(language version)

Světový rekord na 122 GHz, zkušenosti a popis zařízení [2014]

[37. GHz Tagung Dorsten - 15.
únor 2014]

Článek napsal OE5VRL a OE4WOG
oe5vrl(at)oevsv.at & oe4wog(at)oevsv.at

- Začátek
- Komponenty a moduly
- Konstrukce zařízení / antén
- Měřicí technika
- Provoz
- Výhled a budoucí projekty


V roce 2005 vytvořil Brian Justin, WA1SZM a Pete Lascell, W4WQW nový světový rekord v pásmu 122 GHz spojením na vzdálenosti 114,4 km. Použitá modulace byla QRSS, takže spojení proběhlo pouze mezi zvukovými kartami dvou počítačů. Přenos jednoho bodu (písmeno E) trval asi 30 sekund.

Kolem roku 2006/7 začaly v DL první pokusy v pásmu 122 GHz mezi Walterem Illerem, DH6FAE, Karlem Ochsem, DJ6BU, Philipem Prinzem, DL2AM a Jürgenem Dahmsem, DC0DA.

V OE bylo první spojení na 122 GHz navázáno v roce 2009 mezi OE3WRA a OE3WOG na vzdálenost 1,5 km. Délka trasy se poté postupně prodlužovala až na 22 km. Vzhledem k parametrům první a druhé generaci transvertorů, CW vysílačům a anténnímu řešení, které bylo v té době k dispozici, to v té době představovalo maximum možného. Souběžně s aktivitami v DL a OE probíhaly také pokusy na tomto pásmu v OK mezi OK1AIY a OK1UFL.

 

#01 - Blokové schéma transverteru / CW majáku běžně používaných na mm vlnách

Na obrázku #01 je zobrazeno "klasické" schéma transvertoru používaného na kmitočtech nad 100 GHz bez filtru zrcadla. Během prvních testů byly použity OCXO a fixním násobičem (x96 / x128). OCXO dnes většinou nahrazuje PLL od OE2JOM.

Charakteristiky:
nejsou použity aktivní prvky mezi směšovačem a anténou,
není použit filtr zrcadla (což zhoršuje šum přijímače o +3dB),
kulatý vlnovod pro ozařovač, relativně snadná výroba, vlnovod funguje jako horní propust,
směšovač je použit pro RX i TX zároveň,
podobná struktura také v zapojení CW majáku (označovaného jako "HI power"), pouze s vypuštěním MF,
harmonický směšovač pracující od 40 GHz pouze se Schottkyho diodami GaAs,
výstupní TX úroveň samotného transvertoru kolem 0,1 mW,
výstupní TX úroveň CW majáku přibližně 1 mW,
odhadované šumové číslo (NF) kolem 25dB,
pro mezifrekvenci je použit klasický 2m nebo 70cm "all mode" TRX

Koncept násobiče: první stupeň násobiče, který používá vstupní frekvenci (OCXO nebo PLL) mezi 90 až 141 MHz.
 

#02 - Schéma násobiče pro 38/40 GHz

 

V zapojení je použit buď násobič s fixním nastavením (x96 nebo 128krát) MKU od firmy Kuhne/DB6NT (nová generace vybavená PLL), nebo je použit násobič využívající VCO typu DRO (Dielectric Resonator Oscillator), který umožňuje flexibilní změnu referenční vstupní frekvence pro LO z OCXO nebo PLL modulu. Pro pevné násobení např. x96 je pro 122 GHz vyžadována vstupní frekvence kolem 141 MHz. Nevýhoda: krystal běží v 5. overtonu, což způsobuje vyšší fázový šum a vyšší požadavek na teplotní stabilitu. Alternativní řešení: použití DRO. Skládá se z keramického rezonátoru (pecky z mikrovlnné keramiky), hřebenového generátoru, rozmítače a PLL. Fázový šum DRO je stejného řádu jako u jiných běžných násobičů, ale je možné jeho "zavěšení" do PLL.. Možnost volitelně nastavit násobící poměr umožňuje využít nižší vstupní (referenční) frekvence v rozsahu mezi 90 až 105 MHz.

#03 -  13,4 GHz DRO od firmy CTI

Na obrázku #03 je zobrazen 13,4 GHz DRO od firmy CTI s externím referenčním vstupem. DRO lze nalézt i v satelitních hlavičkách. V komerčních směrových rádiích bývá DRO nejmodernějším řešením LO. Rozsah ladění je několik stovek MHz, rozsah "zachycení" DRO-PLL přibližně 10 až 15 MHz.

Typická referenční frekvence pro „zavěšení“ DRO bývá 101,00995 MHz, DRO se poté zavěsí na 134. harmonickou. (13,5333333 MHz x 9 = 121 818 + 432 = 122,250 GHz)

.

#04 - Pohled do útrob oscilátoru DRO 12,575 GHz s vestavěným referenčním oscilátorem

Ve výprodeji je možné nalézt řadu obdobných DRO se zabudovaným referenční oscilátorem.

#05 -  Ztrojovač pořízený z výprodeje, který pracuje od 13 do 39 GHz

Druhý stupeň násobícího řetězce se skládá z takzvaného modulu "ztrojovače", což je vlastně lineární výkonový zesilovače se ziskem 50dB a výstupním výkonem až 100mW původně pracující v rozsahu 38 až 39 GHz (použitý v mikrovlnných spojích GSM operátorů). Násobení na cca 40 GHz má tu výhodu, že ho lze použít i pro pásma 76 GHz (subharmonický směšovač x2) a 122 GHz (harmonický směšovač x3). DL2AM několikrát popsal různé modely, které jsou dostupné na E-bay. Vstupní konektor je SMA a na výstupu je vlnovod WR28.

#06 - Zapojení 60 GHz LO pro 122 GHz subharmonický směšovač

Alternativně je možné použít koncept 60 GHz LO pro 122 GHz subharmonický směšovač. Walter Iller, DH6FAE, Karl Ochs DJ6BU a Jürgen Dahms DC0DA navrhli a implementovali tento koncept LO pro 122 GHz. Toto zpracování LO má však tři stupně a zdvojnásobuje od 15 GHz nejprve na 30 GHz a poté na 60 GHz. Subharmonický směšovač s tzv. antiparalelní diodou se používá na 122 GHz. Nevýhoda: kvůli nízkému výkonu na 60 GHz je myslitelné použití pouze pro RX. Toto zpracování 60 GHz LO popsal Jürgen Dahms, DC0DA ve sborníku konference Dorsten GHZ 2009, název: „Nový přijímačový mixer pro 122 GHz“.

 

#07 - PCB od DB6NT pro 122 GHz směšovač / CW maják

PCB č. 35 - směšovač/ztrojovač           PCB č. 47 směšovač/ztrojovač pro WR28         PCB č. 40 směšovač/zdvojovač 60/120 GHz


 

Pro konstrukci směšovače jsou k dispozici desky s obvody od společnosti Kuhne electronic, které umožňují různá připojení k vlnovodu WR28.

Obrázek #08 výše zobrazuje subharmonický směšovač s antiparalelní diodou. V závislosti na typu diody existují rozdíly v zapojení MF a v nastavení pracovního bodu. Kvůli zpětnému DC je nutné v zapojení s jednou diodou použít tlumivku. Ve spodní části obrázku je zobrazen zesilovač na plošném spoji č. 26 podle DB6NT s přepínáním RX / TX, který dává kladné spínací napětí pro přepnutí RX / TX. Ve směru TX je signál IF směrován pomocí regulace úrovně (přibližně 50 až max. 100mW). Při přepnutí pro RX se doporučuje snížit vstupní výkon LO a tím v případě potřeby dosáhnout nižší hodnoty šumu, který je též dán typem použité diody. Určitá zlepšení může také přinést změna klidového proudu diody.

Pokud se rozhodneme použít obvod pro vysílač CW majáku, stupeň MF a další stupeň jsou vynechány. U varaktorů nebo jednotlivých Schottkyho diod je 0,22µH tlumivka (stejnosměrná zpětná vazba) nahrazena trimrem, aby bylo možné nastavit pracovní bod. Varaktorové diody vyžadují pracovní odpor 5 až 10 kOhm. Pokud používáme pouze jednotlivé Schottkyho diody, měly by stačit nižší hodnoty.
 

#09 - Pouzdro pro diody GaAs Flip Chip

Vnější rozměry L x B x H = 0,66 x 0,33 x 0,19mm

 

Pro 122 GHz CW maják ( se ztrojovačem) se používá samostatná Schottkyho dioda MAE1310 nebo MAE1317. Při použití varaktorové diody na 76 GHz je dosaženo výstupního výkonu kolem 10mW, výstupní výkon na 122 GHZ je o 10dB nižší (1 mW). Antiparalelní diody se používají pro subharmonické přijímací směšovače a jednotlivé diody (MAE1317 nebo MAE1310) pro harmonické směšovače. Všechny diody mají stejnou velikost pouzdra. Na obrázku je flipchipová dioda MAE1317 od M/A Com. Mechanické rozměry jsou: 0,66 x 0,33 x 0,19 mm.
 

#10 - Lepení diod

Ať už Schottkyho nebo varaktorové diody, komponenty se lepí pozlacenými připojovacími plochami (0,2 x 0,17 mm) na páskový spoj desky plošných spojů pomocí vodivého stříbrného lepidla.

#11 - Směšovací hlava s triplerem a IF pouzdrem F od "micro-mechanik", ráná generace, design DL2AM #12 - Pouzdro pro 122 GHz směšovač od micro-mechanik, design DC0DA

Práce a instalace flip-chip diod je vysvětleno v popisech od společností Kuhne electronic a DL2AM. Pro práci potřebujete různé náčiní a pomůcky, jehly, párátka atd.

#13 - Mechanické uspořádání pro konstrukci pouzdra směšovače podle F1GHB. #14 - Směšovač s triplerem a IF stupněm podle F1GHB.
   
#15 - Pouzdro pro směšovač / CW maják
se stojícím vlnovodem WR28 (OE3WOG)
#16 - Pouzdro pro směšovač / CW maják s horizontálně orientovaným vlnovodem WR28 (OE3WOG)
#17 - Třídílné pouzdro OE5VRL pro směšovač a CW maják #18 - Pouzdro OE5VRL, základní deska s připojeným PCB


#19 -
Hotové pouzdro směšovače s triplerem a MF stupněm (OE5VRL)

Od doby prvních pokusů v pásmu 122 GHz byl vyvinuta celá řada VF pouzder pro směšovače a násobiče. Na předchozím obrázku je zobrazena kompaktní a minimalistická konstrukce OE5VRL.


#20 -
122 GHz transvertor OE5VRL umístěný v ozařovači paraboly

Obrázek ukazuje 122 GHz transvertor I. generace OE5VRL uzpůsobený pro montáž transvertoru do ohniska paraboly.

 


#21 - 122 GHz
transvertor OE3WOG s DRO

Na přechozím obrázku je zobrazen 122 GHz transvertor OE3WOG II. generace s 13,5 GHz DRO s OCXO a držák antény o průměru 20 mm v ohnisku 70cm paraboly KEPS.


#22 -
122 GHz transvertor WA1ZMS [2005]

Na předchozím obrázku je fotka 122 GHz transvertor WA1ZMS a W4WWQ (W2SZ), který byl v roce 2005 použit pro vytvoření nového světového rekordu na vzdálenost 114km.

 


#23 - 122 GHz
v OK (OK1UFL /OK1AIY)

Předchozí obrázek zachycuje 122  GHz zařízení Milana, OK1UFL a Pavla, OK1AIY (vpravo na obrázku). Pohyblivá stativová hlava je připojena k mechanickému interface, na kterém je paralelně nainstalován transvertor s parabolou a QRO CW maják s hornou.  Systémy běží současně, výkonnější maják slouží k přesnému dosměrování paraboly.

#24 - měření během SHF/SHF setkání v holandském Heelwegu #25 - SHF setkání Hohenbachern - měření šumového čísla

Většinu měření v pásmu mm vln lze zařadit do několika základních oblastí, jedná se o: měření výkonu, šumového čísla, měření frekvence, měření síly signálu, fáze a čistoty signálu (jestli signál neobsahuje vyšší harmonické složky či parazitní signály).

Díky použití PLL OE2JOM již většinou není zapotřebí měřit přesnost kmitočtu. Horší je to s měřením výkonu a šumovým číslem, zde pomáhá účast na různých mikrovlnných setkáních, na kterých často bývají k dispozici profesionální měřicí zařízení. (Hohenbachern, Mnichov, Dorsten, Heelweg atd.)
 

#26 - Nastavení 122 GHz CW majáku #27 - Úroveň 144 MHz MF signálu na výstupu z transvertoru

Pokud není k dispozici profesionální měřící technika, je možné si vypomoci při nastavování transvertoru a CW majáku pomocí MF výstupu na druhém zařízení či za pomoci jednoduchých měřících pomůcek. V OE se pravidelně setkáváme během kontrolních dnů, kdy si vzájemně porovnáváme parametry našich zařízení a vyměňujeme zkušeností.

#28 - současný 122 GHz transvertor OE3WOG


#29 -
současný 122 GHz transvertor OE5VRLs "high power" CW majákem

Na předchozím obrázku se nachází 122 GHz CW vysílač OE3WOG s 1 mW výstupem a DRO s PLL (verze 2013) Další obrázek ukazuje 122 GHz transvertor a CW vysílač OE5VRL.

#30 - 40cm AL anténa vyrobená na CNC stroji s přepravním boxem #31 - Pohled zezadu na 47cm anténu
s nastavením elevace

Všechny parabolické antény, které se v současné době používají na mm pásmech v OE, jsou vyrobeny z jednoho hliníkového kusu a byly vyrobeny pomocí CNC stroje. 121 cm anténa (35 kg) je také vyrobena z hliníku, ale pochází z komerční výroby. K uchycení 121 cm antény byl proto nutný dodatečný mechanický interface, viz obrázek. Pro úspěchy na mm pásmech je zásadní pravidelné setkávání mm nadšenců během kontrolních dnů, výměna zkušeností a praktické zkoušky zařízení v terénu.

#32 - 121cm anténa ("das Monster") #33 - Zařízení pro nastavení elevace a azimutu pro 121cm parabolu

 

#34 - Srovnání antén u OE5VRL/5 #35 - mm QSOs během letního BBT
(všechny OE stanice směrují antény k OK1AIY)
   
#36 - setkání Hohenbachern 2013,
anténí měřící "polygon"
#37 - 122 GHz, Srovnávání zařízení za pomoci DB6NT
v oblasti Oberfranken


#38 - Terénní profil mezi Plöckensteinem a Untersbergem

Podmínky během pokusu o rekordní spojení na 122 GHz: na obrázku je teréní LOS profil mezi Plöckensteinem a Untersbergem, první Fresnelova zóna nebyla narušena.


#39 - Graf zobrazující specifický útlum pro atmosférický kyslík a vodní páru.

 

Na mm pásmech mm je kromě útlumu volného prostoru také zásadní přídavný atmosférický útlum, jak je názorně vidět v následující tabulce.



Přesný výpočet útlumu na trase z Untersbergu do Plöckensteinu na 122,250 GHz

 

Podle výše uvedené tabulky byl přijímaný signál 5 dB nad šumem našeho přijímače pouze teoreticky, ve skutečnosti jsme z různých předešlých testů již věděli, že ne vždy je mezi našimi zařízení shoda do posledního 1dB. CW maják OE5VRL dával asi o 3dB menší výstupní výkon (-3 dbm), zatímco na straně OE3WOG byl zase o něco citlivější přijímač směšovače, takže ve výsledku se rozdíly vzájemně odečetly. Zařízení jsme tedy rozdělili takovým způsobem, že předpoklad úspěšného příjmu signálu byl zhruba stejný. Pokud by dodatečný útlum atmosféry byl vyšší pouze o 0,05dB/km (6,6dB/132km), spojení by se nepodařilo.

Pokud jde o použití parabolických antén v pásmech mm vln, je třeba poznamenat, že úspěch je možný pouze za podmínek použití antén se skutečně přesným povrchem. Při testu na 122 GHz v roce 2010 jsme zjistili, že 65 cm offset parabola ze satelitní TV vykázala pouze o 1 dB větší zisk než přesně vyrobené zrcadlo o průměru pouhých 10cm.

#40 - Plöckenstein - OE5VRL #41 - Ve středu obrázku je viditelný 200km
vzdálený vrch Dachstein (3000m ASL)
   
#42 - Na vrcholu Untersbergu - OE3WOG / DL3MBG #43 - Pohled ve směru na Plöckenstein,
v údolí je vidět město  Salzburg

Od dob prvních pokusů používáme na pásmech 76 a 122 GHz systém uchycení feedu pomocí držáku o průměru 20mm. Přesně před ohniskem je objímka namontovaná na stativu s otvorem 20 H7. V tomto otvoru je ozařovač společně s transvertorem nebo CW vysílačem zasunut zepředu a mechanicky připevněn. Tato konfigurace umožňuje snadnou výměnu zařízení ve velmi krátké době. Při testování mikrovlnných pásem má smysl nejprve nesměřovat anténu na nižší frekvenci (10, 24, 47, 76 GHz) a poté přejít na další vyšší pásmo. Anténu je třeba znovu a znovu donastavovat (čím je použita vyšší frekvence, tím je hlavní lalok antény užší). K ozáření paraboly na všech frekvencích nad 10GHz používáme příslušné kruhové vlnovody.

Mechanika je navržena tak, že transvertor je zatlačen do držáku až po doraz, takže je ozařovač vždy přesně v ohnisku. Naše home made paraboly vyrobené na CNC (o průměru 10 cm, 40 cm a 47 cm) i komerční parabola o průměru 121 cm mají stejné poměr F/D 0,4. Jelikož v naši skupině všichni používáme stejný princip montáže, naše zařízení jsou zcela záměnná, což je velká výhoda při srovnávání parametrů.

Aby bylo možné přesně nasměrovat parabolu s velmi úzkým hlavním lalokem, je nezbytná stabilní montáž. Vřetena se závitem jsou ideální pro jemné nastavení. Stativ musí být samozřejmě také robustní, aby poskytoval stabilní a větruvzdornou platformu.

 

Názorný příklad toho, jak velký výkon do jaké paraboly je nutné použít pro překlenutí příslušné vzdálenosti.

 

Videa na YouTube, která se zabývají tématem 122 GHz:

http://www.youtube.com/watch?v=JlgoepVF43E  
122 GHz QSO na 132 km z 19. září 2013

http://www.youtube.com/watch?v=cynX4VD2n6Q  
122 GHz QSO na 55 km z 20. listopadu 2009
 

http://www.youtube.com/watch?v=E6LP6hBSeIY
122 GHz Test na vzdálenost 45 km

http://www.youtube.com/watch?v=SHrMtOXnf98  
122 GHz Test na vzdálenost 12,5 km

http://www.youtube.com/watch?v=OMronFbILRY  
122 GHz Test na vzdálenost 36 km

 

 

 

Budoucí projekty:

 

 

60 GHz LO pro 122 GHz subharmonický směšovač

 

Potlačení fázového šumu

 

T9 CW signál také na 122 GHz

 

Zlepšení ozáření povrchu antén

 

134 GHz ( nebo i výše ? )

 

https://www.eravant.com/110-to-170-ghz-18-db-gain-6-0-db-noise-figure-in-line-wr-06-waveguide-d-band-low-noise-amplifier

?
https://www.eravant.com/110-to-170-ghz-30-db-gain-6-5-db-noise-figure-in-line-wr-06-waveguide-d-band-low-noise-amplifier

?

 


TNX OE4WOG & OE5VRL za svolení uveřejnit jejich prezentaci na webu OK2KKW web - editoval a přeložil OK1TEH