В опублікованій тут статті автор аналізує схемотехніку антенних підсилювачів польського виробництва і обґрунтовує свій усвідомлений підхід до їх вибору з точки зору коефіцієнтів шуму та посилення. Він також дає рекомендації з ремонту таких пристроїв, досить часто виходять з ладу від грозових розрядів, та усунення самозбудження. Це дозволить, сподіваємося, багатьом радіоаматорам не тільки вибрати необхідний підсилювач, але і поліпшити його роботу.
Активні антени польської фірми ANPREL та деяких інших отримали широке поширення у Росії та країнах СНД. При незначному власному посилення, особливо в діапазоні МВ, параметри такої антени в чому визначаються встановленим на ній антенним підсилювачем. Саме цього блоку властивий ряд недоліків: він схильний до самозбудженню, має досить високий рівень власних шумів, легко перевантажується потужними сигналами діапазону МВ, часто пошкоджується грозовими розрядами. Ці проблеми знайомі багатьом власникам таких антен.
Питання експлуатації антенних підсилювачів SWA і аналогічних вкрай мало освітлені в літературі. Можна відзначити лише публікацію [1], де вказано на перевантаження підсилювача сигналами МВ. З іншими недоліками власникам доводиться антен боротися відомим способом: замінюючи підсилювачі, вибрати найкращий. Однак такий метод вимагає багато часу і сил, оскільки підсилювач, як правило, важкодоступний - розташований разом з антеною на високій щоглі.
Ґрунтуючись на аналізі схемотехніки, власному досвіді і деяких матеріалах фірми ANPREL, пропоную більш усвідомлений підхід до вибору підсилювачів, а також спосіб ремонту, що дозволяє відновити пошкоджений блок, а в ряді випадків і поліпшити його параметри.
Ринок заповнений безліччю взаємозамінних моделей антенних підсилювачів, випускаються фірмами ANPREL, TELTAD та ін. під різними торговими марками і номерами. Незважаючи на таке розмаїття, більшість з них зібрані по стандартною схемою і являють собою двухкаскадный загнаний підсилювач на біполярних транзисторах СВЧ, включених по схемі з ОЕ. В підтвердження цьому розглянемо моделі різних фірм: простий підсилювач SWA-36 фірми TELTAD, принципова схема якого показана на рис. 1, і поширений підсилювач SWA-49 (аналог SWA-9) фірми ANPREL - рис. 2.
Підсилювач SWA-36 містить два широкосмугових каскаду підсилення на транзисторах VT1 і VT2. Сигнал з антени через узгоджувальний трансформатор (на схемі не показаний) і конденсатор С1 надходить на базу транзистора VT1, включеного за схемою з ОЕ. Робоча точка транзистора задана напругою зсуву, що визначаються резистором R1. Чинна при цьому негативний зворотний зв'язок (ООС) напрузі лінеарізуєт характеристику першого каскаду, стабілізує положення робочої точки, але трохи зменшує його посилення. Частотна корекція в першому каскаді відсутня.
Другий каскад виконаний на транзисторі за схемою з ОЕ і з ООС по напрузі через резистори R2 і R3, але має ще й струмовий ООС через резистор R4 в емітерної ланцюга, жорстко стабілізуючу режим транзистора VT2. Щоб уникнути великої втрати посилення резистор R4 зашунтирован по змінному струму конденсатор C3, ємність якого обрано відносно малою (10 пФ). В результаті на нижніх частотах діапазону ємнісний опір конденсатора C3 виявляється істотним і виникає ООС по змінному струму зменшує посилення, тим самим коректуючи АЧХ підсилювача.
До недоліків підсилювача SWA-36 можна віднести пасивні втрати в вихідний ланцюга на резисторі R5, який включений так, що на нього падає як постійна напруга харчування, так і напруга сигналу.
Аналогічно побудовано і підсилювач SWA-49 (рис. 2), який також має два каскаду, зібраного за схемою з ОЕ. Він відрізняється від SWA-36 найкращою розв'язкою по ланцюгам живлення через Г-подібні фільтри L1C6, R5C4 і підвищеним коефіцієнтом посилення за рахунок наявності конденсатора С5 в ланцюзі ООС (R3C5R6) другого каскаду і перехідного конденсатора С7 на виході.
Подібна схемотехніка притаманна більшості інших підсилювачів SWA (див., наприклад, схему підсилювача SWA-3, зображену в [1]). Незначні відмінності найчастіше перебувають у другому каскаді, який може бути забезпечений різними ланцюгами частотною корекції, мати різну глибину ООС і, відповідно, коефіцієнт підсилення. У окремих моделей, наприклад SWA-7, перший і другий каскади мають безпосередній зв'язок - висновок колектора транзистора VT1 прямо з'єднаний з висновком бази транзистора VT2. Це дозволяє охопити обидва каскаду петлею ООС по постійному струму і поліпшити тим самим термостабільність підсилювача.
В каскадах на транзисторах включених по схемі з ОЕ, найбільш значний вплив внутрішніх зв'язків і ємностей переходів транзисторів. Воно проявляється в обмеження смуги пропускання і схильності підсилювача до самозбудженню, вірогідність якого тим більше, чим вище коефіцієнт підсилення. Для його оцінки відомо поняття порогу стійкості граничного значення коефіцієнта посилення, при перевищенні якого підсилювач перетворюється на генератор. Багато антенні підсилювачі SWA з великим посиленням працюють біля порога стійкості, ніж пояснюється їх нерідке самозбудження.
В якості заходів підвищення стійкості підсилювачів фірма ANPREL застосовує різну топології друкованих плат (впливає на ємність монтажу), поверхневі та об'ємні котушки, дроселі і т. п. Більш радикальний спосіб: включення транзисторів по каскодной схемі з ОЕ-ПРО - чомусь не використовується. При незмінною схемою включення транзисторів з ОЕ-ОЕ для вирішення проблеми стійкості фірма воліє випускати регульовані блоки живлення. Зменшенням напруги вдається усунути самозбудження підсилювача при збереженні достатнього посилення.
Основні параметри (коефіцієнт шуму КШ і коефіцієнт підсилення КУ) базових моделей підсилювачів SWA по каталогу фірми ANPREL вказані в табл. 1.
Таблиця 1
Підсилювач К У , дБ До Ш , дБ SWA-1 8...10 2,5 SWA-1/S (1) 10 2,3 SWA-2, SWA-3 (2) 23...28 3,1 SWA-3/LUX 25...30 3,0 SWA-4/LUX 28...32 2,6 SWA-5,SWA-6 32 36... 1,9 SWA-7, SWA-7/LUX 32...38 1,7 SWA-8 28...30 2,9 SWA-8/S (1) 28...30 2,8 SWA-8/Zw (3) 28...30 2,9 SWA-9, SWA-49 32 39... 1,7 SWA-10 32 30... 3,1 SWA-11 30 2,5 SWA-12 36 1,8 SWA-13 32 1,8 SWA-14 32 2,4 SWA-15 34 1,9 SWA-16 34 1,9(1) З симетрувальної системою на платі. (2) Підсилювачі відрізняються платами. (3) З розділовим фільтром
Розглянемо взаємозв'язок основних параметрів з схемотехнікою підсилювачів і їх вплив на якість прийому.
Як відомо, коефіцієнт підсилення на високих частотах в каскадах з ОЕ критичний до параметрів використовуваних транзисторів, особливо до граничною частотою fГР. В підсилювачах SWA застосовані біполярні СВЧ транзистори структури n-p-n, марковані як Т-67, рідше - 415, які і визначають максимально досяжний коефіцієнт підсилення КУ двокаскадного підсилювача близько 40 дБ. Зрозуміло, в настільки широкій робочій смузі частот коефіцієнт підсилення не залишається постійним - його зміни досягають 10...15 дБ внаслідок нерівномірності АЧХ на вищих частотах діапазону і корекції на нижчих. При максимальних значеннях коефіцієнта підсилення КУ важко забезпечити стійкість підсилювачів, тому в ряді моделей він обмежений значеннями до 10...30 дБ, що в багатьох випадках цілком достатньо (див. табл. 1).
Всупереч поширеній думці, слід зазначити, що коефіцієнт підсилення не можна вважати головним параметром антенного підсилювача. Адже самі телевізори володіють досить великим запасом власного посилення, тобто мають високу чутливість, обмежену посиленням. Дещо гірше у них чутливість, обмежена синхронізацією. І нарешті, найбільш низька - чутливість, обмежена шумами [2]. Отже, чинником, визначальним дальній прийом, слід прийняти рівень власних шумів електронного тракту, а не коефіцієнт посилення. Іншими словами, обмеження можливості прийому в першу чергу наступає з-за впливу шумових завад, а не через нестачу посилення сигналу.
Вплив шуму оцінюють по відношенню сигнал/шум, мінімальне значення якого прийнято рівним 20 [2]. При цьому відношенні і визначають чутливість, обмежену шумами, яка дорівнює напрузі вхідного сигналу, в 20 разів більшого напруги власних шумів.
Для телевізорів третього-п'ятого поколінь чутливість, обмежена шумами, дорівнює 50...100 мкВ. Однак при відношенні сигнал/шум, рівному 20, спостерігаються дуже погані якість і розбірливість тільки великих деталей. Для отримання зображення хорошої якості слід подати на вхід телевізора корисний сигнал, приблизно в 5 разів більший, тобто забезпечити відношення сигнал/шум близько 100 [2].
Антенний підсилювач повинен збільшувати відношення сигнал/шум, а для цього слід підсилювати сигнал, а не шум. Але будь-електронний підсилювач неминуче має власні шуми, які посилюються разом з корисним сигналом і погіршують відношення сигнал/шум. Тому найважливішим параметром антенного підсилювача слід вважати його коефіцієнт шуму КШ. Якщо він недостатньо малий, то підвищення коефіцієнта посилення марно, так як і сигнал і шум посилюються в рівній мірою і їх відношення не поліпшується. У результаті навіть при достатньому рівні сигналу на антенному вході телевізора зображення буде вражено інтенсивною шумовий перешкодою (добре відомий усім "сніг").
Для єдиної оцінки шумів многокаскадного тракту існує показник приведеного до входу коефіцієнта шуму КШ, який дорівнює рівню шуму на виході, поделенному на загальний коефіцієнт підсилення, тобто КШ=КШ.вих/КУ. Так як вихідний рівень шуму КШ.вих залежить найбільшою мірою від рівня шуму першого транзистора, підсилюваного усіма подальшими каскадами, шумами інших каскадів можна знехтувати. Тоді КШ.вих=КШ1КУ, де КШ1 - коефіцієнт шуму першого транзистора. Отже, отримаємо КШ=КШ1, тобто наведений коефіцієнт шуму підсилювального тракту не залежить від числа каскадів і загального коефіцієнта підсилення, а дорівнює тільки коефіцієнту шуму першого транзистора.
Звідси випливає важливий практичний висновок - застосування антенного підсилювача може дати позитивний результат тоді, коли коефіцієнт шуму першого транзистора підсилювача менше коефіцієнта шуму першого каскаду телевізора. В селекторах каналів телевізорів п'ятого покоління застосовано польовий транзистор з КП327А коефіцієнтом шуму 4,5 дБ на частоті 800 МГц [3]. Отже, в першому каскаді антенного підсилювача повинен працювати транзистор з КШ1<4,5 дБ на тій же частоті. Причому, чим менше це значення порівняно з коефіцієнтом КШ1 телевізора, тим ефективніше застосування підсилювача і тим вище якість прийому.
Коефіцієнт шуму залежить також від якості узгодження на вході підсилювача і режиму роботи першого транзистора. Для підсилювачів SWA тип транзистора VT1, режим його роботи і якість узгодження визначає коефіцієнт КШ=1,7...3,1 дБ (див. табл. 1).
З викладеного вище зрозуміло, що вибір антенного підсилювача за принципом - чим більше коефіцієнт підсилення, тим краще - невірний. Саме тому багато власників, змінюючи підсилювачі, не можуть добитися хорошого результату. Причина такого парадоксального, на перший погляд, факту полягає в тому, що коефіцієнт шуму, як правило, невідомий (його немає в торговій інформації фірм), а на самому насправді він лише незначно відрізняється у багатьох моделей з різним посиленням (див. табл. 1). Збільшення ж коефіцієнта посилення при незмінному коефіцієнті шуму не дає виграш у відношенні сигнал/шум і, отже, поліпшення якості прийому. Рідкісний успіх досягається тільки тоді, коли випадково попадається малошумящий підсилювач.
Отже, при виборі антенного підсилювача орієнтуватися потрібно в першу чергу на мінімальний рівень шуму. Цілком хорошим можна вважати підсилювач з КШ<2 дБ. З табл. 1 найкращими можна вважати моделі SWA-7, SWA-9, мають КШ=1,7 дБ. Інформацію про коефіцієнті шуму нових підсилювачів можна знайти в каталогах фірми ANPREL або в мережі Інтернет.
Що ж стосується коефіцієнта посилення, то він, зрозуміло, теж має значення, але не для максимального посилення слабких сигналів, а, в першу чергу, для компенсації втрат в сполучному кабелі, согласующе-разветвляющих пристроях і т. п. З-за цих втрат при недостатньому посилення рівень сигналу на вході телевізора може впасти нижче порогу чутливості, обмеженою синхронізацією або навіть посиленням, що зробить прийом неможливим. Тому для правильного вибору коефіцієнта підсилення необхідно знати загасання сигналу в всім соединительном тракті. А його орієнтовне значення нескладно розрахувати.
Загасання сигналу в поширеному кабелі марки РК-75-4-11 одно 0,07 дБ/м на першому-п'ятому, 0,13 дБ/м на шостому-дванадцятому і 0,25...0,37 дБ/м на 21-60-м телевізійних каналах [2]. При довжині фідера 50 м ослаблення на 21-60-м каналах складе 12,5...17,5 дБ. Якщо встановлений промисловий пасивний розгалужувач, він вносить додаткові втрати на кожному своєму виході, значення яких, як правило, вказано на корпусі.
Розрахувавши загасання в кабелі і додавши до нього ослаблення в разветвителе (якщо він є), отримують мінімальний коефіцієнт посилення антенного підсилювача. До нього додають запас в 12...14 дБ для посилення слабких сигналів, що необхідно з-за низької ефективності широкосмугових малогабаритних приймальних антен. За отриманим значенням КУ вибирають антенний підсилювач. Набагато перевищувати отримане значення коефіцієнта підсилення не слід, так як це збільшує ймовірність самозбудження і перевантаження потужними сигналами близько розташованих станцій.
Ремонт антенних підсилювачів в основному зводиться до заміни активних елементів, пошкоджених грозовими розрядами. Слід зазначити, що наявність у деяких моделі діода на вході не гарантує повної блискавкозахисту: при потужному атмосферному розряді пробиваються як захисний діод, так і, як правило, обидва транзистора.
Антенні підсилювачі SWA зібрані по технології автоматичної поверхневої складання на мікроелементах, що вимагає акуратності при ремонті. Паяння слід виконувати малогабаритним паяльником з гостро заточеним жалом. У непрацюючому підсилювачі слід обережно, намагаючись не пошкодити тонкі друковані провідники, випаяти микротранзисторы VT1, VT2 і захисний діод (якщо він є).
Основні параметри вітчизняних транзисторів, придатних для установки в підсилювачі SWA, вказані в табл. 2 [3]. З неї випливає, що використання в першому каскаді транзисторів КТ391А-2, КТ3101А-2, КТ3115А-2, КТ3115Б-2, КТ3115В-2 шумові характеристики більшості моделей підсилювачів не погіршує, а застосування транзисторів 2Т3124А-2, 2Т3124Б-2, 2Т3124В-2, КТ3132А-2 знижує КШ до 1,5 дБ, що покращує параметри підсилювача. Ця обставина дозволяє рекомендувати заміну першого транзистора підсилювача на зазначені останніми навіть в справних, але "шумлячий" підсилювачах з метою підвищення якості їх роботи. Необхідно зазначити, що в табл. 2 дані граничні значення, типові параметри як правило, краще [3].
Таблиця 2
Транзистор f ГР , ГГц До Ш , дБ, при f=1 ГГц I , мА h 21э при Т=25°С КТ391А-2 5 3 10 20...150 КТ3101А-2 4 3 20 35 300... КТ3115А-2, КТ3115Б-2,КТ3115В-2 5,8 2 8,5 15 110... 2Т3124А-2, 2Т3124Б-2, 2Т3124В-2 6 1,5 7 15 200... КТ3132А-2 5,5 1,5 8,5 15 150...Малошумні СВЧ транзистори серій 2Т3124, КТ3132 щодо дороги і слаботочны, тому їх краще встановлювати тільки в перший каскад, а в другому використовувати дешевші і потужні транзистори КТ391А-2, КТ3101А-2 (див. табл. 2) і навіть серій КТ371, КТ372, КТ382, КТ399 та інші з граничною частотою близько 2 ГГц [3]. Однак в останньому випадку буде трохи менше коефіцієнт підсилення на верхніх частотах діапазону.
Малошумні СВЧ транзистори серій 2Т3124, КТ3132 щодо дороги і слаботочны, тому їх краще встановлювати тільки в перший каскад, а в другому використовувати дешевші і потужні транзистори КТ391А-2, КТ3101А-2 (див. табл. 2) і навіть серій КТ371, КТ372, КТ382, КТ399 та інші з граничною частотою близько 2 ГГц [3]. Однак в останньому випадку буде трохи менше коефіцієнт підсилення на верхніх частотах діапазону.
Розміри корпусу імпортних мікротранзисторів рівні 1,2(2,8 мм при довжині висновків 1...1,5 мм Відповідно і відстані на платі між друкованими майданчиками для висновків транзисторів малі. Установка вітчизняних транзисторів з діаметром корпусу 2 мм з боку поверхневого монтажу, хоча й можлива, але скрутна: при пайці їх можна пошкодити. Нові транзистори краще встановити з протилежного боку плати, попередньо просвердливши отвори для висновків свердлом діаметром 0,5...0,8 мм. Краще свердлити в друкованому провіднику, а так, щоб отвір стосувалося краю майданчика. Якщо з боку, протилежного поверхневого монтажу, є шар фольги, то отвори в ньому слід раззенковать свердлом діаметром 2...2,5 мм (крім отвори для виведення емітера транзистори VT1).
Потім встановлюють нові транзистори так, щоб кристаллодержатель або корпус приладу стосувався плати. Якщо висновки значно виступають з іншого боку, після пайки їх слід відкусити. СВЧ транзистори чутливі до статичної електрики, тому при пайці слід дотримуватися відповідних заходів захисту. Час пайки - не більше 3 с [3].
Захисний діод можна не встановлювати. Найкращим захистом від атмосферного електрики служить хороше заземлення антени.
В підсилювачах SWA обидва транзистори працюють з колекторним струмом 10...12 мА. Після заміни такий струм прийнятний для другого транзистора (наприклад, КТ3101А-2), але перевищує постійно допустимий для першого, якщо встановлені транзистори серій КТ3115, КТ3124 і КТ3132А-2 (див. табл. 2). Колекторний струм залежить від параметра һ21Э, по якому транзистори мають значний розкид. Тому після монтажу конкретного екземпляра необхідно встановити робочу точку транзистора VT1. Для цього випоюють микрорезистор R1 і замість нього тимчасово підключають підлаштування резистор (СП3-23, СП3-27 і т. п.) опором 68...100 кОм. Перед включенням харчування движок резистора повинен перебувати в положенні максимального опору, щоб не пошкодити транзистор.
На підсилювач подають напругу 12 В від блоку живлення і вимірюють падіння напруги на резисторі R2 (див. рис. 1 і 2). Поділивши виміряна напруга на опір резистора R2, дізнаються колекторний струм. Регулюючи опір підлаштування резистора в бік зменшення, досягають колекторного струму близько 5 мА, що відповідає мінімуму шумів за характеристикою транзисторів [3]. На цьому налаштування закінчують і замість підлаштування резистора впаюють постійний такого ж опору (МЛТ-0,125 або імпортний), вкоротивши попередньо до мінімуму його висновки.
Після цього покривають друковану плату і безкорпусні транзистори шаром радіотехнічного лаку або компаунда.
Зовнішній вид відновленого підсилювача SWA-36 показаний на рис. 3. В ньому використані транзистори (рис. 3,а) 2Т3124Б-2 (VT1) і КТ3101А-2 (VT2). У зв'язку з найпростішою конструкцією підсилювача вжиті заходи щодо усунення самозбудження: висновок колектора транзистора VT1 надіто феритове микрокольцо (його застосовують у селекторах каналів СК-М телевізорів 3УСЦТ і 4УСЦТ). Колекторний струм транзистора VT1 задано резистором R1 (рис. 3,б) номіналом 51 кОм (було 33 кОм).
У другому каскаді були випробувані транзистори серій КТ372, КТ399, з якими зберігалися стійкість і достатній коефіцієнт підсилення. При цьому була перевірена можливість встановлення додаткового конденсатора СД ємністю 150 пФ (рис. 3,б), що шунтує резистор R5 (див. рис. 1), для збільшення коефіцієнта посилення. При установці конденсатора самозбудження підсилювача усувають зниженням напруги живлення.
В основному варіанті (з транзисторами 2Т3124Б-2 і КТ3101А-2) підсилювач забезпечив краще, ніж до ремонту, якість прийому, яка візуально оцінено приблизно однаковим прийому з новим підсилювачем SWA-9.
Література
Автор: А. Пахомов, р. Зерноград Ростовської обл.