High OIP3 LNA EME ATF-531P8 with BPF filter for 2m 70cm bands


В этом проекте удалось создать универсальный LNA для любых применений (тропо, тесты, ЕМЕ), диапазонов 2m и 70cm. LNA выполнен на E-pHEMT транзисторе средней мощности ATF-531P8. Высокий динамический диапазон (OIP3 = 36 dBm) на уровне PGA-103+ (SPF5189z). NF лучше примерно на 0.3 dB. Транзистор надежнее, чем маломощные ATF-54143 (SAV-541). P1dB выше на 5 dB. Наличие узкополосного фильтра на выходе позволяет подавлять FM диапазон, и соседние любительские диапазоны.

Моделирование LNA в программе MWO

Изучая S2P файлы транзистора ATF-531P8 обратил внимание на низкие значения NF при токах сток-исток 75 – 135 mA. Моделирование схемы LNA 2m в программе MWO подтверждает NF < 0.14 dB (Рис. 2). Полосовой LC фильтр выполнен с бескаркасными индуктивностями медным проводом. Полоса пропускания по уровню -3dB около 15MHz (BW < 15 MHz). Схема LNA и фильтра в проекте MWO представлены на Рис. 1.1 и Рис. 1.2

Схема LNA 2m ATF-531P8 в проекте MWO

Рис. 1.1 Схема LNA 2m ATF-531P8 в проекте MWO

Схема фильтра LNA 2m ATF531P8 в проекте MWO

Рис. 1.2 Схема фильтра LNA 2m ATF531P8 в проекте MWO

Результаты моделирования (Рис. 2.1, Рис. 2.2, Рис. 2.3, Рис.2.4)

Результаты моделирования LNA 2m ATF531P8 - График КСВ

Рис. 2.1 График КСВ

Результаты моделирования LNA 2m ATF531P8 - График NF

Рис. 2.2 График NF

Результаты моделирования LNA 2m ATF531P8

Рис. 2.3 График устойчивости

Результаты моделирования LNA 2m ATF531P8

Рис. 2.4 График AЧХ

КСВ LNA по входу не превышает 1.5 Коэффициент усиления 27 dB, абсолютно устойчив.

Конструкция LNA

LNA содержит входную согласующе-трансформирующую цепь, активный элемент ATF-531P8, интегральный стабилизатор напряжения 6 V типа L7806, аттенюатор -3 dB, трехзвенный полосовой фильтр, цепь стабилизации смещения транзистора, цепь питания LNA по фидеру снижения (Рис. 3). Номиналы элементов входной согласующей цепи и фильтра зависят от диапазона рабочих частот (на схеме не указаны). Настройка режима транзистора по постоянному току заключается в установке напряжения на стоке 4 V, при токе сток-исток 135 mA. Питание LNA от напряжения 8 – 12 V. Предусмотрена возможность подачи напряжения питания по RF фидеру от трансивера или посредством инжектора питания.

Принципиальная схема LNA 2m (70 cm), ATF-531P8

Рис. 3 Принципиальная схема LNA 2m (70 cm), ATF-531P8

Плата размером 60х32 mm на материале FR4, 1mm, с металлизацией отверстий и маской. Индуктивности фильтра выполнены проводом 0.5 mm, на оправке диаметром 2.5 mm. Настройка фильтра шагом намотки индуктивностей. Печатные платы на диапазоны 2m (Рис. 4.1) и 70cm (Рис. 4.2) ниже:

Плата LNA 2m, ATF-531P8

Рис. 4.1 Плата LNA 2m, ATF-531P8

Плата LNA 70сm, ATF-531P8

Рис. 4.2 Плата LNA 70сm, ATF-531P8

Корпус LNA выполнен из алюминиевой плиты Д16 фрезерованием на станке с ЧПУ. Разъемы N-типа «гнездо». Питание через проходной конденсатор на корпусе.

График NF от частоты, измеренный на анализаторе NF Agilent приведен на Рис. 5

График NF от частоты LNA 2m ATF-531P8

Рис. 5 График NF от частоты LNA 2m ATF-531P8

Процесс измерений LNA EME 144 MHz на R&S®FSW


Графики АЧХ в узкой и широкой полосе (Рис. 6.1 и Рис. 6.2). На графике в широкой полосе второй маркер показывает подавления УКВ FM вещательного диапазона (более -70 дБ), а четвертый маркер подавление диапазона 430 МГц (около -70 дБ).

График АЧХ LNA 2m ATF-531P8

Рис. 6.1 График АЧХ LNA 2m ATF-531P8

График АЧХ LNA 2m ATF-531P8

Рис. 6.2 График АЧХ LNA 2m ATF-531P8

Выполнил проект LNA 70cm на транзисторе ATF-531P8 в программе MWO. NF на этом диапазоне несколько хуже. Если настраивать вход на минимум NF, то КСВ «улетает» за 5. Остановился на варианте: NF = 0.2 dB, G = 21 dB (-3dB att перед фильтром), VSWR IN < 2.6, VSWR OUT < 1.4, подавление 144 MHz более -100 dB, полоса пропускания по -3 dB (BW-3dB) = 50 MHz.

Вариант платы с индуктивностями фильтра в виде микрополосковых линий представлен на Рис. 7

Плата LNA 70 cm с индуктивностями МПЛ

Рис. 7 Плата LNA 70 cm с индуктивностями МПЛ

Собрал настроил и испытал LNA 70cm EME на транзисторе ATF-531P8. Cравнительные измерения шума Солнца относительно холодного неба с ЕМЕ антенной показали одинаковый результат с LNA на SAV-541+ (ATF-54143).

Оценка результата измерений NF

Отдельный вопрос – ошибка измерения NF, вызванная большим КСВ по входу DUT (испытуемого LNA). Вот интересный online калькулятор, позволяющий оценить возможности различных ИКШ, ГШ, и учесть ошибки измерения. Например, для ИКШ 8970В с генератором шума 346А основная погрешность измерения NF = 0.3 dB при усилении LNA G = 20 dB получается +- 0.12 dB. Калькулятор позволяет вывести график погрешности как функцию, например, КСВ МШУ по входу или выходу. Привожу график ошибки от КСВ МШУ по входу. Очевидно, что при КСВ 3 ошибка составляет +- 0.22 dB, что соизмеримо с измеряемым значением NF < 0.3 dB. Так недолго намерять отрицательные значения NF. Ошибка же от КСВ LNA по выходу зависит от усиления LNA, и при G > 20 dB невелика (при КСВ = 3 составила +- 0.13 dB). То есть ошибка за счет КСВ по выходу выросла примерно на 0.01 dB.

График ошибки от КСВ МШУ по входу

Рис. 8.1 График ошибки от КСВ МШУ по входу

График ошибки от КСВ МШУ по выходу

Рис. 8.2 График ошибки от КСВ МШУ по выходу

Выводы:

  • Измерения абсолютного значения малых величин NF с помощью ИКШ проблематично. Лучший промышленный ИКШ PSA серии имеет основную погрешность +-0.083 dB с ГШ N4000 серии;
  • Сравнивая два МШУ с равными NF но разным КСВ по входу получим разные показания NF;
  • Единственным окончательным критерием оценки NF EME LNA является измерение отношения шума «холодного неба» к шуму Солнца (др космических источников);
  • EME МШУ с плохим КСВ по входу норма (к сожалению вынужденная). Отражение от входа МШУ приводит лишь к небольшой потере усиления приемной системы, но не потере NF (чувствительности).

Заключение

Данный LNA безусловный лидер по NF на диапазоне 2m. Для 70cm NF идентичен LNA на транзисторе ATF-54143 при лучшем динамическом диапазоне и максимально допустимой мощности на входе. Отличное подавление BPF за полосой пропускания в сочетании с высоким значением OIP3 позволяют использовать LNA в городе с близко расположенными вещательными FM и TV передатчиками. Это лучший на сегодня LNA для 2m в серии моих разработок.

Технические характеристики LNA 2m

  • Model: LNA-2m-EME
  • Based on: ATF-531P8
  • Gain: 24 dB
  • Noise Figure: < 0.3 dB
  • Output IP3: 37 dBm
  • Filter BW(-3 dB): 15 MHz
  • P input max: 24 dBm
  • DC voltage: 9 – 12 V
  • DC current: < 140 mA
  • Impedance: 50 ohms
  • RF connectors: N-female or SMA-female
  • Размеры: 72 mm x 43 mm x 20 mm (w/o connectors)
  • Вес: 0.15 kg

Данный набор содержит

  • 1 x LNA-2m-EME

Технические характеристики LNA 70cm

  • Model: LNA-70cm-EME
  • Based on: ATF-531P8
  • Gain: > 20 dB
  • Noise figure: < 0.4 dB at 432 MHz
  • OIP3: 37 dBm
  • Filter BW(-3 dB): < 60 MHz
  • P input: 24 dBm (max)
  • Supply operation: 9 — 12 V DC , IDQ < 140 mA
  • Inpedance: 50 ohms
  • RF connectors: N-female (по умолчанию) или SMA-female (по запросу)
  • Размеры: 72 mm x 43 mm x 20 mm (w/o connectors)
  • Вес: 0.15 kg

Данный набор содержит

  • 1 x LNA-70cm-EME

Для заказа, напишите письмо на e-mail logo sales@vhfdesign.com или заполните эту форму.

По вопросам работы LNA: e-mail logo us4ici@vhfdesign.com

Внешний вид

LNA 70cm EME

Рис. 9.2 LNA 70cm EME, ATF-531P8 (обновление от 2017-10-01)

Внешний вид LNA 2m ATF-531P8

Рис. 9.1 Внешний вид LNA 2m ATF-531P8

Оставить комментарий