Rob's web

Universele antenneversterker

Deze antenneversterker voldoet aan alle eisen welke men voor goede bruikbaarheid aan een dergelijke versterker mag stellen: lage ruisfaktor, voldoende versterking, grote uitstuurbaarheid, groot frekwentiegebied en de mogelijkheid om een enkelbereik-versterker te veranderen in een breedbandversterker zonder aan de print te knoeien.

Antenneversterkers met werkelijk goede eigenschappen waren lange tijd een zeldzaamheid. De aan een antenne-versterker te stellen eisen voor kleine ruilbijdrage en grote uitstuurbaarheid zijn met elkaar in tegenspraak als gewone HF-transistors moeten worden gebruikt. De uitstuurbaarheid neemt toe bij stijgende kollektorstroom, de ruisfaktor evenwel ook. Daarom moet al naar het gebruik een kompromis worden gesloten: voor breedband-(kabel)-versterkers wordt een grote kollektorstroom gekozen, waarmee een grote uitstuurbaarheid maar ook een slechte ruisfaktor wordt bereikt. Bij bereik-(of kanaal)-versterkers wordt ten behoeve van een kleine ruisfaktor een kleinere kollektorstroom ingesteld en worden de daarbij te bereiken slechtere grootsignaal-prestaties op de koop toe genomen.

Intussen is echter de kunst van het transistor-fokken met grote schreden vooruit gegaan en zijn er HF-transistortypen verschenen die ook bij grote kollektorstromen weinig ruisen. Tot deze speciaal voor antenneversterkers en tuner-ingangstrappen ontwikkelde transistors behoren ook de typen BFT66 en BFT67 van Siemens, die in de hierna beschreven schakeling zijn toegepast.

Een antenneversterker is zo goed als zijn transistor

De eigenschappen van een antenne-versterker zijn natuurlijk niet alleen van de gebruikte transistor afhankelijk. Een transistor maakt nog geen antenne-versterker. Geen enkele antenneversterker kan echter ooit beter zijn dan de gebruikte transistor mogelijk maakt. Daarom werd bij onze versterker niet op de verkeerde wijze gespaard en is een relatief dure transistor toegepast. De andere onderdelen vragen echter geen grote investering, want de schakeling is zeer eenvoudig.

In de figuren 1 en 2 zijn twee door Siemens gegeven versterker-voorbeelden afgedrukt. Figuur 3 laat zien hoe de versterking en het ruisgetal van de schakeling volgens figuur 1 verlopen als funktie van de frekwentie. Verdere metingen hebben uitgewezen dat de BFT66 bij 800 MHz nog een versterking van 15 dB levert, terwijl het ruisgetal nog beneden de 2 dB blijft. Voor de meeste toepassingen als antenneversterker, zal dus met een enkele BFT66 kunnen worden volstaan. Bij figuur 1 moet nog even worden opgemerkt dat de transistor BC177 alleen dient om het werkpunt (kollektorspanning) van de BFT66 op ongeveer 6,5 V te stabiliseren; de kollektorstroom bedraagt dan ongeveer 3,7 mA.

Fig 1
Figuur 1. Voorbeeld van een eentrapsversterker met een transistor BFT66.

Fig 2
Figuur 2. Schema van een tweetraps-versterker met twee transistors BFT66.

Fig 3
Figuur 3. Versterking en ruisgetal van de eentrapsversterker volgens figuur 1 als funktie van de frekwentie.

Fig 4
Figuur 4. Ruisgetal F van de transistor BFT66 als funktie van de generatorweerstand bij 10 MHz en 800 MHz, en verschillende kollektorstromen. De toename van het ruisgetal bij toenemende kollektorstroom is tamelijk klein in vergelijking met standaard-HF-transistors.

Fig 5
Figuur 5. Intermodulatie-afstand van de BFT66 als funktie van de kollektorstroom bij 180 mV uitgangsspanning. De intermodulatie-afstand geeft uitsluitsel over het gedrag van de transistor bij grote signalen. Uit de figuur blijkt dat bij ca. 8 mA kollektorstroom de intermodulatie-afstand reeds 60 dB bedraagt.

De schakeling

Het in figuur 6 getekende schema laat een schakeling zien die ook in de hier besproken antenneversterker is toegepast en die bruikbaar is in het frekwentiegebied van 80 tot 800 MHz. Versterking en ruisgetal komen ongeveer overeen met het in figuur 3 getekende verloop. In eerste instantie is deze versterker bedoeld om te worden gebruikt als enkelbereik-versterker, de ingangskring is daarom uitgevoerd als frekwentieafhankelijke schakeling met banddoorlaatkarakteristiek. In tabel 1 is voor vijf verschillende frekwentiebereiken de dimensionering van L1, C7 en C8 gegeven. Zonder deze ingangskring is de schakeling bruikbaar als breedbandversterker van 80 tot 800 MHz.

Fig 6
Figuur 6. Principeschema van de universele antenneversterker. Zonder de ingangskring is de schakeling bruikbaar als breedbandversterker van 80 tot 800 MHz.

Een spanningsstabilisator (IC1) zorgt voor een stabiel werkpunt en een eenvoudige voeding. Zoals uit het schema blijkt, is de schakeling geschikt voor toevoer van de voedingsspanning (16 ... 21 V) via de binnenader van de coaxkabel. De spoel L3 dient om de signaalspanning weg te houden van de voeding. De spanning aan de uitgang van de stabilisator ligt tussen 11,5 en 12,5 V. R3 is de kollektor-gelijkstroomweerstand die de kollektorstroom in de transistor BFT66 bepaalt. Het verbindingspunt van R3 met L2 is voor hoogfrekwent ontkoppeld met C3, zodat de kollektorwisselstroomweerstand voor het signaal alleen door L2 wordt gevormd.

De instelling van het werkpunt van de transistor (voor de kollektorgelijkstroom) wordt bepaald door de basis-spanningsdeler R2/R1. De stabilisering van dit werkpunt is te danken aan de gelijkspanningstegenkoppeling.

Opbouw en afregeling

De versterkerschakeling van figuur 6 kan worden gebouwd op de in figuur 7 weergegeven printplaat. Vooral bij HF-schakelingen is een eenvoudige en zorgvuldige montage zeer belangrijk. De aansluitdraden van de hoogfrekwentvoerende komponenten moeten zo kort mogelijk worden gehouden. Dat geldt vooral voor C6, C1, T1 en C2.

Fig 7
Figuur 7. De printplaat voor de universele antenneversterker. Let op de grote massavlakken.

Onderdelenlijst bij figuur 7
R110 k
R227 k
R31 k
R4100 Ω
C1,C2,C31 n ker. schijf
C41 µ/16 V tantaal
C510 µ/25 V tantaal
C610 p ker. schijf
C7,C8trimmer, kunststof-folie zie tabel 1
T1BFT66, BFT67
IC178L12, LM340L-12
L1luchtspoel, zie tabel 1
L2,L3HF-smoorspoel, zie tekst

Het wikkelen van de spoelen behoeft geen problemen op te leveren. De smoorspoelen L2 en L3 zijn gelijk aan elkaar en bestaan elk uit 5 windingen geëmailleerd koperdraad van 0,2 mm ø, geregen op een z.g. ferrietkraal van 5 mm lengte en 3,5 mm ø. Deze heeft een gat van 1,2 mm; de draad wordt door het gat gestoken, om het ferriet teruggevouwen en opnieuw door het gat gevoerd. Dit wordt vijf maal gedaan (zie foto 1).

Foto 1
Foto 1. De hoogfrekwent-smoorspoelen worden geregen om een ferrietkraal.

Voor de luchtspoel L1 (zonder kern) voor het ingangsfilter wordt het in tabel I opgegeven aantal windingen gewikkeld op een of andere geschikte kern van 8 mm ø (bijv. een potlood) en er daarna afgeschoven. Voor een goede spoelkwaliteit (Q) dient de spatie tussen de windingen ongeveer gelijk te zijn aan de draaddiameter. Behalve de opgegeven verzilverde koperdraad kan voor de laagste frekwentiegebieden (FM en VHF) ook gewoon geëmailleerd koperdraad van de opgegeven diameter worden gebruikt. De spoel voor het UHF-bereik heeft slechts een halve winding, dat is eenvoudig een halfcirkelvormige draadlus met een straal van 4 mm.

Tabel 1
OntvanggebiedSpoel L1Trimmers
 8 mm ø zonder kernC7 en C8
FM (100 MHz)8 wind., CuAg 1 mm ø2 ... 22 pF kleur: groen
2 m (144 MHz)6 wind., CuAg 1 mm ø2 ... 10 pF kleur: geel
VHF (200 MHz)3 wind., CuAg 1 mm ø1,2 ... 6 pF kleur: grijs
70 cm (432 MHz)1 wind., CuAg 2 mm ø1,2 ... 6 pF kleur: grijs
UHF (600 MHz)0,5 wind., CuAg 2 mm ø1,2...6 pF kleur: grijs

De wijze van aansluiten van de coaxkabels is te zien op foto 2. Wordt coaxiaal stekermateriaal gebruikt, dan dient men te letten op zo kort mogelijke verbindingen tussen de aansluitingen aan de stekerbussen en de aansluitingen op de print. Voor deze verbindingen wordt bij voorkeur verzilverd koperdraad van 1 mm ø gebruikt.

Foto 2
Foto 2. Op deze foto van het ontwikkelingsmodel van de antenneversterker is te zien hoe de coaxkabels op de prints worden aangesloten.

Het afregelen van de versterker vindt plaats door instellen van de beide trimkondensatoren C7 en C8 van het ingangsfilter. Men begint met eerst C7 op minimale kapaciteit te zetten (rotor geheel uitgedraaid) en C8 ongeveer in het midden. Dan stemt men de ontvanger af op een zwak binnenkomende zender, zo mogelijk midden in het bereik, en regelt eerst C8 en vervolgens C7 af voor beste ontvangst. Dan wordt de fijnafregeling uitgevoerd: C8 voorzichtig bijregelen om vast te stellen of er nog enige verbetering mogelijk is. Is C8 gekorrigeerd, dan moet ook C7 een kleine bijstelling ondergaan. Deze wisselende naregeling dient zo lang te worden herhaald tot geen ontvangstverbetering meer mogelijk blijkt. Het kriterium is bij FM-ontvangst de signaal/ ruis-verhouding en bij TV-ontvangst de beeldkwaliteit. Een in de ontvanger gebouwde sterktemeter kan als tendensaanwijzer dienen, de fijnafregeling gebeurt het beste op minimaal ruisen voor het gehoor.

Als bij de afregelprocedure onverhoopt hinder zou worden ondervonden van oscilleren van de versterker, dan kan dat dikwijls worden verholpen door tijdelijk een 100 Ω-weerstand parallel aan L2 te plaatsen.

Moet de versterker in plaats van als bereik-versterker als breedbandversterker worden gebruikt, dan worden de komponenten C6, C7, C8 en L1 weggelaten en wordt op de print de binnenader van de coaxkabel aangesloten op de met C1 verbonden soldeerspot van L1. De breedbandversterker is bruikbaar van 80 tot 800 MHz. Worden alle 1 nF-kondensatoren (C1, C2, C3 en ook C9 en C10 in figuur 8) vervangen door kondensatoren van 10 nF dan is de versterker reeds bruikbaar vanaf 10 MHz.

De praktijk

In het voorgaande is al opgemerkt dat de schakeling op de printplaat er op is ingericht dat de voeding plaats vindt via de coaxkabel. De schakeling voor de toevoer van de voedingsspanning aan de ontvangerzijde van de coaxkabel is getekend in figuur 8.

Fig 8
Figuur 8. De voedingsspanning voor de versterker kan worden toegevoerd vanaf de ontvangerzijde van de coaxkabel. Spoel L4 is gelijk aan de spoelen L2 en L3 van figuur 6.

Spoel L4 verhindert met zijn wisselstroomweerstand dat het antennesignaal via de voeding wordt kortgesloten. De kondensator C9 houdt de gelijkspanning van de versterker-, ingang af, terwijl C10 dient voor ontkoppeling. Spoel L4 is gelijk aan de spoelen L2 en L3. Als het niet mogelijk is de gelijkspanning voor de voeding van de antenneversterker te betrekken van de ontvanger, dan kan men volstaan met een kleine voeding zoals aangegeven in figuur 9. Hiermee kunnen maximaal zes versterkers via de coaxkabel worden gevoed. Als geen voeding via de kabel wordt gewenst en dus een voedingsapparaat in het versterkerkastje wordt gebouwd, kan de spoel L3 worden weggelaten. De aansluiting van de voedingsspanning kan dan plaats vinden aan de niet-ontkoppelde kant van R4; dus de soldeerspot van L3 aan de kant van R4.

Fig 9
Figuur 9. Eenvoudig voedingsapparaat voor voeding van maximaal zes antenneversterkers.

De antenneversterker is ontworpen voor uitwendige impedanties van 60 Ω (minimaal 50 Ω, maximaal 75 Ω). Worden antennes van 240 Ω respektievelijk een kabel van 240 Ω (lintlijn) gebruikt, dan is een impedantie-transformator nodig. Aan de ingang kan daarvoor een balun (transformator voor overgang van gebalanceerde naar ongebalanceerde transmissielijnen) worden gebruikt. In figuur 10a is een dergelijke impedantie-transformator getekend, impedantietransformatie 4 : 1. De lengte van de coaxiale lus komt overeen met de helft van de golflengte van het ontvangen signaal, vermenigvuldigd met een verkortingsfaktor van 0,7. Voor de belangrijkste ontvangstbereiken zijn deze lus-lengtes in tabel 2 vermeld.

Fig 10a
Figuur 10a. Met een stuk coaxkabel is het mogelijk een impedantietransformator van 240 Ω naar 60 Ω te bouwen. De lengte van de lus is afhankelijk van de golflengte van het te ontvangen signaal. In tabel 2 zijn de kabellengtes voor de belangrijkste frekwentiebereiken vermeld.

Tabel 2
BereikFrekwentie f (MHz)Golflengte λ (m)Lus-lengte l (m)
FM87,5... 1043,43... 2,831,10
2 m-band144 ... 14620,70
Band Ill (VHF)174 ... 2231,72... 1,350,53
70 cm-band432 ... 4400,70,25
Band IV/V (UHF)470 ... 8540,64 ... 0,350,17

Voor aanpassing van de 60 Ω-antenneversterkeruitgang aan een 240 Ω-kabel is de in figuur 10b getekende kollektorspoel L2 voorzien van een koppelwikkeling, zodat een transformator is ontstaan. Deze transformator die een overzetverhouding van 1 : 4 heeft, wordt verkregen door op een ferrietkraal twee wikkelingen van respektievelijk 3 windingen (primair) en 6 windingen (sekundair) 0,2 mm koper-emaille-draad te leggen.

Fig 10b
Figuur 10b. Gemodificeerde antenneversterker voor symmetrische 240 Ω-uitgang.

Smoorspoel L4 dient om de gelijkstroom-retourleiding van de antenne-versterker via een ader van de lintlijn naar de voeding te realiseren. Deze spoel is ook weer gelijk aan de spoelen L2 en L3 van figuur 6. Bij het aansluiten van deze lintlijn moet dus wel goed op de polariteit van de gelijkspanning worden gelet.

Fig 10c
Figuur 10c. De voedingsspanning voor de antenneversterker wordt toegevoerd aan de ontvangerzijde van de symmetrische HF-leiding. Spoel L5 en L6 zijn gelijk aan de spoelen L2 en L3 van figuur 6.