QO-100 / Es’hail uplink

QO-100 / Es’hail uplink.

Uplink til den geostationære satellit Es’hail-2, der medfører amatørtransponderen QO-100 (Qatar Oscar 100), sker på 2400 MHz. Det er den del af 13 cm båndet, der stadig er tilladt i Danmark.

Der findes mange måder at skaffe sig et 2400 MHz signal på. En gammel 13 cm transverter kan sandsynligvis trimmes om til 2400 MHz. Man kan også købe færdigbyggede upconvertere på markedet – til en pris. Vil man gøre det selv, kan moderne UHF SDR transceivere som PLUTO, LimeSDR mm. programmeres til at producere signaler direkte på 2400 MHz – og så er der den udvej, at bygge sin egen upconverter.

I det følgende vil jeg beskrive, hvorledes man samler en 2400 MHz upconverter udelukkende med enheder – byggeklodser – købet på internettet til små penge.

Alle delene er fundet hos min normale internet ”pusher”, Aliexpress. Der er flere udbydere og jeg vil ikke favorisere ”Ali” med direkte links, så jeg angiver blot nogle relevante søgeord. Så kan man google sig til den ”dealer” man er afhængig af.

Upconverter:

 

Lokaloscillator og mixer

Upconverteren indeholder et ADF4351 modul, der laver lokaloscillator signalet på 2256 MHz (144 MHz IF) eller 1968 MHz (432 MHz IF). LO forstærkes op i en bredbåndsforstærker og i mixeren blandes LO med 144 MHz eller 432 MHz. På mixerens RF port – udgangen – findes nu signalet på 2400 MHz, samt diverse blandingsprodukter.

8 V regulatoren er en 7808, der forsyner Arduino, ADF4351 og LO forstærkeren med spænding. Jeg har gjort det på den måde, for ikke at stresse regulatorerne på Arduino og ADF4351 board ved at forsyne dem fra 12 V – og fordi LO forstærkeren skulle bruge 8 V.

ADF4351 PLL modul:

ADF4351 modul

Lokaloscillatoren er et færdigsamlet PLL modul med IC kredsen ADF4351. Denne IC indeholder en VCO på selve IC chip’en, der arbejder i området 2200 MHz til 4400 MHz. På printet findes også en 25 MHz referenceoscillator ved siden af det SMA stik, hvor man som option kan tilføre sit egen reference signal – f.eks. fra en GPS modtager.
IC’en programmeres igennem et 8-pin printstik og kan indstilles til alle frekvenser fra 35 MHz til 4400 MHz med 10 kHz spring. VCO’en arbejder altid imellem 2200 og 4400 MHz, så indstiller man til en lavere frekvens, er det frekvensdelere i IC’en, der deler ned til det ønskede . De to output SMA stik har samme signal, men forskudt 180 grader. Output ligger omkring 1 mW og er rigt på harmoniske.

Både moduler med ADF4350 og ADF4351 kan bruges. Forskellen ligger i den laveste frekvens IC’en kan give. ADF4350 går til 137 MHz, mens ADF4351 går ned til 35 MHz. Vi skal bruge en LO omkring 2 GHz, så begge typer kan bruges.

Man finder moduler ved at søge på: [ADF4351 35M-4.4GHz PLL RF Signal Source]. Priser fra ca. 15 $ og opefter. ADF4350 bør være lidt billigere.

På nettet findes mange beskrivelser, hvorledes man bygger en signalgenerator med ADF4351. Bare prøv at google [Arduino + ADF4351].

Jeg har hentet min løsning på denne side: http://f6kbf.free.fr/html/ADF4351%20and%20Arduino_Fr_Gb.htm

Indstilling af ADF4350/51 modulet sker med en Arduino Nano, et 2×16 character LCD display og nogle trykknapper.
Arduino Nano findes ved at søge på [Arduino Nano Atmega328].
Display – søg [LCD 1602] og trykknapper kan enten købes separat eller man kan finde et Arduino Display Shield med trykknapper. Søg efter [2×16 LCD Keypad Shield]. Pris 2,45$

Da Arduino Nano kører med 5V logik og ADF-modulet med 3,3V skal signaler fra Arduinoen til ADF4351 niveautilpasses med modstande. På billedet af upconverteren er der er lille veroboard med 6 modstande mærket [5V >3,3 V]. Alt dette er forklaret på den angivne f6kbf hjemmeside.

Forstærker:

Bredbåndsforstærker med SPF5189Z.

Output fra ADF4350/4351 modulet ligger omkring1 mW. Det er for lidt til at udstyre mixeren, så signalet skal forstærkes. Jeg anbefaler en ”universal” bredbåndsforstærker der indeholder en MMIC SPF5189Z som dækker 50 – 4000 MHz, har 50 ohm in-/output, 20 dB gain, 0,6 dB NF og 22,7 dBm output. MEN – pas på! Alle disse herlige egenskaber er ikke tilstede på alle frekvenser og under alle forhold. Den skal forsynes fra 5V.

Denne ”byggeklods” kan anvendes til rigtig mange ting. Jeg anbefaler man bruger 3 stk i upconverteren, og ser bort fra jeg på billederne har brugt et par alternative forstærkere.

Søg efter: [LNA 50-4000 MHz RF SPF5189 NF 0.6dB]. Pris ca. 4$

Alternativ forstærker

Når man søger efter forstærker moduler, dukker forskellige varianter op. Ovenfor ses én uden skærmning, men stadig med en SPF5189. Der findes også typer med andre IC’er. De fleste kan bruges her – ellers man kan gemme dem til andre projekter.

Mixer:

Mixer HMC213.

Mixer modulet indeholder en HMC213 bredbåndsmixer fremstillet i GaAs teknologi. Det er en passiv type, der ikke skal have spændingsforsyning og som er i stand til at behandle store signaler.
IF porten, hvor 144/432 MHz senderen tilsluttes, dækker 0 til 1,5 GHz. Både LO og RF (udgang) portene dækker 1,5 til 3,5 GHz. Typisk LO niveau er +10 dBm til +13 dBm og IF kan være op til +7 dBm før overstyring begynder. Pas på ikke at overstyre mixer med 144/432 MHz signalet – max grænse er 15 dBm. Der er omkring 8 dB mixertab, så output bliver -1 dBm.

Mixer findes ved at søge på: [Double balanced mixer RFin = 1.5 – 4.5 Ghz]. Priser fra 9$ og opefter.

Efter mixeren skal signalet forstærkes og filtreres for at fjern spejl, LO rest og evt. andre uønskede produkter. Jeg har valgt at slutte ved et effektniveau på 30 – 100 mW.

Filter:

Filtre til 2400 MHz kan findes på nettet, men udvalget er begrænset og gode surplus tilbud bliver ofte udsolgt hurtigt. Et filter som dog løbende sælges er et såkaldt Hair Pin Filter, der består af baner som hårnåle på et print.

Hair Pin Filter

Filteret kan ikke bruges med 144 MHz som IF. Spejlsignalet, der ligger 2×144 MHz under 2400 MHz – altså på 2112 MHz, vil kun blive dæmpet ca. 15 dB. Med 432 MHz som IF ligger spejlet på 1536 MHz og dæmpes ca. 50 dB i forhold til det ønskede signal.

Søg efter: [2.3-2.5GHZ 2.4G WIFI BPF]. Pris ca. 8,50 $

Hair Pin filter. Selektivitet 1 – 3 GHz

Filteret er temmelig bredt, i størrelsesordenen 300 MHz, og har et indsætningstab på op imod 5 dB. Ikke specielt ”ophidsende”, men det virker.

Surplus 4-kreds 2400 MHz båndpasfilter.

Vil man bruge 144 MHz som IF, skal filteret være bedre. Billedet viser et 4 kreds BPF, som jeg har fundet på et loppemarked. Oprindelig brugt omkring 2160 MHz, men jeg har omjusteret til 2400 MHz. Dette er et godt filter med smal båndbredde – 10 MHz – og lille indsætningstab – 1,5 dB.

4-kreds 2400 MHz filter. Selektivitet i området 2,3 – 2,6 Ghz.

Forstærker/filter:

Forstærker + filter + forstærker

Signalet fra mixeren føres ind i en kæde bestående af to forstærkere – samme type som LO forstærkeren – og et båndpasfilter. Rækkefølgen er i princippet ligegyldig, men ved at placere filteret imellem de to forstærkere, sikres at belastningen af filteret bliver tæt på 50 ohm. Med -1 dBm fra mixeren bliver signalet på 2400 MHz forstærket til +15 dBm. Andre signaler dæmpes i filteret.
Havde filteret været uden indsætningstab, ville output være +20 dBm (100 mW). Det ses, at hver forstærker giver 10-11 dB gain ved 2400 MHz.

Afprøvning:

Færdig opstilling. Upconverter og forstærker/filter koblet sammen.

Den samlede opstilling – upconverter og forstærker/filter kan nu afprøves. Upconverter bruger ca. 250 mA ved 12 V og forstærker/filter kæden 220 mA ved 5 V.

Output er +15 dBm (30 mW) på 2400 MHz

Måleresultat:

Med Hair Pin filter og 432 MHz IF (LO 1968 MHz) måles +15 dBm ud på 2400 MHz ved +7 dBm ind på 432 MHz. Kraftigste spurious ligger på 1536 MHz (LO-IF) og er dæmpet ca. 50 dB.

Med 4-kreds filteret og 144 MHz IF (LO 2256 MHz) måles +19 dBm ud på 2400 MHz ved +7 dBm ind på 144 MHz.. Kraftigste spurious ligger på 2112 MHz (LO-IF) og er dæmpet 80 dB! Her ses fordelen ved et godt 2400 MHz filter.

Efter målinger på spektrum analysator, ville jeg se om signalet på 30 mW kunne ses på satellittens downlink – og det kunne det! Signalet er sendt igennem 18 meter H100 coax samt to korter mellemkabler til en 1 m parabol med linear polarisering. Der er derfor kun 5 – 10 mW i 2400 MHz antennens feed.

Signalet på 5 – 10 mW på downlink fra satellitten!

På billedet ses det, at CW tonen ikke er helt stabil – den wobbler ca. 10 – 20 Hz. Det skyldes 25 MHz oscillatoren på ADF4351 modulet. På 2400 MHz uplink frekvensen er ”ustabiliteten” i en 25 MHz krystaloscillator multipliceret op med en faktor på næsten 100.

Signalet var dog hørbart – omend noget svagt. Man kunne ha’ gennemføre en QSO med det.

For at undgå ”wobbel” har ADF4351 modulet et SMA stik til en stabil, ekstern reference, der kan vælges til at være enten 10 MHz eller 25 MHz, På et tidspunkt bør man benytte den mulighed. Når det sker, så husk at afbryde den interne oscillator – ikke bare output fra oscillator kredsen, men fjern også forsyningsspændingen til den. Ellers bliver spektrum fuldt af diverse spurious.

Næste opgave bliver at få modulerne anbragt i en passende kasse med diverse betjeningsknapper, lysdioder og spændingsregulatorer osv., samt få dem forbundet med korte kabler eller adaptorer.

Kabler og konnektorer:

Når man bygger/eksperimenterer med færdige moduler, der alle er forsynet med SMA konnektorer, kommer man hurtigt til at bruge ret mange SMA-stik og SMA kabler.
På nettet findes både løse stik og færdig konfektionerede kabler til lave priser.

Man hører ofte, at sådanne ”kineser-stik” ikke duer og at man skal holde sig fra dem. Det er både rigtigt og forkert. Det siger sig selv, at et SMA stik til 1/20 pris ikke kan det samme, som et fuld specificeret stik af et anerkendt fabrikat. På den anden side har vi som radioamatører ikke altid brug for det perfekte – ”godt nok” rækker for det meste.

Man bør dog være opmærksom på det problem, som mekaniske tolerancer kan give. Oplever man, at der skal bruges kræfter eller vold for at skrue stik sammen, skal man stoppe og undersøge årsagen, inden man ødelægger for meget. At ødelægge input konnektor på en ældre kvalitets spektrum analyser med et dårlig ”kineser” stik, kan hurtig blive en dyr besparelse.

Konklusion:

Denne beskrivelse viser bygning af en upconverter med output på 30 – 100 mW. Der skal lidt mere effekt på for at køre SSB på satellitten og det er min plan at beskrive løsninger til det. Dels ved ombygning af drivertrin og udgangstrin fra mobil telefon basestationer og dels ved at bruge hjemkøbte moduler fra fjernøsten.

Er man til eksperimenter med QO-100, er vejen omkring færdige moduler fra fjernøsten en nem, billig og lærerig måde at bygge på.

7. marts 2019 / OZ2OE

se også Ombygning af LNB til Es’hail-2 satellitten del 1 og del 2

Print Friendly, PDF & Email

Comments

QO-100 / Es’hail uplink — 4 Comments

  1. Hej OZ2OE !
    Fint projekt er godt igang med det, men har et underligt problem…
    trykknapperne til at ændre frekvens på arduinoen kan jeg ikke helt gennemskue, har fint softwaren til at fungere, men hvordan forbindes trykknapperne ???
    Kan de lave en lille tegning, scanne og sende det til mig ?
    mvh Hans / OZ1CMV

  2. Hej Hans, 1CMV

    Trykknapper og modstande er forbundet ligesom på et “Arduino LCD Keypad Shield”. Hvis du googler, kan du finde diagram med komponentværdier samt tilslutningsterminalen på Arduino’en (AD0).

    På den franske hjemmeside, hvor jeg fandt beskrivelsen (www.f6kbf.free.fr osv.), har han brugt en Arduino UNO med Keypad Shield til at styre ADF4351 modulet. Jeg har brugt en Arduino Nano og lavet de samme forbindelser til 1602 LCD display og trykknapper, som er vist på Keypad Shield diagrammet.

    73 Ole

    • Hej Ole !
      Tusind tak for info.
      Havde ikke lige set det kunne gøres på den måde, men det er jo smart, – tak skal du ha.
      mvh Hans / OZ1CMV

Leave a Reply to Hans Rasmussen / OZ1CMV Cancel reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

*

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.