AmpEQ. Amplificatore equlizzato atto a compensare la disequalizzazione provocata da lunghe tratte di cavi coassiali

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1 AmpEQ Amplificatore equlizzato atto a compensare la disequalizzazione provocata da lunghe tratte di cavi coassiali GAI04 Memo Series Alessandro Scalambra Rev: Sergio Mariotti, Jader Monari I.N.A.F GAI04-FR /05/2005 1

2 Indice 1.1 Utilizzo AmpEQ 1.2 Considerazioni 1.3 Progettazione e costruzione 1.4 Misure 1.5 Conclusioni 2

3 1.1 Utilizzo AmpEQ In fase di progetto dei ricevitori per SRT è stato preso in esame l utilizzo di sistemi di equalizzazione atti ad ottenere dopo l attenuazione dei cavi di IF2 (dal PRIMARIO e dal GREGORIANO al BWG) una banda equalizzata con flatness contenuto. Si è constatato infatti, visti i risultati non esaltanti del link in fibra ottica, in termine di NF e di dinamica, che l unica soluzione possibile per avere ricevitori con elevata dinamica è quella di utilizzare il tradizionale cavo coassiale inserendo i backend direttamente sull antenna in BWG. Questa soluzione presenta però l inconveniente di avere una forte attenuazione differenziale visto le bande in questione e le tratte considerevoli di cavo coassiale in questione stimate in 110mt per PRIM- BWG e 30 per GREG-BWG. Se si considera ora il lavoro di cablatura dei cavi coassiali eseguito lo scorso anno sulla antenna di Medicina, in prima analisi possiamo stimare che le tratte siano così composte: Cavo coassiale PRIM to BWG 70m LDF4-50 semirigido 1/2pollice tratto ext. 20m RG 214 flessibile 1/4pollice tratto parti mobili 20m FJS2 semirigido 1/4pollice tratto int. Fig. 1.1 stima attenuazione cavi RF PRIM-BWG Cavo coassiale GREG to BWG 15m RG 214 flessibile 1/4pollice tratto parte mobile 15m FJS2 semirigido 1/4pollice tratto int. Per dare un idea della forte pendenza (disequalizzazione) in banda IF2 che si verrebbe a creare, avremmo nel caso del PRIM-BWG, ben 17dB di disequalizzazione di guadagno fra 0.1 e 2.1GHz. Per questo motivo si è pensato di studiare appositi equalizzatori amplificati atti a compensare e ridurre tale fenomeno. Tali dispositivi inseriti in catena non devono alterare in alcun modo le prestazioni dei ricevitori in termine di NF e IP3. Fig. 1.2 stima attenuazione cavi RF GREG-BWG 3

4 1.2 Considerazioni La disequalizzazione maggiore, come abbiamo detto, è quella sui ricevitori del PRIM. Per esempio se consideriamo il ricevitore RX L (posto nel BOX1) avremo una disequalizzazione di 4dB fra 1.3 e 1.8GHz mentre per il RXP di neanche 0.5dB in 40MHz. 1.3 Progettazione e costruzione Prendendo spunto da costruttori di amplificatori è emerso che, retroazioni con resistenze fra IN e OUT usate per appiattire la banda, provocano anche un aumento di guadagno alle alte frequenze. Simulando e verificando sperimentalmente si è constatato che tale utilizzo poteva a noi tornare utile per costruire un equalizzatore attivo senza alcun utilizzo di componenti passivi. Questa retroazione, se mal progettata, può provocare forti disadattamenti. Questo fenomeno in certi modelli di amplificatori può portare anche ad oscillazioni. Il componente più idoneo per tale scopo è stato identificato nel ERA6 della MiniCircuit. I parametri fondamentali per ottenere la contropendenza sono: n 2 REQ in resistenza di retroazione 130Ω n 2 REQ out resistenza di retroazione 120Ω WEQ spessori linea adattata retroazione 1mm LEQ lunghezza linea adattata retroazione 19mm Il Layout ottenuto con MicroWaveOffice, riportato in fig. 1.4, tiene conto delle esperienze conseguite e descritte nel precedente rapporto Banco commutabile di filtri a 4 vie per utilizzo in IF SRT. Fig. 1.3 disequalizzazione RX P, L in PRIM Da questa analisi e dalle esperienze acquisita nella progettazione e costruzione del AmpEQ è emerso che è difficilissimo equalizzare con flatness ±1dB ben 17dB su tutta la banda larga GHz. A questa punto è importante fere le seguenti considerazioni. O si equalizza ad hoc le singole bande dei RX in PRIM, o si accetta una flatness di ±3dB ottenuta, come vedremo in seguito, grazie a due AmpEQ, uno posto in PRIM (prima del cavo coassiale subito dopo il sistema di multiplessing RX PRIM) e uno in BWG (fra il cavo coassiale e il sistema focus selector). La disequalizzazione di IF2 in banda larga fra GREG e BWG è contenuta in 8dB. In questo caso un unico AmpEQ può essere messo in comune e posto dopo il sistema di multiplesing dei vari RX in GREG. AmpEQ Reference 3 C block ATC RF 100B68KP500X 68pF 1 CEQ ATC RF 100B0K5P500X 0.5pF 2 REQin R equalizzazione (1/4W) 130Ω 2 REQout R equalizzazione (1/4W) 120Ω 1 amplificatore MiniCircuit ERA6 1 L biass MiniCircuit ADCH-80 1 R bias (1W inserita esternamente) 120Ω 4

5 Fig. 1.4 Layout AmpEQ Fig. 1.5 Simulazione AmpEQ Le 2 resistenze REQ in serie MSD (2 per stadio di amplificazione) permettono una più fine regolazione ohmica. Valori consigliati presi in considerazione vanno da 82 a 150Ω. Più il valore ohmico è basso e più la pendenza della retta è accentuata e, generalizzando, anche il disadattamento alle porte aumenta. La lunghezza della pista di retroazione (L) e il suo spessore (W) permettano la sintonia del punto di massimo guadagno. Nel nostro caso si cercherà di avere il guadagno massimo intorno a 2.1GHz. Il condensatore CEQ posto nella posizione di fig. 1.4 porta il Return Loss S11 e S22 fuori dalla banda d interesse a circa 7dB. Tale condensatore si è dimostrato fondamentale in fase di test per scongiurare eventuali oscillazioni in condizioni estreme di funzionamento (AmpEQ con carico aperto o chiuso in ingresso o uscita). In fig. 1.5 è riportata la simulazione dei parametri S del AmpEQ. Come possiamo notare S11 e S22 sono ancora dentro a valori accettabili. 5 Fig. 1.6 Foto AmpEQ

6 1.4 Misure Sono state eseguite misure di parametri S, NF e IP 3. Come possiamo vedere in fig. 1.7 l andamento rispecchia perfettamente quello delle simulazioni. Per migliorare in futuro è S 11 e S 22 nella zona superiore della banda basterà portare la larghezza di tutte le piste adattate a 0.9mm. In fig 1.8 è riportata la curva della NF. L andamento del guadagno (curva color rossa) testimonia la non perfetta coerenza della misura eseguita alle alte frequenze. Il leggero aumento della NF (curva color giallo) a 100MHz sembra rispecchiare l andamento tipico di ogni amplificatore alle basse frequenze. Per sicurezza è stata eseguita anche una misura del AmpEQ senza retroazione che ha messo in evidenza l andamento simile della NF. 0.1GHz=9.2dB NF TYP=8.4dB Fig. 1.7 Misure parametri S Fig. 1.8 Misure NF (giallo) e G (rosso) Le prove di OIP 3 e di Po 1dB hanno confermato i dati del costruttore, ossia: OIP3=35.5dB P1dB=1dB Con l analizzatore di spettro sono state eseguite verifiche di eventuali oscillazioni in banda e fuori banda. Anche con l ingresso e l uscita chiusi su carichi aperti e chiusi, quindi in condizione di totale riflessione, l AmpEQ non ha presentato evidenza di alcuna oscillazione. 6

7 1.5 Conclusioni Il prototipo costruito rispecchia il comportamento simulato. Rispetto alla simulazione di fig. 1.5 risulta di pendenza maggiore (a 0.1GHz guadagna 14.5dB anziché 16dB) e presenta un adattamento S11 leggermente maggiore alle alte frequenze. La retroazione non ha provocato alcun degrado di prestazioni degli amplificatori ERA6 della MiniCircuit. S11 (Typ) (db) -14 S22 (Typ) (db) -16 Noise Figure TYP(dB) 8.4 Noise 0.1GHz (db) 9.2 OIP3 (dbm) 35.5 P1dB (db) GHz (db) GHz (db) 22.7 In fig.1.9 è simulato il comportamento di due AmpEQ, uno prima e uno dopo il cavo coassiale. Come si nota la disequalizzazione, che ora chiameremo flatness, si prevede essere contenuta in poco più di 3dB. Se come si pensa, in fuoco primario andranno montati solo ricevitori a bassa frequenza e non si avranno bande IF2 superiori a 1GHz, i 3dB di disequalizzazione su 2GHz di banda sono da considerarsi un ottimo risultato. L AmpEQ progettato per la tratta PRIM-BWG funziona a maggior ragione per la tratta GREG-BWG. In questo caso basta un solo AmpEQ opportunamente tarato per una disequalizzazione di 5-6dB. La REQ potrà essere aumentata e portata a REQin=150Ω e REQout=130Ω. Si tenga anche presente che tale PCB può essere facilmente incorporato, viste le dimensioni (fig.1.6), anche ad altri PCB di cui si prevede la costruzione come ad esempio il Multiplexer (switch a 8posizioni) o il Focus selector (switch a 4posizioni). Fig. 1.9 Simulazione AmpEQ + Att. Cavo + AmpEQ 7

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