Amplificatori d'antenna SWA. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica

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Nell'articolo qui pubblicato, l'autore analizza i circuiti degli amplificatori d'antenna di fabbricazione polacca e giustifica il suo approccio informato alla loro selezione in termini di rumore e fattori di guadagno. Fornisce anche raccomandazioni per riparare tali dispositivi, che molto spesso si guastano a causa delle scariche dei fulmini, e per eliminare l'autoeccitazione. Ciò, speriamo, consentirà a molti radioamatori non solo di scegliere l'amplificatore necessario, ma anche di migliorarne le prestazioni.

Le antenne attive della società polacca ANPREL e alcune altre si sono diffuse in Russia e nei paesi della CSI. Con un autoguadagno insignificante, specialmente nella gamma HF, i parametri di tale antenna sono in gran parte determinati dall'amplificatore dell'antenna installato su di essa. Questa particolare unità è caratterizzata da una serie di svantaggi: è incline all'autoeccitazione, ha un livello di rumore proprio sufficientemente elevato, è facilmente sovraccaricata da potenti segnali della gamma MT e spesso viene danneggiata dalle scariche dei fulmini. Questi problemi sono familiari a molti proprietari di tali antenne.

Le questioni legate al funzionamento degli amplificatori d'antenna SWA e simili sono estremamente scarsamente trattate in letteratura. Possiamo solo notare la pubblicazione [1], che indica il sovraccarico dell'amplificatore con segnali MV. I proprietari di antenne devono affrontare altre carenze nel modo ben noto: sostituendo gli amplificatori, scegliendo quello migliore. Tuttavia, questo metodo richiede molto tempo e impegno, poiché l'amplificatore è solitamente di difficile accesso: si trova insieme all'antenna su un palo alto.

Sulla base dell'analisi dei circuiti, della mia esperienza e di alcuni materiali di ANPREL, propongo un approccio più consapevole alla scelta degli amplificatori, nonché un metodo di riparazione che consente di ripristinare un'unità danneggiata e, in alcuni casi, migliorarne i parametri .

Il mercato è pieno di molti modelli intercambiabili di amplificatori di antenna prodotti da ANPREL, TELTAD e altri con marchi e numeri diversi. Nonostante questa diversità, la maggior parte di essi sono assemblati secondo un circuito standard e sono un amplificatore aperiodico a due stadi basato su transistor bipolari a microonde collegati secondo un circuito OE. Per confermarlo, diamo un'occhiata ai modelli di diverse aziende: un semplice amplificatore SWA-36 di TELTAD, il cui schema elettrico è mostrato in Fig. 1, e il comune amplificatore SWA-49 (analogo di SWA-9) della ANPREL - fig. 2.

L'amplificatore SWA-36 contiene due stadi di amplificazione a banda larga basati sui transistor VT1 e VT2. Il segnale dall'antenna attraverso un trasformatore di adattamento (non mostrato nel diagramma) e il condensatore C1 entra nella base del transistor VT1, che è collegato secondo il circuito OE. Il punto di funzionamento del transistor è impostato dalla tensione di polarizzazione determinata dal resistore R1. La retroazione di tensione negativa (NFB) che agisce in questo caso linearizza la caratteristica del primo stadio, stabilizza la posizione del punto di lavoro, ma ne riduce leggermente l'amplificazione. Non c'è correzione di frequenza nella prima fase.

Anche il secondo stadio è realizzato su un transistor secondo lo schema con OE e con feedback di tensione attraverso i resistori R2 e R3, ma ha anche un feedback di corrente attraverso il resistore R4 nel circuito dell'emettitore, che stabilizza rigidamente la modalità del transistor VT2. Per evitare una grande perdita di guadagno, il resistore R4 viene deviato in corrente alternata dal condensatore C3, la cui capacità è scelta relativamente piccola (10 pF). Di conseguenza, alle frequenze più basse dell'intervallo, la capacità del condensatore C3 risulta essere significativa e il feedback CA risultante riduce il guadagno, correggendo così la risposta in frequenza dell'amplificatore.

Gli svantaggi dell'amplificatore SWA-36 includono perdite passive nel circuito di uscita sul resistore R5, che è collegato in modo tale che sia la tensione di alimentazione costante che la tensione del segnale cadano attraverso di esso.

L'amplificatore SWA-49 è costruito in modo simile (Fig. 2), che ha anche due stadi assemblati secondo lo schema OE. Si differenzia dall'SWA-36 per un migliore isolamento di potenza grazie ai filtri a forma di L L1C6, R5C4 e un aumento del guadagno dovuto alla presenza del condensatore C5 nel circuito OOS (R3C5R6) del secondo stadio e del condensatore di transizione C7 all'uscita.

Un circuito simile è inerente alla maggior parte degli altri amplificatori SWA (vedere, ad esempio, il circuito dell'amplificatore SWA-3 mostrato in [1]). Differenze minori si riscontrano più spesso nel secondo stadio, che può essere dotato di diversi circuiti di correzione della frequenza, avere profondità OOS diverse e, di conseguenza, guadagno. Per alcuni modelli, ad esempio SWA-7, il primo e il secondo stadio hanno una connessione diretta: l'uscita del collettore del transistor VT1 è collegata direttamente all'uscita della base del transistor VT2. Ciò consente ad entrambi gli stadi di essere coperti dal circuito di feedback CC e quindi migliora la stabilità termica dell'amplificatore.

Nelle cascate sui transistor collegati secondo il circuito OE, l'influenza delle connessioni interne e delle capacità delle giunzioni dei transistor è la maggiore. Si manifesta nella limitazione della larghezza di banda e nella tendenza dell'amplificatore all'autoeccitazione, la cui probabilità è maggiore, maggiore è il guadagno. Per valutarlo, è noto il concetto di soglia di stabilità: il valore limite del guadagno, al di sopra del quale l'amplificatore si trasforma in un generatore. Molti amplificatori di antenna SWA ad alto guadagno funzionano vicino alla soglia di stabilità, il che spiega la loro frequente autoeccitazione.

Come misure per migliorare la stabilità degli amplificatori, ANPREL utilizza diverse topologie di circuiti stampati (che influenzano la capacità di montaggio), bobine di superficie e bulk, induttanze, ecc. Un metodo più radicale: accendere i transistor in un circuito cascode con OE-OB - per qualche motivo non viene utilizzato. Con lo stesso circuito per la commutazione dei transistor con OE-OE, per risolvere il problema della stabilità, l'azienda preferisce produrre alimentatori regolabili. Riducendo la sua tensione, è possibile eliminare l'autoeccitazione dell'amplificatore mantenendo un guadagno sufficiente.

I principali parametri (figura di rumore CN e guadagno GC) dei modelli base di amplificatori SWA secondo il catalogo ANPREL sono elencati nella Tabella. 1.

Tabella 1

(1) Con sistema balun integrato. (2) Gli amplificatori differiscono in base alle schede. (3) Con filtro di separazione

Consideriamo la relazione dei parametri principali con i circuiti degli amplificatori e la loro influenza sulla qualità di ricezione.

Come è noto, il guadagno alle alte frequenze in cascata con OE è critico per i parametri dei transistor utilizzati, soprattutto per la frequenza di taglio fGR. Gli amplificatori SWA utilizzano transistor bipolari a microonde con struttura npn, contrassegnati come T-67, meno spesso - 415, che determinano il guadagno massimo ottenibile dall'amplificatore a due stadi, circa 40 dB. Naturalmente, in una banda di frequenza operativa così ampia, il guadagno non rimane costante: le sue variazioni raggiungono 10...15 dB a causa della risposta in frequenza non uniforme alle frequenze più alte della gamma e della correzione alle frequenze più basse. Ai valori massimi del guadagno è difficile garantire la stabilità degli amplificatori, quindi in alcuni modelli è limitata a valori fino a 10...30 dB, che in molti casi è abbastanza sufficiente (vedi Tabella 1).

Contrariamente alla credenza popolare, va notato che il guadagno non può essere considerato il parametro principale di un amplificatore d'antenna. Dopotutto, i televisori stessi hanno una riserva molto ampia del proprio guadagno, cioè hanno un'elevata sensibilità, limitata dal guadagno. La loro sensibilità, limitata dalla sincronizzazione, è leggermente peggiore. E infine, la più bassa è la sensibilità limitata dal rumore [2]. Di conseguenza, il fattore che determina la ricezione a lungo raggio dovrebbe essere il livello di rumore intrinseco del percorso elettronico e non il guadagno. In altre parole, la limitazione della ricezione è dovuta principalmente all'influenza del rumore e non alla mancanza di amplificazione del segnale.

L'influenza del rumore è valutata dal rapporto segnale/rumore, il cui valore minimo è preso pari a 20 [2]. Con questo rapporto si determina la sensibilità al rumore, che è uguale alla tensione del segnale di ingresso, che è 20 volte maggiore della tensione del rumore intrinseco.

Per i televisori dalla terza alla quinta generazione la sensibilità limitata dal rumore è di 50...100 µV. Tuttavia, con un rapporto segnale/rumore di 20, la qualità dell'immagine è molto scarsa e sono leggibili solo grandi dettagli. Per ottenere un'immagine di buona qualità, è necessario applicare all'ingresso del televisore un segnale utile che sia circa 5 volte più grande, ovvero fornire un rapporto segnale/rumore di circa 100 [2].

Un amplificatore d'antenna deve aumentare il rapporto segnale-rumore e per fare ciò dovrebbe amplificare il segnale, non il rumore. Ma qualsiasi amplificatore elettronico ha inevitabilmente il proprio rumore, che aumenta insieme al segnale utile e peggiora il rapporto segnale-rumore. Pertanto, il parametro più importante di un amplificatore d'antenna dovrebbe essere considerato la sua figura di rumore CN. Se non è sufficientemente basso, aumentare il guadagno è inutile, poiché sia ​​il segnale che il rumore vengono amplificati equamente e il loro rapporto non migliora. Di conseguenza, anche con un livello di segnale sufficiente all'ingresso dell'antenna del televisore, l'immagine sarà influenzata da intense interferenze di rumore (la famosa "neve").

Per una valutazione unificata del rumore di un percorso a più stadi, esiste un indicatore della figura di rumore del fattore di rumore ridotto all'ingresso, che è uguale al livello di rumore all'uscita diviso per il guadagno totale, vale a dire KSH=KSH.out/KU. Poiché il livello di rumore in uscita di CN.out dipende in massima misura dal livello di rumore del primo transistor, amplificato da tutti gli stadi successivi, il rumore degli stadi rimanenti può essere trascurato. Quindi KSh.out = KSh1KU, dove KSh1 è la figura di rumore del primo transistor. Di conseguenza si ottiene KS = KS1, cioè la figura di rumore ridotta del percorso di amplificazione non dipende dal numero di stadi e dal guadagno complessivo, ma è pari solo alla figura di rumore del primo transistor.

Ciò porta ad un'importante conclusione pratica: l'uso di un amplificatore d'antenna può dare un risultato positivo quando la figura di rumore del primo transistor dell'amplificatore è inferiore alla figura di rumore del primo stadio del televisore. I selettori di canale dei televisori di quinta generazione utilizzano il transistor ad effetto di campo KP327A con una figura di rumore di 4,5 dB ad una frequenza di 800 MHz [3]. Pertanto, nel primo stadio dell'amplificatore d'antenna, alla stessa frequenza dovrebbe funzionare un transistor con CN1<4,5 dB. Inoltre, quanto più basso è questo valore rispetto al coefficiente KN1 del televisore, tanto più efficace è l’utilizzo dell’amplificatore e tanto più elevata è la qualità della ricezione.

La figura di rumore dipende anche dalla qualità dell'adattamento all'ingresso dell'amplificatore e dalla modalità operativa del primo transistor. Per gli amplificatori SWA, il tipo di transistor VT1, la sua modalità operativa e la qualità dell'adattamento determinano il fattore di rumore ridotto = 1,7...3,1 dB (vedere Tabella 1).

Da quanto sopra, è chiaro che la scelta di un amplificatore di antenna secondo il principio - maggiore è il guadagno, meglio è - non è corretta. Ecco perché molti proprietari, cambiando amplificatori, non possono ottenere un buon risultato. La ragione di un fatto così paradossale, a prima vista, è che la cifra del rumore è solitamente sconosciuta (non è nelle informazioni commerciali delle aziende), ma in realtà differisce solo leggermente per molti modelli con guadagni diversi (vedi Tabella 1) . ). Aumentare il guadagno con la stessa cifra di rumore non dà un guadagno nel rapporto segnale/rumore e, di conseguenza, un miglioramento della qualità di ricezione. Un raro successo si ottiene solo quando si incontra accidentalmente un amplificatore a basso rumore.

Pertanto, quando si sceglie un amplificatore per antenna, è necessario concentrarsi principalmente sul livello minimo di rumore. Un amplificatore con riduzione del rumore <2 dB può essere considerato abbastanza buono. Dal tavolo 1, i migliori modelli possono essere considerati SWA-7, SWA-9, aventi rapporto rumore = 1,7 dB. Informazioni sulla figura di rumore dei nuovi amplificatori si possono trovare nei cataloghi ANPREL o su Internet.

Per quanto riguarda il guadagno, ovviamente, è importante anche, ma non per la massima amplificazione di segnali deboli, ma, prima di tutto, per compensare perdite nel cavo di collegamento, dispositivi di diramazione di corrispondenza, ecc. A causa di queste perdite Se il guadagno non è sufficiente, il livello del segnale all'ingresso TV può scendere al di sotto della soglia, tempo limitato o addirittura guadagno, rendendo impossibile la ricezione. Pertanto, per la corretta scelta del fattore di guadagno, è necessario conoscere l'attenuazione del segnale nell'intero percorso di collegamento. E il suo valore approssimativo è facile da calcolare.

L'attenuazione lineare del segnale nel comune cavo RK-75-4-11 è pari a 0,07 dB/m dalla prima alla quinta, 0,13 dB/m dalla sesta alla dodicesima e 0,25...0,37 dB/m alla 21 -60 canali televisivi [2]. Con una lunghezza dell'alimentatore di 50 m, l'attenuazione sui canali 21-60 sarà di 12,5...17,5 dB. Se è installato uno splitter passivo industriale, introduce perdite aggiuntive su ciascuna delle sue uscite, il cui valore è solitamente indicato sulla custodia.

Calcolando l'attenuazione nel cavo e aggiungendovi l'attenuazione nello splitter (se presente), si ottiene il guadagno minimo dell'amplificatore dell'antenna. Ad esso viene aggiunto un margine di 12...14 dB per amplificare i segnali deboli, necessario a causa della bassa efficienza delle antenne riceventi a banda larga di piccole dimensioni. In base al valore del guadagno ottenuto, viene selezionato l'amplificatore dell'antenna. Il valore di guadagno ottenuto non dovrebbe essere superato di molto, poiché ciò aumenta la probabilità di autoeccitazione e di sovraccarico delle stazioni vicine con segnali potenti.

La riparazione degli amplificatori d'antenna si riduce principalmente alla sostituzione degli elementi attivi danneggiati dalle scariche dei fulmini. Va notato che la presenza di un diodo all'ingresso in alcuni modelli non garantisce una protezione completa dai fulmini: con una potente scarica atmosferica, si rompono sia il diodo di protezione che, di regola, entrambi i transistor.

Gli amplificatori di antenna SWA sono assemblati utilizzando la tecnologia dell'assemblaggio automatico della superficie sui microelementi, che richiede precisione durante le riparazioni. La saldatura deve essere eseguita con un saldatore di piccole dimensioni con una punta affilata. In un amplificatore non funzionante, con attenzione, cercando di non danneggiare i sottili conduttori stampati, saldare i microtransistor VT1, VT2 e il diodo di protezione (se presente).

I parametri principali dei transistor domestici adatti per l'installazione negli amplificatori SWA sono elencati nella tabella. 2 [3]. Ne consegue che l'uso dei transistor KT391A-2, KT3101A-2, KT3115A-2, KT3115B-2, KT3115V-2 nel primo stadio non peggiora le caratteristiche di rumore della maggior parte dei modelli di amplificatori e l'uso dei transistor 2T3124A- 2, 2T3124B-2, 2T3124V- 2, KT3132A-2 riduce il livello di rumore a 1,5 dB, migliorando i parametri dell'amplificatore. Questa circostanza ci consente di consigliare di sostituire il primo transistor dell'amplificatore con gli ultimi indicati anche negli amplificatori funzionanti ma “rumorosi” al fine di migliorare la qualità del loro funzionamento. Va notato che nella tabella. 2 fornisce i valori limite, ma i parametri tipici sono generalmente migliori [3].

Tabella 2

I transistor a microonde a basso rumore delle serie 2T3124, KT3132 sono relativamente costosi e a bassa corrente, quindi è meglio installarli solo nel primo stadio e nel secondo utilizzare transistor più economici e potenti KT391A-2, KT3101A-2 ( vedere Tabella 2) e anche le serie KT371, KT372, KT382, KT399 e altre con una frequenza di taglio di circa 2 GHz [3]. Tuttavia, in quest'ultimo caso, il guadagno alle frequenze più alte della gamma sarà leggermente inferiore.

I transistor a microonde a basso rumore delle serie 2T3124, KT3132 sono relativamente costosi e a bassa corrente, quindi è meglio installarli solo nel primo stadio e nel secondo utilizzare transistor più economici e potenti KT391A-2, KT3101A-2 ( vedere Tabella 2) e anche le serie KT371, KT372, KT382, KT399 e altre con una frequenza di taglio di circa 2 GHz [3]. Tuttavia, in quest'ultimo caso, il guadagno alle frequenze più alte della gamma sarà leggermente inferiore.

Le dimensioni dell'alloggiamento dei microtransistor importati sono 1,2 (2,8 mm con una lunghezza dei conduttori di 1...1,5 mm. Di conseguenza, le distanze sulla scheda tra i pad stampati per i conduttori dei transistor sono piccole. Installazione di transistor domestici con un diametro dell'alloggiamento di 2 mm sul lato a montaggio superficiale, anche se possibile, è difficile: durante la saldatura possono danneggiarsi. È meglio installare nuovi transistor sul lato opposto della scheda, avendo prima praticato i fori per i conduttori con un trapano del diametro di 0,5 ...0,8 mm. È meglio forare non nel conduttore del circuito stampato stesso, ma in modo che il foro tocchi il bordo del pad. Se sul lato opposto al montaggio su superficie è presente uno strato di pellicola, i fori deve essere svasato con un trapano dal diametro di 2...2,5 mm (ad eccezione del foro per l'uscita dell'emettitore del transistor VT1).

Quindi vengono installati nuovi transistor in modo che il supporto del cristallo o il corpo del dispositivo tocchino la scheda. Se i cavi sporgono notevolmente dall'altro lato, dopo la saldatura è necessario tagliarli con un morso. I transistor a microonde sono sensibili all'elettricità statica, quindi è necessario adottare misure protettive adeguate durante la saldatura. Il tempo di saldatura non supera i 3 s [3].

Il diodo di protezione può essere omesso. La migliore protezione contro l'elettricità atmosferica è una buona messa a terra dell'antenna.

Negli amplificatori SWA entrambi i transistor funzionano con una corrente di collettore di 10...12 mA. Dopo la sostituzione, tale corrente è accettabile per il secondo transistor (ad esempio KT3101A-2), ma supera quella permanentemente accettabile per il primo se sono installati i transistor delle serie KT3115, KT3124 e KT3132A-2 (vedere Tabella 2). La corrente del collettore dipende dal parametro h21E, secondo il quale i transistor hanno una diffusione significativa. Pertanto, dopo aver installato un'istanza specifica, è necessario impostare il punto di funzionamento del transistor VT1. Per fare ciò, dissaldare il microresistore R1 e al suo posto collegare temporaneamente un resistore di trimming (SP3-23, SP3-27, ecc.) con una resistenza di 68...100 kOhm. Prima di accendere l'alimentazione, il cursore del resistore deve essere nella posizione di massima resistenza per non danneggiare il transistor.

L'amplificatore viene alimentato con una tensione di 12 V dall'alimentatore e viene misurata la caduta di tensione sul resistore R2 (vedere Fig. 1 e 2). Dividendo la tensione misurata per la resistenza del resistore R2, viene determinata la corrente del collettore. Regolando la resistenza del resistore di sintonia verso un valore inferiore si ottiene una corrente di collettore di circa 5 mA, che corrisponde al rumore minimo nelle caratteristiche dei transistor [3]. A questo punto la regolazione è completata e al posto del resistore di sintonia viene saldata una costante della stessa resistenza (MLT-0,125 o importata), avendo prima accorciato i suoi terminali al minimo.

Successivamente, il circuito stampato e i transistor non imballati vengono ricoperti con uno strato di vernice o composto per radioingegneria.

L'aspetto dell'amplificatore SWA-36 restaurato è mostrato in Fig. 3. Utilizza transistor (Fig. 3,a) 2T3124B-2 (VT1) e KT3101A-2 (VT2). Grazie al design più semplice dell'amplificatore, sono state adottate misure per eliminare l'autoeccitazione: un microanello di ferrite è posizionato sul terminale del collettore del transistor VT1 (è utilizzato nei selettori di canale SK-M dei televisori 3USTST e 4USTST). La corrente del collettore del transistor VT1 è impostata dal resistore R1 (Fig. 3, b) con un valore nominale di 51 kOhm (era 33 kOhm).

Nella seconda fase sono stati testati i transistor delle serie KT372, KT399, con i quali sono stati mantenuti stabilità e guadagno sufficiente. Allo stesso tempo, è stata testata la possibilità di installare un condensatore LED aggiuntivo con una capacità di 150 pF (Fig. 3, b), resistenza di shunt R5 (vedi Fig. 1), per aumentare il guadagno. Quando si installa un condensatore, l'autoeccitazione dell'amplificatore viene eliminata abbassando la tensione di alimentazione.

Nella versione principale (con transistor 2T3124B-2 e KT3101A-2), l'amplificatore ha fornito una migliore qualità di ricezione rispetto a prima della riparazione, che è stata stimata visivamente approssimativamente come la ricezione con il nuovo amplificatore SWA-9.

Letteratura

1. Amplificatore Tuzhilin S. UHF da banda larga. - Radio, 1997, n. 7, pag. quindici.
2. Nikitin V. Consigli per gli appassionati della ricezione televisiva a lunga distanza. Sab.: "Per aiutare il radioamatore", vol. 103. - M.: DOSAAF, 1989.
3. Dispositivi a semiconduttore. transistor a bassa potenza. Directory. ed. AV Golomedova. - M.: Radio e comunicazione, 1989.

Autore: A.Pakhomov, Zernograd, regione di Rostov.

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