Liviu Soflete YO2BCT

1. De ce ghid de undă? La acesată frecvenţă iluminatorul reflectorului parabolic (feedhorn) este realizat ca ghid de undă, terminat cu o porţiune evazată (horn) sau prevăzut cu un şoc cu un inel (Kumar) sau cu mai multe inele (Chaparral). Ghidul de undă este tipul de linie de transmisie care are cea mai mică atenuare pe unitatea de lungime. La 10 GHz ghidul de undă dreptunghiular are atenuări de ordinul 0,2 dB /m ; o valoare comparabilă – sau chiar mai mică - se poate obţine la un preţ mult mai mic utilizând un ghid circular improvizat din ţeavă de Cu pentru instalaţii de încălzire, cu diametrul interior de 18...22 mm. Problema cu ghidul circular este că deja la trasee de câteva lungimi de undă, din cauza formei imperfect circulare, poate apare o rotire a planului de polarizare, astfel că direcţia câmpului de la ieşire nu mai este paralelă cu cea de la intrare, ceea ce impune utilizarea unor metode de evitare a acestui neajuns. Se poate utiliza un cuplaj rotativ – mobil sau blocat definitiv prin cositorire după determinarea poziţiei optime, sau se poate converti unda cu polarizare plană în polarizare circulară, transporta semnalul prin ghid circular pe lungimea dorită şi apoi reconverti la capăt înapoi în undă plan polarizată.

Comutarea de pe recepţie pe emisie şi invers presupune existenţa unui comutator care să cupleze antena (respectiv feedhornul) sau la ieşirea amplificatorului Tx de putere, sau la intrarea LNA – ului de recepţie. Pentru comunicaţiile terestre, un comutator coaxial cu mufe SMA este pe deplin acceptabil : o putere de 20 – 30 W poate fi suportată de un asemenea releu şi reprezintă o valoare la limita superioară a instalaţiilor uzuale de amator pentru comunicaţii tropo; atenuarea de izolare este de peste 60 dB protejând eficient receptorul când emiţătorul este în funcţiune, iar atenuarea de trecere (de inserţie), de 0,2 – 0,4 dB (icluzând şi atenuarea pe mufele şi cablurile de conexiune) este pe deplin acceptabilă. Intr-adevăr, atenuarea semnalului pe traseul de emisie este nesemnificativă, iar la recepţie, degradarea factorului de zgomot (NF) cu maxim 0,4 dB nu e catastrofală, având în vedere că LNA-ul din receptor are NF de circa 1,2dB, iar antena ’vede’ (cu mai mult de jumătate din diagrama de directivitate) suprafaţa Pământului şi atmosfera cu temperatura de circa 300 grade Kelvin. In comunicaţiile EME, când antena este îndreptată spre cerul fără surse radio, temperatura de zgomot de circa 30 grade Kelvin a unei antene obişnuite (în principal rezultat al revărsării –spillover- şi al lobilor secundari îndreptaţi spre sol, pentru că cerul are circa 3 grade Kelvin) este puternic degradată chiar de 0,1 dB atenuare pe traseul feedhorn-LNA. In acest caz, utilizarea unui comutator pe ghid de undă este mult mai convenabilă, mai ales dacă şi LNA-ul este realizat tot pe ghid (ca la receptoarele de satelit). Un comutator pe ghid poate avea atenuarea de trecere de 0,05 dB, fără o atenuare suplimentară pentru conectorii SMA, deoarece LNA-ul va fi montat direct pe comutator. Atenuarea de izolare este de 70-80 dB, deci la orice putere a emiţătorului receptorul nu este periclitat. Durata mai mare de comutare a comutatorului pe ghid (0,1...0,2 s faţă de sub 30 mS la un releu coaxial) nu constituie un neajuns, semnalul reflectat de Lună revenind cu o întârziere medie de circa 2,5 secunde. Trebuie ţinut cont de această durată de comutare numai la realizarea secvenţiatorului, pentru a nu risca trimiterea puterii emiţătorului pe o poziţie indecisă a comutatorului: se poate defecta şi receptorul prin injectarea unei puteri de zeci de W, sau chiar emiţătorul, prin funcţionarea pe o sarcină cu SWR exagerat de mare. Deobicei comutatoarele pe ghid sunt prevăzute cu contacte de confirmare a ajungerii pe finalul cursei mecanice.

2. Antena. O antenă cu diametrul de ordinul a 3 m, cu câştigul de peste 40 dB, are o diagramă de directivitate (la -3dB) de ordinul a 0,7 grade. Ţinând cont că diametrul unghiular aparent al Lunii este de circa 0,5 grade, rezultă că este necesară o poziţionare a antenei cu o precizie de circa 0,1 grade. Problema este discutată în detaliu în articolul despre poziţionarea cu ajutorul zgomotului termic al Lunii (publicat pe site-ul Radioamator.ro). Fără un sistem de orientare precisă, realizarea unei legături este iluzorie; în condiţiile mele este necesară corectarea poziţiei la fiecare 30 secunde – practic după un minut fără corecţie, semnalul aproape dispare. Orientarea pe maximul de zgomot lunar este foarte precisă, dar poate fi utilizată numai dacă în câmpul antenei nu intră obiecte ’calde’ care generează un zgomot termic ce îl depăşeşte pe cel al Lunii (copaci, clădiri). Măsurarea zgomotului Lunii serveşte şi la controlul performanţelor receptorului şi ne confirmă că echipamentul funcţionează normal. Suprafaţa parablolei are abaterile tolerabile de ordinul unei zecimi din lungimea de undă (circa 3mm pentru banda de 10 GHz) ; abateri de formă mai mari (produse de lovituri, îndoituri) reduc câştigul şi deformează diagrama de radiaţie. Dacă suprafaţa parabolică nu este continuă (realizată din plasă de sârmă, tablă perforată) dimensiunile golurilor nu pot depăşi 0,1λ . De regulă se utilizează parabole din tablă continuă; perforaţiile sunt avantajoase prin reducerea sarcinii la vânt. Se pot utiliza atât parabole simetrice cât şi offset. La diametre mici ale parabolei, sistemul offset poate fi avantajos prin eliminarea ’umbririi’ de către instalaţia montată în focar şi suporturile aferente. Parabolele cu focar central uzuale au f/D cuprins între 0,3 – 0,5 iar offseturile 0,4 – 0,7. Este necesară utilizarea unui feedhorn corelat (ca diagramă de radiaţie) cu parabola utilizată; în niciun caz nu se va putea utiliza la întâmplare un feed pentru parabolă centrală la iluminarea unui offset sau invers.

3. Puterea de ieşire a emiţătorului este deasemenea importantă: se pot realiza legături începând de la 10W cu staţiile mai bine echipate (cu antene şi puteri mai mari) dar este bine de ştiut că o antenă mai mare de 6m în diametru la corespondent nu mai poate compensa lipsa de câştig la antena proprie (cum se întâmplă la frecvenţe mult mai joase), deoarece peste 6 metri diametru, ’pata’ iluminată pe Lună devine mai mică decât discul Lunii, iar la staţia receptoare semnalul nu mai creşte. O antenă mare asigură totuşi QSB şi dispersie spectrală mai mici. Tehnica actuală permite construirea de amplificatoare tranzistorizate de zeci de W, dar la un preţ prohibitiv (50...100 Euro/1W); pentru amatori este încă rentabilă utilizarea de amplificatoare cu tub cu undă progresivă (TWTA), mai ales de când asemenea amplificatoare destinate funcţionării pe 14 GHz (uplink de satelit) au început să devină disponibile datorită înlocuirii lor cu tehnică solid-state. Asemenea amplificatoare au o durată de viaţă foarte mare, până la 100.000 de ore, fără scăderea apreciabilă a performanţelor, în special datorită sistemelor de protecţie care nu permit funcţionare tubului în regimuri anormale. Desigur TWTA este mai incomod din cauza masei şi gabaritului, precum şi din cauza tensiunilor foarte mari utilizate, astfel că nu sunt convenabile pentru echipamente portabile decât până la puteri de circa 20 - 30W.

4. Echipamentul de comunicaţii EME pe 10 GHz realizat

4.1 Instalaţia mea pentru EME se compune din parabola de 3m diametru utilizată şi pe benzile de 23 şi 13 cm, cu f/D = 0,325 (o parabolă destul de adâncă) iluminată cu un feedhorn circular cu şoc de tip Chaparral cu 3 inele, foarte uzual la vechile instalaţii de satelit cu montură centrală (fig.1).

Fig.1 Echipamentul montat în focar; prin cablul gros se aplică puterea de la TWTA, cablul gri vertical transmite comenzile – PTT, semnalizare Tx/Rx pentru operator, cablurile răsucite pe ţeava suport asigură alimentarea cu 12V şi semnalul de 144 MHz.

Feedul conţine o trecere de la circular (diametrul 18mm) la dreptunghiular (19,05x9,5mm) realizată cu un segment de ghid cu lungimea de un sfert de lambda. Aici a trebuit să lungesc această porţiune (intercalând o placă de 2,5 mm grosime, cu o gaură centrală care copiază profilul piesei originale – dreptunghi 8,5 x 18 mm (fig.2),

Fig.2 Feedhornul-capacul de plastic albastru pentru protecţia la insecte, şocul cu 3 inele (Chaparral), trecerea de la ghid circular la dreptunghiular şi placa suplimentară pentru lungirea trecerii pentru ’acordarea’ pe 10,4 GHz.

deoarece la 10.368 MHz avem altă lungime de undă în ghid faţă de 14 GHz, frecvenţa la care a funcţionat construcţia iniţială. Atenţie, regula de trei simplă dă erori, pentru că, spre deosebire de cablul coaxial cu care suntem obişnuiţi, ghidul este un mediu de propagare dispersiv (lungimea de undă depinde de frecvenţă !). Trecerea la ghid dreptunghiular este montată direct pe comutator. Acesta este de tipul ’de transfer’ , cu patru porturi, care se unesc pe rând două câte două (fig.3).

Fig.3 Comutatorul T/R, cu feedhornul nemontat. Cilindrul negru este mecanismul de acţionare, sus - LNA, jos trecerea ghid/coaxial prin care se aplică RF de la TWTA.

Antena se comută la LNA sau la Tx, portul neutilizat fiind conectat la o rezistenţă de sarcină industrială pe un ghid scurt, cu SWR mic (bine adaptată). Deoarece dimensiunea comutatorului disponibil era pentru ghid WR 75, cunoscut şi sub simbolizarea R120 (0,75 inch latura mare = 19,05 mm, latura mică 9,5mm) şi deasemenea ieşirea din amplificatorul de putere tot WR 75, am utilizat peste tot această dimensiune de ghid. In practica radioamatorilor, la 10 GHz ghidul cel mai des utilizat este de dimensiunea imediat superioară – WR 90 (R100 –DIN sau WG16 după standardul britanic). Ghidul WR 75 este pe deplin utilizabil la 10,368 GHz, cu o creştere nesemnificativă a pierderilor, dar cu o creştere semnificativă a lungimii de undă în ghid, de care trebuie ţinut cont la dimensionarea unor elemente de ghid – adaptări, treceri ghid/coaxial. Pe portul Rx al comutatorului este montat LNA-ul realizat din amplificatorul RF al unui LNC destinat pentru recepţia TV din satelit pe 14 GHz. La 10.4 GHz a trebuit să refac acordul, pentru că amplificatorul cu două etaje în starea originală avea o amplificare de numai 8 dB! Tehnica de acordare a unui montaj în tehnologie microstrip constă în lipirea unor mici bucăţi (steguleţe, fulgi) din tablă de Cu (eventual argintată sau aurită – recuperată din terminalele tranzistoarelor de microunde) care se plimbă cu o tijă sau scobitoare de plastic pe linia de intrare dintre conexiunea ’antenei’ din ghid şi poarta primului tranzistor, urmărind semnalul amplificat la ieşire; steguleţul de tablă se lipeşte cu foarte puţin cositor în poziţia care a dat nivelul maxim de semnal. Operaţia se reia cu o nouă bucăţică (circa 2x1mm), inclusiv pe linia de cuplare dintre etaje şi pe linia de ieşire, până cînd nu se mai poate obţine nicio creştere de semnal. Desigur vom respecta regulile de manevrare pentru protejarea componentelor sensibile la ESD: oprirea alimentării, conectarea corpului operatorului şi a montajului la un plan de masă, utilizarea unui ciocan de lipit la tensiune joasă, (bine izolat de reţea - cel mai bine alimentat dintr-un acumulator independent), conectat şi el la planul de masă. NU SE VA UTILIZA PISTOLUL DE LIPIT! Variaţia bruscă a fluxului magnetic la conectare/deconectare induce în circuitele învecinate tensiuni periculoase – eu am reuşit să distrug cu pistolul LED-uri de mare intensitate – verzi şi albastre - iar un tranzistor HEMT este mult mai fragil!

Acest acord nu garantează cel mai mic NF realizabil, dar în lipsa unui aparat pentru măsurarea factorului de zgomot, acordul pentru maximul de câştig poate da rezultate satisfăcătoare.

Semnalul amplificat de LNA-ul reacordat (Gain = 18 dB) este aplicat printr-un releu coaxial de microunde cu mufe SMA la echipamentul pentru comunicaţii terestre. A fost necesar un asemenea releu pentru a separa căile de emisie/recepţie, echipamentul ’terestru’ având o singură bornă (SMA) de ieşire către antenă. Conexiunile sunt executate cu cablu semirigid UT141 (cu dielectric din teflon). Aici putem utiliza construcţia cu cablu coaxial, deoarece amplificarea suplimentară de 18 dB maschează creşterea zgomotului produsă de pierderi. Mufele SMA utilizate nu au un pin central ca piesă separată – se lasă o bucată proeminentă de circa 3,5 - 4mm din conductorul central (argintat) al cablului coaxial, cu vârful teşit conic la 45 grade. Această construcţie asigură pierderi minime în mufele SMA, lipsind saltul de impedanţă şi reflexiile asociate, provocate de diferenţa de diametre în cazul utilizării unui pin central al mufei ca piesă distinctă. Echipamentul pentru comunicaţii terestre este realizat cu un transverter DB6NT G3, cu oscilatorul local stabilizat prin PLL, având ca referiţă un OCXO local de 10 MHz. Este prevăzută şi posibilitatea aplicării semnalului de 10 MHz de la o referinţă exterioară mai precisă – oscilator cu rubidiu stabilizat prin GPS, dar chiar şi pentru comunicaţii digitale, stabilizarea cu OCXO-ul interior pare suficientă (este mult mai mare deviaţia de frecvenţă dată de efectul Doppler – circa 1Hz pe secundă !). Frecvenţa la ieşirea din transverter este în banda de 144 MHz; ca transceiver de bază utilizez un IC251 cu front-end modificat şi prevăzut cu un SDR pe 10,7 MHz care îmi permite să observ pe waterfall circa 16 kHz de bandă şi uşurează reperarea corespondentului. Deviaţia Doppler în banda de 10 GHz poate ajunge la +/-16 kHz şi mai există şi imprecizia inerentă a frecvenţei corespondentului.

La emisie echipamentul terestru furnizează circa 4W; este prevăzută o monitorizare a semnalului generat, cu un LED acţionat de tensiunea culeasă de un cuplor direcţional. Semnalul de emisie este transmis din focarul parabolei la amplificatorul cu tub cu undă progresivă (TWTA) amplasat pe sol în apropierea antenei, pe un cărucior cu roţi pentru a uşura depasarea (TWTA – 25 kg , sursa de alimentare - 40 kg!), fig. 4 . Semnalul de emisie din transverter (4W) trece printr-un cablu semirigid (acelaşi UT141) cu o lungime de circa 6m şi atenuare de aproximativ 10 dB; atenuarea mare nu deranjează, TWTA poate funcţiona cu minim 50mW excitaţie. La intrarea în TWTA

Fig.4 Amplificatorul de emisie instalat pentru probe: jos sursa de alimentare, sus TWTA. La ieşire este conectată o sarcină pe ghid (obiectul negru cu aripioare de răcire); sus în dreapta sunt cele patru LED-uri pentru avertizara trecerii pe emisie – când pâlpâie, toată lumea se ascunde! Intrarea de semnal este mufa mică (SMA) de lângă mufa N ( RF sample) – în stânga ei contorul de ore de funcţionare. Butonul negru multitură reglează atenuatorul de intrare. Instrumentul de măsură indică liniar puterea out, reflectată, sau cea de intrare (se alege din claviatura de sub instrument). Pe sursa de alimentare sunt afişate tensiunile şi curenţii de colector şi helix; o eventuală acţionare a protecţiei este semanlizată cu LED. Intrarea în regimul normal se face după o perioadă de preîncălzire de 3 minute. Jos – cablul de emisie (negru), încă nemontat.

este prevăzut un atenuator reglabil din care se poate ajusta puterea de ieşire la valoarea nominală de 300 W (atenuatorul suportă la intrare o putere de maxim 2W). De menţionat că regimul termic al TWT nu prea depinde de puterea de ieşire (asemănător cu funcţionarea în clasă A de la tuburile electronice clasice, disipaţia pe colector chiar scade când tubul furnizează putere la ieşire), atât timp cât curentul de helix se păstrează în limitele admise. Amplificatorul cu tub cu undă progresivă este prevăzut cu toate protecţiile necesare şi până acum nu am avut probleme (deşi are peste 21.000 de ore de funcţionare!). Sursa de alimentare necesită atenţie numai pentru evitarea condensărilor, datorită tensiunilor foarte mari utilizate (12 kV). Puterea de la ieşirea TWTA se trimite la comutatorul pe ghid printr-un cablu coaxial cu lungimea de 6 m, tip LDF4-50. Cablul este specificat de producător numai pînă la 8GHz, dar practic am constatat că funcţionează mulţumitor şi la 10 GHz. Atenuarea, incluzînd şi trecerile coaxial/ghid de la capete (realizate în regim propriu, cu mufe N), este de 4,2 dB, astfel că la feed mai rămâne o putere de 110W.

4.2 Pe suportul care susţine transverterul ’terestru’ în focar este amplasat montajul electronic (fig.5)

Fig.5 Partea care se amplasează în focar, cu feedhornul montat. Releul albastru cu mufe SMA separă semnalele Tx/Rx. Cutia mare albă este instalaţia destinată legăturilor tropo. Jos, cu capişonul alb de protecţie, mufa N la care se aplică 110W RF. Mufele N de calitate funcţionează corect la 18 GHz, la sute de W.

care realizează comutarea Tx/Rx, cu întârzierile necesare şi semnalizarea atingerii poziţiei de lucru comandate (LED albastru pentru recepţie, roşu pentru emisie, într-o cutie din camera operatorului) pentru avertizarea operatorului. Un alt montaj electronic mai simplu a fost introdus în carcasa sursei TWTA : a fost necesar ca pe recepţie să se întrerupă complet curentul de fascicol al TWT, deoarece zgomotul de bandă largă al tubului (cu o amplificare de circa 50 dB!) desensibiliza recepţia, prin creşterea nivelului de zgomot cu circa 10 dB. Soluţia a fost utilizarea unui releu care pe recepţie comută sursa de alimentare în regimul ’SERVICE’ , cu redresoarele de înaltă tensiune pornite, dar cu curentul tubului tăiat prin neaplicarea tensiunii de G2 (’anod’ în terminologia SIEMENS). Pentru emisie, se trece pe regimul ’NORMAL’, curentul de fascicul urcă la circa 270 mA (sursa de alimentare suportă maxim 350 mA) şi tubul poate amplifica normal semnalul aplicat la intrare. Amplificatorul funcţionează liniar – încă nu am încercat o legătură EME în SSB dar cred că este posibilă, având în vedere nivelul semnalului recepţionat de la anumite staţii şi controalele primite în CW. La testele făcute mi-am putut auzi bine ecoul propriu în SSB.

Pentru atenţionare că instalaţia este pe emisie, am prevăzut o lumină intermitentă (patru LED-uri roşii de mare intensitate, vizibile şi ziua) : expunerea la microunde poate fi periculoasă, în special pentru ochi.

Schema secvenţiatorului (fig.6 ) nu are nimic deosebit, este un sistem de temporizare RC cu două praguri, care comandă motorul de acţionare al comutatorului pe ghid şi generează şi tensiunile de PTT pentru TWTA şi pentru transverterul 144/10368. PTT-ul pentru IC251 este asigurat de montajul instalat în carcasa sursei de IT (acest semnal apare ultimul în secvenţa Rx – Tx, după ce tubul cu undă progresivă a primit tensiunile de lucru normale).

Fig.6 Secvenţiatorul T/R. Motorul este acţionat cu MOSFET-uri de putere IRF9540. Pentru alimentarea releului SMA se realizează tensiunea de 27V prin înserierea tensiunii de alimentare de 12V cu cea de 15V produsă de un convertor DC/DC. Pe toate firele de comunicaţie cu exteriorul sunt montate filtre din ferite cu 6 găuri şi condensatori de decuplare.

Comutatorul pe ghid are un montaj propriu de comandă şi contacte de capăt de cursă care opresc rotirea pe poziţia corectă şi semnalizează atingerea acestei poziţii. TWTA este prevăzut cu circulatoare atât la borna de intrare (înainte de atenuatorul reglabil) cît şi la intrarea în TWT, iar finalul terestru are circulator la ieşire, astfel că o eventuală întrerupere/scurtcircuitare a cablurilor nu constituie o problemă.

Modurile de lucru posibile sunt : telegrafie (CW) cu manipulator sau comandă din PC, JT4F/G, sau chiar SSB pentru corespondenţi cu echipament foarte performant.

4.3 Rezultate obţinute: la primele teste de recepţie am copiat baliza DL0SHF (JT4G şi CW) şi staţia IK2RTI care chema CQ random. In 4 octombrie 2014 am realizat prima legătură cu G3WDG iar în 11-12 oct. am participat la concursul EME de microunde al ARRL unde am realizat 8 legături (dintre care una YO-YO, cu YO3DDZ), toate în CW. Ecourile proprii se pot copia confortabil, iar controalele corespondenţilor sunt încurajatoare (559...579). Puterea de ieşire este suficient de mare pentru a utiliza secvenţe de emisie scurte, fără a respecta strict o anumită convenţie de durată (ceea ce uşurează repoziţionarea frecventă a antenei). Până în prezent (noiembrie 2014) am lucrat 12 iniţiale din 10 ţări DXCC, numai în CW.

In modurile digitale, datorită sensibilităţii ridicate, este posibilă contactarea unor staţii dotate cu emiţătoare de putere mult mai mică (15...20W) sau/şi cu antene mai mici.

Există posibilitatea de a reduce piederile la emisie şi a mări implicit puterea, la cel puţin dublu, prin utilizarea unei conexiuni cu ghid de undă, cu porţiuni de cablu coaxial mult mai scurte, sau chiar fără cablu coaxial. Soluţia cu ghid necesită însă o mecanică mai complicată, utilizara unor bucăţi de ghid flexibil şi montarea TWTA pe spatele parabolei.

Cei interesaţi de comunicaţii în microunde mă pot contacta pe e-mail, sau, dacă există interes, voi publica detalii despre realizarea şi reglajul unor componente pentru microunde, ca de exemplu trecerile ghid/coaxial, treceri ghid circular/dreptunghiular, iluminatoare pentru diverse parabole, surse de alimentare pentru TWT de putere mică, indicaţii de exploatare pentru TWT.

73, Liviu, YO2BCT

Liviu Soflete YO2BCT

Articol aparut la 16-11-2014

7047