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Downconvert per ATV in 6cm
(Gianfranco Sabbadini - I2SG)
PARTE prima
Questa realizzazione è dedicata agli OM
interessati alle comunicazioni ATV nella banda dei 6
centimetri. Trattasi di un convertitore a basso rumore per
la ricezione dei segnali nei segmenti di banda a 5 GHz
allocati ai radioamatori.
Il processo di conversione è ottenuto con
l'impiego di un Oscillatore con Risonatore a Dielettrico
(DRO) operante a 7,5 GHz. Pertanto i segnali d'ingresso alle
frequenze di nominali di 5,7 GHz o 5,8 GHz sono traslati in
uscita rispettivamente a 1,8 GHz e 1,7 GHz. E' stato seguito
il criterio di un progetto NO-TUNE , al fine di assicurare
la migliore riproducibilità di risultati e costi contenuti.
Le prestazioni tipiche ottenute nei primi 10 esemplari
costruiti sono: Guadagno di conversione GT=30dB , Cifra di
rumore NF=1,6dB.
Il convertitore può essere alimentato
localmente o via cavo coassiale d'uscita al fine di poterlo
disporre in prossimità dell'antenna o solidale con
l'illuminatore per non degradare la sensibilità - e
quindi il rapporto G/T - del sistema di ricezione.
1 - IL CIRCUITO
Lo schema elettrico del "Downconverter"
e' riportato in Fig.1.
Il convertitore - realizzato in
tecnologia microstrip - comprende 2 stadi di amplificazione
R.F (Q1,Q2) , un Oscillatore Locale (Q3) con frequenza
controllata da un risonatore ceramico(DR) a 7,5 GHz ed uno
stadio convertitore di tipo additivo con un singolo
transistore GaAs (Q4). Complessivamente sono utilizzati 4
MOSFET uguali ( tipo Agi lent ATF36077) e con tensione di
polarizzazione di gate nulla ( zero-bias ). Questa scelta
consente una semplificazione del circuito con un modesto
degrado della cifra di rumore , mantenendo risultati buoni e
certamente adeguati per l'impiego nei collegamenti ATV
terrestri. Il fattore di stabilità di Q1 e Q2 è forzato
prossimo ad 1 con resistenze serie nel circuito di drain
(R3,R4) e con valore controllato dell'induttanza di
collegamento a massa dei terminali di source : per
approfondire questo argomento si rimanda alla Ref.1. Tutti
gli stadi sono alimentati con una tensione di 3,3V erogata
da uno stabilizzatore con un circuito integrato standard a 3
terminali (U1). La tensione minima di funzionamento del
convertitore è di 6Volt e può essere ulteriormente ridotta a
5Volt , omettendo l'inserzione dei diodi di protezione
contro l'inversione di polarità (D1,D2). Il primo stadio
R.F.a 5,7GHz è ottimizzato per la migliore cifra di rumore
ed il terminale d'ingresso (connettore SMA) è chiuso a massa
con un tronco di linea ad alta impedenza per la protezione
contro eventuali scariche elettrostatiche. Il filtro
passa-banda interstadio ( BPF1) è del tipo con andamento
asimmetrico dell'attenuazione fuori banda , al fine di
garantire una sufficiente soppressione della risposta
immagine. Infatti la frequenza immagine vale 9,2...9,4 GHz
che è un valore troppo vicino alla risposta di secondo
ordine dei classici filtri simmetrici a linee parallele di
mezza lunghezza d'onda (Parallel Coupled Lines). Nel nostro
caso , la risposta di secondo ordine risulta posizionata a
circa 11GHz. Una alternativa possibile per superare questo
ostacolo consta nell'impiego di filtri interdigitali con
risonatori in quarto d 'onda che , nel caso peggiore , hanno
la prima risposta d'ordine superiore posizionata a 3 volte
la frequenza fondamentale.
Ma i risonatori in quarto d'onda hanno
una estremità collegata a massa ed a 5,7 GHz un errore di
posizionamento di pochi decimi di millimetro del foro di
collegamento al piano di massa si traduce in una sensibile
dissintonia. Pertanto questa soluzione richiede uno standard
di processo elevato e poco si concilia con la precisione
ottenibile con mezzi "domestici" quali utilizzati
dall'autore nel processo di fotoincisione e lavorazione del
circuito stampato.(vedere Fig.2) Lo stadio oscillatore (Q4)
è del tipo con reazione drain-gate ed il dischetto DR
(Dielectric Resonator) è accoppiato a mezzo di due linee
microstrip con estremità aperta (quindi in regime di onde
stazionarie) e nel punto di massima corrente.
Alcune semplici informazioni
sull'argomento sono disponibili alle Ref.2, Ref 3. Entrambe
le linee di accoppiamento al DR sono connesse al MESFET (Q4)
in serie ad accoppiatori in quarto d'onda (CL3, CL4) che
hanno la funzione di ridurre il guadagno d'anello - ovvero
il tasso di reazione del circuito - in corrispondenza dei
modi di risonanza adiacenti a quello desiderato.
L'accoppiatore CL3 è simmetrico con 3 porte : con il terzo
ramo è prelevato il segnale LO (Local Oscillator) inviato
allo stadio mescolatore (Q3). In questa tipologia di
mescolatori il segnale R.F. e quello dell'Oscillatore Locale
sono sommati all'ingresso (terminale di gate) del
transistore. Per ottenere un buon guadagno di conversione è
necessario che il livello dell'Oscillatore Locale sia
sufficientemente elevato per pilotare il dispositivo in zona
non lineare (classe AB) e comunque con angolo di
circolazione della corrente di drain minore di 360 gradi. Il
MOSFET ATF36077 risulta particolarmente adatto perché ha una
tensione di interdizione (Vt) molto bassa (valore tipico
-0,35V) e quindi risulta sufficiente un livello massimo di
6dBm. (cioé 4mW) Per isolare l'uscita del secondo stadio di
amplificazione R.F. (Q2) , il segnale dell'Oscillatore
Locale è applicato attraverso un accoppiatore direzionale
(CL2). L'isolamento è maggiore di 20 dB mentre il segnale
R.F. inviato a Q3 è attenuato di 3 dB. (metà potenza del
segnale R.F è dissipata in R11) Questa è parte più critica
del circuito stampato perché la spaziatura minima tra le
microstrip è di 100 micron nominali.( vedere Fig.3) Il
segnale convertito a 1,8 GHz presente al drain di Q3 è
filtrato con una rete passa-banda costituita da tronchi di
linea e 2 condensatori da 12 pF (C9,C10). Le funzioni
principali di questo filtro sono:
In prima approssimazione ed in condizioni
ottimali , il guadagno di conversione con questa tipologia
di mescolatori è pari al guadagno disponibile (
MAG) (Maximum Avallabile Gain)
del MOSFET a 5,7 GHz abbattuto di 6...8dB.(Ref.1, pag. 217,
218) Pertanto con l'ATF36077 il guadagno del mescolatore è
prossimo a 10dB. Anche la Cifra di Rumore associata è pari a
quella del dispositivo a 5,7 GHz aumentata di 6...8dB ma
essendo il guadagno degli stadi R.F. elevato il contributo
dello stadio mixer alla cifra di rumore complessiva del
convertitore risulta marginale.
2 - IL FILTRO PASSA-BANDA a 5,7 GHz
Il filtro RF interstadio (PBF1) è
realizzato unicamente con risonatori in microstrip sospesi
da massa. In Fig.4 è riportata la curva di risposta del
filtro dopo il ciclo di sintesi ed ottimizzazione condotto
col calcolatore nell'intervallo 4...12 GHz. (curva rossa con
relativa scala dei valori a destra) Notiamo i valori minimi
di attenuazione posti nel progetto: La scala inferiore di
sinistra si riferisce alla curva espansa (colore blu) della
banda passante del filtro. Il filtro ha una complessità di 8
poli con due "zeri" della funzione di trasferimento
posizionati a 9.2 GHz ovvero in corrispondenza della
frequenza immagine.
Notiamo la risposta di secondo ordine
posizionata a 11 GHz , come previsto. L'attenuazione
d'inserzione in banda passante vale circa 1 dB col laminato
in teflon (PTFE) di buona qualità utilizzato nel progetto. (
Roger 5870 , 0,75mm di spessore e metallizzazioni da 25
micron in rame).
In Fig.5
Riportato il parametro S11 con i
limiti di progetto impostati ( S11< -30 dB nell'intervallo
5400...6100 MHz).
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Downconvert ATV 5,8 Ghz in formato PDF
Questa
realizzazione è dedicata agli OM interessati alle
comunicazioni ATV nella banca dei 6 cm.
Convertitore a basso rumore per la ricezione dei segnali nei
segmenti
di banda a 5 GHz allocati ai radioamatori.
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questo progetto, è diviso in tre parti, in formato PDF
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