Klub SP2PUT

Akademicki Klub Krótkofalowców przy UTP w Bydgoszczy

7-Sie-2014

Zasilanie po koncentrykuPower over coax


Zasilanie po koncentryku przydaje się wszędzie tam, gdzie prowadzenie osobnych kabli jest niewygodne. Komercyjnie jest stosowane w zasilaniu konwerterów satelitarnych (to urządzenie montowane w ognisku anteny, do którego doprowadza się kable), transwerterów w radioliniach, anten GPS (mają wbudowane przedwzmacniacze), zwykłych anten telewizyjnych (też z wbudowanymi przedwzmacniaczami). Dalekim krewnym jest też Power-over-Ethernet. Krótkofalowcom może się przydać przede wszystkim do zasilania niskoszumnych przedwzmacniaczy UKF i zdalnych przełączników anten. Postanowiłem wgryźć się w temat z myślą głównie o zasileniu powstajacej właśnie terenowej skrzynki random-wire UniATU pojedynczym kablem. Im mniej kabli trzeba nieść w teren – tym lepiej. parts1


Delivering power over coaxial cable is an elegant solution to get rid of extra power supply cables to remote devices. You can find it in every TV satellite dish (the low-noise block downconverter takes power from the coaxial cable and delivers the heterodyned signal back using the same cable), microwave links (the split type has a mast-mounted transverter), GPS antennas (a GPS antenna almost always has a built-in preamplifier) and DVB-T antennas (with integrated masthead preamplifiers). Amateur radio operators use power over coax for powering masthead VHF/UHF preamplifiers and remote antenna switches. I decided to do a little research on this topic in order to power the prototype of UniATU – an antenna tuner that will be mounted close to the antenna (more information coming soon). It will be especially useful for portable operation – one cable less to carry. parts1

Teoria

Skoro kabel koncentryczny ma jednocześnie przenosić RF i DC, to będzie potrzebny duplekser 😀 Skrajny przykład dupleksera to injector
– oddziela częstotliwość 0Hz (DC) od wszystkich pozostałych. W języku angielskim funkcjonuje nazwa bias tee, czyli polaryzujące T i power injector. Oba w zasadzie znaczą to samo. Bias tee jest bardzo proste w konstrukcji i składa się tylko z cewki (dławika), kondensatora i złącz. W najprostszym wariancie może służyć zarówno do wprowadzania DC do kabla, jak i pobierania DC do urządzenia na końcu kabla przy antenie.

Oddzielenie częstotliwości rzędu kilku i więcej MHz od DC nie jest trudne. Do wyboru komponentów postanowiłem wykonać symulację w LTspice. Po lewej stronie znajduje się „shack”, po prawej „antena na dachu”. Źródło V1 to transceiver, który wytwarza przebieg sinusoidalny RF. Do oddzielenie składowej stałej od transceivera i anteny (może być przecież zwarta dla DC) służą dwa kondensatory – kondensator jest mniej więcej przezroczysty dla prądu zmiennego. Do oddzielenia prądu zmiennego od DC służą dławiki (L2, L3), wybrałem wartość 24uH, gdyż takie akurat miałem pod ręką. Cewka z definicji powinna być zwarciem dla prądu stałego. 🙂 Opornik R1 oznacza odbiornik zasilania przy antenie.

Istotne są dwa parametry:

  • Jak oba bias tee wpływają na RF ?
  • Jak wygląda napięcie na zdalnym końcu kabla? (rozmiar tętnień i szumów)

Najtrudniejsze będzie oddzielenie niskich pasm KF od DC.
bias_tee_schematic

Założyłem dosyć radykalne wyjście z transceivera – sinus 200V peak-to-peak. Wykres przedstawia napięcie wyjściowe na zdalnym końcu przy nośnej 1,8MHz (najgorszy przypadek).
v_out_24uh
Tętnienie rzędu miliwoltów 😀 Na wyższych pasmach może być tylko lepiej (indukcyjność stanowi filtr dolnoprzepustowy).

Przebieg fali nośnej 1,8MHz:
rf_in_out_24uh_160m
Widać przesunięcie w fazie (niegroźne), ale niestety też obniżenie amplitudy – będzie to mieć negatywny wpływ na pracę w paśmie 160m. Nie planuję pracy na tym paśmie (brak miejsca), a tym bardziej ciężko rozwinąć dużą antenę w terenie, do tego to jest pasmo nocne, więc jest to dla mnie podwójnie niepotrzebne do skrzynki UniATU. 🙂

Pasmo 3,5MHz:
rf_in_out_24uh_80m
Już lepiej, obcięcia amplitudy są mniejsze i do zaakceptowania. Również nie planuję pracy w paśmie 80m z terenu i skrzynki UniATU.

Pasmo 14MHz:
rf_in_out_24uh_20m
Idealne przebiegi, zero zastrzeżeń.

Praktyka

parts1
Część odbiorcza w skrzynce będzie bardzo podobna – temat na osobny wpis. Teraz postanowiłem zrobić jedynie injector do wprowadzania DC do kabla. Potrzebne części:

  • obudowa (najlepiej metalowa)
  • gniazda UC-1 i śrubki do mocowania
  • zwykła dioda 1N4002 lub podobna
  • dławik (na zdjęciu nawinięty drutem ze skrętki na rdzeniu odzyskanym z zasilacza ATX – zmierzone 100uH)
  • gniazdo DC
  • bezpiecznik polimerowy 500mA
  • kondensator sprzęgający 3n3 1kV
  • konektory oczkowe (3 sztuki)

Planowałem zamontować gniazda po bokach obudowy i przykryć wieczkiem, ale brakuje ok, 3mm, więc musiałem zamontować je na spodzie i na wieczku (co lekko utrudni składanie). Obudowa po nawierceniu:
parts2
Obudowa okazała się za mała na mój dławik z odzysku. W jednej jedynej konfiguracji kondensator i żyła gorąca musiałyby przechodzić przez środek rdzenia, a chciałem przecież wykonać izolator DC od RF, a nie sprzęgacz 😀 Stąd zmiana na mały dławik 24uH z Ferystera:
parts3
parts4

Spód to gniazdo RF+DC, na wieczku gniazdo RF. Schemat elektryczny jest trywialny:

  • gniazdo DC -> dioda -> bezpiecznik polimerowy -> dławik -> wyjściowa żyła gorąca
  • wejściowa żyła gorąca -> kondensator -> wyjściowa żyła gorąca
  • wszystkie masy wspólne

d1

Warto nakrętki posmarować klejem (np. Kropelką), jak się obluzują to będzie to nich ciężki dostęp bez wylutu. Do gniazda dc dołożyłem kawałek kabla i konektor oczkowy. Co prawda, aluminiowa obudowa przewodzi prąd, ale chcę mieć jak najmniejsze spadki, stąd dodatkowy kawałek kabla. Podobnym kablem z konektorkami połączyłem gniazdo wieczka z gniazdem podstawy, żeby RF miało łatwiejszą drogę.

Ostatni etap to lutowanie kondensatora do gniazda wieczka. Nie było to aż takie trudne. Trzeba maksymalnie obciąć nogę kondensatora – tak, żeby tylko dało się wsunąć grot lutownicy. Potem wystarczy docisnąć wieczko, a kondensator w środku się odpowiednio wygnie (może nieeleganckie, ale jednorazowo da radę).
d2

Wyniki

Układ poprawnie dodaje DC do koncentryka po dołączeniu zasilacza. Strat wtrąceniowych RF nie udało mi się zmierzyć transceiverem przy 100W, w paśmie 80m i 20m nie zauważyłem żadnej różnicy SWR.

Pomysł na przyszłość

Wykonać zdalny przełącznik antenowy do którego prowadzi tylko jeden koncentryk z shacku. Sterowanie poziomem napięcia DC na koncentryku. W przełączniku przekaźniki 5V, przetwornica na 5V, ULN2003 i mały mikrokontroler, który na podstawie napięcia przed przetwornicą (np. 8V, 9V, 10V, 11V, 12V) załącza odpowiedni przekaźnik 🙂

W prostszym wariancie: przełącznik na 3 anteny, sterowany napięciami +12V, 0, -12V (wystarczą przekaźniki i diody).



Artur SP2AGX

Theory

A coaxial cable will carry both DC and AC, so a duplexer will be needed to separate them at the ends. The extreme type of a duplexer is a bias-tee (the circuit looks like the letter T) – is separates DC (0 Hz) from the rest (RF). A bias-tee is a simple circuit, basically it is a coupling capacitor, a large choke inductor and some connectors. It can both inject power onto the cable and source it from the cable.

Separating RF from DC is not hard. I made a quick circuit simulation in LTspice. Left side of the circuit is „the shack”, right side is the antenna. V1 is the transceiver delivering sine wave RF. Capacitors block DC flow to the transceiver and antenna (an antenna can be DC shorted, eg. delta loop, balun). A pair of chokes (L2, L3) block RF from flowing into the power supply and load. I picked 24uH because I had them at hand. R1 is the remote powered device.

There are just two important parameters:

  • How both bias-tees affect RF ?
  • What is the power quality at the far end of the cable? (ripple and noise)

The hardest part is to separate the low bands from DC.
bias_tee_schematic

I assumed a strong signal from the transceiver – 200V sine peak-to-peak. This plot is the DC output at the far end when the carrier is 1,8MHz (worst case).
v_out_24uh
The ripple turns out to be in the milivolt range 😀 It can only get better at the higher bands (as every inductance is inherently a low-pass filter)

1,8MHz carrier:
rf_in_out_24uh_160m
There is a phase shift (harmless), but also the waveform is attenuated – it will negatively affect operation on 160 meters. I don’t have place for big antennas so it will never be a problem (especially for portable operation using UniATU).

3,5MHz carrier:
rf_in_out_24uh_80m
Much better, attenuation is acceptable (though I also don’t plan operation on 80 meters).

14MHz carrier:
rf_in_out_24uh_20m
Perfect 🙂

The real world

parts1
I will show just the power injector part in the shack (circuitry in the ATU is very similar). Required parts:

  • case (preferably metal)
  • SO-259 sockets and screws
  • ordinary 1N4002 diode
  • choke (in the picture is a choke wound on a core recycled from a damaged ATX power supply – measured inductance is about 100uH)
  • DC socket
  • 500mA polymer fuse
  • 3n3 1kV high-voltage coupling capacitor
  • three round terminal connectors

I wanted to mount RF sockets on the sides of the case, but it turned out to be too small (by about 3mm), so I had to mount them on the bottom and the top lid (soldering will be a little harder).

Drilled case:
parts2
The case turned out to be also too small for my recycled choke. It would only fit if the hot conductor went thru the toroid. I wanted an isolator, not a copuler 😀 In the end I used smaller inductors from Feryster (24uH each).
parts3
parts4

Bottom part of the case has the RF out and DC socket, the lid has RF in socket. Electrical connections are trival:

  • DC socket -> diode -> polymer fuse -> choke -> RF out socket
  • RF in socket -> HV coupling capacitor -> RF out socket
  • all grounds tied together

d1

I poured some Super-glue on the threads after tightening, as the nuts will be hard to reach when all components are soldered. I added a piece of wire to the ground of DC jack to the ground of RF out connector in order to reduce resistance. I albo connected both RF connectors with a similar wire.

The final step is to solder coupling capacitor to the lid socket. The wire should be as short as possible to buckle inside after securing the lid.
d2

Results

DC is added to the coax. I could not measure any insertion loss with my transceiver. SWR did not change at 80m and 20m.

Some ideas

I would like to make remote antenna switch that would have only a single coax running down to the shack. Antenna selection would be done based on the injected DC voltage. The switch would have 5V relays, 5V switching regulator and a small MCU that would connect the desired antenna based on the voltage before the regulator (eg. 8V, 9V, 10V, 11V, 12V).

A simpler approach: three antenna switch that would be controlled by +12V, 0, -12V (using just relays and diodes).



Artur SP2AGX

Opublikowano w dziale: SP2AGX DIY

Komentuj

Musisz być zalogowany aby komentować.