Mecc-AèFO
Modules HF universels

Par Michel Vonlanthen HB9AFO

 

Mis à jour le 9 avril 2017
 

ATTENTION: Cette série de développement est évolutive et susceptible de modification à tout moment. Dès que je fais une amélioration je la reporte aussitôt sur cette page. Il se peut donc, que d'une lecture à une autre, quelques éléments aient changé dans l'intervalle. La date ci-dessus permet de le vérifier.

 

 

Lorsqu'on veut construire un convertisseur, c'est un exemple, on a besoin d'amplificateurs, de filtres, d'un mélangeur, d'un oscillateur et de sources d'alimentation. Les éléments de base sont toujours les mêmes d'où l'idée de développer une série de modules ayant chacun une fonction de base. Lorsqu'on voudra construire une convertisseur, il suffira alors de relier les divers modules de base entre eux et le tour sera joué. Le gain de temps sera énorme, car en plus d'avoir ces modules sous la main, déjà prêts à l'emploi, ils auront l'avantage d 'avoir été testés au préalable, ce qui raccourcira dramatiquement le temps de développement. C'est le principe du fameux Meccano de notre enfance, supplanté par le Lego et maintenant complété par les modules haute-fréquence que je pourrais, en toute immodestie, appeler les Mecc-AèFO's. Il faut bien se faire des plaisirs de gamins de temps en temps, même si on en a dépassé l'âge depuis longtemps !....

 

Mon projet actuel est de réaliser un convertisseur 45/600 MHz qui devrait me permettre de recevoir n'importe-quelle émission TV à bande étroite à l'aide d'un récepteur de trafic de haute qualité AR-5001DX. Ce récepteur comporte une sortie à large bande à 45 MHz que j'espère pouvoir utiliser afin d'y raccorder un Minitiouner, le seul récepteur TV capable de recevoir de la DATV DVB-S à bande étroite. Je compte aussi y raccorder un récepteur DVB-T de Hides afin de recevoir de la DVB-T à 1 MHz de bande passante. Je disposerai ainsi d'un récepteur DATV universel, capable de recevoir de la TV numérique amateur depuis ondes-courtes jusqu'aux SHF.

 

Il s'agira donc de développer un modules amplificateur (1), un module amplificateur à CAG (2), un mélangeur, un oscillateur et des filtres. C'est ce qui suit.

 

Tous ces modules sont conçus de façon à être insérés dans des boîtiers Schubert de 35 mm de largeur. Les plans de masse y sont soudés sur les parois latérales ce qui en assure le maintient mécanique ainsi que le blindage HF.

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Amplificateur sélectif à filtres en hélice

 

 


Amplificateur sélectif 437 MHz à 3 circuits

 

Il existe des filtres en hélice à 2 ou 3 circuits oscillants, 2 dimensions (à pins ou CMS), 2 marques (Toko,
Telequartz). 4 circuits-imprimés, chacun prévu pour un type de filtre, permettent de couvrir tous les cas de figure. Expérience faite, les circuits à pins offrent de meilleures qualité haute fréquence.

 

 

Caractéristiques communes:

  • circuit-imptrimé:     35 x 35 mm

  • Impédance in/out:  50 Ohms

  • Alimentation:          12V / 70 mA max

 

 

  • Gain:                     14 dB

  • Sélectivité:            50 MHz à -20dB

     

     

 


Centrée sur 482 MHz (filtrage LO convertisseur)

 

 

  • Gain:                     15 dB

  • Sélectivité:           50 MHz à -20dB

     

     

     

     


    Centrée sur 482 MHz (filtrage LO convertisseur)

 

 

  • Gain:                    18 dB

  • Sélectivité:          70 MHz à -20dB

     

     

     

     

 

 

  • Gain:                      16 dB

  • Sélectivité:             50 MHz à - 20dB

     

     


Centré sur 437 MHz

 


 

C'est un amplificateur qui garde sa sortie constante lorsque son entrée varie de 45 dB. C'est le principe du CAG, Commande Automatique de Gain (AGC en anglais, Automatic Gain Control). Il est basé sur le circuit-intégré AD8367 d'Analog Devices.

 

 


Schéma

 


 

Le relevé du schéma de la carte vendue en Chine (j'ai enlevé le blindage métallique). A l'origine, les jumpers J3, J4, J6, J5 et J9 sont fermés.

Dans un premier temps, je vais utiliser la carte que j'ai achetée sur les conseils d'Henry F4WBG.

 

 

Data sheet (caractéristiques)

 

Par la suite j'en ferai mon propre circuit-imprimé.

 

 

Courbe de transfert

 

  • En-dessous de -35dBm en entrée, le gain de l'amplificateur est de 20 dB. En-dessus de ce seuil, la sortie reste constante à -15dBm quelle que soit la puissance d'entrée (mesurée jusqu'à +15dBm).

  • La sensibilité est de - 83 dBm à 250 MHz soit 16 µV sur 50 Ohms. C'est le signal minimum en entrée qui donne un signal visible en sortie.

  • Le circuit est linéaire jusqu'à 500 MHz. Après le gain décroît lorsque la fréquence augmente.

  • La consommation est de 30mA sous 5V


Nous avons déjà de quoi fabriquer le début d'un convertisseur puisque nous avons des amplificateurs sélectifs, un amplificateur à CAG (pas indispensable pour cet usage mais utile pour les développements futurs) ainsi qu'un filtre à onde de surface 437 MHz très sélectif. C'est la chaîne amplificatrice 437 MHz décrite ci-dessous.

 


3. Chaîne amplificatrice 437 MHz

 

 


Chaîne amplificatrice sélective avec CAG

 

 


Entrée                                     Le prototype pendant les mesures                                      Sortie



Caractéristiques:

  • La sensibilité est de -100 dBm (-103 dBm sans le filtre SAW). (Le plus petit signal visible en sortie)

  • Dans la zone linéaire, le gain est de 36 dB

  • En-dessous de -50 dBm en entrée, la sortie est proportionnelle à l'entrée

  • Au.dessus de -50 dBm en entrée, la sortie reste constante à -20 dBm

  • Avec le filtre SAW, la sélectivité est de 30 MHz à -40 dB

  • Avec un signal DVB-T, la linéarité est OK jusqu'à -15 dBm en entrée.
    Au-dessus elle se dégrade un peu (épaules à -25 dB avec - 3dBm en entrée)

 


Bande passante globale avec filtre SAW en entrée (env. 30MHz à -40dB)

 

 
Signal DVB-T en sortie (avec -15dBm en entrée)

 

 


 

 

C'est le même amplificateur à part le filtre qui n'est plus un filtre en hélice Toko mais un filtre à ondes de surface (SAW en anglais). La fréquence d'amplification est fixe ce qui a l'avantage de ne pas nécessiter de réglage (et qui ne se dérègle pas avec le temps) et d'être très sélectif.


On pourrait utiliser ce filtre, par exemple, pour cadrer une partie de la bande 430 MHz et n'en garder que les 5 MHz que laisse passer le SAW. Il faudrait bien-entendu effectuer un changement de fréquence pour cela. C'est Henry F4WBG qui a déniché sur E-Bay le filtre SAW Epsos M3951M et qui a eu cette idée. C'est ce que je tente de concrétiser ici.

 

 

 

Caractéristiques:

  • Gain:                        20 dB

  • Sélectivité:              6 MHz à -40dB, pentes très raides

  • Consommation:      12 V / 23 mA

  • Impédance in:         1.4 kOhms (mais aucune différence si attaqué en 50 Ohms)

  • Impédance out:       50 Ohms

  • Print:                         25 x 35 mm

  •  


Vue de dessus                                  35 x 35 mm

 

 

La courbe de sélectivité est impressionnante !

 


 

5. Mélangeur

 

Mixer  Mini-Circuits ADE-2ASK, 1 à 1000 MHz (Lo power +7dBm)

Data sheet

 

 


 

 

 
Vu de dessus                                      35 x 35 mm

 

 

Il faut avoir un signal de -17dBm sur l'entrée LO (Local Oscillator, oscilateur local) afin d'obtenir la meilleure réjection du LO en sortie (-35dBm). RF, Radio Frequency (ou haute fréquence) = signal d'entrée . IFIntermediate Frequency (ou fréquence intermédiaire ou moyenne fréquence) = signal de sortie après mélange.

 

Caractéristiques:

  • Sensibilité:                    -50  dBm sur l'entrée RF donne un signal perceptible en sortie

  • Perte de conversion:    7  dB

  • Fuite LO en sortie:         -  35 dBm (si LO = - 17dBm) Isolation = 42dB (+7dBm de LO sur le mixer)

  • Fréquence image:       aucune atténuation par rapport au signal désiré puisque la sortie n'est pas filtrée

  • Print:                               25 x 35 mm


     

Sortie avec RF à -50dBm                                          Sortie avec RF à -10dBm

 


 

6. Oscillateur local

 

Avant de passer à la réalisation d'un oscillateur synthétisé, ce qui me prendra un peu de temps, je vais construire un oscillateur équipé d'un VCO, Voltage Controlled Oscillator (oscillator contrôlé par une tension) du commerce ce qui va me faciliter la vie au plus haut point. Mon choix s'est porté sur le POS-535+ de Mini-Circuits que j'avais dans mes tiroirs.

 

C'est un circuit-intégrés très bien blindé, dont la fréquence de sortie va de 300 à 525 MHz pour une puissance de
8 dBm. Sa fréquence de sortie est déterminée par une tension (1-12V) appliquée sur sa pin 8 (V-tune). Le tout est alimenté en 12V.

 

Oscillateur à VCO

 

La gamme de fréquences dépend du circuit-intégré utilisé:

  • POS-200:     95-120 MHz

  • POS-535:     300-525 MHz      (250 - 498 MHz,  -1 à +7dBm,  17mA)

  • POS-1060:   750-1060 MHz    (690 - 960 MHz,                          34mA, spurious lorsque le pot est à zéro)

  • POS-1400:   975-1400 MHZ    (950 - 1180,       -4 à +12dBm, 36mA)

  • POS-2000:   1370-2000 MHz 

 

    
   Vue de dessus                              Vu de dessous                              35 x 35 mm
 

 

Caractéristiques:

 

  • Avec POS-535:

  • Fréquence se sortie:  250 - 498 MHz  (de 0 à +11,75 V)

  • Puissance de sortie:  -1 à +7 dBm (réglable par potentiomètre) sur 50 Ohms

  • Stabilité:                      5 * -106 / minute (soit 25 kHz à 480 MHz)

  • Harmonique 2:            - 26 dB

  • Harmonique 3:            - 36 dB

  • Consommation:          12V/17mA

  • Print:                             25 x 35 mm

Important:

L'amplitude du signal de sortie de l'oscillateur doit être ajustée au moyen du potentiomètre en mesurant la sortie IF à l'analyseur de spectre. Il faut obtenir à la fois le maximum de signal RF et le minimum de signal de fuite du LO. Ce réglage est très important si on veut obtenir la meilleure réjection de la fréquence de l'oscillateur local.

 

Par exemple, la fréquence sur l'entrée du mixer, venant du générateur, est à 295 MHz (à -50 dBm). La fréquence désirée en sortie est de 45 MHz donc l'oscillateur VCO est réglé à 250 MHz. Avec différents réglages de la puissance d'injection du mixer (Lo) on voit que le 45 MHz ne change pas d'amplitude mais que le réglage de l'amplitude du Lo fait que ce dernier passe de -17dBM à -42 dBm en sortie. On a donc gagné une réjection supplémentaire du Lo de 25dB en effectuant ce réglage fin.

 

 
1. Réglé pour Lo max en sortie                      2. Réglé pour Lo min en sortie
En sortie, Lo = -17dBm                                  En sortie, Lo = -42dBm

 


3. Idem courbe 2 mais avec -20 dBm en entrée du mixer au lieu de -50 dBm

 


 

 

Cet amplificateur n'a pas de filtre en entrée. En contrepartie il est plus étroit que le modèle standard: 25 x 35mm. Il est conçu pour s'adapter dans un boîtier Schubert de 35 mm de largeur. On le voit sur la courbe ci-dessous, avec un PGA103+, son gain est de 20dB à 437 MHz, avec un GALI-6, 12dB.

 

 

 

 

Caractéristiques:

  • Avec un PGA103+:

  • Gain:                                       24 dB à 100 MHz,  et 14 dB à 1000 MHz

  • Puissance de sortie max:     +10 dBm (au.dessus de la distorsion apparaît)

  • Consommation:                     12V /  80 mA   (71 mA pour le GALI-6)

  • Print:                                        25 x 35 mm

 

 
       Le circuit monté                               25 x 35 mm

 

 

 

 

 


PGA103+:
La courbe de réponse est identique avec une self de 100 nH, 180 nH ou une self faite avec du fil émaillé de 0,25mm bobinée sur une mèche de 3,4 mm et ensuite soudée en l'air. Le gain max est de
24 dB à 100  MHz
et descend régulièrement pour s'abaisser à 14 dB à 1000 MHz.

 

Puissance max en sortie: +10 dBm à 300 MHz

 

Les selfs Murata de chez Reichelt ont les fréquences de résonance suivantes:

  • 2.2 µH  = 50 MHz

  • 1    µH  = 100 MHz

  • 180 nH = 200 MHz


 

8. Mélangeur seul

 

C'est le même montage que le mélangeur 5 mais sans l'amplificateur du signal de l'oscillateur (LO), inutile la plupart du temps.

 

 

 

Caractéristiques:

  • Perte:        6 dB à 437 MHz

  • Print:          25 x 35 mm

 


 

 

 

 

 

 

 


 

9. Oscillateur VCO splitter

 

C'est l'oscillateur décrit en amont (8. oscillateur local) mais avec une sortie double grâce au splitter. Il est ainsi possible d'alimenter deux circuits en même temps sans qu'il y ait interaction entre les deux.

 

 

 

 

Caractéristiques:

  • Fréquence:       POS-200:     95-120 MHz
                               POS-535:    250 - 498 MHz           
                               POS-1060:  690 - 960 MHz
                               POS-1400:  950 - 1180 MHz
                               POS-2000:  1370-2000 MHz

  • Puissance:         2 x +4 dBm (max, réglable)

  • Alimentation:     12V / 17 mA

  • Print:                   25 x 35 mm


 

 

 

 

 

 

 

Caractéristiques:

  • Gain:                  18 dB

  • Fréquence:        44 MHz (accordable entre 35 et 50.8 MHz)

  • Sélectivité:         5 MHz à -3dB, 25 MHz à -30dB

  • Impédances:      50 Ohms (entrée et sortie)

  • Consommation: 12V / 70 mA

  • Print:                   25 x 35 mm

Les deux tores sont identiques et comportent 2 enroulement en fil de 0,25 mm émaillé: 1 x 30 spires (= 2,6 µH) et 1 x 1 spire (couplage). On ne peut pas mettre plus de spires dans ce type de tore (6 mm de diamètre extérieur, 3 mm intérieur), il n'y a physiquement plus assez de place. Il est donné pour 15-100 MHz (acheté chez RF Elettronica).

 

Les tores doivent être éloignés l'un de l'autre afin d'éliminer tout couplage, sinon des résonances parasites apparaissent. La courbe ci-dessous montre la "propreté" du signal une fois les tores disposés judicieusement.

 

Calcul de la fréquence en fonction de L et de C selon la formule de Thomson

 

 

Propreté du signal entre 0 et 1500 MHz

 

 


Courbe de sélectivité à 44 MHz
 

 

Bibliographie:

 


 

Voici la première application concrète des modules Mecc-Aefo:

 

 

Ce convertisseur est conçu pour faire suite à un récepteur professionnel AR-5001DX qui a une sortie arrière de quelques MHz de large centrée sur sa FI de 45 MHz. Le but est donc de transposer tout ce qui sort de cette prise dans la gamme que peut recevoir le Minitiouner de F6DZP afin de pouvoir démoduler toute émission DATV en DVB-S.

 

 


 

 

A suivre...

 

Après avoir failli casser ma pipe il y a quelques semaines, je m'amuse comme un petit fou !...

 

Avril 2017

Michel HB9AFO

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