Le PGA103+ est un circuit-intégré de rêve pour réaliser des amplificateurs hyper fréquence car il a toutes les qualités. Il s'alimente en 5 Volts et son entrée et sa sortie sont à 50 Ohms. Il permet donc de réaliser des amplificateurs avec un minimum de composants. Plusieurs expérimentateurs ont décrit le montage qu'ils en ont fait, notamment WA5VJB, F4EMY. Voici ma propre version, qui a l'avantage de s'alimenter par le câble coaxial et d'être facile à réaliser par quelqu'un qui n'a plus ses yeux de 20 ans.
Le circuit-intégré PGA103+, un MMIC (Monolitic Microwave Integrated Circuit) est produit par la firme Mini-Circuits en technologie GaAs E-PHEMT (Arséniure de gallium). C'est un amplificateur à large bande (30-3000 MHz), faible souffle (0,5dB à 144 MHz) et haute tenue aux signaux forts (IP3 45dBm). Son entrée et sa sortie sont en 50 Ohms et son gain est dans les 20-25dB variable en fonction de la fréquence et de la valeur des composants. Il est stable et peut sortir plusieurs dizaines de milliWatts. Il est livré en boîtier SOT89 et coûte quelques Euros.
Application Note AN-60-064 (stabilisation)
Ma réalisation dans un boîtier Schubert de 35x35mm.
Le schéma
Le circuit-imprimé avec plan de masse au dos la réalisation pratique
Montage des composants
Commencer par souder les vias, liaisons entre les masses des 2 côtés du C-I. On peut utiliser de petits rivets de 1mm (difficiles à trouver) ou insérer un fil étamé nu dans les trous (au préalable percés) et les souder des deux côtés. La face arrière du C-I comporte un seul fil qui relie la sortie du régulateur 5V à la sortie de l'ampli en passant en biais en dessous de la piste de sortie.
Souder ensuite tous les composants mais pas le PGA103+ car il set sensible à l'électricité statique et des précaution s'imposent.
Mettre l'ampli sous tension par l'intermédiaire d'un injecteur de courant 12 Volts (tel celui-ci par exemple mais un autre, mécaniquement plus sérieux, sera décrit prochainement) et contrôler que du +5V arrive bien sur la sortie du PGA103+.
Il faut ensuite mettre tout à la même masse afin que des pics de tension n'apparaissent pas aux bornes du PGA103+ à souder. Pour ce faire il faut relier la panne du fer à souder à la masse du circuit-imprimé ainsi qu'à l'opérateur. Dans mon cas, j'ai soudé un fil à un bout de clinquant de cuivre que je passe sous ma montre, en contact serré avec mon poignet,. L'extrémité du fil est connecté aux deux autres fils qui mettent à la masse le fer à souder et le circuit-imprimé. Pour terminer, relier le tout à la masse du 230 Volts (pin du milieu.
Il ne reste plus qu'à souder le PGA103+. Il faut disposer d'un fer à souder bien chaud avec une panne fine, 2 mm par exemple. La règle étant de ne pas chauffer les composants pendant trop longtemps.
Ceci fait, il ne reste plus qu'à tester l'amplificateur en conditions réelles d'utilisation.
Résultats
Cet amplificateur amplifie uniformément tous les signaux présents à la sortie de l'antenne du réception y compris ceux qui sont déjà très forts , par exemple le broadcast entre 88 et 108 MHz. Dans mon cas, ces signaux et d'autres saturent l'étage d'entrée du récepteur que j'utilise pour ce genre d'essais, un AR3000. Cela se traduit par l'apparition d'un fort souffle qui couvre tout lorsque l'antenne vise ces émetteurs ou lorsque je branche une antenne omni directionnelle à la place de la Yagi 144. Un filtrage en entrée du préampli est donc indispensable.
Pour le prouver, j'ai inséré la cavité réglable en fréquence ci-dessous entre le récepteur calé sur 144.445 MHz, la QRG de la balise HB9HB, et le récepteur. Toute saturation a été instantanément éliminée, y compris le souffle que cela introduisait dans le récepteur.
Bande passante à - 20 dB
Lors du câblage du préampli, j'ai voulu voir si les vias, bouts de fils soudés des 2 côtés du print pour relier la masse recto à la masse verso, servaient à quelque chose. La réponse est oui! Sans eux, des auto oscillations sont visibles un peu partout sur l'analyseur de spectre et elles changent de fréquence lorsqu'on touche les composants. Les vias sont donc indispensables et je pense que plus il y en a mieux ça vaut, en étant tout de même attentif à ne pas créer des boucles de masse par leur intermédiaire. Le print doit donc être dessiné en ayant ce fait à l'esprit.
D'autre part j'ai pris soin de souder tout le pourtour du print au boîtier, et ce sur les deux faces. Les boîtiers Schubert sont idéaux à cet égard, ils se laissent parfaitement souder. Les premiers exemplaires des préamplis avaient quelques défaut sur les bords, l'acide les ayant rongé en partie. J'ai donc soudé des petites plaques de clinquant de cuivre pour faire le joint avec le boîtier, idem avec le dernier injecteur de courant fabriqué à partir d'une découpe dans un vieux circuit-imprimé HF.
Injecteur de courant-DC bloc
Appelé T-bias en anglais et injecteur de courant en français, cet accessoire permet d'injecteur la tension d'alimentation sur le câble coaxial qui fait la liaison entre le récepteur et le préampli.
Il se compose d'une ligne 50 Ohms (ou autre) qui relie la prise SMA de l'entrée et la prise SMA de sortie. Un espace de 1 mm est coupé au cutter au centre de cette ligne (perpendiculairement) ce qui interrompt le circuit entre l'entrée et la sortie. Il suffit ensuite de souder un condensateur de 1nF en CMS au bord de cette coupure pour que la liaison entre l'entrée et la sortie soit rétablie du point de vue alternatif. Tout signal HF qu'on mettra en entrée se retrouvera en sortie, les pertes sont négligeables. Nous avons réalisé un DC bloc, qui isole l'entrée d'un circuit de sa sortie du point de vue continu. Cet accessoire peut être utile pour éviter de griller l'entrée d'un appareil de mesure qui ne supporterait pas la présence d'une tension continue. Par précaution j'en met toujours un à l'entrée de mon analyseur de spectre. Des modèles bon marché existent avec des connecteurs F (TV), plus chers avec des SMA ou BNC ou N car utilisés par les pros.
Pour alimenter mon préamplificateur, je dois injecter du 12V positif sur la prise de sortie du préampli. Mais il ne faut pas que ce 12V soit présent à l'entrée du récepteur sous peine, éventuellement, de griller son circuit d'entrée. Disons-le tout de suite, il y a peu de chances que cela se produise car l'entrée des récepteurs se fait pratiquement toujours par l'intermédiaire d'un condensateur. Mais il pourrait arriver que son entrée soit mise à la masse par des diodes de protection par exemple ce qui court-circuiterait le 12V. La présence d'un DC-bloc est donc tout-à-fait justifié à cet endroit.
Il ne reste plus qu'à introduire le 12V sur le câble coaxial du côté préamplificateur. Cela se fait par l'intermédiaire d'une petite self de choc de 1 µH ou autre (une dizaine de spires de fil isolé 0,2mm (pour transfo) formées sur une mèche de 4mm convient également, ce n'est pas critique), qui relie le bout de ligne qui va vers le préamplificateur à une prise châssis 12V, avec un condensateur de découplage de 100nF vers la masse. Idéalement il faudrait en mettre trois: 100pF, 1nF et 1200nF de façon à bien découpler toutes les fréquences et donc de minimiser les pertes. Mais même avec un seul 100nF, l'injecteur fonctionne sans pertes visibles. Je vais d'ailleurs faire une mesure globale injecteur + préampli un de ces jours.
Le préamplificateur large bande avec son injecteur de courant
Je vais maintenant réaliser un nouvel un amplificateur avec un filtre à l'entrée. Je me dépêche car j'aimerais prendre cet ampli avec moi à la conférence EME2014 à Lannion dans une semaine afin d'en mesurer le rapport s/b.
Le filtre est centrée sur 145 MHz. Le circuit comporte une self de 8 spires de fil argenté de 1mm bobinées sur une mèche de 8 mm en parallèle avec un condensateur de bonne qualité de quelques pF. La prise d'entrée est couplée au point chaud du circuit à l'aide d'une feuille de cuivre faisant office de condensateur ajustable. La sortie du filtre est couplée à l'entrée de l'amplificateur à l'aide d'un fil soudé à environ 1/2 spire du point froid du circuit oscillant.
Préampli 144 dans boîtier Schubert 70 x 35mm
Réglé comme il est, la bande passante est de 3 MHz à -3dB. Il y a cependant une autre pointe vers 950 MHz, certainement due à une résonance parasite. A ce stade, je ne vois pas trop comment l'éliminer à part avec un filtre passe-bas.
Le gain est de 20 dB. J'ai optimalisé le couplage d'entrée afin d'avoir un minimum de bruit en utilisant la:
Méthode de Bernard F5DB:
Injecter un signal non modulé à l'entée du préampli
Récepteur en position NBFM, avec un voltmètre sur la BF
Régler le niveau de sortie du générateur pour que le signal BF soit fortement bruité
Ensuite, sans retoucher au réglage du générateur, régler le circuit oscillant et son couplage de façon à ce que le bruit de fond soit minimum
Cette méthode permet d'ajuster le rapport signal/bruit de l'entrée du préampli à son minimum. Mais sa valeur est inconnue. Tout ce qu'on peut dire, c'est que c'est réglé au minimum de bruit.
Band passante à -3dB = 3 MHz Span = 1500 MHz
La version ci-dessus ne me donnait pas satisfaction car les liaisons de l'entrée et de la sortie étaient trop longues. J'ai donc refait une self et l'ai positionnée à 90 degrés de la précédente. Les fils de liaison sont ainsi raccourcis au maximum. D'autre part j'ai remplacé le condensateur de couplage d'antenne, languette de cuivre, par un condensateur ajustable de bonne qualité.
J'obtiens maintenant les courbes suivantes:
Band passante à -3dB = 7 MHz Span = 1500 MHz
On voit immédiatement que le filtre est globalement plus propre. Il reste une pointe à 1100 MHz mais celle-ci (et les autres) disparaît dès qu'on touche la self avec le doigt. J'attribue la bande passante plus large au fait que le condensateur de couplage à air a été remplacé par un condensateur céramique, qui a plus de pertes. Ou alors la prise de sortie sur la self est trop haute, je n'ai pas optimalisé.
Le gain est toujours de 20 dB, mesuré avec des atténuateurs. La différence de rapport s/n par rapport au préampli qui se trouve dans mon FT-847 n'est pas significative. Cela tient je pense au fait que la sensibilité sur 144 est limitée par le bruit de fond terrestre. Par contre je me réjouis de voir la différence lorsque j'aurai mis mon préampli en tête de mât. Là la différence devrait être significative et devrait compenser la perte dans le câble coaxial antenne-transceiver.
Le proto câblé sur un C-I gravé à la main
Par la suite, je vais développer un circuit de commutation de l'entrée et de la sortie afin de pouvoir installer ce préamplificateur en tête de mât. C'est là qu'il sera le plus utile. Son alimentation sera amenée par le câble coaxial et il sera court-circuité pendant l'émission ou si on désire le mettre hors service.
20140907_Mesures à EME 2014
J'avais quelque appréhension à faire mesurer mes préamplis par les spécialistes du contest de préamplis de la conférence EME2014 qui avait lieu cette année en France. Car c'est toujours la même chose: on construit un engin, on le mesure avec ses propres équipements et on en tire la conclusion que tout va bien. Et puis il passe entre les mains des super-spécialistes équipée des meilleures instruments de mesure et là c'est la cata!...
J'avais fait le forcing afin d'être prêt pour cette conférence à laquelle je m'étais inscrit pour la première fois. Je n'ai encore jamais tenté le moonbounce mais j'étais curieux de rencontrer la crème des experts de cette spécialité et de voir ce qu'ils faisaient. Pour une fois que cette conférence mondiale avait lieu pas trop loin de chez moi (1000 km tout de même) je n'ai pas hésité, d'autant plus qu'elle avait lieu à Pleumeur-Bodou d'où avait eu lieu la première liaison transatlantique TV en 1962.
En plus des conférences données pas les spécialistes EME les plus réputés au niveau mondial, dont John Taylor K1JT le père du logiciel JT et prix Nobel d'astrophysique, il y avait des ateliers de mesure de préamplificateurs où j'espérais pouvoir glisser mes préamplis dans la file d'attente (plus de 60 appareils!), ce que j'ai fait.
C'est tout d'abord Jean-François F1LVO qui a mesuré mon préampli 144 et à large bande sur son analyseur de réseau HP 8720B (130 MHz à 20 GHz). Résultats conformes à ce que j'avais moi-même pu mesurer avec mon analyseur de spectre Rigol. Mais les TOS étaient plutôt fantaisistes et la bande passante de l'ampli à large bande montrait un pic parasite vers les 1100 MHz, résultant probablement de la self de choc d'alimentation fantôme sur la sortie.
Puis Sylvain F6CIS mesura le gain et le rapport s/n d'entrée à l'aide de son Noise Figure Meter HP 8970B. Et là bonne surprise: le gain du préampli à large bande était de 24,81 dB et le s/n de 0.27 dB à 144 MHz! Après avoir retouché les réglages des capacités d'entrée sur la version 144, le gain mesuré fut de 24,15 dB et le s/n de 0.99 dB, à la grande surprise de Sylvain. C'était la meilleure performance de tous les préamplis 144 mesurés, je l'appris plus tard. Pas mal pour un proto réalisé en 2 semaines !
Large bande: gain 24,81 dB, s/n 0,26 dB
Sélectif 144: gain 24,15 dB, s/n 0,99 dB
Faut-il en déduire que cet ampli est le meilleur du monde? Bien-sûr que non mais, compte tenu de sa facilité de mise en oeuvre, ces résultats sont remarquables. Expérience faite, c'est impossible d'utiliser un préampli à large bande tel-quel car il amplifie tout ce qu'il reçoit et pas seulement ce qui est désiré, ici du 144 MHz. Sur une antenne à large bande, on voit très bien le souffle augmenter sur 144 alors qu'on pointe l'antenne sur un émetteur FM broadcast très puissant. Cela signifie que les signaux 100 MHz déjà très puissants à l'entrée sont aussi amplifiés et saturent l'entrée du récepteur. Il ne faut pas oublier que cet amplificateur peut sortir 100 mW! C'est ce qui m'avait motivé d'insérer un filtre à l'entrée du préampli. Avec lui, la saturation est évitée et si en plus on utilise une antenne 144 MHz sélective au lieu d'une log-périodique, c'est encore mieux.
Ce qui me fait particulièrement plaisir, c'est que mon filtre d'entrée ne dégrade le rapport signal/bruit de l'entrée que de 0,7 dB, ce qui est très supportable car sur 144 le bruit terrestre est de toute façon supérieur à ce chiffre. On en a la preuve lorsqu'on branche l'antenne au préampli: le souffle augmente.
Résultats du concours de préamplis à EME 2014
Par comparaison, voici le préamplificateur 4 GHz de type MASER utilisé en 1962 par
l'antenne radôme pour la première liaison transatlantique TV via le satellite Telstar.
Son s/n est probablement dans les 0,1 d B (0.26dB pour mon PGA103+ sur 144).
Maintenant que j'ai plus de temps, je vais mesurer l'amplificateur 144 en utilisation sur une antenne afin de voir ce qui en sort.
Le but du développement de cet amplificateur est de le monter au plus près de l'antenne afin d'obtenir un gain maximum en sensibilité. Le raisonnement est simple et on peut l'illustrer au moyen des formules suivantes:
(Exemple d'un RX avec un s/b de 2dB, un LNA de 1dB de s/b et 3dB de pertes dans le coax et la conectique)
1) Récepteur sans LNA (Low Noise Amplifier ou préamplificateur):
s/b total = pertes + s/b RX
Où
s/b = rapport s+b/b total en dB
pertes = pertes en dB dans le câble coaxial et la connectique
s/b total = 3dB + 2dB = 5dB
2) LNA installé APRES le câble coaxial (sur le récepteur):
s/b total = pertes + s/b LNA
Où
s/b = rapport s+b/b total en dB
pertes = pertes en dB dans le câble coaxial et la connectique
s/b total = 3dB + 2dB = 4dB
3) LNA installé AVANT le câble coaxial (directement sur l'antenne):
s/b total = s/b LNA
Où
s/b = rapport s+b/b total en dB
s/b total = 1dB
On voit donc qu'il est capital d'installer un préamplificateur le plus près possible de l'antenne.
Dans le cas où le LNA est utilisé avec un récepteur c'est très simple: il suffit de l'installer sur la prise antenne et de le télé_alimenter par le câble coaxial à l'aide d'un T-bias.
Si le LNA est utilisé avec un transceiver, il faut qu'il soit court-circuité en émission, avec son alimentation coupée afin que son élément actif ne soit pas détruit par la HF. Pour cela il faut insérer un relais coaxial à faibles pertes entre l'entrée du LNA et l'antenne et la même chose en sortie.
Dans un premier temps j'ai réalisé le circuit suivant afin de tester les qualités de ce relais "coaxial". En voici le schéma et le circuit-imprimé:
Schéma Circuit-imprimé
La diode D1 sert à limiter le pic de tension inverse qui a lieu lorsqu'on coupe l'alimentation du relais. Cette tension est restituée par la bobine d'induction du relais et peut atteindre des valeurs qui sont susceptibles d'endommager tout circuit alimenté avec ce même 12V.
La condensateur C1 et la self L1 sont optionnels et prévus pour pouvoir alimenter le relais par l'âme du câble coaxial de sortie.
Réalisation pratique
La mesure se confirme: l'atténuation diaphonique est de 40dB ce qui n'est pas énorme si on veut isoler un PA d'un préampli. Par exemple, 30 Watts en entrée feront 3mW sur le préampli. Si ce dernier était en service, donc alimenté, cela pourrait détruire l'élément actif. Par exemple, le PGA103+ peut sortir 100mW avec un gain de 20dB, ce qui signifie qu'on ne peut pas lui mettre plus de 1mW en entrée si on ne veut pas le saturer et le faire trop chauffer (le détruire?).
Je vais donc faire l'essai de mettre deux relais en série. Les atténuations ne s'additionneront pas totalement mais j'espère atteindre 60dB. A suivre...
Le schéma de l'ampli est le même mais la disposition des éléments sur le print est différente. J'ai décentré les prises entre-sortie afin de pouvoir disposer la partie alimentation d'un côté d la ligne 50 Ohms et la masse de l'autre. De ce fait, Les résonances parasites sont éliminées et le circuit plus sain. Pour le reste, les performances sont identiques.
Circuit-imprimé version 4.0
Le boîtier
Capot ouvert
Pour téléchargement:
fichier JPG (le circuit fait 35 x 35 mm)
Mon analyseur de spectre Rigol DSA-815 TG n'a pas de préamplificateur incorporé. En conséquence, sa sensibilité est limitée à -60 dB et n'est pas suffisante pour voir un petit signal dans une bande amateur, par exemple une émission en DVB-T sur 437 MHz. Après avoir travaillé pendant une année avec 3 amplificateurs de ligne TV en série, j'ai construit le préamplificateur qu'il fallait avec 2 étages équipés de PGA103+. Le gain est d'une quarantaine de 40dB.
Les relais sont des OMRON G6Z-1F-A 12 (Distrelec 41 12 51)
Modif: remplacer les deux selfs par des 180 nH (15.6.2015)
Schéma
Comme on le voit, il y a deux étages équipés de PGA-103+. L'entrée et la sortie sont isolées galvaniquement par des condensateurs de couplage. Deux diodes tête-bêche (BAV199) limitent la puissance de sortie à quelques milliWatts car l'analyseur de spectre ne peut pas supporter plus de 100mW en entrée sans risquer la destruction de son étage d'entrée.
Deux relais de qualité HF (max 2600MHz) court-circuitent l'ampli lorsque celui-ci n'est pas alimenté. De ce fait, on peut le laisser branché à demeure sur l'analyseur. Il suffit de lui couper son alimentation pour le mettre hors service. C'est nettement plus pratique que de devoir dévisser des fiches SMA!
La bande passante n'est pas très plate mais l'amplificateur remplit parfaitement son rôle. J'ai mesuré les valeurs suivantes de gain:
25 MHz: 25 dB
50 MHz: 35 dB100 MHz: 40 dB
200 MHz: 45 dB
500 MHz: 40 dB
1000 MHz: 30 dB
Chaque PGA-103+ peut sortir jusqu'à 100 mW. C'est donc important de ne pas dépasser la valeur de 0.1 µW en entrée. Pour limiter la casse, un jeu de diodes tête-bêches BAV99 a été disposées entre les deux étages et un en sortie. Ces diodes limitent la tension à leurs bornes à environ 1 Volt, ce qui limite la puissance à 0dBm en sortie. En entrée, tout ce qui dépasse de -30dB est écrêté, la puissance de sortie plafonnant de ce fait à 0dBm max.
Réalisation
L'ampli en boîtier Vue de dessus Le circuit-imprimé
Le tirage du circuit-imprimé se fait sur du support standard FR4, soit époxy de 1,5mm d'épaisseur, 35 microns de cuivre des deux côtés. Le verso est laissé tel-quel, l'attaque se faisant avec sa protection autocollante laissée en place sur cette face-là. Trois trous sont à détourer afin de laisser passer le fil de liaison entre les relais ainsi que le trou d'arrivée du +12V où sera soudée la diode série.
PDF pour tirage du print à imprimer sur du papier A4.
L'impression se fera en noir-blanc. Le print devra mesurer 108 x 35mm(Utilisation commerciale prohibée)
Michel Vonlanthen HB9AFO
