Emetteur HF SSB QRP
Émetteur SSB HF 8W fait à partir d'un Mosfet IRF510.
Cette réalisation est mon premier montage radio amateur. Je l'ai commencé en novembre 2020 et terminé en février 2021. J'ai construit cet émetteur afin de mettre en pratique les cours radio amateur pour préparer la licence, que j'ai passée en février 2021.
Durant cette réalisation j'ai donc fait quelques erreurs de débutant en HF, mais c'est comme ça que l'on progresse, en apprenant de ces erreurs. Un grand merci à F4IET (mon beau-frère) qui m'a aidé quand je bloquais sur un problème durant cette construction.
Cet émetteur couvre les bandes HF de 20m à 10m, et uniquement en USB. La LSB n'étant pas nécessaire sur ces bandes.
Synoptique de l'émetteur :
Ce synoptique montre chaque sous ensemble et leur construction sera détaillé un par un.
L'ampli de puissance
Afin d'éviter les accrochages ou auto oscillations il faut absolument ajouter une contre réaction entre la grille et le drain de l'IRF, à l'aide d'une résistance de 1K et un condensateur de 100nF en bleu sur le schéma.
L'IRF doit être également être isolé électriquement du radiateur, et le radiateur relié à la masse.
Courant de bias de l'ampli réglé à 120mA (pour une alimentation de 13.8v) ne pas dépasser 150mA, réalisé grâce à RV1 (Multi tour nécessaire). Pour faire ce réglage l'entrée de l'ampli est mise à la masse est la sortie raccordée sur une charge 50 ohms, le filtre passe bas de sortie n'est pas nécessaire, juste garder C10. Puis en partant de 0v, on monte progressivement la tension fournis par le 7805, tout en mesurant le courant drain source, c'est ce courant qui doit être réglé à 120mA et qu'on appelle courant de bias.
Le PCB de 6cm x 4cm est réalisé sur simple face et gravé à la Dremel en gardant le plan de masse le plus grand possible.
L'impédance d'entrée de l'ampli seul est d'environ 10 ohms et sa sortie 50 ohms.
Le Driver
L'impédance d'entrée du driver est de 50 ohms et sa sortie de 10 ohms.
Un petit radiateur est nécessaire pour Q2.
Le PCB est réalisé en simple face de 50mm x 80mm est gravé à la Dremel sur du simple face en gardant le plan de masse le plus grand possible.
Premier essai sur charge 50 ohms (10 résistances de 5k 2W en //) de l'ampli et son driver, avec en entrée du 14Mhz fourni par un générateur de fréquence (Un générateur 0 - 60Mhz Feeltech FY6600).
Le mosfet IRF510 est monté sur un radiateur avec ventilateur, le tout de récupération d'un vieux PC.
Pour l'instant alimenté en 13.8V, je sorte 6W sur charge 50 ohms avec un SWR de 1,1.
Alimentation +5V/1.5A
Montage classique autour d'un régulateur 7805. La VK200 sert à bloquer les perturbations HF. La diode D1 sert de protection du régulateur au cas où la tension de sortie serait supérieure à celle d'entrée. La diode D2 protection en cas d'inversion de polarité en sortie.
Le PCB de 32mm x 45mm est gravé à la Dremel sur du simple face en gardant le plan de masse le plus grand possible (pas comme sur la vue). Monter le régulateur sur un radiateur. Ce montage servira de source +5v dans notre émetteur.
Alimentation +12V/1.5A
Le montage est identique à celui pour le +5V, on remplace juste le régulateur 7805 par un 7812
Ce montage servira de source +12v dans notre émetteur.
Le modulateur équilibré
Le modulateur équilibré est réalisé autour d'un NE612. Le rôle de ce montage est de moduler la fréquence porteuse de l'OL (oscillateur local) avec le signal BF audio. En sortie on a un signal DSB (Double Side Band). Le montage est alimenté en 5V fourni à partir d'un petit montage autour d'un 7805.
Le PCB de 4cm x 6cm est gravé à la Dremel sur du simple face en gardant le plan de masse le plus grand possible (pas comme sur la vue).
Le NE612 est monté sur support.
Le transfo de sortie (L1 L2) est réalisé sur un tore FT37-43 (11 tours primaire et 5 pour le secondaire en cuivre émaillé 4/10). Ce transfo sert à adapter l'impédance de sortie du mélangeur à celle du filtre à quartz qui est 166 ohms.
RV1 sert à supprimer la porteuse, pour ce réglage un analyseur de spectre est idéal, mais vu le prix on réfléchit avant d'investir dans ce genre d'appareil de mesure. Personnellement j'ai acheté un PC-Oscillo Instrustar (ISDS220B) pour 95€ en 2020 sur AliExpress. L'avantage de cet appareil est son prix mais surtout qu'il fait à la fois oscillo et analyseur de spectre pour une bande passante de 60Mhz. C'est avec ce matériel que j'ai fait tous mes réglages et c'est largement suffisant pour un bidouilleur radio amateur.
Pour faire le réglage suppression de la porteuse, il se réalise avec RV1 mais jouer également sur RV2 (entrée de l'OL sur le NE612) afin d'avoir le meilleur compromis possible, c'est à dire porteuse réduite au minimum et signal LSB et USB au maximum.
Pour cette mise au point l'entrée BF peut être fournit par un générateur de fréquence sur 2Khz (Le spectre BF est de 3Khz).
Pour infos, éviter ce type de réglage sur protoboard en HF (Pour un essai de bon fonctionnement à la rigueur) mais pour une mise au point précise le montage doit être sur PCB.
Le signal OL doit être également le plus pure possible (sinusoïdal).
Le filtre à quartz
Le signal sortant du modulateur équilibré est en DSB, la DSB ne nous intéresse pas, nous voulons de la SSB (Simple Side Band) d'où l'utilité du filtre à quartz qui supprimera la bande LSB et laissera passer l'USB nous serons donc bien en BLU (Bande Latérale Unique).
Le filtre à quartz à réaliser est un filtre en échelle à 4 pôles. Nous aurons donc besoin de 4 quartz avec des caractéristiques très proches. Pour se faire j'ai commandé 30 quartz de 10.240Mhz.
Il faut maintenant mesurer chaque quartz à l'aide du montage suivant.
Personnellement j'ai réalisé ce montage sur une petite plaquette pré percée, l’interrupteur permet de mettre en série ou pas le condensateur de 33pf. Chaque quartz sera enfiché sur le petit support durant la mesure, et la sortie de montage contrôlée à l'analyseur de spectre afin de mesurer la fréquence avec et sans le 33pf. La première chose à faire avant les mesures est de numéroter chaque quartz.
Ensuite en réalise les mesures, et on note les résultats dans un tableau Excel. Mon quartz n°4 a un problème donc je l'élimine.
J’ai ensuite trié le tableau dans l’ordre croissant de F0 pour examiner les groupes de quartz de fréquences identiques ou proches. La règle est que la fréquence des quartz doit se trouver dans un intervalle de 10% de la bande passante. Soit 300Hz pour une bande passante de 3000Hz.
Pour fabriquer mon filtre à 4 quartz, j’ai sélectionné les quartz numéro 29, 18, 3, 7.
Puis grâce aux formules on peut calculer Cm et Lm
Le logiciel DISHAL de DJ6EV fournit un moyen simple et pratique de calcul des composants du filtre à quartz.
Tout d'abord, on va déterminer les paramètres des quartz grâce à la fonction "G3UUR Method" dans le menu "Xtal".
Nous renseignons le schéma avec la valeur de la capacité entre électrodes, dans notre cas 3.5 pF, la valeur de Csw (33 pF) et laissons 470 pF pour les deux capacités C1 et C2.
Il reste à indiquer les deux valeurs moyennes de fréquence trouvées précédemment et un clic sur Calculate fera apparaître la valeur de l'inductance Lm en mH et la fréquence série en kHz.
Notre filtre doit avoir les caractéristiques suivantes:
Filtre à quartz du type Chebychev à 4 pôles.
Dans le logiciel on ne peut mettre que les caractéristiques d'un seul quartz (nos 4 quartz sélectionnés ont des caractéristiques les plus proches possibles.)
Bande passante de 2700kHz
Lm : 13.943 mH
Fréquence série en kHz 10236.965
Ces valeurs sont entrées dans la première ligne en haut de la fenêtre sous le menu. En cliquant sur le bouton "Calculate" on obtient :
- La courbe de réponse du filtre,
- L’impédance du filtre = 166Ω,
- La fréquence centrale du filtre = 10238,625KHz,
- Les capacités Cs1=105,3pF, Ck23=105,3pF, Ck12=86,8pF schéma du filtre en dessous,
- La fréquence de résonance parallèle Fp=10262,236KHz,
- Les bandes passantes
Une fois construit, voici le résultat obtenu en contrôlant le filtre au VNA. On a bien une bande passante de 3kHz centrée sur 10.2389MHz. Par contre une forte atténuation de -8db en milieu de bande.
Afin de diminuer la taux d'ondulation dans la bande passante, j'ai ajouté un petit condensateur variable de 10pf sur chaque Ck12 et Ck23. Ensuite en repassant le filtre au VNA et en faisant un compromis de réglage sur les 3 CV de 10pf, j'ai réussi à améliorer légèrement la chose. J'ai maintenant une atténuation de -5db en milieu de bande. J'ai donc gagné 3db.
Bon ce n'est pas parfait mais en tout cas il est dans mon émetteur depuis février 2021 et ça fonctionne sans problème.
L'oscillateur local 10.237Mhz
Montage oscillateur à quartz alimenté en 12v.
Le PCB de 5cm x 4cm est gravé à la Dremel sur du simple face en gardant le plan de masse le plus grand possible.
Le quartz choisi est le n°28 à une fréquence de 10.237222Mhz.
Le mixer
Le rôle du mixer est de mélanger la fréquence en sortie du filtre à quartz (10.238MHz BLU) à celle du VFO. En sortie du mixer nous aurons donc 2 fréquences, (10.238MHz + Fréq VFO) et (10.238MHz - Fréq VFO).
La seule qui nous intéresse est (10.238MHz + Fréq VFO), il faudra donc supprimer l'autre se sera le rôle du filtre passe haut placer derrière le mixer.
Le circuit est basé autour d'un NE612. Le rôle de Q1 est de laisser passer la fréquence du VFO vers le NE612 uniquement quand le signal PTT est présent (demande d'émission).
RV1 (multi tour) sert à doser le signal venant du VFO par rapport au signal (10.238MHz BLU), le but étant d'avoir en sortie du NE612 la fréquence (10.238MHz + Fréq VFO) avec une amplitude maximum possible. On utilisera l'analyseur de spectre pour faire ce contrôle.
Le montage est alimenté en +5V venant la petite platine +5v à base d'un régulateur 7805.
Le PCB est réalisé en simple face de 50mm x 50mm, il est gravé à la Dremel en gardant le plus grand plan de masse possible.
Le VFO
Mon VFO est construit à partir d'un Arduino nano et d'un module DDS AD9850 et d'un petit écran LCD 1602. Il est inspiré de celui qui est décrit sur le lien suivant:
https://create.arduino.cc/projecthub/mircemk/arduino-dds-vfo-with-ad9850-module-be3d5e
Le module DDS AD9850
La carte Arduino Nano
Voici le fichier code Arduino modifié pour mon VFO.
Par choix personnel, au démarrage du TX la fréquence de l'émetteur affichée est celle du 20m en mode FT8 c'est à dire 14.074MHz et le pas d'incrémentation est de 10Hz.
Le pas d'incrémentation peut être modifié en appuyant sur le bouton fréquence. Choix possibles : 10, 50, 100, 500Hz, 1, 2.5, 5, 10, 100kHz, 1MHz.
Le réglage de la fréquence d'émission se fait en tournant le bouton fréquence à gauche ou à droite.
Afin d'avoir une augmentation de la fréquence quand on tourne le bouton vers la droite, il faut inverser le câblage des bornes DT et CLK de l'encodeur incrémental (Par rapport au plan original).
En sortie du VFO, on a un signal sinusoïdal de 630mV crête à crête.
Ne pas s'affoler si lors du premier essai rien ne s'affiche sur le LCD il suffit d'ajuster le contraste à l'aide du potentiomètre multi-tour de 25k ohms.
L'alimentation de la carte Arduino Vin doit être d'au moins 8V et max 9V, afin d'éviter que le petit régulateur 5v de la carte Arduino ne chauffe de trop. J'ai donc fait un petit montage autour d'un régulateur LM317 que j'avais de disponible.
J'ai réalisé ce montage sur une plaquette pré-percée de 7cm x 3cm. Le réglage de la tension de sortie à 8v se fait par le potentiomètre multi-tour RV1.
Un petit radiateur sur le régulateur est le bienvenu.
Mise en place du module VFO derrière la face avant de l'émetteur.
La carte Arduino Nano et le module DDS AD9850, ont été monté sur supports eux même montés sur une plaquette pré-percée de 5cm x 7cm. de l'autre côté de cette plaquette on retrouve l'écran LCD 1602 lui aussi monté sur support.
Vue de dessus du VFO en place sur la face avant de l'émetteur. La prise USB de l'Arduino Nano reste facilement accessible pour éventuellement reprogrammer la carte.
Le filtre passe haut
Pour calculer ce filtre j'ai utilisé le logiciel "Elsie" :
Ce filtre est placé en sortie du mixer, son rôle est de laisser passer le (10.238MHz + Fréq VFO) et de supprimer le (10.238MHz - Fréq VFO).
Les bobines sont réalisées sur tore T50-6.
12 tours pour la 580nH et 10 tours pour la 400nH en fil de cuivre émaillé de 0.7mm.
Le PCB est réalisé en simple face, il est gravé à la Dremel en gardant le plus grand plan de masse possible
Une fois monté le filtre est contrôlé au VNA.
On a une fréquence de coupure de 10.78MHz à -3db.
La fréquence (10.238MHz - Fréq VFO) sera donc bien supprimée.
Pour le 20m cette fréquence sera de l'ordre de 6MHz et inférieure sur le 17m, 15m, 12m, 10m.
L'interface FT8 vox control
Le rôle de cette interface est de faire déclencher le PTT donc le passage en émission quand la sortie audio du PC via le logiciel WSJTX transmet un message. Afin d'éviter tout retour HF vers le PC, on réalise un isolement galvanique grâce au transfo audio TR1.
Le potentiomètre RV2 se placera en face avant de l'émetteur, il sert à régler le niveau audio venant du PC et donc agit sur la puissance d'émission.
Le potentiomètre RV1 sert à régler la sensibilité du déclenchement.
Un bouton poussoir qui se placera également sur la face avant de l'émetteur permettra le déclenchement manuel de l'émission, c'est la commande PTT.
Le transistor Q2 commande en tout ou rien un relais 12V qui grâce à ses contacts alimentera la partie puissance de l'émetteur lors de la demande d'émission. Il faut mettre une diode de roue libre aux bornes du relais afin de protéger Q2.
Le PCB est réalisé en simple face de 50mm x 55mm, il est gravé à la Dremel en gardant le plus grand plan de masse possible.
Pré-ampli Driver
Lors des premiers essais sur charge en FT8 sur la bande 20m de l'ensemble de la chaine de modulation avec le Driver et l'ampli au bout, la mise en évidence d'un manque de puissance c'est fait ressentir.
J'ai donc ajouté en entrée du Driver un étage transistor. Le gain de montage peut être modifié en jouant sur la valeur de R5. Attention de ne pas mettre trop de gain au risque de voir l'ampli partir en auto-oscillation.
Le PCB est réalisé en simple face de 30mm x 80mm, il est gravé à la Dremel en gardant le plus grand plan de masse possible. Il a la même longueur que le PCB du Driver et viendra directement se joindre à côté.
L'ensemble PCB Driver et préampli fait 8cm x 8cm.
Pré-ampli avant filtre passe haut
Lors des premiers essais sur charge en FT8 sur la bande 20m de l'ensemble de la chaine de modulation avec le Driver et l'ampli au bout, la mise en évidence d'un manque de puissance c'est fait ressentir (à peine 2W). J'ai donc ajouter un pré-ampli avant le filtre passe haut.
Montage à base d'un 2n2222, avec en entrée et sortie un transformateur bobiné sur tore FT 50-43 pour l'adaptation d'impédance.
Le PCB est réalisé en simple face de 60mm x 35mm, il est gravé à la Dremel en gardant le plus grand plan de masse possible.
Platine filtres passe bas
Le tableau suivant donne les valeurs des composants par bande.
Ce tableau est tiré de la description de l'Ampli Strong V1 et V2 de F6BCU. Seul les filtres 20m, 17m, 15m, 12m, 10m seront réalisés
Chaque filtre possède un relais en entrée et un en sortie. Ces relais sont commandés en 12v par le commutateur choix de bandes en face avant. Ce 12v est fabriqué à partir du 15.2v avec un petit montage classique autour d'un régulateur 7812.
Derrière la carte on trouve les 5 commandes des relais pour le choix de la bande HF et les relais pour la commande PTT.
Sur la face avant de la carte on retrouve le 5 filtres et leurs relais, ainsi que le relais commutation antenne TX/RX (à gauche).
Le pré-ampli micro
Comme je fait principalement du mode numérique FT8 et FT4, je n'ai pas investi dans un micro haut de gamme. C'est un micro que j'avais depuis une vingtaine d'année qui me servait pour un projet de table de mixage. C'est un Selection DMV103.
J'ai donc fais un pré-ampli adapté à ce micro. Le montage est conçu autour d'un AOP, un LM358 que j'avais en réserve. Comme dans l'émetteur je n'avais pas alimentation symétrique de disponible, il est alimenté en 12v en créant une masse virtuelle, c'est le rôle de RV1 qui divise le 12V en 2 tensions de 6v avec un point de masse virtuelle pour l'AOP sur le curseur. Les VK200 en entrée et sortie filtrent les perturbations HF éventuelles. L'AOP est monté en ampli inverseur avec un gain qui varie en fonction de la fréquence audio.
Le transformateur audio en sortie et là pour faire un isolement galvanique, et éviter un conflit une entre la masse du TX et la masse virtuelle du pré-ampli.
Attention le masse du micro est reliée à la masse virtuelle de l'AOP et pas à la masse du TX.
Le PCB est réalisé en simple face de 60mm x 45mm, il est gravé à la Dremel en gardant le plus grand plan de masse possible.
Essais effectué concluant avec un QSO validée avec l'Italie.
La mise en boitier
Le boitier est réalisé en MDF de 6mm et blindé en PCB simple face.
La partie puissance est également isolée de la partie modulation afin d'éviter les interférence HF.
La face avant est blindée en PCB simple face, doublée par une plaque en Forex 3mm et les inscriptions sont sur papier photo collé au double face.
On y retrouve les commandes suivantes :
- Interrupteur M/A
- Le sélecteur de bandes
- Le choix d'une entrée (FT8 ou FT4) ou micro
- Le réglage gain micro
- Le réglage gain TX (Réglage de la puissance d'émission)
- La commande en fréquence du VFO
- Le bouton poussoir à voyant rouge, qui signale le passage en émission et permet également le déclenchement manuel du PTT.
La face arrière est blindée en PCB simple face, et les inscriptions sont sur papier photo collé au double face.
On y retrouve le ventilateur, le porte fusible 2.5A, l'entrée alimentation (13.8v à 15.2v), la sortie émission antenne sur prise SMA, la sortie réception (vers RPS1A) sur prise SMA, la prise entrée micro, la prise entrée commande FT8 (venant de la sortie casque du PC), la prise PTT qui permet grâce à un interrupteur extérieur de déclencher la commande PTT pour une entrée micro.
Implantation des modules dans le coffret
Afin de faciliter la maintenance, la platine côté droit du boitier est maintenue par 2 vis, ce qui la rend démontable.
