
Mini Circuits'in MAR-1, jonka ylärajataajuus on 1 GHz luokkaa.
Tämäntapaisten komponenttien ympärille rakennettu vahvistin on äärimmäisen
yksinkertainen ja vähäinen komponenttimäärältään.
Kunnollisen toiminnan aikaansaamiseksi oikeaoppiset maadoitukset ja
piirilevynsunnittelu ovat tärkeitä.
Mainittua MAR-1 - piiriä voi toki käyttää - ja sellainen on esim. taajuuslaskimeni
prescalerin edessä vahvistimena.
Kuitenkin ominaisuuksiltaan selvästi parempia piirejä on esim. Mini Circuits'ilta saatavissa.
Tarvitsin GPS - antenniini vahvistimen pitkän syöttöjohdon takia ja kokeilin
vahvistimessa Mini Circuits'in ERA-5:ä, jota on ollut edullisesti saatavissa El-kamasta.
Tulos oli erittäin onnistunut tässä tarkoituksessa eli 1.5 GHz taajuudella toimittaessa
ja vahvistinpalikka jäikin välittömästi kiinni GPS - antennini yhteyteen.
Testasin sitten toista yksilöä, jonka valmistin "sisäkäyttöön" ja hyvin tuntui toimivan
muutamasta megasta alkaen.
Tämän vahvistimen geini on jostain sadasta megasta pariin gigaan hyvin tasaisesti
parinkymmenen dB:n luokkaa.
Valmistaja lupaa piirille noise figureksi 2 GHz:llä 4.5 ja IP3:n arvoksi 33 dBm.
Ongelmalliseksi matalammilla taajuuksilla voi tulla voimakkaiden - ei kuunneltavalla
taajuusalueella olevien - asemien signaalit, mikäli ei mitään yli-, ali,
tai kaistanpäästösuotimia ole käytetty.
Seuraavassa kuvassa on "sisäkäyttöön tarkoitetun mallin" sisimmäinen
eli piirilevystä tehty kotelo ennen kannen kiinnijuottamista.



Vahvistimessa on sähkönsyötössä tavanomainen DC-jakki ja suojadiodi
- purkki on kiinnijuotettuna hankalahko avata, joten diodi voi olla
varsin tarpeellinen väärännapaisen jännitteen takia.
Liittiminä olen käyttänyt SMA - liittimiä, joita olen saanut edullisesti,
ovat suhteellisen pienikokoisia ja taajuusaluekin on riittävä.
Toki varsinkin matalammilla taajuuksilla voi käyttää BNC - liitimiä.
Piirilevystä juottamalla koottu kotelointi on hyvin suosittu esim.
radioamatöörien rakenteluprojekteissa.
Sellaisen rakentaminen onnistuu hyvin tavallisella juottimella päinvastoin
kuin massiivisemmasta levystä tehtäessä.
Tukevuuden ja "kauneusarvojen" takia sijoitin purkin vielä
alumiiniprofiilikotelon sisään.



Ylläolevassa kaaviossa on tämän tosi yksinkertaisen vahvistimen kytkentä.
Jännitesyöttöön vahvistimen purtiloon tulee vielä läpivientikonkka ja sarjadiodi.
Sarjavastuksen arvo - joka on kuvassa 200 ohmia - kannattaa kokeilla
oikeaan virran arvoon pääsemiseksi.

Piirilevyn (oikea koko 20 x 30 mm) huonosti skannattu foliokuva löytyy tästä.
Huomaa, että tämä kuva on peilikuva juotospuolen folioista.

Komponentteina tarvitaan ERA-5 - piirin lisäksi läpivientikonkka (1nF),
sarjavastus käyttöjännitteen mukaan (vahvistinpiirin inputissa virta 65 mA, 4.9V),
ferriittihelmi, 1 - 2 uF tantaali ja kaksi 10 nF konkkaa.
Piirilevyllä on 5 läpivientiä maatasopuolelle kummankin puolen input- ja outputlinjoja.

YLEISTÄ VAHVISTIMIEN RAKENTEESTA

Tärkeitä asioita ovat kunnollinen metallikotelo, lyhyet johdotukset koaksiaaliliitti-
mille (mikäli ei johdota liittimille tulevia johtoja koaksiaalilla kuten suosittelen
pituuden ylittäessä pari senttiä), sekä virransyötön RF-suodatus varsinkin jos
käyttää samalla laitteella muita vastaanottojärjestelmään kuuluvia laitteita.
Suodatuskondensaattori on syytä kytkeä suoraan virtaliittimen napoihin.

Jos käytetty virtalähde on heikkolaatuinen voi olla hyötyä myös virransyöttöön
kytketystä 10 - 22 uF tantaalikondensaattorista.

TAKAISIN TEKNIIKKAHAKEMISTOON !