LNA Switch

Soluzione per la commutazione di preamplificatori con relé economici

Dopo aver costruito un preamplificatore per la banda dei 2 metri è sorto il problema di trovare una soluzione di commutazione diversa dai costosi relè coassiali. Così, cercando sul web, ho reperito informazioni circa test ed esperimenti condotti su relè di uso generale non specifici per applicazioni RF, con risultati molto incoraggianti [1], [2], [3]. Confortato dalla presenza sul mercato di prodotti commerciali o in kit che montano i predetti relè [5], [6] e considerando la facile reperibilità ed il basso costo, ne ho acquistati alcuni per verificarne la possibilità di utilizzo. Le prove hanno portato via diversi mesi, trascorsi con la costruzione dei prototipi, misure, test e ricerca della migliore topografia circuitale. Di seguito mi appresto a descrivere i risultati conseguiti, ottenendo uno switch con caratteristiche a mio avviso comparabili, se non migliori, dei relè coassiali più diffusi.

Relè di potenza ad uso generale

I relè di potenza sono impiegati per la commutazione di carichi AC e DC in applicazioni generali. Sono disponibili in diverse dimensioni, configurazioni e portate. Poiché andranno utilizzati in VHF ho selezionato i modelli con i contatti più corti; questa caratteristica si trova nei relè a basso profilo, nei quali le lamelle sono poste orizzontalmente. Tra i più utilizzati ci sono gli Omron della serie G2RL del tipo SPDT (Single Pole, Double Throw), ovvero singolo switch a due posizioni, con portata di 16 A. Come si evidenzia dalle misure riportate, l’insertion loss (S21 traccia fucsia) tra le porte d’ingresso e uscita è buono fino alle VHF e si mantiene accettabile anche in UHF.

Anche il return loss ha valori buoni (S11 traccia gialla). Tuttavia l’isolamento dalla porta non collegata (S21 traccia fucsia) è troppo basso per la specifica applicazione, ma come vedremo ci si può porre facilmente rimedio.

Ho effettuato i test con VNA, collegato a connettori SMA saldati direttamente sui reofori del relè. La potenza sopportabile, da quanto si legge in rete, è di diverse centinaia di watt, qualcuno si è spinto ad applicazioni e “potenze” EME utilizzando due relè in parallelo [4].

Di seguito un elenco dei relè che sono stati sperimentati in simili applicazioni:

• Omron G2RL-1-E
• TE Connectivity/Schrack RT31C, RX11, RX31
• Finder 41.31, 41.61

Relè di segnale

Come emerge dalle misure precedenti, i relè ad uso generale hanno uno scarso isolamento tra le porte, nell’ordine di 15 dB a 144 MHz, troppo basso per proteggere l’ingresso del preamplificatore dal segnale che transita durante la trasmissione. Per fornire un esempio numerico dei valori in gioco, trasmettendo con 50 W, avremmo in ingresso al preamplificatore circa 1 W. Del resto anche alcuni relè coassiali hanno un valore d’isolamento non sufficiente per la specifica applicazione. Per proteggere il preamplificatore è possibile collegare in serie al primo, un relè di segnale con il compito di incrementare la separazione tra le porte. Questi relè sono generalmente più piccoli e non adatti a sopportare potenze elevate, ma hanno ottime caratteristiche RF fin quasi al GHz, come si evince dai datasheet.

Ecco un elenco parziale di relè di segnale:

• Omron G6A-274P, G6S-2, G6Y-1 (fuori produzione), G5V-2 (limitate performance RF)
• Panasonic TX2
• TE Connectivity/Axicom IM

Per le caratteristiche RF di questi relè, vi rimando ai relativi datasheet.

Switch

La configurazione circuitale classica di uno switch di bypass per un LNA prevede un relè in ingresso ed uno in uscita.

Con l’utilizzo di relè non specifici, dovendone aggiungere per l’isolamento altri due, si arriva a dover utilizzare ben quattro relè [7].

A questo punto nascono le seguenti considerazioni:

• Non essendo relè coassiali, quindi con porte a 50 ohm, si possono disporre in maniera diversa da quella tradizionale;
• L’uscita del preamplificatore spesso non necessita di ulteriore isolamento perché l’elemento attivo ha 20-30 dB d’isolamento inverso e in alcuni casi si prevede anche un attenuatore;
• I contatti dei relè lavorano a freddo perché le commutazioni sono regolate da un apposito sequencer.

Pertanto ne ho derivato lo schema di commutazione in figura (i contatti dei relè sono raffigurati nella posizione di riposo ovvero preamplificatore non inserito) che utilizza due soli relè in una configurazione atipica. SW1 è il relè di potenza che commuta la porta collegata al ricetrasmettitore rispettivamente sull’uscita del preamplificatore o direttamente sull’antenna. SW2 è il relè di segnale che isola l’ingresso dell’LNA quando non utilizzato o lo commuta sul segnale in ingresso all’antenna. Potrebbe sembrare rischioso affidare l’ingresso del preamplificatore ad un piccolo relè, ma con isolamento di circa 40 dB e tensione d’isolamento tra i contatti di 1500-2000 V, non dovrebbero esserci problemi nel gestire il segnale presente durante la trasmissione, che ricordo non transita sui contatti di SW2. Ad ogni modo si può pensare di adottare lo schema classico, a scapito di un aumento della perdita d’inserzione.

I primi test del circuito completo assemblato su basetta millefori con i due relè, connettori ed alimentazione bobine, hanno dato risultati incoraggianti ma migliorabili dal punto di vista di insertion loss e return loss. Quest’ultimo in particolare, rispetto a quanto misurato per il singolo relé, peggiorava sensibilmente portandosi su valori di circa -20 dB, probabilmente influenzato dall’interazione dei contatto con i componenti esterni. Migliorando la schermatura del corpo plastico dei relè, rivestendolo con nastro adesivo di alluminio per impianti termo-idraulici, collegato a massa, ho ottenuto un netto miglioramento.

Nella soluzione definitiva si ottengono valori di tutto rispetto. In posizione Tx, con i relè a riposo, la figura mostra un insertion loss tra porta RTX ed antenna di appena 0.04 dB (S21 traccia fucsia), che per altro include la perdita degli adattatori N-SMA utilizzati per la misura e non inclusi nella calibrazione. Il return loss visto dal trasmettitore è di -34 dB circa (S11 linea gialla) che corrisponde ad un VSWR di 1.04.

Dal lato preamplificatore, l’isolamento dell’ingresso è di ben 57 dB (S21 linea fucsia).

L’uscita del pre-amp ha un isolamento di 26 dB.

In posizione Rx, l’antenna vede un return loss di -21 dB ed il segnale raggiunge l’ingresso del preamplificatore con attenuazione di 0.1 dB, incluso anche il tratto di cavo coassiale di collegamento al pre.

Simile l’attenuazione dall’uscita del pre alla porta del ricevitore (figura 10). Valori molto simili, se non migliori, rispetto a quanto indicato a datasheet dei famosi relè coassiali Giapponesi.

Riferimenti e Bibliografia

[1] W6PQL, Using inexpensive relay
[2] W0QE, Using non-RF rated relays for RF applications
[3] OZ2M, Omron G5V-2 Relay
[4] YU1CF, Cheap high power 50/144 MHz relay
[5] GM3SEK, The DG8 – a Low-Cost, High-Performance Masthead Preamp for 2m
[6] HA8ET, Mast mounted EXTRA-2 144 MHz contest preamplifier
[7] KL6M, Considerations for construction of LNA/relay combinations

Pubblicato su: RadioRivista (ARI) n.02 del 2017

---

Questa opera è distribuita con:
licenza Creative Commons Attribuzione - Non commerciale - Condividi allo stesso modo 3.0 Italia.

Si declina ogni responsabilità per eventuali errori ed omissioni e gli eventuali danni che ne dovessero conseguire. Per ulteriori informazioni consultare le note legali.