pondělí 17. listopadu 2014

Harmonický směšovač pro mikrovlny



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



         Tištěné spoje včetně programování ATMEL je uvedeno na stránkách http://www.ok1vm.cz/projekty/hm.htm
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:

Žádné komentáře: