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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Amplificadores de antena SWA. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Amplificadores de antena En el artículo publicado aquí, el autor analiza los circuitos de los amplificadores de antena de fabricación polaca y fundamenta su enfoque consciente de su elección en términos de ruido y ganancia. También da recomendaciones para la reparación de tales dispositivos, que muy a menudo fallan por descargas de rayos, y para la eliminación de la autoexcitación. Esperamos que esto permita a muchos radioaficionados no solo elegir el amplificador necesario, sino también mejorar su rendimiento. Las antenas activas de la empresa polaca ANPREL y algunas otras son ampliamente utilizadas en Rusia y los países de la CEI. Con una ligera ganancia intrínseca, especialmente en el rango de MV, los parámetros de dicha antena están determinados en gran medida por el amplificador de antena instalado en ella. Es este bloque el que tiene una serie de desventajas: es propenso a la autoexcitación, tiene un nivel bastante alto de su propio ruido, se sobrecarga fácilmente con señales potentes del rango de MW y, a menudo, se daña con descargas de rayos. Estos problemas son familiares para muchos propietarios de este tipo de antenas. Los temas de operación de los amplificadores de antena SWA y similares están muy poco tratados en la literatura. Solo podemos señalar la publicación [1], donde se indica que el amplificador está sobrecargado por señales de MW. Los propietarios de antenas tienen que lidiar con el resto de las deficiencias de manera conocida: reemplazar los amplificadores, elegir el mejor. Sin embargo, este método requiere mucho tiempo y esfuerzo, ya que el amplificador, por regla general, es de difícil acceso: se encuentra junto con la antena en un mástil alto. Basado en el análisis de circuitos, mi propia experiencia y algunos materiales de ANPREL, propongo un enfoque más consciente para la elección de amplificadores, así como un método de reparación que le permite restaurar una unidad dañada y, en algunos casos, mejorar sus parámetros. . El mercado está lleno de muchos modelos intercambiables de amplificadores de antena fabricados por ANPREL, TELTAD y otros bajo varias marcas y números. A pesar de esta diversidad, la mayoría de ellos están ensamblados según el esquema estándar y representan un amplificador aperiódico de dos etapas basado en transistores bipolares de microondas conectados según el esquema OE. En apoyo de esto, consideremos modelos de diferentes compañías: un amplificador SWA-36 simple de TELTAD, cuyo diagrama esquemático se muestra en la Fig. 1, y el amplificador generalizado SWA-49 (similar a SWA-9) de ANPREL - fig. 2.
El amplificador SWA-36 contiene dos etapas de amplificación de banda ancha basadas en los transistores VT1 y VT2. La señal de la antena a través de un transformador de adaptación (no se muestra en el diagrama) y el condensador C1 ingresa a la base del transistor VT1, que está conectado de acuerdo con el circuito OE. El punto de operación del transistor lo establece el voltaje de polarización determinado por la resistencia R1. La retroalimentación de voltaje negativo (NFB) que actúa en este caso linealiza la característica de la primera etapa, estabiliza la posición del punto de operación, pero reduce ligeramente su amplificación. No hay corrección de frecuencia en la primera etapa. La segunda etapa también se realiza en un transistor según el esquema con OE y con retroalimentación de voltaje a través de las resistencias R2 y R3, pero también tiene retroalimentación de corriente a través de la resistencia R4 en el circuito emisor, que estabiliza rígidamente el modo del transistor VT2. Para evitar una gran pérdida de ganancia, la resistencia R4 se desvía en corriente alterna mediante el condensador C3, cuya capacitancia se elige relativamente pequeña (10 pF). Como resultado, en las frecuencias más bajas del rango, la capacitancia del capacitor C3 resulta significativa y la retroalimentación de CA resultante reduce la ganancia, corrigiendo así la respuesta de frecuencia del amplificador. Las desventajas del amplificador SWA-36 incluyen pérdidas pasivas en el circuito de salida en la resistencia R5, que está conectada de tal manera que tanto el voltaje de suministro constante como el voltaje de la señal caen a través de él. El amplificador SWA-49 está construido de manera similar (Fig. 2), que también tiene dos etapas ensambladas de acuerdo con el esquema OE. Se diferencia del SWA-36 en un mejor aislamiento de la fuente de alimentación a través de filtros en forma de L L1C6, R5C4 y mayor ganancia debido a la presencia del capacitor C5 en el circuito OOS (R3C5R6) de la segunda etapa y el capacitor de transición C7 en la salida. Un circuito similar es inherente a la mayoría de los otros amplificadores SWA (consulte, por ejemplo, el circuito amplificador SWA-3 que se muestra en [1]). Las diferencias menores se encuentran con mayor frecuencia en la segunda etapa, que puede equiparse con diferentes circuitos de corrección de frecuencia, tener una profundidad de retroalimentación diferente y, en consecuencia, la ganancia. Para algunos modelos, por ejemplo, SWA-7, la primera y la segunda etapa están conectadas directamente: el terminal colector del transistor VT1 está conectado directamente al terminal base del transistor VT2. Esto hace posible cubrir ambas etapas con un circuito de retroalimentación de corriente continua y, por lo tanto, mejorar la estabilidad térmica del amplificador. En cascadas en transistores conectados de acuerdo con el circuito OE, la influencia de las conexiones internas y las capacitancias de las uniones de transistores es máxima. Se manifiesta en la limitación del ancho de banda y la tendencia del amplificador a la autoexcitación, cuya probabilidad es mayor cuanto mayor sea la ganancia. Para evaluarlo, se conoce el concepto de umbral de estabilidad: el valor límite de la ganancia, por encima del cual el amplificador se convierte en un generador. Muchos amplificadores de antena SWA de alta ganancia funcionan cerca del umbral de estabilidad, lo que explica su frecuente autoexcitación. Como medidas para aumentar la estabilidad de los amplificadores, ANPREL utiliza diferentes topologías de placas de circuito impreso (que afectan la capacitancia de montaje), bobinas de superficie y a granel, choques, etc. Un método más radical: encender transistores en un circuito cascode con OE-OB - por alguna razón no se usa. Con el mismo circuito para cambiar transistores con OE-OE, para resolver el problema de la estabilidad, la empresa prefiere producir fuentes de alimentación ajustables. Al reducir su voltaje, es posible eliminar la autoexcitación del amplificador mientras se mantiene una ganancia suficiente. Los principales parámetros (figura de ruido NR y ganancia KU) de los modelos básicos de amplificadores SWA según catálogo ANPREL se muestran en la Tabla. 1. Tabla 1
(1) Con sistema de equilibrado a bordo. (2) Los amplificadores difieren en las placas. (3) Con filtro cruzado Consideremos la relación de los parámetros principales con el circuito de los amplificadores y su influencia en la calidad de recepción. Como es sabido, la ganancia a altas frecuencias en cascadas con OE es crítica para los parámetros de los transistores utilizados, especialmente para la frecuencia de corte fGR. Los amplificadores SWA utilizan transistores de microondas bipolares de la estructura npn, marcados como T-67, con menos frecuencia - 415, que determinan la ganancia máxima alcanzable de la ganancia de un amplificador de dos etapas de aproximadamente 40 dB. Por supuesto, en una banda de frecuencia operativa tan amplia, la ganancia no permanece constante: sus cambios alcanzan los 10 ... 15 dB debido a la respuesta de frecuencia desigual en las frecuencias más altas del rango y la corrección en las más bajas. Es difícil garantizar la estabilidad de los amplificadores en los valores máximos de la ganancia KU, por lo tanto, en varios modelos está limitado a valores de hasta 10...30 dB, que en muchos es suficiente casos (ver Tabla 1). Contrariamente a la creencia popular, debe tenerse en cuenta que la ganancia no puede considerarse el parámetro principal del amplificador de antena. Después de todo, los propios televisores tienen un margen muy grande de ganancia propia, es decir, tienen una alta sensibilidad limitada por la ganancia. Tienen una sensibilidad algo peor, limitada por la sincronización. Y finalmente, la más baja es la sensibilidad limitada por el ruido [2]. Por lo tanto, el factor que determina la recepción de largo alcance debería ser el nivel de ruido intrínseco del camino electrónico, y no la ganancia. En otras palabras, la limitación de la recepción se debe principalmente a la influencia de la interferencia del ruido y no a la falta de amplificación de la señal. La influencia del ruido se evalúa mediante la relación señal/ruido, cuyo valor mínimo se toma igual a 20 [2]. Con esta relación se determina la sensibilidad limitada por ruido, que es igual al voltaje de la señal de entrada, que es 20 veces mayor que el voltaje de ruido intrínseco. Para televisores de tercera a quinta generación, la sensibilidad limitada por el ruido es de 50 ... 100 μV. Sin embargo, con una relación señal/ruido de 20, se observa una calidad de imagen muy pobre y solo son inteligibles los detalles grandes. Para obtener una imagen de buena calidad, se debe aplicar una señal útil a la entrada de TV, aproximadamente 5 veces mayor, es decir, se debe proporcionar una relación señal/ruido de alrededor de 100 [2]. El amplificador de antena debe aumentar la relación señal/ruido, y para ello es necesario amplificar la señal, no el ruido. Pero cualquier amplificador electrónico inevitablemente tiene su propio ruido, que se amplifica junto con la señal útil y degrada la relación señal-ruido. Por lo tanto, el parámetro más importante del amplificador de antena debe ser considerado su factor de ruido NR. Si no es lo suficientemente pequeño, de nada sirve aumentar la ganancia, ya que tanto la señal como el ruido se amplifican por igual y su relación no mejora. Como resultado, incluso con un nivel de señal suficiente en la entrada de antena del televisor, la imagen se verá afectada por una intensa interferencia de ruido (la conocida "nieve"). Para una evaluación unificada del ruido de una ruta multietapa, hay un indicador del factor de ruido NR reducido a la entrada, que es igual al nivel de ruido en la salida dividido por la ganancia total, es decir KSh \u1d KSh.fuera / KU. Dado que el nivel de ruido de salida KSh.out depende en gran medida del nivel de ruido del primer transistor, amplificado por todas las etapas posteriores, se puede despreciar el ruido de las etapas restantes. Entonces KSh.out = KSh1KU, donde KSh1 es la figura de ruido del primer transistor. Por lo tanto, obtenemos NR = NRXNUMX, es decir, la figura de ruido reducida de la ruta de amplificación no depende del número de etapas y la ganancia total, sino que es igual solo a la figura de ruido del primer transistor. Esto lleva a una conclusión práctica importante: el uso de un amplificador de antena puede dar un resultado positivo cuando la figura de ruido del primer transistor del amplificador es menor que la figura de ruido de la primera etapa del televisor. En los selectores de canales de los televisores de quinta generación se utiliza un transistor de efecto de campo KP327A con una figura de ruido de 4,5 dB a una frecuencia de 800 MHz [3]. Por tanto, en la primera etapa del amplificador de antena debería funcionar un transistor con NR1 <4,5 dB a la misma frecuencia. Además, cuanto menor sea este valor en comparación con el coeficiente NR1 del televisor, más eficiente será el uso del amplificador y mayor será la calidad de recepción. La figura de ruido también depende de la calidad de la adaptación a la entrada del amplificador y del modo de funcionamiento del primer transistor. Para los amplificadores SWA, el tipo de transistor VT1, su modo de funcionamiento y la calidad de la adaptación determinan el coeficiente reducido KSh = 1,7 ... 3,1 dB (consulte la Tabla 1). De lo anterior, está claro que la elección de un amplificador de antena según el principio (cuanto mayor sea la ganancia, mejor) es incorrecta. Es por eso que muchos propietarios, al cambiar de amplificador, no pueden lograr un buen resultado. La razón de un hecho tan paradójico, a primera vista, es que la figura de ruido generalmente se desconoce (no está en la información comercial de las empresas), pero de hecho difiere solo ligeramente para muchos modelos con diferentes ganancias (ver Tabla 1) . ). Aumentar la ganancia con la misma figura de ruido no da una ganancia en la relación señal/ruido y, por tanto, una mejora en la calidad de recepción. Se logra un éxito raro solo cuando se encuentra accidentalmente un amplificador de bajo ruido. Por lo tanto, al elegir un amplificador de antena, debe centrarse principalmente en el nivel mínimo de ruido. Un amplificador con NR <2 dB puede considerarse bastante bueno. De la Mesa. 1, los mejores modelos pueden considerarse SWA-7, SWA-9, que tienen NR = 1,7 dB. La información sobre la figura de ruido de los nuevos amplificadores se puede encontrar en los catálogos de ANPREL o en Internet. En cuanto a la ganancia, por supuesto, también es importante, pero no para la amplificación máxima de señales débiles, sino, en primer lugar, para compensar las pérdidas en el cable de conexión, dispositivos de derivación coincidentes, etc. Debido a estas pérdidas Si la ganancia no es suficiente, el nivel de la señal en la entrada del televisor puede caer por debajo del umbral, el tiempo limitado o incluso la ganancia, lo que imposibilita la recepción. Por tanto, para la correcta elección del factor de ganancia, es necesario conocer la atenuación de la señal en todo el trayecto de conexión. Y su valor aproximado es fácil de calcular. La atenuación específica de la señal en el cable generalizado marca RK-75-4-11 es de 0,07 dB/m del primero al quinto, de 0,13 dB/m del sexto al duodécimo y de 0,25…0,37 dB/m del 21- 60 canales de televisión [2]. Con una longitud de alimentador de 50 m, la atenuación en los canales 21-60 será de 12,5...17,5 dB. Si se instala un divisor pasivo industrial, introduce pérdidas adicionales en cada una de sus salidas, cuyo valor, por regla general, se indica en la caja. Calculando la atenuación en el cable y añadiéndole la atenuación en el divisor (si lo hay), se obtiene la ganancia mínima del amplificador de antena. Se le agrega un margen de 12 ... 14 dB para amplificar señales débiles, lo cual es necesario debido a la baja eficiencia de las antenas receptoras de banda ancha de pequeño tamaño. De acuerdo con el valor KU obtenido, se selecciona un amplificador de antena. El valor obtenido de la ganancia no debe excederse mucho, ya que esto aumenta la probabilidad de autoexcitación y sobrecarga por señales potentes de estaciones muy próximas entre sí. La reparación de amplificadores de antena se reduce principalmente a la sustitución de elementos activos dañados por descargas de rayos. Cabe señalar que la presencia de un diodo en la entrada en algunos modelos no garantiza una protección completa contra rayos: con una fuerte descarga atmosférica, tanto el diodo protector como, por regla general, ambos transistores se abren paso. Los amplificadores de antena SWA se ensamblan utilizando la tecnología de ensamblaje automático de superficie en microelementos, lo que requiere precisión durante las reparaciones. La soldadura debe realizarse con un soldador de tamaño pequeño con una punta afilada. En un amplificador inactivo, con cuidado, tratando de no dañar los delgados conductores impresos, suelde los microtransistores VT1, VT2 y el diodo protector (si corresponde). Los principales parámetros de los transistores domésticos adecuados para la instalación en amplificadores SWA se muestran en la Tabla. 2 [3]. De ello se deduce que el uso de transistores KT391A-2, KT3101A-2, KT3115A-2, KT3115B-2, KT3115V-2 en la primera etapa no empeora las características de ruido de la mayoría de los modelos de amplificadores, y el uso de transistores 2T3124A- 2, 2T3124B-2, 2T3124V- 2, KT3132A-2 reduce el NR a 1,5 dB, lo que mejora los parámetros del amplificador. Esta circunstancia permite recomendar la sustitución del primer transistor del amplificador por los indicados por los últimos, incluso en amplificadores reparables pero "ruidosos" para mejorar la calidad de su trabajo. Cabe señalar que en la Tabla. La Tabla 2 proporciona los valores límite, mientras que los parámetros típicos suelen ser mejores [3]. Tabla 2
Los transistores de microondas de bajo ruido de las series 2T3124, KT3132 son relativamente caros y de baja corriente, por lo que es mejor instalarlos solo en la primera etapa, y en la segunda usar transistores más baratos y potentes KT391A-2, KT3101A-2 (ver Tabla 2) e incluso las series KT371, KT372, KT382, KT399 y otras con una frecuencia de corte de unos 2 GHz [3]. Sin embargo, en este último caso, la ganancia en las frecuencias superiores del rango será ligeramente menor. Los transistores de microondas de bajo ruido de las series 2T3124, KT3132 son relativamente caros y de baja corriente, por lo que es mejor instalarlos solo en la primera etapa, y en la segunda usar transistores más baratos y potentes KT391A-2, KT3101A-2 (ver Tabla 2) e incluso las series KT371, KT372, KT382, KT399 y otras con una frecuencia de corte de unos 2 GHz [3]. Sin embargo, en este último caso, la ganancia en las frecuencias superiores del rango será ligeramente menor. Las dimensiones del cuerpo de los microtransistores importados son 1,2 (2,8 mm con una longitud de cable de 1 ... 1,5 mm. En consecuencia, las distancias en el tablero entre las almohadillas impresas para cables de transistores son pequeñas. Instalación de transistores domésticos con un diámetro de cuerpo de 2 mm desde el lado de montaje en superficie , aunque es posible, pero difícil: pueden dañarse al soldar.Es mejor instalar nuevos transistores en el lado opuesto de la placa, habiendo perforado previamente agujeros para los cables con un taladro con un diámetro de 0,5 . .. 0,8 mm. Es mejor perforar no en el conductor impreso en sí, sino de modo que el orificio toque el borde de la almohadilla. Si hay una capa de lámina en el lado opuesto al montaje en superficie, entonces los orificios deben avellanarse con un taladro con un diámetro de 2 ... 2,5 mm (a excepción del orificio para la salida del emisor del transistor VT1). Luego se instalan nuevos transistores para que el soporte de cristal o la carcasa del dispositivo toque la placa. Si los cables sobresalen significativamente del otro lado, se deben morder después de soldar. Los transistores de microondas son sensibles a la electricidad estática, por lo que se deben tomar las precauciones de seguridad adecuadas al soldar. Tiempo de soldadura: no más de 3 s [3]. El diodo protector se puede omitir. La mejor protección contra la electricidad atmosférica es una buena puesta a tierra de la antena. En los amplificadores SWA, ambos transistores funcionan con una corriente de colector de 10 ... 12 mA. Después del reemplazo, dicha corriente es aceptable para el segundo transistor (por ejemplo, KT3101A-2), pero excede la permisible permanentemente para el primero si se instalan transistores de las series KT3115, KT3124 y KT3132A-2 (consulte la Tabla 2). La corriente del colector depende del parámetro h21E, en el que los transistores tienen una dispersión significativa. Por lo tanto, después de montar una instancia específica, es necesario establecer el punto de operación del transistor VT1. Para hacer esto, suelde la microrresistencia R1 y, en su lugar, conecte temporalmente una resistencia de sintonización (SP3-23, SP3-27, etc.) con una resistencia de 68 ... 100 kOhm. Antes de encender la alimentación, el control deslizante de la resistencia debe estar en la posición de máxima resistencia para no dañar el transistor. El amplificador recibe un voltaje de 12 V desde la fuente de alimentación y se mide la caída de voltaje en la resistencia R2 (ver Fig. 1 y 2). Al dividir el voltaje medido por la resistencia de la resistencia R2, se encuentra la corriente del colector. Al ajustar la resistencia de la resistencia de sintonización hacia abajo, se logra una corriente de colector de aproximadamente 5 mA, lo que corresponde a un mínimo de ruido en las características de los transistores [3]. Con esto se completa el ajuste y en lugar de una resistencia de sintonización se suelda una constante de la misma resistencia (MLT-0,125 o importada), habiendo acortado previamente sus conclusiones al mínimo. Después de eso, la placa de circuito impreso y los transistores sin paquete se cubren con una capa de barniz o compuesto de ingeniería de radio. La apariencia del amplificador SWA-36 restaurado se muestra en la fig. 3. Utiliza transistores (Fig. 3a) 2T3124B-2 (VT1) y KT3101A-2 (VT2). En relación con el diseño más simple del amplificador, se tomaron medidas para eliminar la autoexcitación: se coloca un microanillo de ferrita en la salida del colector del transistor VT1 (se usa en los selectores de canal SK-M de los televisores 3USCT y 4USCT ). La corriente de colector del transistor VT1 está establecida por la resistencia R1 (Fig. 3, b) con un valor nominal de 51 kOhm (era 33 kOhm).
En la segunda etapa se probaron transistores de la serie KT372, KT399, con lo cual se mantuvo la estabilidad y una ganancia suficiente. Al mismo tiempo, se verificó la posibilidad de instalar un LED de condensador adicional con una capacidad de 150 pF (Fig. 3b), resistencia de derivación R5 (ver Fig. 1), para aumentar la ganancia. Al instalar un condensador, la autoexcitación del amplificador se elimina al reducir el voltaje de suministro. En la versión básica (con los transistores 2T3124B-2 y KT3101A-2), el amplificador proporcionó una mejor calidad de recepción que antes de la reparación, que visualmente se estimó que era aproximadamente igual a la recepción con el nuevo amplificador SWA-9. Literatura
Autor: A.Pakhomov, Zernograd, región de Rostov
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