Un oscillateur 2,3 GHz simple
à réaliser : l'oscillateur "twist"
(réalisation
publiée dans le journal "Mégahertz"
de janvier 2001)
Le projet est parti d'une idée
simple: compte tenu des performances atteintes par les
composants modernes, il doit être possible de réaliser
en peu de temps un petit oscillateur 2,3 GHz sur un bout
d'époxy cuivré..... Puis, devant le succès et en se prenant
au jeu, de tenter de le moduler en fréquence, puis de
réaliser un véritable modulateur, puis de stabiliser la
fréquence de l'oscillateur au moyen d'une boucle à verrouillage
de phase, et enfin d'oser un petit DX TV avec un tel dispositif
!
Comme souvent, on ne manquera
pas ensuite de réécrire l'histoire en ordonnant les idées,
en conceptualisant, bref en tentant de faire croire que
tout était clair et évident dès le départ......
La technologie
utilisée :
Les composants montés en surface
(CMS) sont aujourd'hui très répandus dans le commerce
de détail et dans la vente par correspondance. On peut
même les récupérer sur des circuits électroniques mis
au rebut. Cette dernière possibilité est intéressante
pour les composants "chers" comme les condensateurs
de valeurs moyennes ou importantes. Une carte mère d'ordinateur
en recèle plusieurs dizaines. Pour les récupèrer proprement,
il faut deux fers à souder et l'aide d'un assistant équipé
d'une paire de pinces brucelles.
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Les composants CMS se révèlent
possèder des caractéristiques tout à fait honorables jusqu'à
des fréquences de plusieurs GHz. Pour s'en convaincre:
une chute de circuit imprimé, un bout de semi-rigide UT-141
et deux résistances CMS de 100 W
permettent de se constituer une petite charge 50 W
fonctionnant jusque dans le domaine hyperfréquences pour
un prix imbattable:
On peut s'enhardir et réaliser,
par simple soudure de composants CMS, des montages plus
complexes. Les composants sont soudés en l'air, directement
entre eux, sans fils de liaison. Le cuivre d'une plaque
d'époxy sert de plan de masse. Tous les composants CMS
devant être mis à la masse sont directement soudés sur
le plan et assurent en même temps la rigidité mécanique.
Pour éviter les contraintes mécaniques sur les composants,
les liaisons avec le monde extérieur (alimentations, signaux
BF, ...) sont effectuées à l'aide de fil de cuivre récupéré
sur un vieux moteur de lecteur de disquettes. Une grosse
loupe éclairante achetée en grande surface évite les maux
de tête et un petit dispositif avec deux ressorts permet
d'immobiliser deux CMS le temps de leur soudure.
Le schéma
:
L'oscillateur est de type Pierce et fait appel
à un transistor CMS BFR93A dont la fréquence de transition
est de 6 GHz. Ce transistor est très répandu et ne coûte
qu'un ou deux euros. Le circuit résonant est constitué
d'une simple torsade, le "twist", dont la longueur
conditionne la fréquence de fonctionnement de l'oscillateur.
On peut ainsi ajuster simplement la fréquence entre 1
et 3 GHz au moyen d'une pince coupante. Pour un fonctionnement
à 2,3 GHz, la longueur de la torsade est d'environ 18
mm. Le transistor BFR93A est monté incliné pour que son
émetteur puisse être soudé directement sur le plan de
cuivre. Un MMIC Agilent MSA08-86 sert de tampon et augmente
le niveau de sortie.
(cliquer pour agrandir)
Le procédé de modulation en fréquence est sommaire
mais efficace: Par simple action sur le courant de base
du transistor oscillateur, on obtient plus de 100 MHz
de contrôle, avec une courbe de variation ayant l'allure
suivante:
La variation n'est pas parfaitement linéaire,
mais avec une excursion FM limitée à +/- 8 MHz le résultat
est tout à fait acceptable pour des applications courantes
en télévision. On observera que la pente est négative,
c'est à dire qu'à une augmentation de la tension d'entrée
correspond une diminution de la fréquence. Ce n'est pas
la convention généralement adoptée en télévision et il
faudra donc inverser le signal quelque part entre la sortie
de la caméra et l'entrée du téléviseur.
On pourra tester le fonctionnement de l'oscillateur
en télévision au moyen du dispositif d'injection suivant
qui tire parti de la pente de variation de la fréquence
de 16 MHz/V pour fournir un signal FM d'excursion voisine
de celle des signaux Astra:
Toujours à des fins de test, l'obstacle de la
pente négative -qui conduit au niveau du téléviseur à
une vidéo inversée- peut être contourné en réglant le
récepteur sur une de ses réponses parasites appelée "fréquence
image". Explication: Les démodulateurs satellite
de salon possèdent habituellement un changement de fréquence
supradyne et une fréquence intermédiaire sur 479,5 MHz.
Si nous réglons donc notre récepteur de salon sur une
fréquence de 1361 MHz, l'oscillateur local fournira un
signal à 1361 + 479,5 = 1840,5 MHz, et nous pourrons observer
une réponse parasite infradyne sur 1840,5 + 479,5 = 2320
MHz. Dans l'opération, le spectre reçu est retourné, et
la vidéo est donc inversée. On peut ainsi très facilement
observer la qualité de l'image.
Un véritable modulateur inverseur est toutefois
préférable. Le circuit présenté ci-dessous en est un exemple.
Une cellule de préaccentuation CCIR 405-1 est placée à
l'entrée. Le circuit offre la possibilté de connecter
un circuit de stabilisation de fréquence au moyen d'une
boucle à verrouillage de phase.
L'oscillateur fonctionne très bien de manière
libre, avec une fréquence qui se maintient à +/- 1 MHz
sur de courtes périodes. Ceci est suffisant pour des essais
de télévision. Une stabilisation de la fréquence est cependant
souhaitable. Le circuit décrit ci-dessous qui fait appel
à un circuit Motorola MC12179D est extrêmement simple.
Une petite ligne quart d'onde réalisée en semi-rigide
joue le rôle de transformateur d'impédance pour éviter
de charger excessivement la sortie du circuit. La boucle
à verrouillage de phase se verrouille à une fréquence
égale à 256 fois la fréquence du quartz. Un quartz de
9 MHz conduit à un verrouillage sur 9 x 256 = 2304 MHz.
Nous utiliserons ici un quartz de CB oscillant sur 27,185
MHz en partiel 3 et qui possède donc une fréquence fondamentale
voisine de 9062 kHz. On obtient ainsi un verrouillage
sur 2320 MHz.
NB: A l'expérience, l'oscillateur 9 MHz se révèle
très légèrement "un peu haut" (overtone oblige
!). Pour un fonctionnement sur 2320,0 MHz, un quartz 27,175
MHz est préférable.
Sur la patte 6 du circuit intégré on trouve le signal
de commande du VCO qui doit être filtré à travers un réseau
de compensation de phase (220 W,
820 W, 47 µF). Ce réseau assure la stabilité de
l'asservissement.
La réalisation
:
Comme indiqué plus haut, pour les points de
masse, les composants CMS sont soudés à même le cuivre
d'une plaque d'époxy que l'on aura au préalable soigneusement
décapée. La confection de la torsade "twist"
qui sert de circuit résonant est extrêmement simple:
Le montage sera impérativement placé dans un
boîtier métallique. En l'absence du circuit de stabilisation
de fréquence à PLL, la stabilité obtenue sur de courtes
périodes est de l'ordre de +/- 1 ou 2 MHz et est donc
suffisante pour conduire des essais de télévision amateur.
Dans la réalisation ci-dessus, le boîtier oscillateur
est abrité dans un coffret étanche pour pouvoir résister
aux intempéries et autoriser donc une pose à proximité
immédiate de l'antenne. Une place est réservée dans le
coffret pour l'adjonction future d'un amplificateur 500 mW.
Les réglages :
L'oscillateur démarre immédiatement à la mise
sous tension. Dans le cas où on réalise le montage avec
la stabilisation de fréquence, on coupera tout d'abord
le fil véhiculant le signal de CAF vers la base du transistor
de manière à rendre celle-ci inopérante. Le potentiomètre
de règlage fin de fréquence est placé à mi-course. On
mesure la fréquence de sortie de l'oscillateur avec un
fréquencemètre ou bien avec un tuner satellite, en tenant
compte de ses réponses parasites (cf supra). On ajuste
alors la longueur de la torsade au moyen d'une pince coupante
pour obtenir la fréquence désirée à 10 MHz près. En refermant
la boucle de CAF le verrouillage est immédiat. La puissance
de sortie RF est de 20 mW. Le potentiomètre de réglage
d'excursion est simplement réglé pour une qualité d'image
satisfaisante sur un téléviseur de contrôle.
L'utilisation
:
Les essais locaux ne présentent aucune difficulté:
une simple boîte de conserve comme antenne (version 2,3
GHz de l'antenne express-pizza)
et on obtient facilement plus de 100 mètres de portée
avec une image d'une excellente qualité.
Dès lors, avec ces 20 mW, pourquoi ne pas tenter
un petit DX ? Le relais ATV du mont Aigoual F5ZGN
est à un peu plus de 50 km, il possède une entrée sur
2320 MHz et une sortie sur 1255 MHz. Il est en visibilité
optique. Ca fait un peu loin, il faudrait donc quand même
un peu de gain d'antenne.... La boîte de conserve est
montée naïvement et sans précaution au foyer d'une antenne
satellite de 80 cm de diamètre. L'illumination du paraboloïde
n'est à l'évidence pas correcte et les 23 dB de gain
possible ne sont certainement pas au rendez-vous.
L'ensemble expérimental est monté sur le balcon.
Le mat support est un peu court avec pour conséquence
que le premier ellipsoïde de Fresnel n'est pas parfaitement
dégagé. On connecte la source vidéo, l'alimentation, on
oriente l'antenne et miracle ..... ça rentre. Bien sûr
l'image est très bruitée, mais la couleur passe et les
personnages reconnaissables. Encourageant !
La suite programmée vise à augmenter la puissance
RF de 20 mW à 600 mW à l'aide d'un circuit intégré amplificateur
ITT 2303 et à parfaire l'intégration système (alimentation,
coffret outdoor, antenne, ...).
le coffret:
le détail de l'illumination:
l'antenne en situation:
(noter au dessous l'antenne express-pizza pour le retour 1,2
GHz)
Conclusion :
Ce petit émetteur pour la bande 2,3 GHz n'est
qu'une illustration de ce qu'il est possible de réaliser
dans le domaine des hyperfréquences, pour un très faible
coût. Point de substrats coûteux, point de gravure, quelques
composants courants ou de récupération et les résultats
sont souvent là, surprenants !
Allumons les fers à souder !
NB: en anglais "twist" veut dire "torsade"
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