Lite om bygg och mätaktivteter med VHF/UHF lågbrusförstärkare

SM0NCL 2015-06-16

Lite om  bygg och mätaktiviteter med lågbrusförförstärkare (preamps, LNA)

Har gjort ett antal tester under ett år på olika preamps och amatörradio "band": 144, 432 och 1296MHz.

Först ut är en NE72084 som är en 1.0u recessed gate GaAs mesfet med fokus på lågbrusförstärkare.

I en hembygd 144MHz preamp med DC jordad och avstämd ingångskrets så är hittills bästa data 20dB gain och 0.52dB NF - väldigt använbar.

Dito hembygge fast på 1296MHz med serieinduktans på kretskort så är bästa data dryga 12-14dB och 1.0 - 0.9dB NF - inte helt optimalt det borde gå att nå lägre NF med en annan design än ett kretskort.

NE72084 är inte specad på 144MHz men tycks passa bra där trots att den är avsedd för 1GHz och uppåt.

Nästa en FPG750SOT89 som är en depletion mode AIGaAs pHemt med fokus på högt IP3.
I en 144MHz byggsats med kretskort men med passiv bias (ej depletion mode), med DC jordad och avstämd ingångskrets så är bästa data hittills 16dB gain och drygt 0.5dB NF.

I en 432MHz byggsats med kretskort, med passiv bias (ej depletion mode) även den med DC jordad och avstämd ingångskrets så är bästa data hittills 18dB gain och drygt 0.5dB NF.

I en 1296MHz byggsats med kretskort, med passiv bias (ej depletion mode), DC jordad (shunt) och en seriekonding på ingången så är bästa data hittills 16.1dB gain och 0.67db NF.

Sen kommer ATF54143SOT343 som är en enhancement mode pHemt med fokus på högt IP3 (+29 -> +30dBm)  och lågt brus.

I ett 432MHz hembygge med DC jordad avstämd ingång så är bästa data 16.7dB gain och 0.79dB NF. Detta hembygge är en hybrid av luftlindad och teflonkretskort, passiv bias och DC jordad source.
Databladet säger att ATF34143 typiska data är 18-20dB gain och 0.5dB NF men sen tillkommer förlusterna på ingångsmatchnätet.
Så mitt hembygge borde få 0.5 + 0.25 = 0.75dB NF redan på papper, och NF mätinstrumentet visade 0.79dB så jag är ganska nöjd med data ändå.

Så vad kan man läsa ut av dessa testerna ?

En pHemt har i databladet en specifierad brusfaktor (NF/dB) men sen tillkommer förlusterna (dB) i matchnätet på ingången till gate.

Förluster, kretskortsetsad eller luftlindad ingångsinduktans

Generellt för hembyggen ger en luftlindad induktans lägre tillskott av förluster än etsade induktanser på mulitlayer kretskort.

Om luftlindad induktans tillför 0.25dB på brusfaktorn, så ger etsad induktans kanske det dubbla.

Val av FET

Man bör också titta på den fysiska bredden på gate.

En bredare gate ger generellt lägre impedanser på VHF och på de lägre mikrovågsbanden.

Eftersom alla våra amatörradioprylar har 50ohm i alla externa interface = koaxkontakterna ;) är det avgörande att transformeringen mellan 50ohm och gaten har ett litet eller stort omsättingstal.

Ett litet omsättningstal ger lägre förluster och lägre tillskott av förluster, ett större omsättningstal ger det motsatta.

ATF34143 ser ut att vara potentiellt bra på VHF och lägre uWbanden pga. gatebredden.
En bieffekt är att en bredare gate tål mer gate current(mA).

HEMT respektive GaAs FET har olika ingångsimpedanser som dock båda minskar vid ökande frekvens.
Kör man en FET på sin tänkta arbetsfrekvens så är ingångsimpedansen ofta nära 50ohm, men radioamatörer som kör dessa FET på helt andra frekvenser får då använda sig av machnät eller välja rätt FET för arbetsfrekvens.

Många moderan HEMT är avsedda för flera GHz applikationer så det är inte helt fel att börja titta på äldre GaAs FET istället eftersom dom har stor potential på VHF och uppåt pga. sin ingångsimpedans .

Depleted eller Enhancement

För ingångsmatchnät så är det skillnaden liten mellan dessa två moder.

För biasmatningen av dessa två är det däremot skillnad.
Bias för depeletion mode drar max med drain (mA) redan vid 0V på Vgs, man använder en negativ spänning på gate för rätt bias om man vill styra ström ytterligare.

Bias för enhancement mode har DC jordade source ledare ger en ”liten läcka” vid 0volt på Vgs och en positiv spänning på gate styr Iq för optimal arbetspunkt. Man använder inte negativ spänning på gate för bias.

Komponenter

Vid en reparation av en färdigbyggd 432MHz preamp gick det att sänka NF med cirka 0.15 dB genom att byta till moderna ytmonterade keramiska kondensatorer och trimkondingar förmikrovågor.
De äldre orginalhålmonterade keramiska fasta och polytrimkondingarna har helt enkelt mycket förluster.

Spänningsregulatorer

En 432MHz preamp med ATF54143SOT343 fick en extra DC/DC regulator monterad samt avkopplingskondensatorer på in och utgång på regulatorn, i en jämförande test så blev NF 0.1dB bättre.
Väljer man en MMIC som preamp är det generellt bättre att ha en DC/DC regulator med extra DC och RF avkoppling utöver de vanliga in/utgångskondensatorerna man hittar vanligeni databladets testkoppling.
Placering av DC/DC regulator och kablar spelar stor roll, en vanlig 78nn DC/DC regulator med kablar som ligger nära FET/HEMT/MMIC ger direkt sämre NF, jag har sett skillnader över 0.2dB NF

Ovanstående resonemang är långt ifrån komplett  [eller helt korrekt :) ] när det gäller hur man väljer FET eller hur en FET fungerar beroende på hur den är tillverkad.

Vill man läsa mer och bilda sig en egen uppfattning finns en mångfald av application notes och datablad hos varje FET tillverkare.
För äldre GaAs FET finns den gamla  ”GaAs FET pre amp cookbook” som WA5VJB satt ihop, mycket bra läsning innan hembygget tar form, speciellt fokus ligger just på ingångsmatchningen.

OK - det lite av det som provats på labbbänken under en tid, där finns fler preampar och kanske kommer mer info om dessa framöver...

SM0NCL 2015-06-016