Harmonický směšovač pro mikrovlny
Ne každý radioamatér má k
dispozici spektrální analyzátor i na vyšší mikrovlnné kmitočty. Většina
má nějaký analyzér do 1 max do 3 GHz. ; No
a takový harmonický směšovač jej
kmitočtově rozšíří. Na stránkách OK1KKD jsem objevil harmonický směšovač,
 |
| OK1DGI Harmonický směšovač |
který zhotovil
OK1DGI . Mně i mým kamarádům /OK1UFL,OK1VM/ se velmi zalíbil , že jsme se
pustili do jeho stavby. OK1DGI vycházel
z popisu S53MV , který dlouhodobě upravoval
, odlaďoval a navrhoval nové tištěné spoje. Nejdříve zařízení vyráběl
pro 24 GHz , později kvůli stavbě zařízení 47 GHz musel udělat harmonický směšovač ke
spektráku ( s digitální syntézou řízenou vnějším Rb normálem, chodí to od 3 GHz do 80 GHz, na 47 GHz je směšovací
ztráta 40 dB).
Základ je
zdroj 5V a 24 V z měniče DC/DC. Odběr zařízení z 12 V je 180 mA včetně
podsvícení LED displeje. Na vstupu
směšovače jsme použily dvojitou diodu SMS 7621 - 05LF mark: XH2. Dále VCO + PLL s ADF 4113 ,řízený
ATMega 168 s indikací na dvouřádkovém
displeji LCD. Je-li VCO + PLL mimo závěs, objeví se v pravém rohu velké písmeno
X.
Myslím, že
by bylo dobré indikovat výpadek závěsu blikající LED diodou vyvedenou z pinu 14
Atmegy 168 / MUX/. Při správném zavěšení je tam log 1. Jako zesilovač MF
kmitočtu včetně zesilovače ve VCO jsou použity tranzistory BFP 540 a varikapy
BB833. Dále TCXO 20 / 10/ MHz s automatickým přepínáním při vložení signálu 10
MHz z rubidiového či GPS signálu, funkčními tlačítky a optickým encodérem pro
nastavovaní požadovaných hodnot.
Rozsah LO je 2 - 3,8 GHz . Výstupní výkon cca
+ 13 dBm. Sám jsem naměřil na nižším kmitočtu 2173 MHz 12 dBm, na vyšším kmitočtu
3843 MHz 16 dBm. Provozní zkoušky jsem
prováděl na 24 GHz . Oproti schématu jsem využil napájení vně z 12 V.Původní
trafo je výkonově slabé i pro podsvět displeje a dosti se hřálo. Na snímcích
foto z testů na 24 GHz.
 |
| OK1EM Čelní pohled | | | |
 |
| OK1EM Směšovač pohled na PCB |
 |
| OK1EM VCO + PLL pohled na PCB |
 |
| OK1EM Vnitřní pohled na hotový výrobek |
VCO + PLL a
směšovač vyžaduje precizní práci s mikrovlnou technikou, zejména pečlivě měřit
každou součástku před letováním.
Závady jsou způsobené vždy jen zhotovitelem.
Po
zhotovení bylo VCO funkční , jen nešlo
přelaďovat. Chyba byla v připojení odporů 10 k u encoderu ne přímo na + 5 V , ale
přes odpor 150 ohmů .
Pak ještě
přehozené vodiče u tlačítek INCR a NAST, neb schéma k tomu polohově svádí.
Některé poznatky OK1DGI:
Ten
materiál, na kterém je to VCO v harmonickém směšovači je tlouštka 0,78 mm. Er =
3,4. Stejný materiál je i u toho směšovače.
Fotka z doby,
kdy jsem to poprvé postavil, tehdy to bylo zamýšleno pro použití do 24 GHz.
 |
| OK1DGI pohled do prototypu |
Oscilátor
byl obyčejný krystal na desce, to je ten, který je na té fotce umístěný
nastojato vedle procesoru. Tehdy byla ve směšovači dvojitá dioda
BAT15-99.
Tuto verzi
jsem postavil v roce 2010.
 |
| OK1DGI Směšovač prototyp s BAT 15-99 |
Při práci s
tímto směšovačem jsem si uvědomil neocenitelnou výhodu PLL - kmitočtovou
stabilitu a přesnost a začalo mi vadit, že to je řízeno obyčejným krystalem,
který není nijak přesný a není termostatovaný. Proto jsem tam vestavěl
oscilátor přesnější, v provedení TCXO a s možností přivedení vnějšího
normálového kmitočtu 10 MHz. Protože jsem nesehnal oscilátor na 10 MHz, použil
jsem 20 MHz a dal k němu děličku dvěma. Tento obvod je na samostatné destičce,
která je přišroubovaná pomocí plechového úhelníku k BNC konektoru pro
externích 10 MHz na zadním panelu. Schéma zapojení toho oscilátoru je na
tom celkovém schématu, ta pomocná
destička je ta deska "prepinac XO.brd". Jinak tu základní desku přikládám, nyní
tam není osazen ten krystal u procesoru, 10 MHz je tam přivedeno z té
pomocné destičky tenkým koaxiálním kablíkem.
 |
| OK1DGI Pohled na TCXO |
Pokud bys
tam dal nějaký svůj oscilátor 10 MHz, musí mít střídu 50/50 - nemusí to být
úplně přesně, ale ne horší než asi 40/60 a taky to musí mít vysokou strmost hran,
to vyžaduje ten obvod ADF4113. Ten je velmi spolehlivý a bezproblémový, pokud s
ním někdy byly nějaké problémy, tak to vždycky bylo vinou přivedeného
hodinového kmitočtu, buď nevyhovující střída nebo špatná strmost hran.
Když jsem chtěl letos stavět 47 GHz, zjistil
jsem, že směšovací zisk je s tou BAT15 na 47 GHz už příliš malý. Vyzkoušel jsem
ty SMS diody, protože vyhověly, jiný než ten uvedený typ jsem z této řady
nezkoušel. Diody jsou připájeny na místě té BAT 15 na původní plošňák. Koupil
jsem je na Digikey.
S těmi diodami SMS jsem s citlivostí na 47 GHz
spokojený, směšovací zisk je jen o 2,5 dB horší než u směšovače HP11970V, se
kterým jsem to porovnal. Takže jsem s diodami dál neexperimentoval.
 |
| OK1DGI VCO + PLL |
 |
| OK1DGI Panel přední pohled |
 |
| OK1DGI Celkový zadní pohled |
Ten semirigid u toho směšovače má
délku ramen 17 mm, mezera v plášti uprostřed je 1 mm, nijak kritické to není,
těch 17 mm je optimálních.
Vlastní
zařízení je vloženo do krabičky zakoupené v TME
Rozměry
základní desky jsou 154 x128mm, VCO+PLL je 77 x 42 mm, MIX 102
x 44 mm, Přep.XO 35 x 24 mm, tlačítka 10 x 77 mm
Harmonický směšovač se ovládá takto:
Tlačítkem
NAST si volím co chci
nastavovat. Každým jeho stiskem se přesune ukazatel (taková ta šipka) k údaji,
který se právě nastavuje. Na fotce, kterou jsem
poslal, je ten ukazatel před hodnotou 47088.
|
| OK1DGI Harmonický směšovač |
V této poloze si otáčením knoflíku NAST měním
kmitočet, který odpovídá výstupnímu kmitočtu, v případě na fotce
bude 47088 na 504 MHz na spektráku.
Tamže když
mám na spektráku 504 MHz uprostřed, tak mám uprostřed těch 47088 MHz.
V této
poloze tedy nastavuju ten vstupní kmitočet, mohu ho nastavovat v rozsahu, který
je na řádku pod ním, na fotce je to rozsah 30504 - 48504 MHz.
Pokud chci
tento rozsah změnit, stisknu tlačítko NAST a přesunu tu černou šipku na druhý
řádek před ta čísla rozsahu. Potom si můžu skokově měnit rozsah
podle toho,
jaký harmonický násobek oscilátoru počítám. Která to je harmonická, to se
zobrazuje na tom druhém řádku hned za tím rozsahem, na té fotce je číslo 12,
pracuji tedy s dvanáctou harmonickou.
Třetí
hodnota, která se dá nastavovat (když tam přesunu tu šipku pomocí tlačítka NAST) je velikost výstupního kmitočtu,
já jsem to označil jako MF. Ten se
dá nastavovat 100 - 1000 MHz, na té fotce mám nastaveno 504 MHz.
Pomocí
druhého tlačítka INCR si
volím velikost inkrementu, s jakým se mění kmitočet při otáčení nastavovacího
knoflíku. Zvolit lze hodnotu 1 nebo 10 nebo 100 MHz
Třetí
tlačítko REV přepne do režimu reverzního směšování, kdy
pracuju na zrcadlovém kmitočtu. Směr ladění se potom převrátí a na displeji se
objeví písmeno R. To je tam proto, aby se daly využít všechny kmitočtové
kombinace, které harmonický směšovač umožňuje.
Poslední tlačítko
je označeno +1 MHz.
Když toto tlačítko držím zmáčknuté, zvýší se kmitočet oscilátoru o 1 MHz a já
si tak můžu zkontrolovat, jestli se dívám na tu správnou harmonickou.
Když teď v tom nastavení, které je na fotce, stisknu to
tlačítko +1MHz, musí se mi zobrazovaný signál posunout o 12 MHz, takže z 504
MHz mi poskočí na 516 MHz. Tím mám jistotu, že opravdu koukám na tu dvanáctou
harmonickou. To se využívá když koukám na signál, u kterého ani přibližně
netuším jaký by to mohl být kmitočet.
Doufám že tento popis je dostatečný,
snad je to pochopitelné. Ve skutečnosti se s tím pracuje velmi pohodlně.
Zato ta stavba je náročnější než to
vypadá. Já jsem na tom strávil hodně času.
Nejprve je
potřeba "vychovat" samotné VCO, aby kmitalo ve správném rozsahu a
mělo co nejnižší fázový šum. To je základ.
Se
směšovačem problém není, pokud jsou dodrženy zásady pro práci na těchto
kmitočtech.
S tou
digitální částí taky není problém (dělal jsem to 3x), ale nesmí tam být žádná
chyba v součástkách nebo osazení, protože taková chyba se dost špatně
hledá.
Samozřejmě všechno musí být stíněno,
jinak se tam objevují nežádoucí příjmy z okolí.
Na té fotce jsou stínicí kryty z těch krabiček sundané.
Je to výborná pomůcka při stavbě zařízení pro vysoká
GHz pásma, mě to velmi pomohlo při stavbě zařízení pro 24 a 47 GHz, vlastně si
ani nedovedu představit, že bych se musel bez toho harmonického směšovače
obejít.
Poznatky OK1UFL:
O letošním polním dnu se
podařilo navázat pěkné spojení se stanicí OK1KKD v pásmu 47 GHz. 133 km
s reportem 59 oboustranně.
Operátor
- Mirek OK1DGI se pochlubil, že je to první spojení na jejich nové zařízení
které dokončil krátce před závodem. Popis a foto že je na jejich klubových
stránkách.
Při prohlížení těchto stránek
mne zaujal právě harmonický mixer. A nebyl jsem sám. Domluvili jsme se
s Edou OK1EM a Michalem OK1VM , že se do stavby tohoto přístroje pustíme.
Eda OK1EM oslovil Mirka
OK1DGI a ten poskytl podklady a SW do procesoru. Pak jsme začali shánět potřebné
komponenty. Michal OK1VM zajistil kvalitní prokovené plošné spoje , což byl
předpoklad dobrého výsledku.
Stavba
a změny oproti prototypu Mirka OK1DGI
Deska
směšovače.
Na
místě výstupního zesilovače jsem místo SGA4586 použil ERA3 „ze šuplíku“ . Katalogové
údaje obou obvodů jsou téměř shodné. Na desce PLL oscilátoru nejsou žádné
změny.
 |
| OK1UFL směšovač |
Základní
deska, display, encoder, napájecí obvody.
Zde
jsem použil většinu součástek „ze šuplíku - vytěžených z dílů zakoupených
na burzách“
+28V
- Up Converter s obvodem SP34063 v katalogovém zapojení
+5V
– DC/DC Converter TEN 3-1221 (Vin
9-18V OUT+-5 V 250 mA)
Napájení
ze sítě 230 V – malý spínaný zdroj 12V 0,5A.
Při
napájení z externího zdroje 13V DC je odběr asi 115 mA (nepoosvětlený
display)
Display
jsem zakoupil při podzimním setkání na Kozákově od
 |
| OK1UFL Displey |
Osadil
jsem postupně plošné spoje PLL oscilátoru, harmonického směšovače, základní
desku a subpanel na kterém je display, tlačítka a encoder.
Oživil
jsem napájecí obvody. Dále bylo potřeba nahrát program do ATmegy. S těmito
obvody jsem nikdy nepracoval a tak jsem zapátral na internetu. Stáhl jsem si
program Ponnyprog a pomocí jednoduchého přípravku do paralelního portu PC se
mne podařilo procesor nahrát. Také díky Michalovi OK1VM za pomoc
s nastavením pojistek a konfigurace procesoru.
Vše jsem propojil a připojil
napájení. Procesor, display, tlačítka a encoder pracovaly OK , ale oscilátor PLL nekmital. Příčinou byl
neosazený vazební kondenzátor v oscilátoru. Po doplnění již oscilátor
kmital , ale neladil, PLL syntéza
nepracovala, ladící napětí pro varikapy bylo na nule. Příčinou se ukázala
nepozornost při osazování, záměna hodnot třech kondenzátorů v cestě
komunikace procesoru s obvodem ADF4113. (Namísto 100p jsem osadil 1n.) Po
výměně kondenzátorů již ladící napětí bylo asi 3,5V a při otáčení encoderem se
měnilo téměř v celém rozsahu. Dokončil jsem vf propojky a zastínění PLL
oscilátoru a směšovače.
 |
| OK1UFL Čelní panel |
 |
| OK1UFL VCO + PLL |
 |
| OK1UFL osazené PCB bez krabiček |
 |
| OK1UFL pohled shora |
První
testy HM se spektrálním analyzátorem
Pro první pokusy jsem do
vstupního konektoru HM přípojil asi 2,5 cm semirigidu na konci asi 7 mm s odstraněným
stínění jako anténku a „maják“ 47GHz 10
mW bez antény jako zdroj signálu. Po nastavení a prvotním osahání se dal
nastavit pík přes celou obrazovku i ze vzdálenosti 15 cm možná 20 cm vlnovodu od anténky HM. Další test jsem zkusil na 76
GHz. „Maják“ asi 1 mW bez antény, anténka HM stejná, vzdálenost 2 – 5 mm od
vlnovodu. Na SA nastaven menší vstupní útlum. Pík šel nastavit přes celou
obrazovku s rezervou. Odzkoušení na ostatních pásmech zatím nebyl dostatek
času a místa na stole.
Od
Mirka OK1DGI je to zdařilá a velmi užitečná konstrukce s možností navázání
na frekvenční normál 10 MHz rubidium nebo GPS. A proto mu patří velký dík ! ! !
Článek byl publikován s laskavým souhlasem autora : OK1DGI
S tím
publikováním souhlasím, budu jen rád, když to pomůže i dalším amatérům - snad
to přispěje k větším zájmu o práci na těchto pásmech.
Souhlasím s
využitím toho zařízení kýmkoliv, s výjimkou případů komerčního využití.
OK1EM
Odkazy:
https://ok1em.blogspot.com/2014/11/kontrolni-den-harmonicky-smesovac.html
