2.5GHz to 10.3GHz signal source / x4 multiplier / old DRO LNB re-purposed

Hur snabbt få fram en  enkel signalkälla för 10.368GHz

Jag behöver en signalkälla på 10.368MHz men har ingen signalgenerator som klarar 10GHz.

Vanligast är att sätta på en multiplicerare och då min signalgenerator går upp till 3GHz kan man ha 2.5GHz och multiplicera fyra gånger (x4) till 10.368MHz.

Det finns många exempel på hur man kan göra en multiplicerare men många av dessa exempel har gått långt när det gäller konstruktionen, mycket gain och s.k pipe cap filter.

En inspiration var en artikeln från DUBUS nr 1 1988 som DC0DA Jürgen gjort med titel: "Spektrale Untersuchungen an einem aktiven Frekvenzvervierfacher"

Fyrfaldiga multiplikatorkretsen består av två GaAsFet och ett filter på ett litet kretskort. Med 4mW in på 2.5GHz gav den kretsen 25mW på 10.368GHz.

Denna version har en kavitetsresonator t.ex i svarvad mässing som bandpassfilter.

Hur göra?

Min ide var att använda nåt enklare filter utan att behöva starta upp metallsvarven, dvs. ett enklare bandpassfilter och att återanvända kretskort från gamla satellit LNBer så man slipper den dyra omvägen att köpa uW laminat....

Vad göra, rota i junkboxen!

Rotar lite i junkboxen och hittar några gamla DVB-S LNB med DRO för 12GHz. 

Innehållet i dessa äldre LNB är användbart, där finns fina 12GHz kretskort och GaAs Fet'ar och inte minst ett DC regulator kort med negativ och positiva spänningar.

PTFE 11-12Ghz kretskortet har tre stycken GaAs FETar i serie som LNA och mellanförstärkare innan diodmixern.

Exempel på äldre LNB som är klart användbart för liknande projekt

På motsatta sidan sitter DC reglerkortet för alla GaAs Fetar med mera...

Att jämföras med en senare med fortfarande en DRO LNB modell, lite mindre format på allt och en multifunktionell IC som tillhandahåller många funktioner inklusive DC reglering. Man kan prova återanvända hairpin 12GHz filtret, LNAerna och kanske även mixern.

Klipper isär PTFE LNB kretskorten i två delar, vardera med en GaAsFet, och sätter ett bandpassfilter emellan.

Bandpassfiltret är baserad på en annan bit PTFE kretskorts 50ohm stripline som sedan modifieras med skalpell.

Man gör en halvvåg lång del av stripline samt två kopplare för in och utgång, avsedd att resonera på 10GHz.

En FET gick nog sönder vid de första försöken att sätta fart på multipliern så den byttes ut till en NE72084 GaAsfet, den andra FET är okänd men satt som nummer tre i LNA kedjan.

Alla PTFE korten är monterade på ett underlag i form av en FR4 enkelsidigt kretskort.
I varje PTFE PCB genompläteringar/nitar/jordpunkter har lödpasta applicerats på undersidan av PTFE PCB och sen värmts upp så en jordförbindelse uppstår till underlaget.

Det DC reglerkort som fanns i LNB har i orginalskick trimpottar för -Vg och +Vd - mycket bra!

På kretskortet syns en 8V regulator, en ICL7660CPA charge pump som ger den negativa gatespänningen -. och en bunt trimpottar för respektive GaAsFet 

Matningsspänningen är +8V och jag räknar ut serieresistorns värde, dvs. 8V matning, 3V Vd samt för 30mA Id, löder dit nya resistorer eftersom en orginal LNA och en junk multiplier kommer att jobba på helt olika strömmar.

FET på ingången får en ny serieinduktans på -Vg, kapar av 11-12GHz DC avkopplingen vid stripline och löder på 5.6nH induktans. se foto.

Sätta fart på junk - eller vad kan man modda en gammal LNB till?

Ansluter signalgeneratorn på 2.59205GHz med 0dBm nivå på ingången, ansluter spektrumanalysator på 10.3682GHz på utgången och börjar justera:

- Steg ett är att justera -Vg och se om x4 signalen börjar synas.

- Steg två är att justera bandpassfiltret, använder en tandpetare med en pålimmad kopparflagga (1x1mm stor), man hittar platser där filtret resonerar bättre och löder dit permanenta kopparflaggor och fortsätter hitta nya platser med tandpetaren.

Kopparflaggorna i mitt fall förlängde kvartsvågselementet samt de två kopplingsstriplines.

- Steg 3 är att åter justera -Vg för maximal signal på 10Ghz.

Mäter med multimetern på -Vg och +Vg och jämför resultatet med databladet för NE72084 med graferna för olika arbetsförhållanden.

Den andra FET har jag inga data på så där gäller enbart utsignal och justering av -Vg.

Justeringen av -Vg är avgörande för  styrkan på på 10.368GHz signalen, den varierar kraftigt med olika -Vg DC nivåer

Resultatet!

Junk från en 11-12GHz LNB återanvänt!!!

Här syns i bild, 2.5GHz drivsignalen 

och den resulterande 10.368GHz utsignalen.

Med lös koppling till spektrumanalysatorn är signalnivån tillräckligt stark som signalkälla för mottagarprov/trimning.

Funktion!

Man kan enkelt variera 10GHz signalens styrka om man justerar 2.5G signalgeneratorn, i mitt fall gick det backa av från 0dBm och ned till -18dBm på 2.5G och fortfarande få en multiplicerad 10G signal.
Med lägre nivå slutar multiplikatorn fungera.

Nu har jag möjlighet att justera 10.225GHz och 10.368GHz kaviteter för bästa resonans, samt GaAsFet biasnivåer för bästa signal i signalkedjor.

Cheap LNA 2026

Inköp som ny

" Wow - den klarar upp till 6GHz "

Innehåller optionen med internt li-ion batteri och laddkrets för batteriet

Man kan då ansluta LNA boxen på ett instrument utan kablar - mycket bra för kortare mätningar portabelt

Här syns en applikation, en portabel batteridriven spektrumanalysator och bredbandsantenn samt denna batteridrivna lågprisLNA från öst inkopplad för lite mer känslighet.

Med LNA ser man FM sändarna på några km avstånd med denna usla antenn

Usel antenn: En logperiodisk antenn som matas på detta sättet med en SMA direkt i framsidan verkar inte helt korrekt - troligen ska en semiridig koax dras från den punkten till baksidan av antennen och skärmen lödas i ändarna på koaxen.....

Jag inspekterade kretskort och låda

lådan är i gul "eloxerad" aluminium utförande, eloxering (som alla vet?) är isolerande (och som alla vet så säljer guldfärgade prylar bättre än prylar i rå obehandlad aluminum....)

Kanterna är gula, färg eller oxid?

Kanterna är icke-ledande, helt isolerande skikt med färg eller oxid

På det sättet kretskortsgavlarna är utförda kan man se att tanken var att gaveln ska vara i kontakt med kretskortsgavlarnas exponerade jordplan. I orginal är all jordplan centrerad runt SMA kontaktens kretskortgenomföring/bicka/mutter.

En enkel lösning är att helt enkelt slipa av all eloxering på båda gavlarna.

Nu har man en RF tät(are) låda.

Slipade kanter, ren aluminium exponerat

Aluminium är en bra ledare :-)

Kretskortet sitter inuti den extruderade aluminiumlådan i kretskortsspår som också är eloxerade

Lådan är isolerad på insidan med denna oxid eller färg

Egentligen borde dessa spår vara o-eloxerade - men jag orkar inte ta bort oxiden eftersom spåren är såpass breda att det inte finns nån garanti att det blir en konsistent jordanslutning mellan kretskortets jordplan och lådans spår. Om det ändå blir glappt här så är det en sämre lösning.....

Ytterligare en modifiering  -SMA kontakterna är inte lödda på båda sidor om kretskortet....

Före

Efter

Den aktiva komponenten är TQP3M9037 och är snart en 10år gammal krets.

I databladet finns specifikationer för 3.3V och 5.0V.

700-6000MHz låter kompentent - men data varierar en hel del inom det frekvensområdet!

25dB gain på 700MHz och 10dB på 6000MHz

0.4dB NF på 700MHz och 1.6dB på 6000MHz.

Men det är med kretsen monterad på demokretskortet från tillverkaren och komponentvalet är kritiskt uppe på 6GHz.

I testkretsen på 3.4GHz används 0402 storlekar på R, C och L.

I detta massproducade exemplar från öst matas LNA kretsen med 3.7V från den inbyggda li-ion batteriet.

Li-ion med inbyggd BMS?

Även om man ansluter en 5V mini-USB till intaget så lär kretsen gå på runt 3.7V från den spänning som den inbyggda li-ion laddkretsen ger ifrån sig till batteriet.

Har inte lyckats mäta på kretsen ännu men har sett andra som mätt i orginalskick och komponenter på denna massproducerade produkt:

LNA kretskortet i orginalutförandet

Det som är lite unikt i denna massproducerade produkt är:

- BAV99 dubbeldioden på ingången, används som begränsare/skydd av ingången

- B5819 schottkydiod på utgången som nån typ av skyddsfunktion?

- 100kohm på ingången till jord, även det nån typ av skyddsfunktion?.

- Seriekondensatorn på ingången (som är ett krav från tillverkaren) är på 100nF - ett försök att leda in HF signaler till kretsen.

- Alla komponenterna är 0603 eller större.

- den minsta induktansen på DC matningen är 300nH, den största induktanser är 47uH.
Otroligt stor induktans -  och i en bias-tee krets skulle 1uH räcka till för 100MHz som lågfrekvensinduktans. Högfrekvensinduktanser 330nH är även den jättestor, här skulle 56-100nH passa bättre för flera GHz.

- kretskortet är tjockt FR4, dvs. förluster i kretsen uppstår på vid flertalet GHz.

Troligt kretsschema och komponenter

Dessa unika lösningar kommer inte ge några bra prestanda uppe på höga GHz frekvenser :-)

Grundtesten är att denna pryl är gjord för låga frekvenser, långt under de 6GHz som LNA kretsen i sig kan klara av.

Både kretskort, komponentval och paketering (låda + SMA) signalerar låga frekvenser....

Rotade i junkboxen - ett antal Sage wireline prylar dök upp

Wireline

Förkapade wireline från fabrik

En innerledare försilvrad
En innerledare med isolering

Vad ska man ha dessa udda prylar till - förutom att slänga dom på återvinningen?

Sage wireline (och wirepac) är en pryl som ser ut som en semirigid koaxkabel med två innerledare 

varav en innerledare är isolerad, de två innerledarna är tvinnade med 3 varv per 25mm för att öka kopplingsgraden kan man förmoda.....

Vanligtvis ser man dessa i t.ex äldre LNA eller PA kretskort där man kombinerar två förstärkarsteg med -3dB 90graders kopplare gjord av wireline samt ett 50ohm terminerande RF motstånd.

Exempel på wireline 3dB 90 grader fördelning respektive kombinering - på in och utgång på ett 400W VHF slutsteg äv äldre modell
De wireline som syns på bilden är lite grövre än de jag har i junkboxen

Detalj i slutsteget där en ledare ansluts till ena PA halvans utgång och en ledare går till ett termineringsmotstånd 50ohm på den isolerade porten i wireline

Detalj i slutsteget där en ledare ansluts till ena PA halvans ingång och en ledare går till ett termineringsmotstånd 50ohm på den isolerade porten

Kopplingsprincipen -3dB 90grader

-3dB 90degrees Power Combiner

Samma princip som i VHF PA på bilderna ovan

Hembyggd provkrets, tanken var att ansluta två 23cm yagi antenner till en 23cm station
Kopplingsfaktorn blev runt 3.5dB i båda portarna på 23cm, bandbredden är stor
Enligt andra artiklar där wireline har förekommit i 23cm slutsteg som kombinerats - så har man använt en Längd på 36mm på 1296MHz.

Principen är att en kvartsvågslängdslång wireline ger -3dB koppling vid 90grader

Enligt designnoteringar beräknas längden: L = 4700/MHz = (cm) 

Avviker man ifrån den beräknade kvartsvågslängden ändras kopplingsgraden från -3dB och ned mot -30dB i extrem fall och det sker vid 0 eller 180 grader.

Mer vanligt idag är den ytmonterade s.k lågprofil 3dB hybrid kopplaren, med 50ohms ledare inuti en lödbar kapsel. 

Anaren Xinger ytmonterade 3dB 90 kopplare
Mycetk lite och kompakt komponent

Vill man inte ha 90 graders skillnad mellan förstärkarstegen kan man använda en Wilkinsson kopplare med ett 100ohm RF motstånd och köra två förstärkarsteg parallellt

Båda dessa -3dB kopplarna är bandbestämda, man beräknar längden till den frekvens det ska gå på för att få 3dB kopplingen

DC BLOCK

Jag gillade iden med att göra DC block för de olika banden och på så sätt skydda mätinstrument från DC på mätportarna.

Enligt designnoteringar ska man löda ytterhäöjet till jord vid respektive ändar.

Två snabbt ihoplödda DC blockerare
Mätte dessa i frekvens för att se var  förlusten är som lägst
jag såg runt 0.3-0.5dB som lägst och samtdigi fortfarande inom en acceptabel anpassning -15dB, dvs. en bra VSWR
Bandbredden, med ovanstående faktorer, blev rätt likaför båda DC blocklängderna : 525MHz

40mm lång wireline

Mätning på 40mm wireline

70mm lång wireline

Mätning på 70mm wireline

DIPLEXER

Gillade också iden att göra en diplexer för t.ex QO-100 eller transverter, dvs. i de fallen man använder en koaxkabel för IF frekvensen samt 10MHz som referens till transverter LO, PLL. Istället för induktorer och kondensatorer använder man endast två bitar wireline.

Det finns andra tillämpningar

DC Return

Man ha wireline till diodblandare också, som en diplexer för IF och LO signalen och på RF sidan sitter diod-er.

DC return = dvs. om komponenten kräver en ström, i en diod eller transistorkrets kan man via wireline isolera RF från DC till jord (via ett strömbestämmande motstånd R)

DC Return

Eller varför inte prova om man kan göra samma sak på spänningsmatningen, isolera RF från DC

har inte provat detta, ersätter en induktans

DC isolation

Lite annat

Man kan ändra på kopplingsgraden genom att använda andra längder än inom -3dB oktaven, dvs. mellan 0-60 eller 120-180 grader

Som exempel en wireline längd på 21mm ger en -20dB kopplingsgrad på 144MHz, 19mm ger en -20dB kopplingsgrad på 50MHz.

Så en mycket kort bit wireline sänker kopplingsgraden, inte helt oväntat :-)

Enligt designnotering kan man använd wireline som directive coupler långt över 10GHz

LÄS MER

Sök på WIRELINE® and WIREPAC® Design Guide så hittar man en bra översikt nånstans på nätet

det finns även en wireline wirepac kalkylator man kan betala för på en RF websida.

10MHz referenser CTI OSC5A2B02 och Skyworks VCXO Si5351

 Jämförelse mellan två 10MHz signalkällor

En lite enkel jämförelse mellan CTI TCXO OSC5A2B02 och en Skyworks Si5351 programmerbar VCXO.

Tänkte se om dessa är användbara som 10MHz referens på enklare radioprylar.

Skyworks Si5351 

Enligt databladet  " The Si5351 is a versatile I2C programmable clock generator that is ideally suited for replacing crystals, crystal oscillators, VCXOs, PLLs, and buffers."

Lådan innehåller ett Arduino PCB och en Si5351 PCB

Skyworks ger mellan +14.9dBm utsignal

Matar in signal via dämpsats till en spektrumanalysator

Sinussignalen lite skakigt ut, övertoner och jitter???

CTI OCXO OSC5A2B02 

En OCXO med noggrannhet angiven till "<0.05 PPB / sec. efter 1 timmes uppvärmning" 

Parts per Billion: 0.05 x 10-9

Kretskort har två utgångar - HCMOS TTL eller sinus. OCXO vill ha 5Volt och 400mA vid kallstart, den inbyggda DC regulatorn blir varm.

CTI ger +10dBm utsignal på "sinus" SMA kontakten

Ser ut att vara en sinusliknande signal

10.00000MHz ?

Matar in signal via dämpsats till en frekvensräknare

Si5351 har 22Hz för låg signal på 10.0000MHz, men går att manuellt justera upp 22Hz via en ansluten Arduino via I2C till Si5351.

CTI OSC ligger bra som en är men kan även den justeras med en extern trimpotentiometer på kretskortet.

Spektrum

Det som inte syns här är mängden övertoner, Si5351 har massor med övertoner där CTI endast har ett fåtal övertoner. 

Man kan också fråga sig hur inställningarna är på Si5351kretsens register, där finns en del att hålla koll på och det har skrivits en del om detta på nätet. Sketchen som ligger laddad på Arduino är inte utforskad eller känd i nuläget....

Ett lågpassfilter är att rekommendera på Si5351 i de flesta fall som LO, VFO eller fast referenssignal.