Ricetrasmettitore CW HBR/8B

Inizio questo post perché sto iniziando il lungo processo di autocostruzione di questo ricetrasmettitore.

Mesi fa ebbi un QSO QRP 2 QRP con un OM di Mosca, Alex R2AUK. Lui stava usando un rtx da lui progettato.
Incuriosito di questa cosa gli scrissi una email, alla quale lui mi rispose con tutti il link del suo blog (in Russo) dove lui spiega ogni parte del ricetrasmettitore, e con il link al progetto. Vista la documentazione veramente esauriente ho deciso di provare questo primo progetto di una autocostruzione “tradizionale”.
Il progetto, per altro, si propone di costruire un RTX supeterodina da “base” a 8 bande, e/o un RTX “portatile” a 4 bande.

Il ricevitore si presenta molto semplice e tradizionale:

  • Una buona sezione di filtri in ingresso (incluso un passa banda in ricezione);
  • Un mixer con una IF di circa 9 Mhz
  • Un buon filtro a quarzi;
  • Un rivelatore a prodotto
  • Un VFO comunque digitale
  • BFO invece “analogico”, per chiara scelta del progettista.

In questo momento sto reperendo componenti e chiarire le idee su come procedere, mentre in questo post raccoglierò un le attività e le prove che farò durante questa costruzione.

Sarà una strada lunga e spero che qualcuno più competente di me possa buttare ogni tanto un occhio per vedere se “vado fuori strada”.

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che bella idea… ma ti concentri sulla realizzazione della versione portatile o di entrambe?

Come primo passo sarà una realizzazione modulare a blocchi per prendere un po’ di confidenza: è la prima volta che realizzo un progetto di questo tipo.

Se poi funziona… Poco ci vuole fare la versione portatile (R2AUK ha anche pubblicato il circuito stampato completo per la versione portatile).

Ma meglio fare un passo alla volta.

Al momento ho cercato di studiare e capire i criteri con cui sono stati fatti i filtri passa basso: filtri ellitici, sembrerebbe non sia una topologia molto usata ma è promettente. Taglia letteralmente “come un coltello”. Ho anche disegnato dei circuiti stampati per poter realizzare questi filtri.

Sto anche iniziando a selezionare quarzi per il filtro IF. Anche qui c’è molto da imparare.

Più avanti posto qualche misura e qualche simulazione.

Intanto c’è da studiare.
Per con correre il rischio di mettere assieme un mucchio di componenti e trovarsi con infiniti problemi, preferisco ricostruire le scelte e decisioni fatte dal progettista.
Un elemento circuitale che si ripresenta almeno 3 volte nel ricevitore è l’amplificatore è l’amplificatore HF a retroazione (o feedback).

Bene, provo a simulare con LTSPICE questo semplice circuito e… non funziona! Apparentemente sembrerebbe completamente sbagliato il bias del transistor.

Per fortuna che Alex ha ben documentato questo amplificatore, e soprattutto la “Bibbia” da cui proviene (Experimental Method in RF Design).

Questo amplificatore, molto usato (soprattutto nella bibbia citata sopra) offre delle caratteristiche vantaggiose:

  • Buona larghezza di banda (limitata però alle HF, per via dell’alta impedenza di uscita);
  • Guadagno stabile nella frequenza di interesse;
  • Impedenza di ingresso ed uscita stabili nelle frequenze di interesse.

Svantaggi di una soluzione di questo tipo:

  • E’ “trasparente” alle impedenza, ovvero l’impedenza di uscita dipende dall’impedenza dell’ingresso.
  • Il feedback porta con se del rumore.

Dicevo che non riuscivo a simulare questo amplificatore in LTSPICE. Il problema era che “provando da ignorante” non avevo terminato correttamente impedenza di uscita ed ingresso.
Le resistenze R2 ed R4 da sole determinano impedenza di ingresso ed uscita, nonché il guadagno (se si vuole approfondire la teoria si può partire dal Blog di Alex e dalla “Bibbia”). Con le scelte fatte in questo caso l’impedenza di ingresso è di 50 ohm, e 200 ohm all’uscita del transistor (per cui la necessità di avere un trasformatore 4:1 in uscita per riportare tutto a 50 ohm nuovamente).
Non tenendo conto delle corrette impedenze previste in ingresso ed in uscita il circuito non funziona (almeno, non come previsto) e quindi anche LTSPICE serve a poco.
Il guadagno teorico è tra i 18 e 21 dB tra 3 e 30 MHz. Probabile che in realtà sarà minore di un 10 % circa.

PS

In modo del tutto casuale ho trovato questo video di un bravo autocostruttore inglese (18 - Another RF Amplifier - YouTube) che costruisce e spiega proprio questo schema circuitale.

E pensiamo anche al filtro CW.
Filtro al Quarzo, banda passante ovviamente 9 Mhz, larghezza vediamo cosa esce…

Per prima cosa caratterizzare i quarzi, ovvero determinale la Fs (frequenza di risonanza serie), Cm (motional capacity dicono gli anglossassoni, la capacità parassita presente in serie in un quarzo reale) solitamente dell’ordine dei fF (femto Farad), Lm (motional inductance), dell’ordine dei nH, e la resistenza serie (speriamo più bassa possibile per avere un Q elevato), ed infine la Cp, ovvero la capacità intrinseca dei tutto quello che sta attorno al cristallo vero proprio, piedini contenitore ecc.

Il progetto richiede quarzi molto simili tra loro e con Q maggiore di 100.000.

Primo problema: Come caratterizzare un quarzo?
Qui la cosa non è banale, e la teoria sottostante neppure, per un pseudoignorante della materia come sono io.
Ci sono dei sistemi “semiautomatici” che usando un nanovna misuranto tutti i parametri sopra… Ma saranno valori che avranno un senso o saranno valori inaffidabili?
E poi: il VNA è un sistema a 50 Ohm, i quarzi normalmente intorno ai 12,5. Come fare l’adattamento di impedenza?
Decido quindi di misurare dei quarzi usando il VNA ed una tecnica consolidata (misura di S21 nel punto di risonanza serie e delle frequenze nei punti con fase + e - 45 °.
Con mia meraviglia vedo che se lo strumento è correttamente calibrato nel range di misura che mi interessa (7 Khz) i valori calcolati manualmente coincidono con quello calcolati “automaticamente”. Buona cosa.

Per l’adattamento di impedenza provo in un paio di modi: ponte P greco resistivo, non utilizzabile perchè ha una attenuazione troppo alta e la gamma dinamica dello strumento non è sufficiente; trasformatore di impedenza 4:1… Ci provo ma mi convince.
Alla fine provo ad ignorare semplicemente il disadattamento di impedenza (e la cosa come vedrò poi ha assolutamente un senso).

Queste le misure effettuate sulla ventina di quarzi che ho in casa:

Nr Fs (Hz) Lm (mH) Cm (fF) Rm (Ohm) Q
1 8.996.684 19 16,5 23,84 44769
2 8.996.730 19,5 16 27,48 40205
3 8.996.580 18,6 16,8 21,95 47972
4 8.996.666 19,1 16,4 21,02 51240
5 8.996.750 19,9 15,7 31,74 35531
6 8.996.723 20,2 15,5 17,41 65721
7 8.996.750 20,7 15,1 20,75 56349
8 8.996.702 19 15,5 38,66 27722
9 8.996.730 19,7 15,1 17,28 64340
10 8.996.709 20,2 15,5 16,58 68969
11 8.996.661 19,7 15,9 12,84 86626
12 8.996.646 19,6 16 16,59 65271
13 8.996.798 20,1 15,6 11,35 100185
14 8.996.705 19,4 16,2 15,54 70425
15 8.996.647 19,6 15,9 20,46 54212
16 8.996.761 19,3 16,2 22,47 48642
17 8.996.456 19,2 16,3 23,77 45661
18 8.996.855 20,2 15,5 48,37 23587
19 8.996.701 19,8 15,8 29,8 37572
Media 8.996.698 19,62 15,87 23,05 54.473,63
Min 8.996.456 18,6 15,1 11,35 23587
Max 8.996.855 20,7 16,8 48,37 100185

Tutto sommato mi sembra una buona tolleranza in Fs, Lm e Cm (magari escludendo qualche quarzo), ma una Rm assolutamente spropositata ed un Q molto basso. Solo un pezzo supera i 100.000 di Q richiesti dal progetto. Da qui si vede anche come abbia poco senso adattare l’impedenza del sistema di misura: in pochissimi casi Rm è prossima al valore di 12,5 ohm in alcuni casi è ben oltre tre volte)

Che fare? Intanto rimisurare, magari in un diverso modo qualche pezzo per riconfermare le misure.
Poi proverò a fare una simulazione con qualche tool (LTSPICE probabilmente) per vedere cosa ne esce. Temo però di dover acquistare MOLTI altri quarzi.

Anche se banale inserisco lo schema del filtro:

Ogni condensatore va calcolato e adattato sulla base delle misure sopra rilevate.

Mi rispondo anche sulla bontà di questo quarzi: per un filtro CW la tolleranza massima su Fs dovrebbe essere di più o meno 10 Hz… Non ci siamo.
Temo di dover ordinare qualche centinaio di quarzi a questo punto per sperare in 5 buoni.

Un aggiornamento su questo “diario”…

Ho contatto una azienda tedesca specializzata nella produzione di quarzi.
Nessun problema nel reperire quarzi con la tolleranza di 10 ppm (ed eventualmente anche con ottima stabilità termina), ma il Q normalmente non supera gli 80.000.

Per avere una base statistica più importante ho ordinato un 100 di quarzi.

È passato molto tempo ma ho trovato tempo da dedicare a questo progetto.

Purtroppo il problema dei quarzi è più difficile di quanto credessi.

Ricapitolo: preso un primo lotto da 20 quarzi, solo 1 con Q > 100.000, Q medio intorno ai 50.000, enorme distribuzione di frequenza,(qualche centinaio di Hertz).

Preso un secondo lotto di quarzi da 100 pezzi, e qui nessun quarzo con Q>100.000, sempre distribuzione importante di frequenze.

Insomma, su 120 quarzi non ne metto assieme in nessun modo 5 per realizzare il filtro, e nemmeno 4 se volessi un filtro “largo” a 4 poli.

La mia idea, misurando questi 120 quarzi e che siano stati “preselezionati” in Cina, togliendo i migliori.

A questo punto sono dubbioso su come procedere. In commercio si trovano set di quarzi “preselezionati”, ma a prezzi importanti. Per non parlare dei filtri già pronti.
Probabilmente ordinerò un altro lotto da un fornitore “primario” (Mouser o Digikey), nella speranza di trovare qualcosa di meglio.

PS La caratterizzazione da sola, dal punto di vista teorico e sperimentale vale la pena di essere affrontata almeno una volta.

Ciao,
più che di una preselezione effettuata a monte penso si tratti di un processo produttivo non molto accurato, e comunque tagliato sulle esigenze medie del mercato. Vado a memoria, trattandosi di un ricordo dalla mia precedente “era radiantistica” ma, nel millennio scorso, esisteva almeno un’azienda presso la quale era possibile ordinare un quarzo, un set di quarzi, o un filtro, definendo una o più caratteristiche chiave. Mi ricordo anche che tempi di consegna e costo erano entrambi piuttosto elevati e, ovviamente aumentavano (parecchio) man mano che le specifiche si stringevano ma, alla fine, potrebbe risultare più conveniente effettuare un acquisto mirato piuttosto che una ricerca alla cieca pescando dal mucchio, molto probabilmente prodotto “senza troppo amore”. Ovviamente non ricordo il nome dell’azienda, ammesso che esista ancora.
EDIT
E in effetti sembrerebbe che ora ce ne siano più di una, anche in Europa (almeno formalmente). Tutto sta a vedere cosa sono in grado realmente di fornire.

Come leggi sopra mi sono anche rivolto ad una azienda che produce quarzi su “ordinazione”.
La risposta è stata che un quarzo con le caratteristiche che cerco non esiste!!!

Immagino che la risposta corretta sia “non è possibile produrlo con sufficiente riproducibilità” da qui quello che fan tutti, “selezionare”

A sostegno della mia idea alcuni quarzi avevano Rm (e quindi Q così basso) così alte da essere assimilabili a circuiti LC fatti con condensatori e induttori.

Hai ragione, avevi già provato con un’azienda tedesca: mi era sfuggito.
Poco sapevo a suo tempo e meno mi ricordo, ma con una veloce ricerca in rete ho trovato un documento della Microchip da cui ho estratto la frase qui sotto:
“The Q of a crystal is not normally specified in the data sheets. The
Q of standard crystals fall between values of 20,000 and 200,000 [5]. By way of comparison, the Q of a good LC tuned circuit is on the order of 200 [2]. The very high Q of a crystal contributes to the high frequency stability of a crystal oscillator”
Quindi, molto probabilmente, la difficoltà in una produzione di serie è dovuta non al Q > 100000 quanto all’accoppiata Q elevato + altre caratteristiche.
Che dire: complimenti, ovviamente e… buona caccia.

Ho trovato delle info nella lista QRPTech, che tratta esclusivamente autocostruzioni:
Ci sono due approcci:

  • Partire da materiale di qualità. Poche decine bastano;
  • Partire da materiale economico. Ne possono servire anche più di 500 per trovarne di buoni.

Cerco di farmi consigliare un venditore che abbia “roba buona” :slight_smile:

:rofl:

Ho chiesto in lista (la consiglio a tutti gli autocostruttori. C’è gente preparatissima che ha sempre il saldatore in mano: https://groups.io/g/qrptech).
Ho avuto due tipi di risposte:

  1. acquista almeno 100 quarzi da un distributore “primario” (svariate decine di euro). In mezzo ai quei 100 troverai quelli che ti servono.
  2. Metti assieme quanti quarzi puoi dai quelli che hai ma con una frequenza di risonanza strettissima (+ / - 3 Hz). Dimentica il Q.

Visto che i quarzi già li ho vado per il 2) intanto.