Per qualche dB in più

Livello di difficoltà    

Preamplificatore VHF con filtro selettivo

Tra le continue tendenze dei radioamatori, specie per coloro che frequentano le gamme più alte, vi è la tendenza ad utilizzare potenze elevate. Mi riferisco a gamme VHF e superiori quindi a portata ottica, utilizzare potenze oltre il livello legal power (attualmente circa 50w) è solo spreco di energia in quanto se tra i due interlocutori esiste un impedimento che causa una attenuazione tale da compromettere il collegamento, è inutile aggiungere potenza a dismisura, tradotto in termini pratici una collina oppure uno stabile che fa da ostacolo, su frequenze ben più elevate tipo 1200 Mhz anche un gruppo di alberi può creare attenuazione tra i punti, non risolvibile certo con incremento di potenza. Che dovrebbe inoltre, essere una soluzione assunta dalle due stazioni, quindi oltre al dispendio economico dell’acquisto si somma anche quello energetico.

Spesso la problematica si pone in senso opposto, cioè non ascoltiamo il nostro interlocutore non perchè il suo segnale a noi giunge minimo, ma tante volte è il nostro ricevitore che è “intasato” da segnali molto forti in gamma (magari adiacenti ) che compromettono l’intervento del’ AGC e quindi avvengono quei fenomeni che gli Inglesi chiamano SPLATTERS. Questo può verificarsi in presenza di segnali elevati in gamma stessa tipo radioamatori in vicinanza oppure servizi civili, ponti ripetitori, link militari in uhf ancora attivi nonostante la dimissione e il totale inutilizzo.

Non è sempre imputabile la pessima ricezione di un segnale a stazioni presenti nella stessa gamma, e mi riferisco ad una porzione estesa, tipo 140 Mhz a 170 Mhz. Dobbiamo considerare che la porzione vhf dedita al comparto aereo è da trascurare in quanto le potenze in gioco sono minime. Ma subito accanto abbiamo circa 20 Mhz di segnaloni presenti h24 con potenze considerevoli, le famose trasmissioni FM Broadcasting, che il nostro ricevitore ne subisce la presenza involontariamente. Naturalmente possono verificarsi fenomeni di contemporanetà di due emissioni di natura diversa che si combinano tra loro nel primo mixer o addirittura lungo la tratta if del ricevitore. Fenomeno che è definito con il termine anglosassone DESENSING. Lo studio di questo ultimo e ben più complesso, andrebbe dettagliato nei vari casi e per come si presenta. Per alleviare i disturbi e rendere più performante la comunicazione, più di qualcuno utilizza filtri di tipo Notch (elimina banda) che per un tecnico professionista in possesso di attrezzatura adeguata è immediatamente in grado di definire e realizzare nonchè scegliere in base al tipo di fastidio. A volte ne occorre più di uno, ma ciò richiede conoscenza approfondita, c’è da dire che ogni gamma assegnata ad utilizzo amatoriale soffre di problematiche diverse ma non sto qui ad elencarle.

Facciamo pulizia

La mia idea in merito e di delimitare la banda utilizzata a mezzo filtro selettivo e compensare le perdite di questo ultimo con un elemento attivo, tipo mosfet o transistor in ogni caso qualcosa che produca basso rumore e un discreto fattore di amplificazione.

In commercio ne esistono di elementi attivi adatti allo scopo, tipo tutta una gamma di mosfet prodotti dalla PHILIPS tra cui il blasonato BF960 o affini (BF998 in smd), che considerate le salienti caratteristiche possiamo sperimentarne più modelli e trarne un parere personale.

Quindi il mio circuito, si compone di filtro preselettore accoppiato induttivamente in maniera da avere una discreta selettività, seguito da uno stadio amplificatore di circa 10 ==>12dB e una cella di attenuazione da circa 2 db con la mansione di eliminare il rumore introdotto dallo stadio stesso sommato ad eventuali sorte di rumore che si genera lungo la tratta di cavo.

Naturalmente le commutazioni necessarie le affido a due relais di fascia comune volendo contenere i costi di realizzazione.

Il filtro

Il filtro di ingresso è architettato con due LC parallelo risonanti sulla frequenza di utilizzo (in questo caso 145Mhz) accoppiati tra loro induttivamente, da prove effettuate la larghezza di banda è di circa 5Mhz quindi sufficiente a contenere la Vhf a noi assegnata.

La figura in basso da un idea di comportamento del filtro, F1 è circa 143 mhz e F2 148 Mhz, legate alla taratura dei compensatori e alla distanza delle due bobine.

Amplifichiamo

Per amplificare il segnale proveniente dall’antenna ho utilizzato una conformazione circuitale, pluriconosciuta, quindi più che collaudata!

Mosfet dual gate dove un ingresso è polarizzato e tenuto a tensione costante e l’altro ingresso utilizzato per immettere il segnale.

Nella figura è raffigurato lo schema di principio, la R2 R3 formano il partitore resistivo che polarizza uno dei due gate, il valore di tensione va calcolato in base al tipo di mosfet utilizzato, R5 va a compensare i famosi dissidi termici e la R4 fa da carico per il terminale Drain.

Il rumore

Per chi si occupa di ricezione in gamma sat, sia tv che amatoriale, ed ha attraversato la evoluzione dai primi anni 80 ad oggi avrà sicuramente affrontato il parametro “Noise Figure” di uno stadio amplificatore.

Argomento non semplice, e soprattutto ha bisogno di strumentazione adeguata, per poter essere quantizzato sotto forma di dB e giudicare qualitativamente uno stadio.

Esposto in parole brevi e semplici a chi non conosce l’argomento, si tratta di un segnale di fondo prodotto dallo stesso stadio amplificatore in assenza di segnale di ingresso, Una sorta di polverone che presente alla sola alimentazione dello stadio stesso, Quindi si intuisce che il nostro segnale utile deve superare questa soglia per poter essere amplificato. Inoltre c’è da dire che se vi fosse un successivo stadio

il rumore del primo verrebbe amplificato dallo stadio successivo, ciò comporterebbe degrado del segnale utile.

Quindi si rende sempre più accurata la ricerca del dispositivo attivo, Quanto dichiarato dal costruttore il mosfet che ho utilizzato tipo BF960 prodotto inizialmente dalla Philips poi Siemens oggi obsoleto ma

offerto sul mercato sotto sigle diverse e in diversi pachage, vi invito a leggere il datasheet scaricabile da link qui sotto

Dopo le caratteristiche elettriche e alla descrizione in merito ai campli applicativi, alla terza pagina trovate le caratteristiche dinamiche nonchè il guadagno e il parametro Noise Figure, che fino a circa 200Mhz si limita ad 1,6 dB, Ecco il motivo di scela della cella attenuatore successiva da 2 dB.

Attenuare è necessario

Come è conformato l’attenuatore in uscita ?

semplice cella a PI greco, 3 resistenze calcolate in modo tale da ottenere 2 dB di attenuazione.

Di software e tabelle per ottenere i valori di resistenze in base alla attenuazione desiderata ne esistono a centinaia, la rivista Nuova Elettronica al n° 106, dove io ho trovato notizie e suggerimenti inerenti agli attenuatori ad impedenza costante, ne tratta tipologie e calcoli in maniera dettagliata.

nella figura in basso lo schema generico

Il circuito completo

Lo schema elettrico completo si compone dei circuito descritti già, in aggiunta lo stadio di commutazione RX/TX affidato a due relais e un Vox RF.

L’idea di utilizzare due relais doppio scambio è nata dalla esigenza di utilizzare qualche watt in più.

Il modello di relais Finder è di facile reperibilità e soprattutto economizza ne complesso la realizzazione.

Alimentando il circuito Il transistor Q2 polarizzata la base da R2 si trova immediatamente in saturazione e permette ai due relais di commutare interponendo lo stadio amplificatore.

Nella fase di trasmissione il segnale prelevato tramite C10 e raddrizzato da D1 e D2 va a polarizzare Q1, che a sua volta inibisce il transistor Q1, consentendo il rilascio dei due relais e il segnale rf viene direttamente instradato in antenna.

Elenco componenti

Realizzazione pratica

Il circuito non ha componenti o circuiti critici, anche chi è alle prime armi, riuscirà a ottenere ottimi risultati.

Io ho scelto la soluzione più comoda, utilizzando un contenitore TEKO modello 373 che si presta perfettamente allo scopo, ho progettato un pcb che ospita tutti i componenti, sulle pareti opposte ho previsto i due connettori SO239.

Per i più pignoli, uno dei due connettori può essere maschio in modo da facilitare i gollegementi in ambito stazione radio.

Ho realizzato il pcb doppia faccia utilizzando il metodo della fresatura cnc, che da tempo ha sostituito la procedura che prevede acidi e soluzioni chimiche, ottenendo un prototipo più che accettabile.

A circuito ultimato, utilizzando un PCB pronto oppure anche realizzazione su millefori, suggerisco di effettuare prove di commutazione e tensioni varie prima di saldare il mosfet, in maniera tale da evitare di danneggiarlo in caso di errore.

Quindi una volta montato il circuito (tranne il mosfet) si alimenta a 12v, i due relais devono commutare e misurando con un multimetro sulla L3 devono esserci circa 9v.

Ai capi della resistenza R4 devono disporsi circa 3,6v.

Nell’elenco componenti ci sono le specifiche su come avvolgere le bobine, basta procurarsi del filo argentato da 1mm e avvolgere 6 spire sul codolo di una punta da trapano da 6mm ottenendo un solenoide di circa 11mm

Per la bobina di uscita stesso metodo,

Sulla uscita applicando anche pochi watt deve avvenire la commutazione dei relais lasciando fluire il segnale rf verso l’antenna.

Accertate queste condizioni possiamo saldare il mosfet, riferendomi a chi non ha strumenti in supporto, collegato il circuito ad un ricevitore e alimentato, bisogna sintonizzare un segnale debole dopo di ciò con un cacciavite in plastica vanno tarati i compensatori C1, C2 e C8 in modo da ottenere il massimo segnale sul signal meter.

Per chi è in possesso di generatore RF e analizzatore di spettro, non ha bisogno di istruzioni per la taratura.

La taratura non è complicata ma suggerisco di effettuare una regolazione grossolana con il contenitore aperto per poi passare ad una taratura fine chiudendo il coperchio opportunamente forato nei punti utili al fine delle regolazioni.

Posso dire che il mosfet da utilizzare non è vincolante, anzi dai blasonati BF960, BF961, BF966, 3SK263 ai giovanissimi della serie CF, vi sono diversi modelli che si prestano al caso in particolare il modello BF998 in formato smd è molto performante.

Chi vuole ottenere buoni risultati in termini di prestazioni non deve dare peso all’aspetto economico quindi è consapevole che i costi dei componenti lievitino.

Tra un modello e l’altro conviene inserire in parallelo un trimmer da 100k chiuso tutto verso massa e durante la fase di taratura trovare il valore di tensione adatto ottenendo il massimo segnale in uscita.

Lo stesso circuito può essere utilizzato anche su gamme diverse, tipo UHF o 50 Mhz ridimenzionando le bobine e adattando il pcb alle dimensioni necessarie.

Andiamo al reparto pratico…

La foto in basso mostra un mio primo prototipo, montato per effettuare prove e collaudi.

Le bobine sono diverse da quelle vhf, perchè inizialemente era mia intenzione utilizzare il circuito su frequenze più alte.

Le misure effettuate esterne al contenitore, al fine di rendermi conto delle performance del circuito, la prima effettuata allo sweep e VNA per poi valutare successivamente, larghezza di banda e guadagno con Analizzatore di spettro e tracking. Per i Maker meno attrezzati accenno che il circuito può essere tarato anche senza strumenti, utilizzando un ricevitore e segnali disponibili in zona.

Diamo un contenitore

La foto successiva mostra il contenitore che ho utilizzato, modello TEKO 737, i due connettori a discrezione del cassetto dimenticatoio, cosa ci offre, si possono utilizzare dai SMA ai più costosi connettori N, personalmente ho rinvenuto due connettori tipo N mascio e femmina a me comoda come soluzione per poter connettere il circuito direttamente al RTX.

La foratura sarà praticata in base al tipo di connettore utilizzato, per il fissaggio del circuito basta saldare il polo centrale dei connettori e successivamente saldare un paio di punti di massa dove più comodo.

Conclusioni

La realizzazione del progetto descritto necessita di buona dose di pazienza e accuratezza nella realizzazione delle bobine, e particolare meticolosità durante le opere meccaniche di foratura del contenitore e preparazione dello pcb, al di ll del metodo utilizzato.

Ad ogni modo sia la realizzazione che la taratura non richiede particolare strumentazione può essere effettuata anche da neofiti.

La utilità del progetto è legata alla singola esigenza di chi lo realizza, personalmente lo uso per sollevare il livello dei colleghi OM che periodicamente sperimentano il collegamento tra zona 8 e zona 0 (Sardegna Campania)

Bibliografia