Unconditionally stable LNA for 144 MHz
Dieser Vorverstärker fur das 2m-Band hat eine niedrige Rauschzahl (0,3dB typisch), ausgezeichnete Ausgangsanpassung (VSWR < 1,1:1), unbedingte Stabilität (K > 1), und ausreichende Werte fur die Eingangsanpassung (VSWR < 5:1) und die Verstärkung (18 dB typisch).
1. Einführung
In der Vergangenheit hat es viele Veröffentlichungen über 2m-Vorverstärker mit Mikrowellen GaAs-FET's ('Single gate') gegeben. Leider waren bisher alle beschriebenen Vorverstärker elektrisch unstabil, d.h. nicht sicher gegen Selbsterregung(3). Das gilt sowohl für die Schaltung von W6PO mit einem 4:1 Ferrittransformator im Ausgang, als auch für Kaskode-Schaltungen mit bipolaren Transistoren sowie für einfache Widerstandsbelastung des Ausgangs wie bei YU1AW. Das liegt an dem sehr niedrigem Stabilitätsfaktor von Mikrowellen-GaAs-FET's (-0.1). Dieser niedrige K-Faktor macht es relativ schwierig, mit diesen Transistoren einen Verstärker mit K > 1 zu bauen.
Deswegen werden z.B. für normale Mastvorverstärker die nicht so kritischen 'Dual-Gate'-GaAsFET's eingesetzt, da sie wegen ihrer niedrigen Rückwirkung selbst schon einen K-Faktor von ca. 0,6 haben. Die erreichbaren Rauschzahlen betragen auf 144MHz ca. 0,5dB bei einer Verstärkung von 23dB.
Amateure, die glauben, eine noch niedrigere Rauschzahl zu benötigen, müssen dann doch wieder 'Single-Gate' FET's einsetzen. Diese haben selbst etwa eine Rauschzahl von 0,2-0,3dB. Das Geheimnis eines sehr rauscharmen, aber dennoch stabilen Vorverstärkers liegt in einem Eingangskreis mit einer Helixspule und 'High-Q' Lufttrimmern, und einer sorgfältig ausgewogenen Mischung von Gegenkopplungsmaßnahmen, die fur unbedingte Stabilität im Frequenzbereich von 10MHz bis 10GHz sorgen. Nachdem in einem iterativen Designprozess eine aussichtsreiche Prinzipschaltung gefunden wurde, wurden mit Hilfe der CAD-Software SUPER COMPACT-PC' die endgültigen Werte für die Schaltelemente bestimmt.
Simulation of Stability Options by MICROWAVE HARMONICA V5.02. Schaltung
Als Eingangskreis (Bilder 1,8,14) dient eine Helix-spule zusammen mit zwei 'High-Q' Lufttrimmem. Die Leerlaufgüte dieser Anpaßschaltung ist ungefähr 600, wenn die Helixspule eine Leerlaufgüte von 700 hat. Das ist fürdie gewählte Kammergröße typisch. Bei einer Lastgüte von 10, die sich aus der 3dB Bandbreite des Verstärkers von 15MHz ergibt - siehe Bild 11 - ist der Verlust der Anpaßschaltung ca. 0,07dB. Damit ist eine Gesamtrauschzahl von 0,27-0,37dB erreichbar, da der MGF-1302 allein ungefähr 0,2-0,3dB beiträgt. Würde man statt der Helixspule eine normale Luftspule mit Qp - 200 benutzen, wäre der Verlust ca. 0,22dB und die Gesamtrauschzahl ca. 0,42-0,52dB.
Figure 1: Top View on Prototype in small TEKO box
Figure 2: Circuit Diagram of LNA-144-1302
Der fest abgestimmte Ausgangskreis besteht aus dem Serienwiderstand R1, der parallelen RLCKombination R2/L2/C3 und dem Anpaßglied L3/C4. Damit wird eine Breitbandanpassung von besser als 20dB Rückflußdämpfung von 100-160MHz erreicht. Damit 'sieht' auch jeder nachfolgende Transverter eine Quelle von beinahe 50Ω reell!
Für die Erhöhung des Stabilitätsfaktors wird eine Kombination von verlustfreier Gegenkopplung durch L4/L5 in der 'Source' und verlustbehafteter Belastung im Ausgangskreis eingesetzt. L4 und L5 werden von den Anschlußbeinen des MGF-1302 gebildet und erhöhen den K-Faktor auf Betriebsfrequenzen unterhalb von 4GHz. Oberhalb von 8GHz wirkt diese Induktivität stabilitätsmindemd. Ist die Induktivität zu groß, schwingt der Vorverstärker auf Frequenzen oberhalb von 8GHz. RI koppelt das 'Drain' an den Ausgangskreis und erhöht durch seine isolierende Wirkung die Stabilität breitbandig. Er erhöht allerdings auch die Rauschzahl. Für Frequenzen unter 100MHz (KW) produziert das R/L-Glied L2/R2 eine zusätzliche Reserve an Stabilität, in dem es die Verstärkung vermindert. Alles zusammen bewirkt eine absolute Stabilität von 10MHz bis 10GHz, erniedrigt die Gesamtverstärkung auf 144MHz auf 18dB und erhöht die Rückflußdämpfung im Eingang auf 2,5dB.
| Part-No. | Type | Value | Manufact. | Manuf.-Code |
|---|---|---|---|---|
| C1,2 | Air-Trimmer | 1.2-10pF | TA,ATC | 5200 |
| C3,8 | SMD-C | 0.01 uF | Sie | 0805 |
| C4 | SMD-C | 82pF/NPO | Sie | 0805 |
| C5,6 | Trapez-Chip | 1000pF | ||
| C7,11 | Feedthrough | 1000pF | Sie | |
| C9 | SMD-Elko | 4.7uF/16V | Sie | 1210 |
| C10 | SMD-C | 0.1uF/100V | Sie | 1206 |
| C12 | SMD-C | 1000pF/NPO | Sie | 1206 |
| L1 | Helical Coil resonant with input compartment | approx. 200nH, Qo approx. 700 | 3.5 t. on 13mm Homebrew, ID, 17mm long, 2mm CuAg or 4.5 t. on 12mm ID, 13mm long 1.5mm CuAg | Sie Details in Fig. 7 |
| L2 | SMD-L SIMID01 | 2x100nH in Parallel | Sie | B62412-A3101-M |
| L3 | SMD-L SIMID01 | 470nH | Sie | B82412-A3471-M |
| L4,5 | Source Inductance | 4 mm Source Legs in free Air | ||
| T1 | FET | MGF-1302 | Mi | MGF1302-650-4 |
| R1 | SMD-R | 150 | Sie | 1206 |
| R2 | SMD-R | 56 | Sie | 1206 |
| R3 | SMD-R | 22 | Sie | 1206 |
| R4 | Metal-Film-R | 22 | ||
| R5 | Metal-Film-R | 47 | ||
| P | Trim-Pot Cermet | 100 | ||
| D1 | Diode | 1N4007 | Mot | |
| IC1 | Regulator | 78L05AC | Mot | |
| Bu1,2 | Coaxial Conn. | N-Male/BNC-Female | ||
| PCB | Output-Board | 35x72x1.54mm, ER=4.5 | DC3XY: Tel. (++49)410673430 | LNA144 |
| G | Box (Tinplate) | 74x55x30mm | Schu | |
| Kits and PCBs are available: Rainer Jäger, DC3XY, Breslauer Str. 4. W-2086 Ellerau | ||||
CAD-Software hilft beim Design
Die Werte der Schaltelemente wurden, nachdem die Topologie der Schaltung entworfen war, durch Optimierung mit SUPERCOMPACT-PC bestimmt. Die Simulationsergebnisse in den Bildern 3-7 zeigen deutlich, daß der K-Faktor immer unter 1 bleibt, wenn man eine der stabilisierenden Maßnahmen wegläßt. Insbesondere ist Bild 7 interessant: Es zeigt einen normalen Verstärker ohne Source-Gegenkopplung mit 50 Ohm parallel zum Drain. Selbst diese Maßnahme erzeugt keine unbedingte Stabilität.
Figure 3: Simulated K-Factor and Gain - Final Design
Figure 4: Simulated K-Factor and gain w/o Source Feedback
Figure 5: Simulated K-Factor and gain w/o Parallel R/L
Figure 6: Simulated K-Factor and gain who Series-R
Figure 7: Simulated K-Factor and gain w/ 50 Ohms Load
Um die Software sinnvoll einsetzen zu können, war die Kenntnis der S-Parameter und der Rausch-Parameter des MGF1302 für Frequenzen unter 1GHz nötig. Der Hersteller spezifiziert diese aber nicht unter 4GHz! Die S-Parameter wurden von Dieter Briggmann, DC6GC, gemessen und zur Verfügung gestellt. Damit konnte zumindest die Stabilitätsanalyse fundiert durchgeführt werden. Die Rauschparameter wurden durch Extrapolation und Intuition geraten.
3. Konstruktion
3.1 Aufbau
Das Gehäuse wird wie in Bild 8 vorbereitet. Die Bodenplatte des Gehäuses wird aufgelötet. Die Platine wird anch Bild 9 bestückt und alle Bauelemente aufgelötet. Der Parallel-Trimmer wird ebenfalls ins Gehäuse eingelötet. Achtung: Es sollten nur die angegebenen Trimmer 5200 benutzt werden, weil sie eine hohe Güte haben und sich wegen ihrer linearen Abstimmung auf einen bestimmten Kapazitätswert voreinstellen lassen. Dann ist kein Rauschmeßplatz zur Abstimmung erforderlich. Die Helixspule wird eingelötet. Sie muß zentrisch in der Eingangskammer sitzen. Die fertige Platine wird derart senkrecht auf die Trennwand aufgelötet, daß der Drainanschluß des MGF1302 genau auf die Stripline paßt. Dann kann man den Transistor einlöten ('Sourcen' zuerst dann das 'Gate' und zuletzt das 'Drain'). Die 'Sourcee Beine müssen mindestens 4mm frei sein. Eine Versilberung ist nicht unbedingt nötig, verbessert aber ein wenig das Q und verhilft zur Wetterfestigkeit. Wichtig ist der Sitz des Deckels. Nach Bild 8 wird eine Gummischicht eingeklebt, auf die dann 0,1mm Kupferfolie geklebt wird. Diese muß auf dem gesamten Rand des Gehäuses aufliegen! Zusätzlich muß der Deckel auch mit der Trennwand
Figure 8: Box Construction LNA-144-1302
Figure 9: Top View on Output Assembly
Figure 10: Epoxy-PCB of LNA-1441302
3.2 Inbetriebnahme
Nach Anlegen der Betriebsspannung wird das Poti Pl auf einen Drainstrom von 12mA eingestellt: die minimale Rauschzahl ist im Bereich von 10-20mA nur wenig veränderlich. Dann kann man ein Rauschzahlmeßgerat anschließen und Parallel-und Serientrimmer auf minimale Rauschzahl abgleichen.
Hat man kein Rauschzahlmeßgerät, stimmt man zuerst beide Trimmer auf minimale Kapazität ab. Dann fluchten die Abstimmschrauben mit dem Gewindekragen. Dann dreht man den Serientrimmer genau 3,5 Umdrehungen hinein - das entspricht einer Kapazität von ca. 4,3pF -. Dann schließt man einen Empfänger und eine Antenne an und stimmt den Paralleltrimmer auf maximales Rauschen - nach Gehör oder S-Meter - ab. Das ist die Stellung für maximale Verstärkung und die Stellung für minimale Rauschzahl!.
Diese Abstimmung ist ungewöhnlich, da normalerweise die Frequenz des Verstärkungsmaximums gegenüber der Frequenz des Rauschzahlminimums zur tieferen Seite verschoben ist. Nicht so bei diesem Verstärker. Durch die öegenkopplung in der 'Source' und die Ausgangsbeschaltung stimmen die Frequenzen für Rauschzahlminimum und Verstärkungsmaximum ziemlich gut überein, wie man unschwer durch Studium der Abbildungen 11 und 13 erkennen kann. Das ist ein weiterer Vorteil dieses Designs, weil man, wenn der Serienkondensatorden richtigen Wert hat, ohne Rauschzahlmeßgerät auf minimale Rauschzahl abgleichen kann.
4. Meßwerte
Die Bilder 11-13 zeigen die ausgezeichnete Rückflußdämpfung im Ausgang, die von 100-165MHz besser als 20dB ist, die Eingangsrückflußdämplung von ca. 2,5dB, das Verstärkungsmaximum bei 146 Mhz mit ca. 18dB, das breite Rauschzahlminimum von 142- 148 MHz mit einem Minimalwert von unter 0,3dB und den Stabilitätsfaktor K, der von 100-300MHz größer als 1 ist. Die Rauschzahl wurde mittels eines HP8970B Rauschzahlmeßgeräts und einer HP346A Rauschquelle bestimmt. Die HP346A ist speziell für schlecht angepasste Verstärker, wie sie bei Einsatz von GaAs-FET's entstehen, vorgesehen.
Figure 11: Measured S-parameters of LNA-144-1302
Figure 12: Measured K-Factor of LNA-144-1302
Figure 13: Measured Noise Figure and Gain of LNA-144-1302
Close view on input circuit
5. Acknowledgements
Ich danke K. Eichel von TSS für die Überlassung von SUPERCOMPACT, Christop Petermann, DF9CY Cur die Messungen an Prototypen, Fred Schulze, PE1DAB, Cur die schöne Konstruktionszeichnung, Chris Ploeger, PA2CHR, Cur die exzellenten Fotos und Dieter Briggmann, DC6GC. für die Messung der S-Parameter des MGF-1302 auf niedrigen Frequenzen.
6. References
- R. Bertelsmeier, DJ9BV, "How to Use a Noise Figure Meter", DUBUS 4/1990, pp. 11-30
- R. Bertelsmeier, DJ9BV, "Low Noise Preamp for 1.3GHz", DUBUS 4/1991, pp. 37-50
- R. Bertelsmeler, DJ9BV, "144MHz Preamps: A Review", DUBUS 4/1992, pp. 29
- D. Dobricic, YU1AW, "Absolut Stabile, Rauscharme GaAs-FET Vorverstärker", UKW-Berichte 2/1990, pp. 118-126, 3/1990, pp. 138-146
- S. Sutherland, W6PO, "Some GaAs-FET Preamplifiers", EIMAC EME Note AS-49-31
DJ9BV, Rainer Bertelsmeier.