Aparentemente se tem muito medo na comunidade radioamadora na utilização de amplificadores com transmissores baseados em SDR. Tal medo tem uma origem bem razoável, a pureza espectral desses dispositivos costuma ser terrível! Porém, a maioria dos transceptores são baseados em SDRs hoje em dia, então infere-se que não apenas é viável como é interessante buscar solucionar esses problemas visto que os benefícios superam as dificuldades.

Para isso, precisamos primeiramente entender a origem desses espúrios. No caso do Pluto, temos duas "fontes" principais de sinais indesejáveis: os formados por intermodulação e os formados pelas harmônicas ímpares do oscilador local (LO).

Espúrios formados por intermodulação

Esse tipo de espúrio é causado por não-linearidades na cadeia de sinal, que fazem com que as componentes do sinal desejado se misturem e gerem outras componentes indesejadas. Na própria wiki do Pluto encontramos uma referência sobre o tema, tratando sobre a parte teórica. Na wiki também encontramos a sugestão de manter o atenuador de saída abaixo de -10dB, de forma a garantir que os estágios posteriores (principalmente balun) se mantenham na região linear, garantindo que não sejam gerados produtos de intermodulação. Dessa forma, não é necessário filtrá-los.

Espúrios formados por harmônicas

Como o Pluto utiliza internamente o AD9364, que utiliza um LO de onda quadrada, todo sinal gerado por ele é misturado não só com a componente fundamental desejada mas também com todas as harmônicas ímpares. Uma demonstração bem legal foi feita pelo Robin Getz (da própria Analog) na GRCon sobre isso, na qual ele transmitia o logo da Analog e visualizava no espectrograma as harmônicas e o espelhamento espectral.

Medições realizadas pelos membro do projeto Langstone - Saída em 144MHz sem filtros

Medições mais científicas foram realizadas pelos idealizadores do projeto Langstone, que busca também montar um transceptor baseado no Pluto. Nos testes deles, também na faixa de VHF, a terceira harmônica não estava nem 10db abaixo da fundamental. Mesmo em 1GHz (5ª harmônica) o sinal não estava nem abaixo de 20dB! Isso é um grande problema, pois regulações internacionais requerem que os espúrios gerados estejam pelo menos entre 40-60dB abaixo da fundamental (dependendo da potência de saída).

Para isso, precisamos utilizar filtros passa-baixa após a saída do Pluto, que rejeitem as harmônicas suficientemente para cumprir as regulamentações. Dito isso, estabelecemos como critério de design: filtrar o sinal antes da entrada da etapa de potência com um filtro passa-baixa com rejeição mínima de -50dB na frequência de 435MHz. Sendo o filtro passa-baixa, infere-se que a rejeição seja superior a -50dB acima de 435MHz, porém isso deve ser validado de qualquer forma dado que efeitos parasíticos podem causar efeitos inesperados.

Ganho e potência

Primeiramente, definimos os critérios de potência e linearidade desejados. No caso, gostaria de ter no final do projeto um amplificador capaz de obter na saida pelo menos 5W (37dBm) linearmente, podendo ser expandido para potências mais altas em operação não-linear.

Conforme recomendação da Analog acima, temos como dado que operaremos o transmissor com a atenuação de -10dB para garantir a pureza espectral da saída. Dado a potência máxima medida nessa frequência do Pluto (que vai estar operando fora do datasheet), temos que nossa potência de saída vai estar entre -10dBm e 0dBm. Ou seja, entre a entrada e a saída, vamos precisar de pelo menos 37dBm - (-10dBm) = 47dB de ganho. Isso vai nos requerer um pré-amplificador antes da etapa final de potência (as quais normalmente provêm apenas cerca de 10-15dB de ganho). Além disso, precisamos superar todas as perdas causadas pela inclusão dos filtros.

Resumo e próximos passos

Portanto, chegamos às seguintes especificações:

Diagrama em blocos final do sistema

Após sair do Pluto, o sinal irá passar por um filtro passa-faixa, que irá remover as harmônicas superiores e quaisquer outros espúrios inferiores à fundamental. Ele deverá atenuar, no mínimo, -50dB acima de 432MHz, com atenuação livre abaixo da fundamental. A perda de inserção não é muito importante nessa etapa, pois ela em seguida é amplificada pelo LNA. Ela poderá ser sacrificada em prol de um filtro mais compacto ou de construção mais simples.

A seguir, será utilizado um LNA que deverá prover, no mínimo, 32dB de ganho na frequência de 145MHz. Para evitar criar distorções, seu P1db deverá ser de, pelo menos, 22dBm, porém seria interessante exceder esse mínimo.

A seguir, o PA com aproximadamente 15dB de ganho e 5W na saída. Ele deverá operar na região linear, para que possa ser utilizado com SSB. Porém, caso se torne muito custoso, poderá ser sacrificado para possibilidar a operação pelo menos em FM. As etapas anteriores deverão ser mantidas em operação linear igual, buscando possibilitar o upgrade futuro.

Por fim, o filtro de saída deverá ser dimensionado após o dimensionamento do PA, visto que suas características dependerão da pureza espectral do mesmo. Esse filtro deverá possuir baixa perda de inserção, a fim de evitar dissipação excessiva de potência.

Em breve seguiremos com a Parte 2, onde buscaremos soluções comerciais que atendam a essas especificações (com excessão dos filtros, que serão de construção própria).