RADIOAMATORI

by Art IK7JWY

Si tratta, in sostanza, di un progetto ormai ben collaudato che prevede uno stadio oscillatore, uno stadio separatore (o buffer), un filtro passa-basso e uno stadio di attenuazione da 6dB con impedenza a 50 Ohm. Il cuore del progetto è un classico oscillatore Hartley, che è alla base di molti altri progetti a radiofrequenza più complessi ed è realizzato facendo uso di un transistor a effetto di campo (FET). In questo paragrafo verrà dettagliatamente illustrato tale progetto e la sua realizzazione. Iniziamo dallo stadio oscillatore. Quello che segue ne è lo schema circuitale trascritto nel software di simulazione MicroCAP:

La frequenza di oscillazione è ottenuta con il circuito accordato LC parallelo, in cui una parte di C è rappresentata dal condensatore variabile in aria, che consente la sintonia dell'oscillatore, e l'induttanza L è utilizzata anche nel circuito di retroazione. In pratica, la retroazione, indispensabile a far instaurare e mantenere l'oscillazione, in questo tipo di oscillatore è ottenuta mediante accoppiamento mutuo tra le due sezioni della bobina L, che funziona così da autotrasformatore. Se indichiamo con N1 e N2 il numero di spire delle due parti della bobina L, si ha l'innesco finchè N1/N2 = 0,10-0,25. In effetti, nello schema circuitale realizzato, la presa sulla bobina L (totale 41 spire) è stata fatta a 10 spire da massa. 
Nella realizzazione del suddetto stadio oscillatore occorre prestare la massima cura ad ogni minimo particolare, visto che è in esso che viene generato il segnale a RF che poi servirà alle nostre misure. E' tassativo ottenere una ottima stabilità in frequenza, una buona purezza spettrale e una bassissima distorsione. La scelta dei materiali usati, quindi, deve essere mirata al raggiungimento di questi obiettivi. 
Il componente attivo in questo stadio è un transistor a effetto di campo (FET), perchè esso presenta un buon compromesso tra bassa capacità di ingresso, rumore prodotto e costo.
Se vi interessano le specifiche tecniche, in formato acrobat, di tale transistor, cliccate su 2N5486
Sempre per i motivi accennati prima, l'autotrasformatore L verrà ottenuto avvolgendo le spire su un toroide "Iron-Powder", ossia realizzato con una miscela di polvere di ferro, di tipo mix 6, che presenta buona stabilità termica (35 ppm/°C). Le spire vanno spaziate su circa 300/320 gradi del toroide e tenute abbastanza tese. Il filo sara' di diametro tale da riempire bene, lasciando fra spira e spira un intervallo pari a circa il suo diametro. Le spire, inoltre, una volta realizzato il circuito, andranno fissate al supporto toroidale a mezzo di collante conde evitare che a seguito di variazioni di temperatura abbiano a dilatarsi o contrarsi quel tanto che basta per fare variare la frequenza dell'oscillatore. L'ideale sarebbe usare collante cianoacrilico, ma, in mancanza di meglio, va bene il comune smalto per le unghie.
I condensatori impiegati saranno del tipo NP0 o mica argentata, anch'essi caratterizzati da ottima stabilità termica (il valore della capacità non cambia molto al cambiare della temperatura).
I componenti andranno montati ragionevolmente distanti da parti metalliche e i reofori di resistenze, condensatori, bobine andranno tenuti corti il più possibile. Ottima la tecnica costruttiva chiamata "in aria" (detta anche "a ragno"), molto usata nelle autocostruzioni QRP, che consiste nel montare i componenti senza usare una basetta forata o un circuito stampato, ma direttamente tra loro, usando come massa il contenitore entro cui viene realizzato il circuito a RF. Quest'ultimo, ovviamente, dovrà essere ermeticamente schermato alla radiofrequenza, ricordando il detto "dove passa l'acqua, passa anche la radiofrequenza".

Per questo motivo, la prima realizzazione dell'oscillatore non è stata quella definitiva, ma ho dovuto ragionarci un pò sù per ottenere una disposizione più razionale degli stadi.
Quella che vedete a sinistra è, appunto, la prima versione dell'oscillatore. E' visibile una specie di sonda RF con cui accoppiavo induttivamente lo stadio oscillatore con l'ingresso del mio ricevitore e cercavo di ascoltarne il segnale sulla frequenza prestabilita. Il contenitore, di forma parallelepipeda, è stato realizzato utilizzando della vetronite ramata doppia faccia. Le sue dimensioni finali sono 70x165x50 mm. Ho previsto che la faccia superiore del contenitore sia amovibile, per facilitare eventuali modifiche o manutenzioni. All' interno, nella versione definitiva, sono stai ricavati 5 scomparti, tra loro separati da setti in vetronite ramata, nei quali sono stati sistemati i quattro stadi del circuito nonchè l'alberino del condensatore variabile, la presa di alimentazione e l'interrutore on-off.
Notare, nella foto sopra, l'induttanza L avvolta sul toroide di colore giallo (mix 6, appunto) a sinistra nell'immagine, appena sotto il condensatore variabile Al centro è visibile lo stadio buffer, mentre a destra, in alto, si vede il filtro passabasso e in basso la cella di attenuazione finale.

Quella a destra, invece, è la foto del solo stadio oscillatore, ancora aperto e privo dell'induttanza L, ma nel suo alloggiamento definitivo.
In alto, nella foto, si vedono i due piccoli scomparti in cui è stato sistemato l'integrato regolatore 78L05 e il condensatore passante sulla linea a 12 Volt. A sinistra si intravede, invece, l'alberino del condensatore variabile, l'interruttore di accensione e la presa di alimentazione esterna. Mentre a destra si intravede appena una parte dello stadio separatore (buffer). Notare la saldatura di tutte le facce ramate della vetronite con cui è stato realizzato il contenitore e i setti separatori. Il collegamento tra lo stadio oscillatore e il buffer è stato realizzato praticando sul setto separatore un minuscolo foro in cui è stato fatto passare il conduttore elettrico, isolato con un pezzetto di guaina in PVC di colore bianco, visibile a destra nella foto. Tale sistema, alla frequenza prevista (3800 khz circa) va sicuramente più che bene. Soluzione più elegante sarebbe quella di usare isolatori passanti in vetro, che però sono assai difficili da trovare.
Passiamo ora ad analizzare il successivo stadio, cioè lo stadio separatore (o buffer). Qual è il motivo della presenza di questo stadio ? Semplice: se non ci fosse, lo stadio oscillatore sarebbe inevitabilmente influenzato dal carico connesso alla sua uscita, nel senso che la frequenza di oscillazione risulterebbe notevolmente influenzata dal valore del carico all'uscita. Inserendo tra stadio oscillatore e carico uno stadio separatore, si evita tale inconveniente. Quello che segue ne è lo schema circuitale trascritto con il software MicroCAP. 

Passiamo ora ad analizzare il successivo stadio, cioè lo stadio separatore (o buffer). Qual è il motivo della presenza di questo stadio ? Semplice: se non ci fosse, lo stadio oscillatore sarebbe inevitabilmente influenzato dal carico connesso alla sua uscita, nel senso che la frequenza di oscillazione risulterebbe notevolmente influenzata dal valore del carico all'uscita. Inserendo tra stadio oscillatore e carico uno stadio separatore, si evita tale inconveniente. Quello che segue ne è lo schema circuitale trascritto con il software MicroCAP. 

Nel progetto in questione, tale stadio separatore è ottenuto con un transistor BJT 2N5109. Se interessano le specifiche tecniche, in formato acrobat, di tale transistor cliccare su 2N5109. La polarizzazione del transistor, ottenuta con il sistema del partitore (R2 e R5), è tale da farlo lavorare in classe A, il che significa bassa distorsione. La stabilizzazione del punto di lavoro è ottenuta mediante le resistenze di collettore (R2) e di emettitore (R3 e R4). A fronte della suddetta polarizzazione, a conti fatti si ha una corrente di collettore Ic pari a circa 48 mA. La tensione di collettore è invece 12 Volt. Si ha, pertanto, che la potenza dissipata sul collettore (che nel 2N5109 è meccanicamente collegato al case) ammonta a 12 x 48 / 1000 = 0,576 W. Considerato che la resistenza termica giunzione-ambiente tipica di un transistor tipo TO39 (come il 2N5109) si aggira sui 220°C/Watt, si ha che il case del 2N5109 si porterà, durante il funzionamento, sui 127 °C ! 

L'affare, cioè, scalderà parecchio. 
E' pertanto necessario, se non si vuole danneggiare il transistor, dotarlo di adeguato dissipatore stellare in alluminio, non troppo piccolo per evitare surriscaldamenti e non troppo grande per evitare l'instaurarsi di capacità parassite con gli oggetti metallici (contenitore) posti intorno.
Quello che vedete nella foto a sinistra è lo stadio separatore ormai completato. Manca soltanto il dissipatore sul case del transistor, che ho aggiunto in un secondo momento, dopo aver spalmato sul case un film di grasso termoconduttivo.
Il transistor è stato montato al centro del suo scomparto, al fine di evitare capacità parassite nonchè l'aumento della temperatura all'interno dello stadio oscillatore per passaggio di calore dal dissipatore del 2N5109.
A destra, nella foto, si intravede il successivo stadio del progetto, di cui passiamo ora a discutere: lo stadio filtro passa-basso. Questo filtro ha la funzione di attenuare drasticamente le armoniche superiori della frequenza del nostro oscillatore, poste la seconda sui 7 Mhz, la terza sugli 11 Mhz e così via. La frequenza alla quale il filtro deve iniziare ad attenuare è sui 4 Mhz. Si tratta in pratica di un filtro Chebyshev a sette elementi, 4 condensatori e tre induttanze. Quello che segue ne è lo schema circuitale, trascritto come al solito con il software di simulazione MicroCAP.

Ho studiato il comportamento di questo filtro facendo uso del software di simulazione sopra citato, ipotizzando in ingresso un generatore con impedenza di 50Ohm e all'uscita un carico resistivo di 50 Ohm. Quello che segue è il risultato dell'analisi al computer, inteso come diagramma dell'attenuazione del filtro in funzione della frequenza.

Dal grafico si può vedere che alle frequenze previste per gli oscillatori (3765 e 3785 Khz) il filtro comporta una certa attenuazione del segnale proveniente dal buffer, come è naturale che sia. Alla frequenza della seconda e terza armonica, invece, l'attenuazione, ben più spinta, ammonta rispettivamente a 39 dB e 64 dB circa. 

Teniamo presenti queste previsioni per quando osserveremo il risultato finale dell'autocostruzione, con l'ausilio dell'analizzatore di spettro.
La foto a sinistra raffigura il filtro passa-basso ormai completato. Notare le tre induttanze avvolte su toroidi, disposte in modo tale che l'asse di ciascuna delle tre sia perpendicolare a quello delle altre due. Questo accorgimento consente una ulteriore riduzione della seconda armonica. Anche in questo caso, nonostante non fosse strettamente necessario, ho proceduto al fissaggio definitivo delle spire sui toroidi a mezzo del solito smalto per unghie.
A sinistra, nella foto, si intravede lo stadio buffer e a destra la cella di attenuazione finale.
Ed è con lo stadio di attenuazione che si conclude questo progetto. La funzione di questo stadio, più che di attenuare, è quella di "forzare" l'impedenza d'uscita dell'oscillatore sui canonici 50 Ohm, al fine di poterlo interfacciare con le usuali apparecchiature RX per radioamatori, aventi un'impedenza d'ingresso, appunto, di 50 Ohm (circa...). In merito al funzionamento della cella di attenuazione, rinvio alla sezione in cui descrivo l'attenuatore a passi, visto che la teoria alla base è la stessa. Nel caso specifico, è stata realizzata una semplicissima cella di attenuazione a PI-greco, con attenuazione di 6 dB e impedenza di ingresso ed uscita di 50 Ohm.

Questa a destra è la foto della cella di attenuazione inserita nel proprio scomparto dell'oscillatore. L'uscita della cella è stata saldata direttamente sul connettore BNC attraverso il quale collegheremo l'oscillatore con le altre strumentazioni. Una volta terminata la realizzazione dell'oscillatore in tutte le sue parti, ho verificato il suo funzionamento semplicemente ascoltandone il segnale sul mio ricevitore (un FT1000MP) dopo averlo connesso a quest'ultimo interponendo tra i due l'attenuatore a passi. A questo proposito, occorre fare attenzione a non far entrare nel front-end del ricevitore un segnale troppo forte, specialmente se lungo il percorso si incontrano dei quarzi, particolarmente suscettibili a segnali troppo intensi (parliamo, comunque, di segnali ben più forti di quelli provenienti dalla più potente delle broadcasting e captati dall'antenna connessa al nostro RX).
E' stata una soddisfazione, girando la manopola di sintonia del ricevitore intorno alla frequenza dell'oscillatore, trovare il segnale tanto atteso. Naturalmente ciò non è sufficiente a concludere che il lavoro è stato fatto bene. Occorre, infatti, verificare i requisiti che ci si era posti all'inizio, cioè stabilità in frequenza, purezza spettrale e bassissima distorsione. Per il primo è sufficiente sintonizzare il ricevitore sulla frequenza dell'oscillatore e, dopo aver fatto passare un primo periodo di tempo (diciamo pure un'ora, ma anche mezza può bastare) durante il quale si stabilizza la temperatura all'interno dell'oscillatore, stare

ad ascoltare prendendo nota dello spostamento di frequenza del segnale alla fine di un successivo intervallo di tempo. Questa prova viene agevolata dalla eventuale presenza, come nel caso del mio FT1000MP, della funzione "battimento zero". In pratica, sintonizzando in modo CW, posso centrare perfettamente la frequenza di un segnale in quanto il raggiungimento della perfetta isofrequenza con la nota preimpostata sull'RX (nel mio caso 750 Hz) viene segnalata visivamente dall'accensione di un led sull'S-meter. In mancanza di questa possibilità si può ricorrere ad un frequenzimetro digitale. Con questo si misura, all'inizio e alla fine della prova, la frequenza del segnale audio proveniente dall'RX sintonizzato sull'oscillatore. La differenza tra i due valori misurati corrisponderà alla deriva di frequenza del nostro oscillatore. In mancanza anche del frequenzimetro digitale, si dovrà procedere a orecchio.

Ho, dunque, proceduto ad effettuare la suddetta prova con il mio FT1000MP e questi sulla sinistra sono i risultati, ottenuti dopo un periodo di riscaldamento di circa trenta minuti. Sempre con l'ausilio del solo ricevitore ho fatto un primo controllo della purezza spettrale del segnale emesso dall'oscillatore, semplicemente sintonizzando il ricevitore da 3,785 Khz in sù, fino ad almeno la frequenza della terza armonica. Praticamente non ho ascoltato nulla se non sulle frequenze della seconda armonica (7570 Khz) e della terza (11355 Khz). Per ovvi motivi legati alla inattendibilità dell'S-meter, questa prova è stata soltanto qualitativa, rinviando la determinazione dell'intensità della seconda e terza armonica ad una successiva misura con l'analizzatore di spettro. Tuttavia, già con il solo ricevitore, il comportamento dell'oscillatore si è rivelato ottimo, poichè sulla frequenza della terza

armonica la nota era appena percettibile all'orecchio, mentre sulla frequenza della seconda il segnale era comunque molto debole, quando, al contrario, sulla frequenza fondamentale era a fondo scala. Dall'assenza di segnali indesiderati, oltre a quelli previsti sulla fondamentale e, molto attenuati, sulle prime due armoniche, si può ovviamente ricavare qualche indicazione sul buon comportamento dell'oscillatore anche sotto l'aspetto della distorsione. In presenza di distorsione, infatti, avremmo la comparsa di segnali "accessori", per i motivi accennati nelle premesse a proposito di intermodulazione. In ogni caso, ho proceduto a visualizzare il segnale emesso dall'oscillatore su un oscilloscopio e la forma d'onda è risultata molto pulita e tipica di un segnale perfettamente sinusoidale.
Ma ho raggiunto la definitiva convinzione sulla riuscita del progetto in seguito al test effettuato presso un laboratorio della zona, in cui ho potuto disporre anche di un analizzatore di spettro. In particolare, l'analizzatore di spettro era un HP 8563EC 30Hz-26 Ghz. Queste sono le foto del display di tale strumento durante il test dei due oscillatori da me costruiti.

Il livello d'uscita sotto carico dei due oscillatori, misurata in laboratorio con voltmetro RF Boonton, , è risultata pari a 0,570 Volt e 0,430 Volt (RMS) rispettivamente, corrispondenti ad una potenza d'uscita pari a 6,5 mW (cioè 8 dBm) e 3,7 mW (cioè 5,7 dBm). 
Poichè per le misure previste è opportuno che i due oscillatori abbiano uno stesso livello di uscita, ho provveduto a ridurre il segnale del primo realizzando una cella di attenuazione fissa, che interporrò durante le misure tra oscillatore e combinatore, di valore tale da portare il segnale da 0,570 Volt a 0,430 Volt.