Малошумящий усилитель “Луч”. Юрий Юкин (RK4FX)
МШУ АНТЕННЫЙ МАЛОШУМЯЩИЙ ПРЕДУСИЛИТЕЛЬ «ЛУЧ»
Для работы в УКВ диапазоне 144 – 146 МГц.
Юрий Юкин RK4FX.
yukinrk4fx@yandex.ru
Применение антенного высокочастотного предусилителя (МШУ – малошумящий усилитель ВЧ) необходимо для компенсации потерь в подводящем коаксиальном 50-омном кабеле и во входных цепях трансивера. МШУ намного расширит возможности вашего трансивера к слабым сигналам, по соотношению сигнал \ шум, а следовательно отразится положительно и на качестве связи, но на это следует исходить из целесообразности и ваших возможностей. Тем не менее следует обратить внимание на то, что большинство промышленных (в основном рекламируемых китайского производства, но попадаются и произведенные в Японии такие как GRA – 2020M и другие) МШУ зачастую не соответствует требованиям радиолюбителей для приема слабых сигналов DX радиостанций из-за их чрезмерного усиления и достаточно значительного уровня воспроизводимых им шумов при применении стационарных антенн. Ряд профессиональных более подходящих для нужд радиолюбителей малошумящих предусилителей высокочастотных сигналов, имеют достаточно высокую стоимость от 12 до 40 тысяч рублей, что не всегда приемлемо для многих радиолюбителей.
Достаточно приемлемый для радиолюбительской практики МШУ, по своей сути должен увеличивать соотношение сигнал/шум, а для этого следует усиливать сам полезный сигнал, а не шум. Здесь не мало важным фактором является Кш самого МШУ, то есть его схемотехника, а это в свою очередь зависит не только от качественной разработки и сборки входных цепей МШУ, но так же и от активного элемента – СВЧ транзистора, граничная частота которого должна лежать в пределах как минимум в 3–5 раз выше рабочей частоты самого МШУ.
Тем не менее существует и опасность для полупроводниковых МШУ при попадании на его вход статики и или случайного попадания сигнала от передатчика на вход-выход МШУ, что неизменно приведет к выходу его из строя. Все это повлечет за собой частую замену вышедших из строя дорогостоящих полупроводников и возможной замены других элементов.
Большинство промышленных МШУ 2-х метрового диапазона, такие как LNA–6 Т3-РСВ, да и ряд других, имеют допустимую входную мощность всего лишь в 1 мВт, и при заметном ее превышении выходят из строя, даже при отключенном питании. Поэтому для коммутации TX/RX одних реле явно не достаточно, а если еще на входе имеются контура настроенные на рабочую частоту, то данный контур воспринимает наведенный передатчиком высокочастотный сигнал, с печальными последствиями для самого МШУ. Все это требует тщательной развязки и экранирования.
МШУ выполненные на радиолампах во многом лишены ряда недостатков свойственным полупроводникам, но из-за малого коэффициента усиления триодов СВЧ, а так же из-за малой крутизны их характеристики в МА/В и не всегда приемлемого значения по сопротивлению шумов , данные триоды целесообразнее всего применять не с вертикалами, а с многоэлементными антеннами типа волновой канал и им подобных, где они прекрасно себя зарекомендовали, они могут размещаться как на самой мачте, так и вблизи антенны и работать в различных климатических условиях, независимо от метеоусловий. Тем не менее в подобном МШУ могут достаточно не плохо работать и использоваться триодные СВЧ радиолампы серии 6С17К – в , 6С3П, 6С4П или 6Н23П, использовавшиеся ранее в ПТК черно-белых телевизорах производства СССР.
На основании вышеизложенного была поставлена задача разработать более дешевый, полупроводниковый и «неприхотливый» МШУ, в то же время обладающий не плохими характеристиками и во многом лишенный ряда существенных недостатков.
Рассмотрим вариант регулируемого по усилению, и в то же время эффективного в работе и несложного в изготовлении транзисторного МШУ с полосой пропускания в 2 МГц и средств его защиты.
Обычно для защиты транзисторного МШУ при QRO, применяют мощные реле типа РЭВ–14–16, однако развязка таких реле бывает недостаточной и составляет примерно 46 дБ на 145 МГц. В связи с чем наведенная мощность на входе и выходе транзисторного МШУ будет превышать допустимое значение для полупроводников, что повлечет за собой выход из строя полупроводников и как следствие выход из строя самого МШУ. По этой причине необходима более тщательная и детальная проработка принципиальной схемы и конструкции самого МШУ, что учтено в данной его версии, за исключением необходимого обхода ВЧ при работе на передачу, (он не показан в данной схема техники), который должен сопровождать любой МШУ.
В данном варианте разработанной схемы учтены подобные недостатки. В данном МШУ применен вариант работы активного элемента на биполярном СВЧ n-p-n транзисторе КТ399. Также возможно использование следующих транзисторов: КТ3101А2; КТ3115А2; КТ3132А2; BFR193, обладающих малым коэффициентом шума на частотах 2-х метрового диапазона, высокой граничной частотой , хорошим коэффициентом усиления (что не используется здесь в полной мере), но тем не менее запас карман не трет–по усилению, так как с течением времени коэффициент усиления биполярного транзистора зачастую начинает уменьшаться по ряду причин. Во входных и выходных цепях МШУ установлены резонансные настраиваемые контура, представляющие собой высокочастотный автотрансформатор, который работает как повышающий в первом случае и как понижающий и согласующий (с 50-омным кабелем) во втором. Напряжение на выходе входного контура гораздо выше, чем на его входе, это позволяет в большей степени усиливать активным элементом МШУ поступающий на его вход высокочастотный сигнал. Все это способствует в значительной мере положительно влиять на работу самого предусилителя. Здесь следует отметить, что переходные конденсаторы и конденсаторы, находящиеся в контурах, обязательно должны быть с воздушным диэлектриком. При настройке МШУ следует стремится к установлению режима транзистора таким, каким он обозначен на принципиальной схеме и изложен в данном материале, для получения хорошей устойчивой работы МШУ. В случае необходимости, схема адаптирована при незначительных ее доработках, для получения большего ВЧ напряжения с выходных цепей МШУ, что зачастую бывает мало востребовано в реальных условиях приема.
В данной схема технике следует обратить внимание на то, что сопротивления находящиеся в МШУ указаны с достаточно большой мощностью рассеивания в 0,5 Вт и это не ошибка, все это делается для того, что бы как можно больше сократить уровень шумов производимыми резисторами при протекания в них электрического тока. А применение блокирующих конденсаторов в данной схеме МШУ способствуют не проникновению по цепям питания шума воспроизводимым из стабилизатора малого напряжения и в частности от самого стабилитрона и шума воспроизводимых так же самих резисторов, то есть развязка по питанию достаточно высокая. Надо отметить, чем меньше ток стабилитрона, тем меньше шум создаваемый им. Чем большее значение имеет номинал сопротивления и меньше его мощность рассеивания, тем больше он создает шум, что значительно отразится на качестве принимаемого сигнала. Аналогичная ситуация происходит и при внешней повышенной температуре, когда от горячего, а порой раскаленного летнего воздуха резисторы начинают зашумливать полезный приемный сигнал МШУ, расположенного во внешней среде. Кроме того в летнее – дневное время уровень «белого» шума от солнца имеет довольно значительную величину, что неизменно отражается на проводимой вами радиосвязи. В данной схеме все это и многое другое учтено. Все указанные в схеме номиналы элементов следует устанавливать такие, как они указаны в данном материале.
ДЕТАЛИ
Конденсаторы С1-С4 – переменные малогабаритные с воздушным диэлектриком 1 – 16 пФ. Конденсаторы С5-С7 – проходные емкостью 3300 пФ. Конденсаторы С8-С12 емкостью 0.15 мкФ. Переходные конденсаторы в цепях МШУ можно с успехом использовать марки КТ–2–17 или любые другие с воздушным диэлектриком. Резисторы: R 1 – 5 кОм; R2 -125 кОм; R3-15 Ом; R4-510 Ом – зависит от применяемого микроамперметра. R5 – 3,0…6,8кОм подбирается в зависимости от поступающего напряжения и тока стабилизации на стабилитроне. R6 – переменный типа ПП-3-40 4,7кОм. Дроссель Др-1 20 мкГн. Транзистор VТ1- КТ 399. Транзистор V – 6. КТ611. V – 7. Стабилитрон КС – 133 А. или КС -147. Диоды V – 2,3.4,5. КД – 510. Контрольный прибор – микроамперметр советского производства от портативного магнитофона на 200 микроампер. Катушки L1 на оправке диаметром 10 мм 3,75 витка отвод от 1 витка снизу провод ПСР 2,0 мм. L2 диаметром 9 мм. 3,75 витка отвод от 1 витка снизу провод ПСР 1,6 мм. Намотка всех контуров производится с шагом равным диаметру провода, намотка левосторонняя. Входная и выходная ступень МШУ рассчитана под 50-омный кабель. F – ферритовая трубочка. Следует учесть, чем больше емкость конденсатора С3, тем больше полоса пропускания в настройке контура L2.
Имеющиеся настраиваемые контура в данном МШУ положительно сказываются и на избирательных свойствах устройства, что положительно влияет на работу трансивера на 2х метровом диапазоне.
Здесь следует отметить, что все МШУ на биполярных транзисторах желательно питать как можно меньшим напряжением, (не «гонясь» за большим усилением) так как важно само по себе незначительное усиление высокочастотного сигнала в МШУ с минимальным уровнем шума, а не его чрезмерное усиление и как следствие значительный уровень воспроизводимого им шума, что явно просматривается в китайских МШУ со значительным напряжением подводимого к ним питания. Коэффициент шума в МШУ так же зависит от качества согласования на входе МШУ и режима работы транзисторного каскада.
На основании выше изложенного подача оптимального регулируемого напряжения питания в данном изделии лежит в пределах от 1.5 до 3-х вольт, что вполне достаточно для качественной работы МШУ. Большее значение напряжения питания на транзистор влечет за собой не только увеличение усиления каскада , но и значительно повысит уровень «белого» шума, что нежелательно при работы с DX операторами, все должно быть в меру. Основные требования предъявленные к МШУ это использование недорогих комплектующих, низкий уровень собственных шумов, высокое усиление и подавление внеполосных мешающих излучений (сигналов).
Каковы преимущества данного МШУ? – во первых надо отметить что УВЧ собранный на данном триоде вполне, из практики, имеет достаточно хорошее усиление полезного сигнала поступающего на вход трансивера из данного МШУ, что значительно расширит возможности при приеме дальних корреспондентов и положительно скажется на стабильности радиосвязи. С МШУ вы довольно оперативно будете отслеживать наличие тропосферного и Es прохождения и быстро ориентироваться на 2х метровом диапазоне за появлением и наличия радиолюбительских репитеров находящихся на удалении более 150 км., что позволит вам проводить дальние радиосвязи с радиолюбителями с данных направлений.
Несколько слов о работе самого МШУ: На УКВ/СВЧ максимальное достижение величины чувствительности не только нужно, но и несомненно оправданно. Так при использовании в МШУ на СВЧ биполярного транзистора – КТ399 уровень входного сигнала на трансивере был приподнят (при измерении) практически в среднем более чем на 4 балла (1 бал это 6 дБ на УКВ), от значения в 0,012 мкВ (- 145 дБ) на входе до 0,18 мкВ на выходе (- 121 дБ). Конечно многое будет зависеть от вашей сборки и настройки, а так же комплектующих элементов.
Все это вполне более чем достаточно для МШУ, и надежной работы в сети 2х метрового диапазона с DX операторами благодаря определенной схемотехники устройства. При сборке МШУ нужно обязательно учитывать добротность входного контура, от которого в конечном счете будет во многом зависеть уровень сигнала поступающего на активный элемент и работа вашего МШУ в целом. Здесь мы учитываем, что 1 балл по принятому стандарту шкалы S метра в УКВ диапазоне соответствует сигналу на входе устройства в – 129 дБ, или 0,08 мкВ при входном сопротивлении в 50 ом. Коэффициент шума данного изделия составляет менее 0.4 дБ при усилении более 15 дБ, что является весьма не плохими показателями работы устройства. Конечно многое будет зависеть от качественных параметров самого транзистора и от сборки и настройки данного устройства. В данном варианте МШУ предусмотрена возможность изменять в «ручном» режиме уровень усиления данного изделия от условий прохождения электромагнитной волны в пространстве, то есть от прохождения электромагнитной волны в тропосфере и приходящего ВЧ на вход МШУ практически в широких пределах, убирая при этом возникающий уровень тропосферного или промышленного шума, которым может в частности являться и фоновое значение от уличных светодиодных панно или городского светодиодного освещения в вечернее время. Регулировка МШУ происходит за счет уменьшения – увеличения питаемого напряжения самого МШУ, в выбранном вами «ручном» режиме. Уменьшением напряжения удается устранить так же возможность редкого порой самовозбуждения каскада при сохранении его достаточного усиления. Вместе с тем потребляемый ток коллектора транзистора в рабочей точке не рекомендую выбирать менее чем 0,5 мА (зависит от индивидуальных характеристик транзистора), так как при меньшем токе сильно сказывается зависимость параметров транзистора от температуры, а так же его коэффициент усиления, и не более 1,0 мА для получения достаточно хороших устойчивых показателей в работе устройства. При этом напряжение на базе СВЧ транзистора КТ 399 должно лежать в пределах от 0,58В до 0,69В при его ручной регулировки . В данном варианте измерения производились цифровым мультиметром марки DT 8205A.
Для сравнения, применение транзисторов КТ939А, рекомендуемые зачастую радиолюбителями в схемах МШУ на 145 МГц, поднимают коэффициент шума до 2,5 дБ. При достаточно большом усилении, большом потребляемом токе и при напряжении питания в среднем порядка 8 вольт.
Настройка МШУ осуществляется (при имеющейся возможности) с применением любого высокочастотного ГСС, имеющего диапазон 144 – 146 МГц или при его отсутствии отдельного кварцированного транзисторного малогабаритного генератора разнесенного на определенное расстояние от приемной антенны. Подобных схем генераторов довольно много можно найти в периодической справочной технической литературе и в интернете. Из промышленных ГСС неплохо использовать такие образцы производства СССР, как Г-4-116 или более совершенные и современные с цифровым информационным табло. В настоящее время в КНР производят для нужд радиолюбителей измерительные приборы и из них выделяется достаточно не дорогой ГСС работающий в полосе частот от 0,5 МГц до 470 МГц. Что обеспечит вас измерением практически всех КВ и УКВ диапазонов.
В дальнейшем более детальную подстройку производят применяя реальную антенну и ориентируясь на DX радиолюбительские станции, настраивая МШУ по максимальному уровню принимаемого сигнала, при напряжении питания в 1,5 – 2 вольта при минимальном значения шума. В данном случае ориентироваться можно и по S метру самого трансивера.
Располагать МШУ желательно вблизи самой антенны, так как в этом случае МШУ не будет в определенной степени усиливать шумы самого кабеля (при его низком качестве или при значительной его длине), но даже если разместите его на некотором расстоянии или вблизи трансивера сможете компенсировать потери сигнала во входных цепях самого трансивера и получите определенное значение положительного эффекта от его применения, без которого в дальнейшем не будете представлять себе работу в эфире на 2-х метровом диапазоне. Однако при установке МШУ вблизи антенны и при работе его особенно в зимнее время, желательно что бы собранное вами устройство имело автоматический внутренний подогрев внутри внешнего корпуса устройства, так как работа биполярных транзисторов при значительной минусовой температуре (несмотря на стабилизацию режимов) осложняется тем, что базовый переход транзистора начинает просто закрываться и напряжение на базе триода n–p–n проводимости падает ниже порога его открытия, что неизменно сказывается в целом, на качественной работе самого МШУ.
В отличии от транзисторного МШУ собранные на радиолампах МШУ гарантированно лишены подобного недостатка.
При применении на практике данного транзисторного МШУ с трансивером, обладающим хорошей чувствительностью, удавалось принимать сигналы удаленных радиостанций с уровнем сигнала которые без МШУ не были слышны вообще.
В данном авторском варианте используемой антенны был применен наиболее приемлемый для работы DX операторами с малыми потерями как на прием так и на передачу на 145 МГц. коаксиальный кабель в 50 Ом марки 10 DFB длинной около 32 метров.
Данное МШУ собирается в корпусе из алюминия, возможно и в латунном или медном корпусе с соответствующими разъемами и перегородками. Здесь важно отметить определенную особенность; так размещать МШУ вблизи антенны в строго герметичном корпусе в летнее время не следует, так как в нем обязательно будет образовываться конденсат, который приведет к отказу с течением времени в работе вашего МШУ, то есть данные вопросы вам необходимо тщательно проработать.
О контроле за усилением данного МШУ вы можете судить по наличию напряжения питания на установленное вами изделие при помощи малогабаритного микроамперметра, примерно в 200 микроампер, используемого в качестве вольтметра с соответствующей градуировкой на его шкале в вольтах или при наличии приборов произвести его градуировку в децибелах. Все зависит от вашего желания и возможности.
По данной схемотехнике ведется и дальнейшая теоретическая и практическая доработка и совершенствование МШУ в целях получения еще более значительных и положительных результатов для комфортной работы в эфире.
И так основная цель в размещении данного материала по разработанному МШУ в интернете достигнута. Все это должно послужить многим радиолюбителям УКВистам отправной точкой, либо положительным примером для совершенствования своей аппаратуры связи на частотах 144 – 146 МГц и активного использования радиолюбителями России частотного спектра данного радиолюбительского диапазона и популяризации радиоспорта.
И в заключении нашего технического материала пожелаю вам, чтобы вы не останавливались на достигнутом в процессе совершенствования не только вашей аппаратуры, но и так же в конструировании антенно–фидерного хозяйства.
Значительно более улучшенную версию данного МШУ «ЛУЧ–2» с более «продвинутыми» показателями обязательно представим вашему вниманию после прохождения изделием практического тестирования.
Ниже приведена таблица перевода некоторых значений дБ в мкВ, которая пригодится при настройке МШУ.
| дБ | мкВ | дБ | мкВ |
| -150 | 0.007 | -135 | 0.039 |
| -147.5 | 0.00975 | -132.5 | 0.05.45 |
| -145 | 0.0125 | -130 | 0.07 |
| -142.5 | 0.01725 | -127.5 | 0.0975 |
| -140 | 0.022 | -125 | 0.125 |
| -137.5 | 0.0305 | -122.5 | 0.1725 |
Данных представленных в таблице будет достаточно для корректной настройки МШУ учитывая при этом, что современные УКВ трансиверы обладают довольно не плохой чувствительностью по входу на 2х метровом диапазоне.
Желаю радиолюбителям УКВистам охотникам за DX, успехов в проведении дальних и сверхдальних радиосвязей в российском и зарубежном сегменте частот 144–146 МГц.
Материал подготовил и опубликовал RK4FX. Юрий. г. Пенза. – 73 ! –
Февраль 2023 год.