Preamp/LNA för 144 MHz

[SM0AOM]

Moderna MMIC har så liten spridning i data att man väldigt sällan behöver kompensera för detta.

Sedan är fortfarande komponenterna helt försumbart små i förhållande till våglängden på 144 MHz. 10 mm är detsamma som en vridning av impedansens fasvinkel av 1,7 grader vilket man kan bortse helt ifrån.

100 mm eller 17 grader är däremot inte försumbart.
När man går upp en 10-potens i frekvens blir det mer kritiskt,
och då får dimensioner en allt större betydelse.

 

[SM0AOM]

"Warum soll mann etwas einfach machen, wenn mann es so schön komplizieren kann?"

För att anknyta till tidigare inlägg kan man kanske snegla lite på hur riktigt erfaret folk gör när de konstruerar.

G4DDK är en sådan, och hans konstruktion av en preamp med PGA-103 i bifogade fil är ett föredöme av enkelhet och manar till efterföljd.



Han berör också problemet med undertryckning av starka utombandssignaler.

 

[SM7EQL]

G4DDK val av SMA-kontakt och monteringen av denna är ju ingen höjdare precis. Mittstiftet kommer att introducera en oönskad serieinduktans. Det skall göras som på provkorten som ELF visar. Men det ser ju ut som PCB ursprungligen designats för att löda fast en SemiRigid eller grov koaxialkabel så som man kan se att han gjort på utgången.

 

[SM7TLH]

G4DDK val av SMA-kontakt och monteringen av denna är ju ingen höjdare precis. Mittstiftet kommer att introducera en oönskad serieinduktans. Det skall göras som på provkorten som ELF visar. Men det ser ju ut som PCB ursprungligen designats för att löda fast en SemiRigid eller grov koaxialkabel så som man kan se att han gjort på utgången.

Det låter ju rimligt:
"The initial PCBs are designed for cable termination input [...] "

 

[SM7EQL]

Jo det ser onekligen så ut.

Nu är det inte direkt kritiskt på så låga frekvenser som 144 MHz men man ser ibland hur t ex en vanlig BNC-chassiekontakt monterats i kapslingen och kretskortet på botten av kapslingen och fastskruvad med fyra skruv med mutter på distansrör. Mittstiftet kopplad med en flera centimeter lång trådstump till ingången. För det mesta OK på kortvåg med katastrof på VHF och högre frekvenser. Kruxet här är att kortets jordplan bara gör kontakt via skruvarna och då kan det bli stora avstånd med både extra ledningsinduktanser och strökapacitanser som kan skapa oönskade resonansproblem eller bara dålig anpassning.

När en SemiRigid kabel skall lödas fast och anpassningen är kritisk som den ofta är på de högre GHz-banden så kan man göra som beskrivs på denna sida. Bäst blir nog ändå att använda riktiga kontakter för PCB-montage.

rf-pigtail-test-probes | P1dB Inc

p1db.com

 

[SM0AOM]

man ser ibland hur t ex en vanlig BNC-chassiekontakt monterats i kapslingen och kretskortet på botten av kapslingen och fastskruvad med fyra skruv med mutter på distansrör. Mittstiftet kopplad med en flera centimeter lång trådstump till ingången

Jag fick lära mig för över 50 år sedan att man inte låter förbindningarna
mellan en t.ex. ingångskontakt för en VHF-konverter och kretskortet gå endast genom fästskruvarna för kortet samt genom en ensam tråd från
mittstiftet.

I stället drar man två korta trådar, eller ännu hellre en kort bit koaxialkabel terminerad i båda ändar, mellan kortet och kontakten. Gör man så blir den "lokala diskontinuiteten" försumbart stor även på 432 MHz.

Den överlägset bästa lösningen är dock att använda riktiga "SMA-launchers" avsedda för kretskortsmontage.

 

[SM7EQL]

I stället drar man två korta trådar, eller ännu hellre en kort bit koaxialkabel terminerad i båda ändar, mellan kortet och kontakten. Gör man så blir den "lokala diskontinuiteten" försumbart stor även på 432 MHz.

Det är en bra metod och det blir oftast "tillräckligt bra" upp till 500-600 MHz. Man kan också tvinna två tunna trådar några varv så de håller ihop. Väljes diameter och tjocklek med smak så går det att komma nära 50 ohm. Jag använder den metoden ibland när någon apparat skall rensas i ledningshärvorna och anpassningen behöver förbättras utan att lägga ner för mycket jobb på modifieringar.

De egentliga problemen i all konstruktion uppstår bara när "tillräckligt bra" inte räcker till och allt måste optimeras i all oändlighet. Då återstår inte så många andra alternativ än att finna den enda och rätta lösningen - vilken den nu är.

Dock krävs ändå ett visst mått av erfarenhet och kunskaper för att kunna bedöma vad som är "tillräckligt bra" och när det inte längre lönar sig att förbättra en konstruktion. Problemen ökar också i takt med möjligheterna att mäta eftersom alla fel syns och "måste" åtgärdas då. Det var väl därför att det mesta som byggdes av oss när vi var nybörjare utan några djupare kunskaper faktiskt ändå fungerade jättebra och kunde användas - även om mätdata troligen var urdåliga.

 

[SM0AOM]

Det var väl därför att det mesta som byggdes av oss när vi var nybörjare utan några djupare kunskaper faktiskt ändå fungerade jättebra och kunde användas - även om mätdata troligen var urdåliga.

Jag minns sådant tydligt från det tidiga 70-talet...

En brusfaktormeter från Sivers Lab hade på krokiga vägar
nått SM4ARQ, och vi "VHF-beroende" i klubben samlades
en helg i klubbstugan för att mäta upp brusfaktorerna på medförda konvertrar/mottagare och transvertrar för 144 MHz.

Många hade stora förhoppningar eftersom de hade byggt AF239 och 2N5397 (70 kr) "preamps" samt en och annan DL6HA-konverter, samtliga med uppgivna brusfaktorer på 1,5-2 dB. Innehavarna såg fram mot att få detta bekräftat.



I flera fall var dock de uppmätta brusfaktorerna även på dessa i häraden 4-6 dB, alltså E88CC-klass och det var även det värde som min Elfa-konverter gav.
Den hade "pensionerats" till fördel för en DL6SW som visade sig bara vara marginellt bättre.

Moralen i detta är att det krävs mycket stora avvikelser för att det ska få någon praktisk betydelse.

Jag hade hört och kört precis lika mycket på 144 MHz med den gamla konvertern som med den nya, och när jag hade fått ner brusfaktorn till strax under 3 dB på DL6SW efter ett intensivt trimmande mot en diodbruskälla kunde inte flera stationer varken höras eller köras.

RF-designers tillägnar sig snabbt vanan att "tänka i våglängder", och man brukar säga att 0,01 våglängder kan försummas helt riskfritt, medan 0,1 våglängder får inflytande. Vet man vad man gör så går det också att kompensera för spridningen i uppbyggnader och ledningslängder.

På samma sätt inser man efter ett tag att 0,5 dB eller 10% "försvinner i den allmänna konkursen", 1 dB kan märkas när man är uppmärksam medan 3 dB gör skillnad.

 

[SM7EQL]

Brusfaktormeter är liksom nätverksanalysatorer glädjedödare då de bäst fungerande apparaterna genom ett trollslag blir värdelösa.

När jag började på 144 MHz så var det först med Elfakonverter och E88CC som ersattes av DL6HA-, DL6SW- och även DJH-konvertern. Första riktiga pre-ampen var ett hemmabygge med en U310 som var hörbart bättre. I brist på brusfaktormeter gjordes jämförande mätningar genom att lyssna i FM-läge på en svag testsignal från en kristallstyrd oscillator på 6 MHz x 24 = 144 MHz och nyttja tröskeleffekten i begränsaren.

Samma princip använde vi sedan när 70 cm repeaterns ingångssteg skulle optimeras men då skickades testsignalen ut via sändarantennen så att mottagarantennen och duplexfiltret kunde vara inkopplade under trimningen. Det blev då tydligt att trimkondensatorn och spolkärnan inte hamnade i samma position när testsignalen anslöts till mottagaren via en 50 ohm dämpsats som när den anslöts till duplexfiltret och med mottagarantenn inkopplad. Skillnaden var precis hörbar så förmodligen pratar vi om skillnader i brusfaktor i häradet 0,5-1 dB. För vanlig trafik spelar det ingen roll men för EME finns anledning att ta tillvara varje tiondel eller mindre. Något som folk inte tänker på är att flera sådana betydelslösa tiondelar kan adderas till hela dB när man räknar samman alla förlusterna i div kablage och kontakter etc. Särskilt märkbart för oss som kört 10 GHz och däröver där allt behöver vara väl polerat och optimerat.

 

[SM0AOM]

Att en brusfaktormeter kan lägga sordin på stämningen hos VHF-amatörer är en ganska oomtvistad sanning...

Men de hittills 160+ posterna i denna tråd har egentligen handlat om något annat; nämligen frågan om i vilken ände man ska börja att optimera ett system.

Försöker man förbättra ett marginellt utformat system genom att sätta LNA:er före så uppnår man bättre känslighet men inget annat.
Känslighet är väldigt enkelt att åstadkomma, men andra önskvärda egenskaper är desto värre. En RTL-SDR är helt enkelt inte tillräcklig för att
tillfredsställa högt ställda krav på dynamik, och ju mer förstärkning man sätter innan, ju sämre blir dynamiken.


Ovanstående figur, hämtad ur en RSGB-publikation, har "uppfostrande inverkan" på systemkonstruktören.

Två drygt 20 år gamla, men "tidlösa", presentationer från en tid när det fortfarande fanns en del tekniskt intresse ute i klubbarna bifogas.

 

[SM7EQL]

Försöker man förbättra ett marginellt utformat system genom att sätta LNA:er före så uppnår man bättre känslighet men inget annat.

Jo så är det.

Intressanta presentationer och jag noterar uttrycket "spegelvänd sändare", det var fyndigt!

Ett sätt för radioamatören som vill bygga en spegelvänd sändare kan då vara att börja tänka från från högtalaren och först designa ett lågbrusigt LF-steg med tillräcklig marginal och lämpligt tonområde. Redan här fallerar många ICOM/YAESU. Sen en passande produktdetektor före LF-förstärkaren. Lågbrusigt MF-steg är viktigt. Ett skarpt kristallfilter med lågt insertion loss och bra IM-egenskaper behövs om man nu väljer att designa en analog mottagare enligt gamla principer. En passiv diodblandare med låg brusfaktor och bra IM-egenskaper som matas med en ren LO-signal med lågt fasbrus. Redan där och helt utan Pre-amp har man en vass mottagare som ligger bra till jämfört med mycket annat. Fördelen med ett sådant tillvägagångssätt är att varje del i mottagaren kan avprovas efterhand och man har hela tiden något som fungerar.

Visst, AGC är också viktigt att lägga krut på liksom fördelningen mellan förstärkning i de olika stegen för att hålla systembrusfaktor och IM-egenskaper etc under kontroll, plus några saker till. Behövs sen bättre känslighet än de ca 8-10 dB brusfaktor man kan få med en sådan mottagare (helt tillräckligt för kortvåg) så går det för VHF-banden att komplettera med en god Pre-amp som t ex PGA 103 och kanske en variabel dämpsats före och eller efter Pre-ampen för att finna bästa kompromisser vid de få tillfällen någon extremt stark lokal station orsakar menliga problem så att inställningen för lägsta möjliga brusfaktor inte kan användas.

Bygger man en egen mottagare från scratch så går en bra grundmottagare att realisera ganska enkelt, dvs med relativt få men väl genomtänkta och optimerade funktionsblock. Det är nog först när alla finesserna läggs till, alla modulationstyper, alla band, flera olika filterbandbredder osv som det blir komplicerat och man tvingas ta till div kompromisser.

I kommersiella sammanhang gäller andra optimeringsregler som troligen börjar med signalbudget och andra tekniska specifikationer när det gäller krav på storsignalegenskaper osv. Ja och inte minst viktigt är ju sändarnas egenskaper som är begränsande i slutänden. Man kan säga att alla parametrar kan optimeras var för sig men inte alla samtidigt. Det är kring detta faktum allt vrider sig så som jag ser på saken.

 

[SM0AOM]

Det tidigare diagrammet återspeglar hur världen såg ut på 1970-talet innan GaAs FET-ar och MMIC blev vanliga.

Gör man ett nytt diagram med "state-of-the-art" komponenter som kan anskaffas i dag så framstår det tydligt att man klarar sig med "beskedliga" förstärkningar innan blandaren (antagen brusfaktor 6 dB) för att komma ner i systembrusfaktorer på under 2 dB, vilket är helt tillräckligt för terrester kommunikation på 144 MHz.

Kurvan för signalnivå vid blandaren motsvarar en insignal av 130 dB över bruströskeln, vilket är nog ungefär det som man kan handskas med när man även tar med sändarnas egenskaper i bilden.



Sådana här funderingar borde plastradioindustrin ägna sig mera åt.

Den "lödkolvsinnehavare" som har ett par-tre oplacerade "tusingar" skulle kunna investera i en VAY-1 blandare


och sedan driva denna med en liten, men extremt spektralt ren, sändare med 0,5 W uteffekt som lokaloscillator.

Sedan gör man som i Telefunken E1800/E1900 och ser till att de efterföljande kristallfiltrens impedanskurvor tar ut varandra via en 90-graders hybrid samt fasskiftare.




Då går det sannolikt att åstadkomma en 144 MHz mottagare med en kompressionspunkt av +10 dBm för utombandssignaler på ingången, eller 150-160 dB över brusgolvet, samtidigt med en brusfaktor av 3 dB.

En IM3-dynamik av 120-125 dB skulle kunna bli realiserbar om man bara klarar av signalnivåerna "nedströms".





,

 

[SA7ELF]

Har idag gjort lite brusmätningar på mina LNA-prototyper. Har än så länge bara byggt ihop två med PGA-103 och en med PHA-13LN

	NF @ 20mA	Gain @ 20mA	NF @ 120mA	Gain @ 120mA
PGA-103 100pF	0.39dB	23.2dB	0.43dB	24.3dB
PGA-103 imp. match	0.71dB	23.8dB	0.73dB	24.9dB
PHA-13LN 100pF	0.86dB	23.0dB	0.82dB	24.6dB

Man ser att det går att tjäna någon knapp dB i gain på bekostnad av ökat brus ifall man impedansmatchar ingången med ett enkelt T-nätverk. Huruvida det är värt det får man väl själv avgöra beroende på applikationen.

Mätvärdena kommer från en HP 8970B och stämmer sannolikt bra överrens med verkligheten men varken instrument eller brushuvud har kalibreringscertifikat från senaste året så siffrorna bör tas med en viss nypa salt.

Jag ska se ifall jag i framtiden även kan få fram värden på 1dB kompressionspunkt där jag misstänker att PHA-13LN kommer prestera bättre än PGA-103 men i övrigt ser PGA-103 ut att vara en klar vinnare än så länge. Dessutom verkar det som att man med mycket gott resultat kan driva bägge kretsarna med lägre ström/spänning än databladet har tabeller för ifall signalnivåerna är moderata men lågt brus är av stor vikt.

VNA-svep kommer så snart jag har fått hem lämpliga dämpsatser

 

[SM0AOM]

Huruvida det är värt det får man väl själv avgöra beroende på applikationen.

Det kan man fråga sig.

När man expanderar det tidigare diagrammet
så går det att se att en ändring av förstärkningen med +/- 3 dB
medför en helt försumbar påverkan av systembrusfaktorn när en antenn
pekar på något annat än kall himmel, i synnerhet på 144 MHz.

Däremot kommer varje dB för mycket av förstärkning innan selektiviteten att försämra storsignalegenskaperna hos hela systemet.







Om vi gör en "optimistisk tolkning" av radiomiljön runt en omni-antenn
på 144 MHz, och ansätter en antenntemperatur av 400 K, en feedertemperatur av 50 K och en mottagartemperatur motsvarande 0,4 dB brusfaktor eller 20 K, blir systemtemperaturen 470 K.

Med samma data fast 1 dB mottagarbrusfaktor eller 60 K från mottagaren blir systemtemperaturen 510 K. Systemet är alltså 10*log(510/470) eller 0,35 dB sämre vilket man inte kan höra, i synnerhet inte vid "olinjära moder". Men i stället har man försämrat storsignalegenskaperna med minst 10 dB, kanske 30 dB.

Ett i alla avseenden dåligt byte.

 

[SM6VFZ]

Med samma data fast 1 dB mottagarbrusfaktor eller 60 K från mottagaren blir systemtemperaturen 510 K. Systemet är alltså 10*log(510/470) eller 0,35 dB sämre vilket man inte kan höra, i synnerhet inte vid "olinjära moder". Men i stället har man försämrat storsignalegenskaperna med minst 10 dB, kanske 30 dB.

Det är knappast givet att man behöver mer gain i systemet för att få bättre brus. Om man, när man hänger på en bättre LNA, samtidigt minskar gainen efter, genom att exempelvis koppla förbi en i rig inbyggd preamp, så behöver storsignalsegenskaperna inte nödvändigtvis försämras.

 

[SM0AOM]

Men det är ju precis vad hela diskussionen har handlat om.

Väldigt många, troligen en stor majoritet, hänger på LNA-er utan att
ha en tanke på konsekvenserna hos storsignalegenskaperna, och för att göra ont värre, jagar dB i förstärkning.

Det undre diagrammet visar att även 10 dB mindre förstärkning ger
en helt försumbar påverkan av systembruströskeln på 144 MHz.

 

[SM6VFZ]

Min poäng var bara att den som inte följt hela diskussionen kan av ditt diagram få intrycket att det finns ett direkt samband mellan systembrus och gain.
Men visst, det mesta är nog sagt och vi behöver inte upprepa oss.

I övrigt visar SA7ELF:s mätningar att det är svårt att matcha för gain (eller brus) utan att få förluster som i sig ökar brusfaktorn.
Och jag har inte beställt mitt kort ännu, men det kommer.

 

[SM0AOM]

kan av ditt diagram få intrycket att det finns ett direkt samband mellan systembrus och gain.

Då har man i så fall inte förstått att det är formen på kurvan som är intressant. Den faller snabbt i början med ökad förstärkning, för att därefter snabbt plana av.





Man ser att när man ändrar systemförstärkningen 10 dB så ändras systemkänsligheten med mindre än 1 dB, med däremot så får efterföljande steg en allt svårare signalmiljö med ökande förstärkning.

Här har en utombandssignal på 110 dB över antennbruset antagits, och ett antennbrus på 400 K.

 

[SM6WHY]

Man kan ju prata om detta hur länge som helst.
Jag själv tröttnade på att mäta och började istället lyssna. Det är ju inte mätinstrumentet som skall köra ett qso, det är dina öron.
Jag bor nära andra, i vissa riktningar ökar bruset markant. På 70 samt 23 är det en stor skillnad med mast- preamp. På eller av gör skillnaden att jag hör vissa fyrar, eller inte.
Strunt samma vilken brusfaktor det är, jag hör.
Om man inte märker någon skillnad är det inte lönt att mäta mer, iaf om någon frågar mig.
Owen har testat en del.

144MHz low noise amplifier performance in the real world

 

[SM7EQL]

Man kan optimera en parameter i taget men inte alla samtidigt.

Ett sätt att se på saken ur en användarpraktisk synvinkel kan vara att bygga och verifiera en Pre-amp med låg brusfaktor, säg <0,5 dB som har rimligt bra storsignalegenskaper och ger skapligt hög förstärkning i häradet 20-30 dB. Om, och jag säger om, den lokala radiomiljön är extremt störningsfri (vilket den sällan är) och andra lokala stationer inte är allt för starka så medger pre-ampens höga förstärkning att den totala systembrusfaktorn genom hela mottagaren blir nära nog den samma som vad pre-ampen erbjuder. Detta är den ena ytterligheten som möjligen kan komma till nytta när någon väldigt svag knappt hörbar signal skall fiskas fram i bruset, när den lokala radiomiljön är extremt störningsfri och inga starka lokala stationer är igång. Det är ett ovanligt scenario i verkligheten, i alla fall för de flesta av oss som bor i tätbebyggt område eller på landet bara någon mil ifrån en by eller stad etc.

Om man sedan kopplar in en variabel dämpsats efter Pre-ampen så går det lätt att med hörseln optimera för storsignalegenskaperna utan att systembrusfaktorn blir märkbart sämre. Ett typiskt scenario när detta är tillämpbart är under testerna och med antennerna i vissa riktningar där signalnivåerna är långt över vad en typisk bra mottagare kan hantera och eller de andra stationernas sändare är orena, splattrar och sänder ut fasbrus etc.

Jag har funnit att 10 dB förstärkning i min pre-amp på 144 MHz är en bästa kompromiss. Jag kan inte påstå att S/N blir hörbart bättre om jag minskar dämpningen efter pre-amp så att förstärkningen blir ca 22 dB vilket är max i mitt fall. Däremot får jag problem med några lokala stationer som överstyr mottagaren. Genom att lyssna med öronen så kan jag notera att S/N blir aningen sämre om jag ökar dämpningen så att pre-ampen bara förstärker 6 dB. Därav min kompromiss 10 dB förstärkning som fungerar bra för mig.