Silicon Labs levert met de EZRadioPro serie een reeks aantrekkelijk ontvanger- en zendontvangers chips in een QFN20 package voor telemetrie toepassingen in het sub-GHz bereik. Ook zijn er -o.a. op AliExpress- voor weinig geld complete modules te vinden die uitgerust zijn met dit IC. In het laatste geval gaat het dan meestal om de Si4463 of de enigszins verouderde Si4432. Voor domotica toepassingen op 433 of 866 MHz gebruik ik meestal de vergelijkbare RFM69 van HopeRF, maar wat de Si4463 bijzonder maakt is het enorme continue frequentiebereik (142-1050 MHz), het feit dat de VHF band hier deel van uitmaakt en dat de maritieme AIS-kanalen (161,975 en 162,025 MHz) hierdoor in beeld komen.
De voorbeelden in de AN643 Application Note laten zien hoe met 3 of 4 componenten een LC-Balun samengesteld kan worden om de differentiële ingang van de ontvanger aan te passen aan 50 Ω. Omdat ik de ontvangergevoeligheid in de praktijk toch teleurstellend vond kreeg ik een steeds grotere verdenking op dit netwerk. Met vaste condensatoren en zelfinducties in een 603 footprint is het lastig experimenteren. In plaats daarvan heb ik het 169 MHz voorbeeld uit de application note in LTspice overgenomen om te kijken hoe kritisch alles lag. En toen werd mij toch het een en ander duidelijk. Dit artikel gaat over de mogelijke oorzaak van de gebrekkige ontvangstgevoeligheid en tracht wat richting te bieden naar een mogelijke oplossing.
Hierboven de aanbevolen aanpasnetwerk uit de Application Note voor 169 MHz. De differentiële ingang van de ontvanger heeft op die frequentie een nominale ingangsimpedantie van 536 Ω met parallel daaraan een capaciteit van 0,98 pF. Het netwerk is een LC-balun en heeft twee taken. De eerste is de impedantie transformatie van 50 Ω naar 536 Ω. De tweede taak is om een 'single-ended' naar 'differential' conversie uit te voeren. Naast het schema een Bode plot van som- en verschil van beide ingangssignalen. Dat de plus en min 90 graden fasedraaing en de impedantietransformatie bijzonder kritisch is wordt meteen al duidelijk. Het voorbeeld komt inderdaad keurig op 169 MHz maar met de dichtstbijzijnde E12 waarden (5,6 pF, 12 pF, 150 nH en 220 nH) is het al helemaal zoek.
Maar dat zal niet het enige probleem blijken!
In de Bode plot hierboven is te zien dat de twee afzonderlijke ingangssignalen op 169 MHz ten opzichte van elkaar keurig in tegenfase zijn en de spanningsversterking ten gevolge van de impedantie transformatie ca. 2 x 4,3 = 8,6 db bedraagt. Deze plot loopt van 160 tot 180 MHz. Heel anders echter ziet de situatie eruit als er wat breder gekeken wordt.
Nog steeds hetzelfde circuit maar nu van 50 tot 200 MHz in beeld gebracht. Wat nu zichtbaar wordt is een enorme piek op ca. 90 MHz waarbij de beide uitgangssignalen signalen na transformatie resp. 17,5 en 21 db boven het ingangsignaal liggen. Dat is precies in de FM-omroepband. De twee signalen zijn in dit gebied weliswaar in fase met elkaar en wortden geacht elkaar op te heffen. De common mode rejection van de verschilversterker in de SI4463 is niet gespecificeerd maar daar zal hoe dan ook weinig of niets van overblijven wanneer we eenmaal in de regionen terechtkomen waarbij blocking en intermodulatie optreedt.
Om eens te kijken wat ik op mijn locatie in de ether aantref heb ik de AIS-antenne (een simpele verticale dipool) rechtstreeks op de spectrumanalyzer aangesloten.
Alleen de allersterkste AIS-signalen kijken op de ingestelde bandbreedte juist boven de ruis uit, maar een lokaal radiostation op 90MHz ligt daar ca. 50 dB boven en een DAB+ signaal op 182 MHz zo’n 35 dB. Het ongelukkige gedrag van de LC-Balun zorgt er voor dat de ontvanger bijzonder kwetsbaar wordt voor sterke signalen precies in een FM-band waar het meeste gevaar te duchten is. Een voorversterker zal de situatie uiteraard alleen maar verergeren. Het heeft er alle schijn van dat de ontvanger volledig overstuurd wordt, terwijl de overgrote meerderheid van de AIS-stations aanzienlijk zwakker zijn dan de enkele die zichtbaar is op de spectrumanalysator. Twee mogelijke oplossingen zijn: 1.Extra preselectie en 2. Een beter alternatief voor de LC-Balun. Beide zal waarschijnlijk nodig zijn. De aanbeveling van Silab voor een LC-balun zal vooral ingegeven zijn om een eenvoudige / uniforme / reproduceerbare oplossing te bieden over het hele frequentie gebied en met name voor het legio aan toepassingen in de 433 en 868 MHz band. Het VHF-bereik is in dat licht gezien een beetje een buitenbeentje. Op die frequentie ligt het veel meer voor de hand om voor een transformator op een ferriet kern te kiezen. De impedantie transformatie is ruwweg 1 : 10. Met een wikkelverhouding van 1 : 3,3 (oftewel 1 : 1,66 + 1,66) komen we een heel eind. De 1 pF ingangscapaciteit is niet dramatisch en kan zo nodig gecompenseerd worden.
Om dat te onderzoeken heb ik een simulatie uitgevoerd met een 1 : 9 impedantie transformator, de Coillcraft, de WBC9-L_. Ik heb deze gekozen omdat de zelfinducties in een datasheet terug te vinden waren en ik verder geen Spice modellen kon vinden van soortgelijke transformators van Murata, Amidon e.d.
Dit ziet er allemaal een stuk rustiger uit. 180 graden fasedraaing en ca 2 x 6,5 dB spanningsversterking over een groot bereik.
Wellicht levert dit een wat al te ideaal beeld op, maar de resonantieverschijnselen in de FM-band en de kritische componentkeuze hebben we in ieder geval mee afgerekend. De volgende stap is om het in de praktijk te testen.
Omdat ik de wens heb de twee AIS-kanalen simultaan te ontvangen heb ik ervoor gekozen ook maar meteen een Splitter/combiner in het ontwerp mee te nemen. Doorgaans bestaat deze uit twee transformatoren. De eerste is een autotrafo die de ingangsimpedantie halveert. De tweede is bifilair gewikkeld waarbij de impedantie voor elke poort weer verdubbeld. Omdat we toch in de richting 500 Ω willen gaan kunnen we de eerste transformator laten vallen. De 50 Ω aan de ingang zal na de splitter op 2 poorten van 100 Ω uitkomen. Dat is al een eind in de goede richting. Een eenvoudig trifilaire transformator zal het dan voor elke AIS ontvanger op 2 x 200 = 400 Ω brengen. Het idee is om beide secundaire wikkelingen nog een keer door één van de gaten van een double aperture core (varkensneus) te halen. Met deze halve wikkeling extra zullen we redelijk dicht bij het uiteindelijk doel van 532 Ω komen. De testopstelling ziet er als volgt uit.
Om aan het meest kritieke onderdeel te kunnen meten heb ik een ferrietkern tussen twee "matching pi attenuators" geplaatst. Aan de ingang een 20db verzwakker met een ingangsimpedantie van 50 Ω en een uitgansimpedantie van 100 Ω. Achter de trafo een tweede matching pi-netwerk met ingangsimpedantie van 266 Ω en een uitgangsimpedantie van 50 Ω, nu tegen de prijs van nog eens 10 dB verzwakking. De ongebruikte secundaire wikkeling van de transformator wordt simpelweg afgesloten met een weerstand van 266 Ω.
De gebruikte calculator is terug te vinden op href="https://chemandy.com/calculators/matching-pi-attenuator-calculator.htm"
Een eerste meting is uitgevoerd met een trifilaire(wikkeling van 2 : 2,5 + 2,5 windingen (d = 0,2 mm) op een FairRite 2643000301 ferriet kern 35 x 1,6 x 6 mm #43 materiaal op het printje hieronder. Impedantie verhouding zou dan ongeveer 1 : 5 moeten zijn, zodat we op 500 Ω uitkomen.
Het resultaat van de meting.
De gemeten verzwakking op 162 MHz is 34,25 – 30= 4,25 db. Aangezien de helft van het vermogen in de dummy weestand van 266 Ω gedisipeerd wordt maar uiteindelijk wel ten dienste zal komen te staan aan de ontvanger is het werkelijke verlies 1,25 db wat me heel redelijk lijkt.
Het voorgestelde complete schema voor een dual channel AIS ontvanger wordt dan als hieronder:
En hieronder de provisorische montage van splitter en ingangstrafo's op een AIS ontvanger in plaats van de LC-Baluns waar de print voor was ingericht. Dit keer uitgevoerd met miniatuur double aperture cores, in #61 materiaal van FairRite Part no. 2861002302. De meetresultaten waren vrijwel identiek.
Ook is er nog een experiment uitgevoerd met en AliExpress module met een trafo balun.
Voorlopige bevindingen
Extra preselectie met een LC of SAW bandfilter blijft zeker nodig en kom ik wellicht nog wel op terug, maar de balun met transformator levert al een 20 dB voordeel als het om het voorkomen van blocking vanuit de FM band gaat. Bovendien is hij eenvoudiger te realiseren dan de LC-variant met condensatoren en spoelen met exotische waarden. Deze zijn niet alleen lastig te verkrijgen (in een redelijke kwaliteit bij een 603 footprint) maar er valt ook niets meer te verifiëren of in te stellen als ze eenmaal op de print zitten.
Ook blijkt dat een zorgvuldige layout en een volledige afscherming en ontkoppeling van eminent belang is. Door zijn hoge ingangsimpedantie is de Si4463 enorm gevoelig voor elke vorm van ruis en stoorsignalen op ingangscircuit. Zie in dit verband de aanbevelingen van Silabs.
Extra versterking moet enorm spaarzaam mee omgesprongen worden. Bovenop de 3 db verlies ten gevolge van de splitter treedt er misschien 2 dB op door transformatie. Alles wat meer is om dat verlies te compenseren brengt de matige sterk signaal eigenschappen van de ontvanger chip alleen maar in gevaar.