Předzesilovače v praxi (LNA WIDE 3.0)

Předzesilovače v praxi (LNA WIDE 3.0)

Výhody i nevýhody použití předzesilovačů v praktických podmínkách jsem již částečně popisoval ve zprávách o DX Campech. Bylo by ale dobré teorie a praktické zkušenosti ujednotit a probrat dopodrobna.

Teorie použití předzesilovačů

Mezi posluchači a radioamatéry je spousta zastánců, ale i odpůrců použití zesilovačů obecně. Já patřím k zastáncům s velkým ALE jen při vhodné koncepci a vhodném řešení celé přijímací soustavy. Ne každá anténní soustava je vhodná pro použití předzesilovače a jsou soustavy, které se bez něj neobejdou.

Co je vlastně účelem použití předzesilovačů ?

Účely jsou vlastně dva.

Za prvé slouží pro zmenšení ztrát signálu v dlouhém koaxiálním vedení, přechody mezi konektory a nemalé ztráty při použití induktivně vázaných pasivních rozbočovačů signálu pro více přijímačů. Za druhé je potřeba si také uvědomit, že většina přijímačů má vysoké šumové číslo (šumové číslo uvádí kolikrát je poměr výkonu užitečného signálu vůči výkonu šumu na vstupu vůči výstupu přijímače) a proti nízko-šumovému předzesilovači, nebudou tedy detekovat tak slabé stanice v takové kvalitě, jako nízko-šumový zesilovač, který slabé stanice napěťově zesílí (nabalí na ně mnohem méně šumu, než samotný přijímač), čímž se stanou detekovatelnými i pro méně citlivé přijímače. Pokud je navíc zesilovač vhodně navržen, splní obě podmínky najednou.

Základní podmínkou je, že zesilovač musí být umístěn co nejblíže antény. Ideální stav je instalace přímo u ní, aby jste co nejméně potlačili slabé stanice. Pokud nainstalujete zesilovač na konci koaxiálního kabelu, tak jediné čeho můžete dosáhnout je, že vyrovnáte ztráty v následujícím pasivním rozbočovači, ale slabé stanice již mohou tak slabé, že mohou být překryty vlastním šumem předzesilovače.

Na vstupu předzesilovače můžete navíc přijímaná pásma již vhodně upravovat. Mezi anténou a předzesilovač může být například vhodný filtr pro potlačení signálů z rušícího blízkého vysílače. Budete-li například používat filtr s potlačením rušícího vysílače 20 dB, ale předzesilovač bude mít zisk jen 15 dB, na vstupu přijímače budete mít úroveň signálů v rušícím pásmu, jako s připojeným útlumovým článkem 5dB, zatímco zájmová pásma budou zesílena u antény o 15 dB. Takto můžete na vstupu zesilovače kombinovat i více filtrů, pokud je to potřeba.

V současnosti se z pohledu sledování profesionálních služeb objevuje několik rušících radiových sítí, které je potřeba v některých lokalitách potlačovat pomocí filtrů. Jedná se o následující sítě:

  • Rozhlas CCIR (88-108 MHz) – lze použít pásmovou zádrž
  • ČEZnet (pásmo 152 MHz) – musí být vyrobena zakázková jednokmitočtová zádrž
  • DAB (174-230 MHz) – lze použít pásmovou zádrž
  • PEGAS-MATRA (390-395 MHz) – lze použít pásmovou zádrž
  • ex U:UFON (420-423 MHz) – lze použít pásmovou zádrž
  • O2 CDMA (461-465 MHz) – lze použít pásmovou zádrž, ale velmi omezeně vzhledem ke kmitočtové návaznosti profesionálních pásem
  • DVB-T (470-700 MHz) – lze použít zakázkovou dolní propust pod 470 MHz
  • LTE (700-800 MHz) – lze použít zakázkovou dolní propust pod 470 MHz

Zda a jakou pásmovou zádrž použít je nutné buď vytipovat pohledem map vykrývačů na GSM webu, nebo na map DVB-T vysílačů, nebo ještě lépe pomocí SDR přijímače, který vám ukáže spektrum a úrovně signálů v různých pásmech (i pomocí levné RTL-SDR klíčenky). Použít lze samozřejmě ale i naopak pásmovou propust pro zájmové pásmo. U nás na trhu lze sehnat propust pro pásmo AIRBAND, MB pásmo, VHF, UHF apod. Propust na úzké zájmové pásmo by musela být vyrobena na zakázku.

aktivní dělič na 16 přijímačů se zesilovačem jen pro pokrytí ztrát rozbočením

Při plánování koupě předzesilovače, je dobré si udělat kalkulaci toho, jak se bude celá přijímací soustava chovat. Není vhodné, aby jste například u antény měli zesilovač 20dB, když celkový útlum trasy je nějakých 5 dB. Výsledkem bude jen plný S-metr na přijímači a vysokým šumem podkreslené přijímané stanice. Velkým problémem může být i nízká odolnost některých přijímačů (například skenery UNIDEN), u kterých musíte počítat s tím, že potřebují výrazně nižší úrovně signálů na vstupu než třeba přijímače ICOM, nebo některé vyšší řady přijímačů AOR. V praxi se nevyhnete situaci, pokud takové přijímače kombinujete, že budete muset používat na konci i plynule nastavitelné útlumové články, aby jste dosáhli situace, kdy přijímače méně odolné slyšely slabé stanice, ale ještě se nezahlcovaly.

Prakticky budete muset spočítat přibližný útlum trasy vedení podle délky a typu použitého kabelu, útlum pasivních rozbočovačů, anebo pokud používáte pásmové slučovače, tak i jejich nezanedbatelný útlum. Dobré je i připočítat nějaké ztráty na konektorových přechodkách obzvlášť, pokud používáte různé redukce z jednoho typu konektoru na druhý, kombinujete konektory nebo vedení různých impedancí atd.

Poté by jste měli mít k dispozici nějaký předpokládaný útlum celé soustavy – například 8-10dB, což není žádný problém při delším kabelu. Bude to tedy znamenat, že musíte sáhnout po zesilovači v řádu 10-15 dB. Nebude tedy v tomto případě potřeba shánět nesmyslně ziskový zesilovač 20 nebo 25dB. Výsledný zisk na výstupu k odolnějším přijímačům klidně může být až +6dB tj. jako by byl do antény připojený šesti decibelový zesilovač a přímo k němu přijímač. Tento předpokládaný zisk vám ideálně pokryje i nepředpokládané ztráty a navíc vám umožní výstup ještě jednou rozdělit pro méně odolné přijímače bez “ztráty květinky”.

LNA WIDE verze 3.0

originální LNA2000

Ideální zesilovač neexistuje. Na jednu stranu chcete, aby zanášel do přijímaného signálu co nejmenší vlastní šum, na druhou stranu po něm chcete, aby byl maximálně lineární (odolný), aby na něm nevznikaly parazitní signály ze silných přijímaných stanic a do toho všeho navíc, aby byl měl maximálně stabilní parametry i za nestabilních teplotních a napájecích podmínek. To jsou všechno vlastnosti, které není jednoduché splnit.

U nás je možné koupit několik typů předzesilovačů, které jsou více či méně použitelné. Pro nenáročná prostředí, to znamená menší anténní soustava nebo v prostředí s nízkou úrovní rušení, lze použít celkem kvalitní a relativně levný předzesilovač, který má jako aktivní prvek vysokofrekvenční tranzistor (nebo kaskádu pro vyšší zisk) například typu BFP540. Příkladem je zesilovač LNA2000 (DDAMTEK), nebo širokopásmové TV zesilovače (TEROZ).

originální LNA-WIDE

Tyto zesilovače mají poměrně vysoký zisk (až 20 dB v pásmech do 500 MHz), relativně malý vlastní šum typicky mezi 2-4 dB, ale mají poměrně nízkou odolnost vůči silným signálům.  To v praxi znamená, že je použijete buď s předřazeným pásmovým filtrem, anebo před ně musíte osadit sadu zádrží proti silným okolním vysílačům. Bohužel opravdu velkým problémem se přímo pro LNA2000 staly LTE sítě v pásmu 700-800 MHz. Pokud nepoužijete opravdu kvalitní zádrž, tento zesilovač vyprodukuje poměrně vysokou úroveň šumu v užitečných signálech, čímž celý příjem kompletně degraduje.

Jediným řešením je použití předzesilovačů na bázi polem řízených tranzistorů nebo celých hybridních zesilovačů. Na trhu je poměrně dobrá nabídka velmi solidně provedených profesionálních řešení, které jsou ale naprosto finančně mimo amatérskou realitu. V podstatě koupíte více, či méně profesionální předzesilovače v rozmezí šílených 4000 – 10.000,-Kč.

Před pár lety jsem měl na stole rozebraný zesilovač (nejlevnější z této branže) s označením LNA-WIDE (DDAMTEK). V něm byl jako hlavní aktivní prvek MMIC zesilovač SGA6589, který stojí na E-bay cca 50 korun a celý zesilovač pak stál tehdy kolem 4 tisíc. Zkusil jsem tedy upravit jeden LNA2000 na LNA-WIDE verze 1.1. Celá úprava stála kolem stokoruny. Výsledek byl celkem překvapivý, protože se zesilovač choval velmi podobně jako originální WIDE.

Mimochodem na jednom starém DX Campu jsme zkoušeli originální LNA-WIDE a zjistili jsme, že silné místní signály způsobují tomuto zesilovači stejné problémy jako u LNA2000, takže výsledná odolnost nebyla příliš vysoká, ale o poznání lepší než přímo 2000ka. Vlastní šum aktivního prvku je tabulkově 2.5dB.

desky LNA-WIDE 3.0 před osazením

Tak jsem pátral v katalozích po nějaké lepší náhradě a nakonec jsem skončil u obvodu, který mne velmi zaujal svými parametry. Jednalo se o obvod SPF5189Z, který má sice trochu nižší zisk (jen max. 18dB), ale vlastní šum jen okolo 0,7 dB a je velmi vysoce odolný. Parametrově předčil LNA-WIDE ve všech směrech. Jen pořizovací náklady se pohybovaly přes 100,-Kč za kus. Tak jsem jich pár objednal a upravil jsem upravený LNA-WIDE 1.1 na verzi LNA-WIDE 2.0. Jednak jsem dovnitř implementoval 5V stabilizátor, čímž jsem dosáhl velmi vysokého rozmezí možného napájecího napětí. Napájení zůstalo po kabelu, takže jej můžete napájet u přijímače pomocí T-výhybky a při prvních testech bylo jasné, kudy cesta vede.

zesilovač LNA-WIDE 3.0 částečně osazený

Tato verze zesilovačů upravená na obvod SPF se okamžitě ujala, jelikož každý měl doma LNA2000 a pořizovací náklady na úpravu se pohybovaly kolem 200 korun, což bylo stále zlomek originálního LNA-WIDE, který ještě ke všemu měl horší parametry. Tento zesilovač měl jednu nevýhodu způsobenou nevhodnou konstrukcí samotného LNA2000, u kterého se využívají obě strany desky plošného spoje. Když se v přijímaném pásmu objeví silné signály nad určitou úroveň, zesilovač produkuje harmonické signály v rozsahu cca +- 100 kHz od přijímaného kmitočtu. Následná měření na soustavě generátor-spektrální analyzátor, tuto praktickou zkušenost potvrdily. Bylo tedy nutné najít nějaké vhodné řešení a to se skutečně našlo.

Na internetu jsem našel univerzální destičky Karla OK2ZI pro nízko-šumové zesilovače tohoto hybridního typu. Dvě jsem pokusně od něj objednal a postupně je osadil součástkami. Po kompletním osazení jsem zesilovač u Richarda OK2SCN připojil na měřák a parazitní příjmy se neobjevily. Tak jsem velmi rychle zbastlil krycí krabičku a hodil jsem jej na střechu. Výsledek se okamžitě dostavil. Ihned jsem začal zase slyšet slabé stanice z východních Čech, řízení letového provozu z BuKOPu a letecké počasí ATIS z Drážďan. Tedy stanice, které jsem u sebe doma už neslyšel už nějakou dobu, tedy přesněji po dobu, kdy jsem byl nucen používat méně kvalitní zesilovač.

Teď už chybí jen praktický test na DX Campu. Ale po tom, co jsem viděl na spektrálním analyzátoru, při tom, co je za úrovně rušících signálů na anténě v plné zástavbě, když mám v ulici CDMA vysílač, LTE 700 MHz a 470 MHz DVB-T a nic to s tím nedělá, nepochybuji, že uspěje. Cena celého osazeného předzesilovače je tak někde v řádech stokorun za kus, tedy zlomková proti profesionálním verzím a funguje výborně.