DATV op 144 mhz en 436 mhz
Ontwerp DATV stuurtrap 2m en 70cm, ca 1 tot 5W Introductie
In de afgelopen maanden zijn er bij onze DATV hobby diverse LDMOS FETs gesneuveld in onze Chinese eindtrappen bij zowel mij als anderen door waarschijnlijk de RF inschakelpiek van de ADALM Pluto. De MRF9120 en MRF9180 kunnen maar een -Ugs van een 0,5V verdragen, dat is bij een Ugs bias instelling van 4V ca 800mW (29dBm) en de Pluto piekt bij het starten van de max 0dBm naar kortstondig 10dBm, als dat met een stuurversterker wordt versterkt met 20dB dan ga je al snel over de limiet. Waarschijnlijk blijft het een tijd goed gaan maar op een gegeven moment legt de MRF het loodje…
Opmerking: Waarschijnlijk is het mogelijk om dit inschakelgedrag te onderdrukken met een TX enable signaal vanuit de Pluto zelf. Ik heb dat verder nog niet onderzocht, het is dan van belang dat dit signaal hoog gaat ná de inschakelpiek, of anders dient er een instelbare vertraging op te worden gebouwd.
De nieuw aangeschafte MRF’s zijn helaas niet altijd de echte exemplaren en dit probleem wordt alleen maar groter omdat de originele versies niet meer worden geproduceerd en China voorziet in tal van slechte clones. Hetzelfde verhaal geldt voor de Chinese stuurtrappen die achter de Pluto worden gebruikt. De Mitsubishi RA modules sneuvelen nog al eens en maar al te vaak gaat het dan ook weer om plagiaat onderdelen. Het is nooit zeker dat je een origineel exemplaar koopt, niet in Europa en zelfs niet in Nederland. Los daarvan zijn de prestaties van deze Chinese stuurtrappen én clones echt belabberd, zelfs met een hogere IDQ instelling…
Daarom heb ik besloten om zelf maar een stuurtrap te ontwikkelen met goed verkrijgbare echte onderdelen voor om te beginnen de 2m en 70cm band voor gebruik met DATV met een uitgangsvermogen van 1 tot 5W DATV. De stuurtrap gaat uit 2 trappen bestaan om zo aan voldoende versterking te komen voor de Pluto. Ik wil het project zo documenteren dat het door iedereen na te bouwen is. En desgewenst ga ik ze op afroep zelf bouwen. Ik probeer de kosten zo laag mogelijk te houden maar hou er rekening mee dat courante onderdelen een stuk duurder zijn dan die uit China…
PA1RAM – Ontwerp DATV stuurtrap Pagina 1 Maart 2024
Inhoudsopgave
Ontwerp DATV stuurtrap 2m en 70cm, ca 1 tot 5W
Introductie
Ontwerpeisen
RFtrap:
Waarom de SPF5189?
SPF5189 – Specificaties
1e RF trap – Impedantie aanpassing
1e RF trap – S11
1e RF trap – S22
RFtrap
Waarom de RD15HVF1?
RD15HVF1 Specificaties
2e RF trap – Impedantie aanpassing
2e RF trap – S11
2e RF trap – S22
RF stabilisatie circuits
RF ontkoppelingen
Bias regeling
SWR circuit
Low Pass Filter
TX Enable ingang
Voeding 1e RF trap
Ventilator besturing
Schema 145MHz
Schema 446MHz
Printontwerp 145 en 446MHz
Info vanuit andere bronnen
PA1RAM DATV VHF-UHF stuurtrap schema 20240330
Ontwerpeisen
Versterking >30dB
Ingangsvermogen max 0dBm (rechtstreeks uit Pluto en instelbaar met b.v. DATV Easy) Uitgangsvermogen >30dBm (1 tot ca 5W DATV)
DATV RF signaal schouders >45dB
Harmonischen onderdrukking >45dBc
Bias regeling mét temperatuurcompensatie
Bias regeling met meerslagen instelpotentiometer
Voeding 12V (13,8)
RF ontkoppeling op externe in/uitgangen
Beveiliging tegen ompolen mét glaszekering
Gebruik van courante, originele en goed verkrijgbare onderdelen
Passend in een standaard TEKO RF blik
Te voorzien van standaard koelblok, optioneel met ventilator
Voedingsaansluiting met schroefbare banaan-aansluitingen
RF in- en uitgang SMA Female
SWR bestand tegen worst case 20:1 bij 15W in 50Ω
Dubbelzijdige FR4 print, voorzien van via’s en massavlak aan onderzijde
Gebruik van SMD1206 onderdelen waar mogelijk
Ontwerp moet goed reproduceerbaar zijn (KISS ontwerp)
Optionele Externe TX-enable ingang.
Temperatuurregeling FANs (40o aan)
SWR meting ingebouwd
Computer besturing/monitoring
1e RF trap:
Waarom de SPF5189?
Het uitgangssignaal van de Pluto (max 0dBm) dient met minimaal 15dB versterkt te worden willen we in 2 trappen naar 30dB versterking. We hebben allemaal al ervaring met de Chinese LNA versterkerprintjes welke zeer breedbandig versterken en gebruik maken van een MMIC chip, de SPF5189. Wel geven deze trapjes wel eens de geest, onduidelijk is of dit wordt veroorzaakt door het feit dat het een plagiaat chip is of dat het komt door de inschakelpiek van de Pluto. Maar de chip is goed verkrijgbaar en heeft nagenoeg perfecte eigenschappen voor DATV gebruik. Dit wordt dus de 1e RF trap.
SPF5189 – Specificaties
18.7dB gain @900MHz -> bij 1mW output ca 100mW output. (max 500mW…) Broadband internal matching, 50MHz – 4GHz
Ultra-low noise: 0,6dB @ 900MHz
Voeding: 5V, 90mA.
Interne bias regeling mét temperatuurcompensatie.
Surface mount, koeling en massa door voldoende VIA’s, let op juiste patroon! Eventueel met de hand te solderen maar gebruik van een heat-gun is beter… DC blocking condensatoren zijn nodig op zowel in- als uitgang
1e RF trap – Impedantie aanpassing
De S11 eigenschappen zijn zodanig dat aanpassingsnetwerken op de beide frequenties wél noodzakelijk zijn. In tegenstelling tot het gemis hiervan op de Chinese LNA printjes..
1eRFtrap-S11
S11 (145MHz): (1,5-J0,7)Ω = (75-j35)Ω Input aanpassing 145MHz naar Z=50Ω
S11 (440MHz): 1Ω -0,5j => (50-j25)Ω Input aanpassing 440 MHz naar Z=50Ω
1e RF trap – S22
De S22 gegevens laten een nagenoeg ohms gedrag zien voor onze frequenties, impedantie aanpassing is waarschijnlijk niet nodig of hooguit een parallel weerstand.
S22 (145MHz): (1,2-J0,0)Ω = (60-j0,0)Ω -> VSWR = 1.21:1 zonder aanpassing… Output aanpassing 145MHz naar Z=50Ω
S22 (440MHz): (1,3-J0,0)Ω = (65-j0,0)Ω -> VSWR = 1,30 : 1 zonder aanpassing… Output aanpassing 440MHz naar Z=50Ω
2e RF trap
Waarom de RD15HVF1?
Gebruikmakend van redelijk courante datasheets zijn een aantal mogelijkheden bekeken. Veel chips zijn tegenwoordig Surface Mount en dus lastig om te solderen met een soldeerbout en veel van ons beschikken (nog) niet over SMD soldeerapparatuur. Juist om deze reden heb ik gekozen voor de RD15HVF1 (of de kleinere broer RD06HVF1 die waarschijnlijk ook nog wel zou voldoen), deze beschikt namelijk over een TO-220S behuizing en is dus voorzien van poten om te solderen. Het is dan wel zaak om die dan zo kort mogelijk te houden…
RD15HVF1 Specificaties
14dB gain @175MHz -> bij 100mW input ca 1,5W output.
Max Pout 15W CW/FM mode maar waarschijnlijk 3W met DATV.
Kan met 12V worden gevoed.
IDQ 0,5A bij 15W Pout. Waarschijnlijk rond de 1A voor DATV.
TO-220S behuizing (normaal soldeerbaar) met de source aan de backplate
Vgss min-max -5 tot +10V (dus veel beter dan de -0,5V van de MRF9120/9180…)
2e RF trap – Impedantie aanpassing
2e RF trap – S11
S11 (145MHz) mag & angle: 0,667 -155,5 = (10,44 -j0,99)Ω Input aanpassing 145MHz naar Z=50Ω
S11 (440MHz) mag & angle: 0,852 -179,8 = (4,00-j0,09)Ω Input aanpassing 440 MHz naar Z=50Ω
2e RF trap – S22
S22 (145MHz) magnitude & angle: 0,606 -148,4 = (13,19-j13,23)Ω Output aanpassing 145MHz naar Z=50Ω
S22 (440MHz) magnitude & angle: 0,853 -177,5 = (3,97-j1,08)Ω Output aanpassing 440MHz naar Z=50Ω
RF stabilisatie circuits
RF FET’s zijn door hun hoge versterking over een grote bandbreedte gevoelig voor spontane oscillaties. In het ontwerp zijn 2 netwerkjes opgenomen om dat tegen te gaan. Omdat ik deze FET persoonlijk nog niet ken weet ik niet of ze nodig gaan zijn. De stabiliteit zal moeten blijken wanneer we de versterker aan de tand gaan voelen met de spectrumanalizer. Deze onderdelen staan in het schema rood gekleurd weergegeven. De 150Ω/1W weerstand dient iets los van de print te worden gesoldeerd (korte draden!) omdat deze aardig heet kan worden als die zijn werk doet…
RF ontkoppelingen
Het ontwerp zit vol met RF ontkoppelingen. In elk geval is elke externe verbinding met uitzondering van de RF in/uit gangen voorzien van een 6-gats ferriet ontkoppeling, maar ook de voedingslijnen maken er gebruik van. Op het oog misschien een beetje veel van dit alles maar in mijn praktijk waren deze altijd (vaak achteraf) toch nodig. De voedingslijn gebruikt bij de ingang overigens een zwaardere 2-gats varkensneus met 2 windingen van 1mm enamel draad.
Bias regeling
De bias regeling van de 2e trap zorgt voor een temperatuur gecompenseerde Gate-Source voorspanning. De Ugs spanning is instelbaar met een 10-slags potmeter van ca 3,6 tot 6,5V. De hoger de spanning de hoger de ruststroom door de FET (IDQ). Waarschijnlijk is ca 4V voldoende voor 1A IDQ maar dat zal blijken wanneer we gaan testen, let er wel op dat je de spanning helemaal omlaag draait zodat de FET er niet gelijk tussenuit stapt…
(Het beste is om deze in te stellen op minimale Ugs met een voltmeter vóórdat de FET wordt gemonteerd)
De temperatuur compensatie wordt bereikt met een NTC weerstand. Het type B57045K103K is voorzien van een M3 schroefdraad waarmee deze in de koelplaat kan worden gedraaid nabij de FET, de NTC is voorzien van een zeskant schroefaansluiting. Let op dat je deze eerst monteert voordat je de draden gaat vastsolderen…
SWR circuit
Het ontwerp is op verzoek voorzien van een ingebouwd SWR circuit op de uitgang van de versterker voor het monitoren van de RF waardes.
Low Pass Filter
Voor het onderdrukken van de harmonischen is er een 7-pole Chebyshev Pi LC Low Pass Filter opgenomen na de uitgang van stage 2. De opgegeven spoel- en condensator- waarden kunnen nog wat variëren indien het gedrag na meting moet worden bijgesteld.
TX Enable ingang
Op verzoek heb ik een TX Enable circuit toegevoegd. Het bias circuit wordt aangestuurd door een PMIC power switch type BTS4142N welke letterlijk als een aan/uit schakelaar functioneert. Het gedrag is normally-off en het TX signaal mag tussen +5V en +12V liggen. De ingang van de BTS4142N mag niet zweven! Aan de ingang heb je óf de keuze om
deze permanent hoog te maken met een pull-up weerstand, in dat geval maak je dus geen gebruik van de TX-Enable ingang, óf wanneer je deze wel wilt gebruiken monteer je (alleen) de pull-down weerstand.
Voeding 1e RF trap
De gebruikte MMIC in de 1e RFtrap mag max 5,5V hebben. In het schema wordt deze gevoed via een 78L05 in SMD uitvoering welke max 100mA kan leveren bij een 0,5W dissipatie. We zitten wel redelijk aan de bovengrens met 90mA voor de MMIC, de praktijk zal moeten uitwijzen of de 78L05 heel gaat blijven…
Omdat we deze stabilisator voeden vanuit de 12V is een voorschakelweerstand van ca 40Ω noodzakelijk. Dit dient minimaal een 1/2W exemplaar te zijn, op de print kan dit een reguliere weerstand zijn of eventueel kunnen 2 SMD weerstanden (Type R1206 of groter) van 20Ω in serie worden gebruikt om het vermogen aan te kunnen. De printplaat is voorzien voor beide mogelijkheden.
Ventilator besturing
De ventilatoren (indien gebruikt) kunnen automatisch worden geschakeld met de uit China bekende KSD-01F halfgeleider schakelaar. Deze zijn leverbaar voor verschillende temperaturen waarbij die dan de voedingspanning doorverbinden naar de fan(s) dus let op dat je het juiste exemplaar neemt: inschakeling b.v. bij 40o en uitschakeling bij 30o.
De chip dient op de koelplaat te worden gemonteerd, uiteraard in de buurt van de FET. De bedrading loopt dan van de +12V via de chip naar de plusaansluiting van de fans. Deze besturing is optioneel maar ik heb deze wel op de print meegenomen voor een plaatsing nabij de FET (uitsparing in printplaat)
Datasheet voorbeeld: https://ruelectronics.com/files/Datasheet_110654-82e42dc947e292a49ac0b1d56ad565e9.pdf
Schema 145MHz
Nog te doen (als ik dat ga doen…)
Schema 436MHz
Voorlopig schema:
Printontwerp 145 en 436MHz
Nog te doen
Info vanuit andere bronnen
https://g1lps.com/14-5mhz-rb-datv/ https://www.pcbway.com/project/shareproject/RD06HVF1_RF_AMLIFIER.html
PA1RAM – Ontwerp