ESP32 LoRa for dummys - TinyGS margen de mejoras

Hay tres elementos con los que se puede mejorar la recepción de la estación TinyGS:

  • La antena
  • Un filtro pasa banda
  • Un amplificador de bajo ruido

Antena

De las pruebas realizadas la antena onmidireccional que ha presentado mejores resultados ha sido la J-Pole 


Amplificador de bajo ruido LNA

Hay que recordar que un amplificador siempre introduce ruido, y que el ruido es aditivo, por lo que hay que sopesar los pros y los contras de su uso en cada caso. 

 

137 MHz 

De los LNA de bajo coste, probados hasta el momento, han mostrado un buencomportamiento 

LNA 1 Amplificador de señal de bajo ruido LNA de 0,05-4GHz (5043)

Características: 

  • Precio: 14,59 €
  • Alimentación: Bias-Tee (Se adquiere aparte)
    • Voltaje de funcionamiento: 3-5V 
    • Corriente de funcionamiento: 33mA 
  • Rango de frecuencias: 0,05 - 4 GHz (Ver medidas)
  • Semiconductor: Teóricamente monta el semiconductor PSA4-5043 (Hoja de características) pero en la practica no se ha podido comprobar al no tener o estar borrada la numeración solo se lee 504
  • Ganancia: 21dB  (Ver medidas)
  • Tamaño del producto: 45 X 8mm 


Amplificador LNA 0,05-4,00 GHz 5V 21 dB. 
El conector SMA hembra es la entrada de antena y el SMA macho es la salida hacia el SDR o Lilygo ESP32 y entrada de la corriente de alimentación. 
Precisa de un Beas-Tee que introduzca bajas perdidas a 137 MHz

 

 
Bias-Tee 
Margen teórico:  10 kHz - 30 MHz
Margen Real (medido con nano VNA):  50 kHz - 300 MHz
Pérdidas mínimas: -0,027 dB

 

Curva de respuesta del Bias-tee seleccionado


Sencillo montaje para obtener la curva de respuesta de este  LNA compuesto por el analizador nanoVNA, el amplificador LNA y un Bias-Tee para inyectar la alimentación (extremar los cuidados para no instalarlo al revés que destruiría el nanoVNA).


Curva de respuesta del LNA+Bias Tee con alimentación. 
De 50-300 MHz se obtiene una ganancia superior a los 7 dB


LNA2 TQP3M9037 LNA - RF AMP 04A (TQP3M9037)


Foto del amplificador con su entrada y salida mediante conectores SMA



De 30 MHz a 150MHz la ganancia está entre los 15 dB y los 17 dB

Cuadro de ganancias por bandas obtendido con nano-VNA

Resumiendo es un amplificador de RF económico que da lo que que dá, si le sirve para lo que busca pues fenomenal pero no tiene nada que ver con las caracteristicas de la publicidad.  En HF la ganancia es pequeña a partir de los 8 MHz (0-3 dB), que aumenta en VHF (3-5 dB) llegando a los 20 dB para 1.500 MHz con la muesca en 300 MHz. 


 

446 MHz 

Después de varias pruebas con LNA de banda ancha que tenia por casa, sin ningún resultado positivo, opté por uno especifico por los comentarios en el foro de TinyGS, concretamente el modelo AB-IOT-433 (basado en el XQ-433) que sirve tanto como LNA de RX como amplificador de potencia en TX (TDD, Dos vías, semi-duplex, para ello tiene que entrarle una potencia entro de su rango de trabajo) que se alimenta con 5V (3,6V-6V) y donde la conexión IN es para la placa Lora y la OUT para la antena y su ancho de banda va de 420-480MHz por lo que puede usarse también para la banda de radioaficionado.


 

Parámetros:

    • Fabricante: Airbuddy
    • Banda de frecuencia de trabajo: 420MHz-480MHz;, 470MHz-520MHz (opcional)
    • RX
      • Ganancia de recepción: 11dB±2dB. El chip SX1278 que monta la placa Lilygo 433 tiene una sensibilidad de -146.5 dBm que puede verse mejorada.
      • Figura de ruido de recepción: ≤2,0 dB
    • TX
      • Ganancia de transmisión: 5 dB – 11 dB (± 2 dB) ajustable (tiene un pequeño trimer)
      • Umbral de reconocimiento para recepción y envío de conmutación: -2dBm
      • Rango de potencia de entrada: 1 dBm (1,3 mW) - 25 dBm (316 mW). El chip SX1278 que monta la placa Lilygo 433 entrega +20 dBm - 100 mW por lo que está en el rango de entrada del amplificador
Potencia máxima de transmisión:

    • 31,5 dBm (1,4 W) a un voltaje de alimentación de 3,7 V
    • 33,5 dBm (2,3 w) con voltaje de alimentación de 5,0 V
    • 34,5 dBm (2,8 W) a un voltaje de alimentación de 6,0 V
La ganancia en RX corresponde a la que ofrece el fabricante, sin embargo el ancho de banda es bastante generoso 150-650 MHz lo que hace aconsejable instalar previo un filtro pasa banda



De 130 MHz a 150 MHz la ganancia está en el entorno de 0dB

De 4000 MHz a 460 MHz la ganancia está en el entorno de los 10dB




Filtro Pasa Banda - BPF

Recordar que un filtro siempre introduce pérdidas incluso en la banda pasante, por lo que hay que sopesar los pros y los contras. En RX es muy recomendable para evitar interferencias de bandas cercanas a la que buscamos

137 MHz 

Hemos probado  el Filtro pasa banda satelites meteorologicos NOAA  y radioaficionados (130-150MHz), es importante su uso  pues está rodeada de bandas con actividad como son la de la radiodifusión comercial en FM (88-108 MHz)  que afecta si vive en una ciudad y banda aerea (118MHz-138MHz) si se encuentra cerca de un aeropuerto.



Curva de respuesta del filtro pasabanda 130-150 MHz centrado en 137 MHz. 
Como se observa en la curva obtenida con NanoVNA realmente está centrado el filtro  en 131 MHz  donde tiene una atenuación de -4,3 dB y en 150MHz de -29 dB, por lo que no cumple con las caracteristicas. Puede valer para parte de la banda aérea y NOAA pero con atenuación.

 

433 MHz 

Optamos por el filtro de banda estrecha para 433 MHz


 

Ojo aunque dispone de entradas RFin y RFout es simetrico por lo que da lo mismo por donde se conecten 

Parámetros del filtro paso banda 433M
  • Frecuencia central: 433 MHz
  • Ancho de banda de 1dB: 20 MHz
  • Pérdida de inserción dentro de la banda: <1,8 dB
  • Inhibición fuera de banda:> 60dB @ 120 MHz > 45dB @ 700 MHz
  • Impedancia: 50 ohmios
  • Capacidad de carga máxima: 20dBm (100MW)
  • Interfaz: SMA (tornillo externo y orificio interno)
El filtro pasa banda presenta perdidas de unos 3 dB en el ancho de banda, que no son despreciable



Conclusiones 

137 MHz 

 El uso combinado del filtro pasa banda (12 €) y el amplificador (15€) ha mostrado un incremento muy importante en el numero de tramas recibidas por parte de la TinyGS.

Se obtiene mejores resultado con el filtro entre el amplificador y el receptor, es decir con el LNA directamente conectado a la antena (Al reves que en la imagen)

 

Estación TinyGS para 137 MHz:  Antena J-Pole + Filtro Pasa Banda  + Amplificador bajo ruido + Bias Tee (Alimentación del amplificador9 + Lilygo 433 ESP32 con TinyGS firmware (auto tunning 136 MHz)

 

433 MHz 

El uso combinado de filtro pasa banda (7€) y amplificador (25€) ha mostrado un incremento en el numero de satélites sintonizados  y el de numero de tramas recibidas.

ANTENA -> LNA+BPF -> LoRa

 ANTENA -> BPF+LNA -> LoRa esta arquitectura es la mas lógica y obtiene mas ganancia en la banda deseada

Para leer mas:
 

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