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Downconverter con oscillatore a quarzo per la banda dei 5,8GHz

Downconverter con oscillatore a quarzo per la banda dei 5,8GHz

Lo sviluppo di questo convertitore è dedicato agli OM interessati alle comunicazioni ATV o alle moderne tecnologie wideband con modulazione di frequenza e di fase nella banda dei 5.8GHz. La buona stabilità in frequenza, la bassa cifra di rumore ed il basso rumore di fase sono le caratteristiche salienti di questo convertitore

Il processo di conversione è ottenuto con l’impiego di un Oscillatore base con quarzo operante, in nona overtone, a 180 MHz. Il segnale dell’Oscillatore Locale è ottenuto con l’estrazione diretta dell’armonica desiderata con filtri a risonatori in dielettrico ad alto Q, senza l’impiego di stadi moltiplicatori e con un mescolatore subarmonico bilanciato ad alta efficienza di conversione.

Ciò assicura un bassissimo rumore di fase, ordini di grandezza inferiore a quello di qualsiasi oscillatore con risonatore a dielettrico o di quello dei comuni circuiti PLL a singolo anello. La banda RF utile copre il segmento 5780...5920MHz ed i segnali d’ingresso sono traslati in frequenza per 4320MHz, in altre parole convertiti nell’intervallo 1460...1600MHz. Il convertitore può essere alimentato localmente o via cavo coassiale d’uscita al fine di poterlo disporre in prossimità dell’antenna o solidale con l’illuminatore per non degradare la sensibilità - e quindi il rapporto G/T - del sistema di ricezione. In questo caso è stato seguito il criterio di un progetto NO-TUNE, al fine di assicurare la migliore riproducibilità di risultati e costi contenuti. Le prestazioni tipiche ottenute nei primi esemplari costruiti sono: Guadagno di conversione GT=33dB, Cifra di rumore NF=1,1dB, Rumore di fase migliore di -121dBc/Hz @ 10kHz (limite del sistema di misura disponibile).

Premessa: i quarzi risonanti in “overtone”

L’impiego di un segnale generato da un oscillatore a quarzo, o di una sua armonica, per il processo di conversione è la via più semplice per ottenere elevata stabilità in frequenza ed un bassissimo rumore di fase quale particolarmente richiesto nei sistemi più evoluti di modulazione digitale. Nel nostro caso il limite di tale approccio è costituito dalle armoniche stesse dell’oscillatore che non devono ricadere all’interno della banda di frequenze utili d’ingresso e d’uscita (I.F.) del convertitore. In effetti, questa soluzione è universalmente adottata dai radioamatori in microonde per i sistemi di comunicazione a banda stretta (SSB) ove peraltro i segmenti dedicati per questo traffico hanno l’estensione limitata a qualche MHz.

Ne consegue che per ottenere bande passanti utili elevate è necessario realizzare oscillatori a quarzo a frequenze di centinaia di MHz. E’ una via praticabile poiché, grazie ai componenti oggi disponibili anche nel mercato del surplus, sono fattibili oscillatori con quarzi funzionanti ad un’elevata armonica meccanica (overtone). Semmai v’è da chiedersi perchè in campo radiantistico sinora, ci si sia limitati a soluzioni datate, limitandosi al funzionamento in terza o quinta overtone. Apriamo in proposito una parentesi. Lo studio ed il funzionamento dei risonatori piezoelettrici sono stati sviluppati sul piano teorico sin dagli anni ’30 sia in USA sia in Europa ma le applicazioni ed i risultati più rilevanti furono ottenuti in Germania durante il secondo conflitto mondiale nei laboratori Carl Zeiss Jena dal gruppo di scienziati e specialisti del dott. Gerber.

Impiegando risonatori a cristallo di quarzo o tormalina a livello sperimentale furono ottenuti risultati eccezionali per il tempo oltre che applicazioni pratiche di rilievo. Tra queste, da segnalare l’apparecchio per la creazione di “bersagli artificiali” (apparato ”Rehbock”) che a termine del conflitto sorprese anche gli analisti Alleati per l’originalità e semplicità. Essenzialmente era un transponder passivo per la calibrazione della scala delle distanze nei RADAR, il cui schema è riportato in Fig.1.

schema_di_principio_dell___apparato_Rehbock

Fig. 1 - Schema di principio dell’apparato Rehbock

In questo apparecchio, l’impulso del trasmettitore (10kW di picco a 560MHz) è convertito da un mixer a diodi a 25MHz la cui uscita è inviata ad un cristallo risonante a questa frequenza e meccanicamente accoppiato ad una linea di ritardo costituita da un tubo di vetro. Le vibrazioni ultrasoniche del cristallo dovute al treno d’impulsi del RADAR generano un treno d’onde sonore che ad una velocità di circa 6000 m/s si propagano lungo il tubo sino all’estremità ove subiscono una riflessione totale, ritornando al cristallo dal quale sono state generate eccitandolo alla frequenza propria di risonanza e riconvertendo il segnale acustico in segnale elettrico a 25MHz.

Questo segnale è riconvertito dal mixer (che è bidirezionale) alla frequenza operativa di 560MHz ed irradiato dall’antenna come un eco, o meglio una serie d’echi spaziati del tempo di transito nel tubo di vetro, generando quindi altrettanti markers delle distanze sul CRT. Il tubo era realizzato con materiale che garantiva un’elevata stabilità della velocità di propagazione con la temperatura (circa 3x10-6/°C) ed ogni apparecchio in dotazione era calibrato singolarmente. Ancor più sorpresi furono gli esperti Alleati durante l’interrogatorio del dott.

Gerber del 30 novembre 1945, risultando che la Carl Zeiss di Jena produsse elevate quantità di quarzi con taglio a 49° dall’asse cristallografico per il funzionamento a 60MHz. Inoltre gli specialisti del dott. Gerber furono in grado di produrre alcuni campioni di laboratorio funzionanti a 100MHz, e cristalli di tormalina a 400 MHz. In calce è riportato uno stralcio del testo originale del rapporto. (FIAT Final Report No. 641). E’ evidente che a distanza di quasi 70 anni le possibilità dispiegate oggi dalla moderna tecnologia e dall’ampio ventaglio di macchine e strumentazione associate alla fabbricazione dei semiconduttori, consentono una scalata in frequenza utilizzando prodotti commerciali di basso costo e facile reperibilità quali diffusi nelle applicazioni professionali e/o civili di grande volume.

radiokit elettronica

 

 

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