Антенное реле, антенный переключатель.В предыдущей части статьи было показано, как преодолеть для шумовой температуры МШУ условный барьер в 10 градусов Кельвина. Конечно, на этом работа не заканчивается. Надо сохранить эту чувствительность при подключении МШУ к облучателю параболической антенны. Я уже писал об этом во второй части статьи. Теперь подробнее и с иллюстрациями.
Общепринятой для EME связи на 1296 МГц является круговая поляризация. Облучатель в таком случае имеет два раздельных входа. Один для передатчика, второй для приемника. Между входами есть некоторая развязка (изоляция), которая для хорошей антенны обычно выше 20 дБ. Это облегчает еще одну важную задачу. Защиту входа МШУ от собственного передатчика. Мощность на входе МШУ не должна превышать 1 мВт. Это условие дается с некоторым запасом. По моему опыту, МШУ выдерживает в 4...5 раз большую мощность. Но лучше не рисковать. Поэтому, если мощность передатчика 500 Вт, то для защиты МШУ, требуется изоляция 500000 раз или 57 дБ. Не всякое реле обеспечивает такую изоляцию. Но дополнительная развязка в облучателе облегчает задачу. К тому же реле может быть маломощным, т.к. оно коммутирует только малую часть мощности передатчика. Развязка в облучателе решает еще одну важную задачу. Она изолирует шумы передатчика. Для простоты будем считать, что вместо передатчика подключена согласованная нагрузка, имеющая температуру 300K. Тогда при развязке 20 дБ (100 раз) на вход приемника попадет 3K. При чувствительности МШУ 9K это слишком много. При развязке облучателя 30 дБ (1000 раз) это 0.3K. Это уже допустимо.
Рассмотрим теперь практические примеры. Антенное реле.  Рис. 5.1 Вариант построения соединительного тракта На Рис 5.1 показан довольно распространенный вариант построения соединительного тракта. Защиту МШУ обеспечивает миниатюрное реле с разъемами типа SMA. Разъемы стоят "в ряд", что указывает на принцип коммутации. Внутри есть две перемычки, которые по очереди подключают центральный разъем к одному из крайних. Нерабочая перемычка поднимается и прижимается к стенке коаксиальной линии. Это обеспечивает исключительно высокую изоляцию отключенного выхода. На 1296 МГц это может быть 80 дБ и более. Недостатком такого принципа коммутации является то, что линия разрывается в двух местах (два конца перемычки). Это немного увеличивает потери и снижает стабильность контакта. На фотографии также виден зонд, снятый с облучателя. Зонд припаян к разъему SMA. В режиме приема вход МШУ подключен к этому зонду. В режиме передачи вход МШУ подключен к нагрузке 50 Ом, навинченной на третий разъем реле. Видно, что для сборки соединительного тракта надо два адаптера "папа/папа" SMA, причем хотя бы один из них угловой.
Перейдем теперь к главному вопросу, к потерям в тракте. Во второй части статьи было показано, что если потери невелики, то ухудшение коэффициента шума численно равно этим потерям. Конечно, справедливо и обратное утверждение. Если мы измерили величину деградации коэффициента шума, то мы знаем величину резистивных потерь. Этим путем я и двигался т.к. коэффициент шума я научился измерять хорошо.
Пройдем теперь по всей цепочке. Конечно главный элемент цепи это реле. От потерь в реле многое зависит. Причем с этими потерями мы ничего сделать не можем. Они, какие есть - такие есть. Через мои руки прошло несколько экземпляров таких реле от известных фирм производителей. Разброс потерь довольно велик. Лучший экземпляр показал 0.03 дБ ( 2.1 K ), худший 0.067 дБ ( 4.7 K ). К сожалению, лучший экземпляр пришлось забраковать. Время от времени потери в нем резко возрастали. Видимо проявился недостаток принципа коммутации с двумя перемычками. Из-за люфта в механизме переключения перемычка иногда вставала не очень удачно. У других экземпляров я такой большой нестабильности не замечал. Я намеренно не привожу конкретные типы реле. Делать общие выводы по испытаниям одиночных экземпляров несерьезно.
По моим измерениям хорошее реле подобного типа портит шумовую температуру приемника примерно на 3 градуса (0.04 dB). Хочу уточнить, что это собственные потери реле от входа до выхода (от "мамы" до "мамы" SMA).
Перейдем теперь к остальным элементам соединительного тракта. Это два адаптера и разъемы на облучателе и на входе МШУ. Про разъем на входе МШУ и его влияние на коэффициент шума я уже подробно написал в четвертой части статьи. Конечно все, что было написано, относится и ко всем остальным разъемам. Измерения показывают примерно следующую картину. Одно соединение из отечественных посеребренных разъемов это 1K. Одно соединение из позолоченных разъемов известных производителей это 2.0.... 2.5K. Одно соединение из дешевых позолоченных разъемов может превышать 10K. В нашем случае имеем четыре соединения. Даже если они дают по 2K, то в сумме это 8K плюс реле 3K. Итого 11K. В результате шумовая температура приемника портится более чем в два раза. Я имею в виду доработанный МШУ с шумовой температурой 9K.
Какие есть пути улучшения? Во-первых, можно легко убрать одно соединение. На Рис 5.2 показан такой зонд для облучателя.  Рис. 5.2 Зонд для облучателя  Рис 5.3 Тракт в сборе На Рис 5.3 показан тракт в сборе. Такая переделка примерно на два градуса снижает шумовую температуру системы. Можно еще немного выиграть, если использовать для полужесткого кабеля UT141 разъемы "папа" без центрального штырька. В этом случае роль центрального штырька выполняет центральная жила кабеля. Она имеет нужный диаметр 0.9 мм. Надо только аккуратно снять фаску, чтобы не испортить гнездо. Жила имеет качественное серебрение и, к тому же, устраняется паяное соединение. Если нет специальных разъемов, то можно использовать обычные. Только не ставить штырек. Небольшой зазор между жилой и фторопластовой изоляцией существенного влияния на КСВ на данном диапазоне не оказывает.  Рис 5.4 Разъемы - один после штатной сборки, другой без штатного штырька На Рис 5.4 показаны разъемы - один после штатной сборки, другой без штатного штырька.
Тем не менее, несмотря на все ухищрения, опустить суммарные потери в тракте ниже 6...7K мне не удавалось. Напомню, что в моем случае шумовая температура всей системы Ts = 19 K. Тогда прибавка 6 K это ухудшение сигнал/шум принимаемого сигнала на 1.2 дБ. Для EME связи это очень заметно.
Кроме SMA реле я еще пробовал отечественное реле РЭВ-16. Это случилось после того, как я заметил нестабильность потерь в SMA реле. Приближались соревнования и надо было что-то делать. Недостаток РЭВ-16 в низкой изоляции отключенного выхода. Примерно 27 дБ на частоте 1296 МГц. Однако выручает дополнительная развязка облучателя. Суммарная изоляция обеспечивает надежную защиту входа МШУ.
Для начала изготовил самодельные переходники на отечественные SMA (СР-50 семисотой серии). Даже в таком виде потери оказались не больше, чем у лучшего SMA реле. Стабильность получилась безупречной. Ведь в этом реле разрыв цепи при переключении происходит только в одной точке. Плохая изоляция добавляет немного шумов. Пусть нагрузка, на которую происходит переключение в режиме передачи, имеет температуру 300 K. Если развязка в реле равна 27 дБ (500раз), то добавочный шум равен 300K/500 = 0.6K. Впрочем, нагрузку можно и не накручивать.
Дополнительное удобство это то, что в данном реле разъемы не стоят в одну линию. Поэтому можно применять прямые адаптеры. Их проще сделать и потери в них меньше. Можно вообще обойтись без адаптеров, что я и сделал в конце концов. Сделал зонд с необходимым разъемом Рис 5.5.  Рис. 5.5 Зонд с разъемом Сделал разъем для МШУ Рис 5.6.  Рис 5.6 Разъем для МШУ Все в сборе на облучателе показано на Рис 5.7.  Рис 5.7 Все в сборе на облучателе Адаптер остался только для нагрузки. Хотя ее ставить не обязательно. Подробности конструкции можно посмотреть здесь. Все эти доработки, несомненно, снизили потери. Думаю где-то до 5K, а возможно и лучше. Однако 5K тоже жалко терять. Ведь эти 5K так трудно было отвоевывать у МШУ. Начал думать о том, как вообще обойтись без реле. Вариант без реле.В свое время, когда настраивал облучатель, я применил простой способ улучшения изоляции между передающим и приемным портами. Помещал в рупор небольшой диск, а затем перемещал его вдоль оси рупора до получения максимальной изоляции. Затем менял диаметр диска и опять искал максимум. Имея две степени свободы можно всегда получить максимальный результат. Здесь используется компенсационный метод. С передающего входа небольшая доля мощности попадает на приемный. Можно это пролезание скомпенсировать, если добавить на приемный вход такой же сигнал, но с противоположной фазой. В моем случае часть мощности передатчика отражается от диска и попадает на приемный вход. Подбор диаметра диска это подбор необходимой амплитуды. Положение диска на оси рупора это подбор фазы. На фиксированной частоте можно получить любую, самую большую изоляцию. Главная проблема это стабильность во времени полученных результатов. Итак, я решил попробовать этот вариант. Получил изоляцию почти 60 дБ и дрожащей рукой включил передатчик. МШУ остался жив. На самом деле я боялся проблем на гармониках передатчика, где вся эта изоляция не работает. Но все обошлось. Это была зима и в таком режиме я проработал около двух месяцев. Даже отработал в EME SSB контесте. Проблемы начались при оттепели. Причем это было связано не с влиянием температуры на размеры, а с влагой, которая конденсировалась внутри рупора. В результате я потерял подряд два хороших транзистора и прекратил эксперимент. Можно конечно обвешать вариант без реле схемами защиты и дистанционной подстройки. Но это слишком сложно и ненадежно.
Антенный переключатель.Дальше начался поиск какого-либо иного способа защиты МШУ от собственного передатчика. Перепробовал несколько вариантов, но ни один из них не понравился. Пробовал опускать в волновод защитные штыри. Пробовал добавлять в эти штыри поглощающие резисторы. Пробовал опускать пластину из поглотителя. По принципу волноводных СВЧ аттенюаторов. Пробовал еще что-то. Видно, что все это было связано с наличием механических перемещений. Т.е. с наличием некоторого сервопривода. Тут мне хорошую идею подсказал Дима RA3AQ. Использовать серво-машинки от летающих моделей самолетов.
В конце концов, решил просто выдергивать приемный зонд из волновода на время передачи. Вместе с навинченным на зонд МШУ. В таком случае зонд всегда подключен к входу МШУ. При переключении разрыва в центральном проводнике нет. Разрыв появляется только во внешнем проводнике. Однако известно, что в коаксиальной линии более 80% потерь относятся к центральному проводнику. К тому же для внешнего проводника проще обеспечить хороший разветвленный контакт. Эксперимент показал, что при таком варианте какого либо ухудшения чувствительности приемника не видно. Сравнение проводил по соотношению шум солнца/холодное небо. Сравнивал два варианта. Стационарный зонд Рис 5.8 и зонд с самодельной цангой на внешнем проводнике Рис 5.9. Цанга входила в отверстие в стенке волновода через направляющую втулку Рис 5.10.
 Рис 5.8 Стационарный зонд
 Рис 5.9 Зонд с самодельной цангой на внешнем проводнике
 Рис 5.10 Направляющая втулка
На Рис 5.11 показано все устройство в сборе.  Рис 5.11 Устройство в сборе Видны две направляющие стойки, по которым вверх-вниз перемещается каретка. На каретке закреплен зонд и МШУ. Виден концевой выключатель. При верхнем положении каретки он дает разрешение на включение передатчика. Видна также плата контроллера, который управляет движением.  Рис 5.12 Рулевая машинка HS-475HB На Рис 5.12 видна рулевая машинка HS-475HB. Для преобразования вращательного движения машинки в линейное перемещение каретки служит кривошипно-шатунный механизм. Полное перемещение каретки соответствует повороту вала на 180 градусов. Достоинство кривошипно-шатунного механизма заключается в том, что в крайних точках скорость перемещения каретки падает до нуля. Даже быстрое перемещение происходит плавно и без ударов. К тому же в крайних точках обеспечивается максимальное усилие. Длинна кривошипа должна быть равна половине необходимого перемещения (у меня 26мм от оси до оси). Шатун должен быть раза в два длиннее (у меня 58мм). Время переключения определяется скоростью машинки и составляет примерно 1.5 секунды. Так что укороченное эхо все таки слышно.
Я использую следующий алгоритм управления. При переключении с приема на передачу начинается движение каретки вверх. В крайнем положении срабатывает концевой выключатель, который дает разрешение на включение передатчика. Через 2 секунды питание с машинки снимается. Кривошипно-шатунный механизм обеспечивает в крайних положениях достаточную фиксацию при обесточенной машинке. При переключении на прием опять подается питание, и после окончания движения напряжение питания опять снимается. Это позволяет немного форсировать напряжение питания ( до 7 В ) и, тем самым, уменьшить время переключения. Немного позже пришлось добавить еще одну доработку. Сначала было так, что если в середине движения убрать сигнал на переключение, то каретка моментально начинала возвращаться. При этом возникал удар, который ломал пластмассовые шестеренки редуктора машинки. Особенно при форсированном напряжении питания. Теперь, если убрать на пол пути сигнал переключения, то каретка завершает движение и только после этого возвращается назад. После доработки редуктор работает надежно. Видеозапись движения каретки можно посмотреть здесь. Выводы.Видно, что потери в соединительном тракте могут оказать большое влияние на чувствительность приемной системы. Часто достаточно одного плохого разъема, чтобы испортить все дело.
Каждый из рассмотренных вариантов имеет свои достоинства и недостатки. Классический вариант с реле привлекает своей простотой и надежностью. Если все сделать очень аккуратно, то этот вариант добавит к общей шумовой температуре системы около семи градусов. Дальше все зависит от МШУ и от антенны. Если общая шумовая температура приемной системы составляет 70...80K (что встречается очень часто), то ухудшение составит 10% или 0.4 дБ. В принципе не так много. По мере оптимизации системы эта доля растет. Для меня это уже ухудшение на 35%. Особенно хорошо понимаешь эту цифру, если смотришь чем можно скомпенсировать такие потери. Скажем, добавить несколько квадратных метров к площади антенны! В моем случае это увеличить диаметр антенны с 3.4м до 4.0м! Мне проще сделать самодельный антенный переключатель.
Впрочем, здесь тоже не все просто. То, что я сделал это скорее демонстрация идеи, а не законченное изделие. Нет хорошей защиты от пыли и влаги. Контакт латунной цанги с алюминиевой стенкой облучателя очень недолговечен. Нужны соответствующие гальванические покрытия. В общем есть чем заняться.
Дополнение 18.05.2010
На днях провел эксперимент, который хорошо подтвердил мои догадки. По поводу основного источника потерь в разъеме. Постарался максимально аккуратно измерить деградацию шумовой температуры МШУ с адаптером "папа-папа" SMA на входе.
Проверил четыре варианта. Три варианта показаны на Рис 5.13. Четвертый вариант - это переделанный адаптер №2. Переделка заключается в замене центрального проводника. Смотри Рис 5.14.  Рис. 5.13 Варианты адартеров SMA  Рис 5.14 Переделанный адаптер №2 Внутри адаптера две фторопластовые втулки. Между ними зазор примерно 3мм, небольшой отрезок воздушной линии. В этом месте в корпусе адаптера внутренний диаметр уменьшен. Есть ступенька, в которую упираются втулки. Соответственно на центральном проводнике имеется утолщение. Когда я потянул за один конец центрального проводника, то он вынулся вместе с одной из втулок. Новый центральный проводник сделал из посеребренной жилы полужесткого кабеля 0.141 дюйма. Посередине кусочек фторопластовой изоляции кабеля. Он корректирует волновое сопротивление и, заодно, не дает вываливаться проволочке.
Итак имеем четыре варианта адаптера. Первые два это дешевые образцы с золоченым центральным проводником. Третий - это золоченый дорогой адаптер. Четвертый - это переделанный дешевый адаптер.
Результаты измерений коэффициента шума МШУ. В последнем столбце деградация шумовой температуры.
#1 0.261 dB + 9.0K
#2 0.202 dB +4.9K
#3 0.171 dB +2.7K
#4 0.140 dB +0.6K
Видно, что проблема дешевого адаптера только в центральном проводнике. По крайней мере для диапазона 1296 МГц. Такое впечатление, что он сделан из слегка позолоченного нихрома. Впрочем дорогой адаптер тоже не блещет результатами. К сожалению такая замена возможна только для "папы" SMA. Немного утешает то, что наша посеребренная "мама" является универсальной. Годится как для метрической, так и для импортной дюймовой резьбы. |
Статьи 
