Jean-François FOURCADIER
F4DAY

Montpellier  (France)

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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.

v_cms_1.jpg (1216 octets)                    v_cmere.jpg (1439 octets)

(cliquer pour agrandir)

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:

v_charge.JPG (1211 octets)

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.

 

v_fil.jpg (1316 octets)           v_loupe.jpg (1750 octets)            v_support.jpg (1469 octets)

 

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.

v_oscill.GIF (209 octets)

(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:

v_modfreq.gif (1122 octets)

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:

v_essaimod.gif (167 octets)

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.

v_mod.gif (1101 octets)

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.

v_pll.gif (265 octets)

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:

v_twist.jpg (953 octets)

 

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.

v_vuegen.jpg (1750 octets)           v_capouv.jpg (1470 octets)

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:

v_capferm.jpg (1212 octets)

 

le détail de l'illumination:

v_illum.jpg (991 octets)

 

l'antenne en situation:
(noter au dessous l'antenne express-pizza pour le retour 1,2 GHz)

v_ant1.jpg (1187 octets)

 

 

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"

 

B5+ et 73 de Jean-François Fourcadier, F4DAY

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