home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ The Unsorted BBS Collection / thegreatunsorted.tar / thegreatunsorted / texts / pirate_radio / radio.txt < prev    next >
Text File  |  1993-07-26  |  39KB  |  662 lines

  1.                          Radio Electronics
  2.                       A General Introduction
  3.  
  4. FOREWORD
  5. The following is by no means an introduction to electronics, there
  6. are many such books that cover the subject, but intends to explore
  7. some  of the ideas and concept involved in radio broadcasting that
  8. are relevant to the pirate radio operator on VHF FM. In particular
  9. we  will  go  a step by step tour of a typical VHF FM  transmitter
  10. system  starting with the output from the tape recorder or  mixer,
  11. and finishing with a brief discussion of aerials. At each stage we
  12. will  discuss  the  pros  and  cons of  various  alternatives  and
  13. additional  background info, e.g. the use  of  equipment  will  be
  14. introduced.
  15. Radio   frequency  signals  have  AMPLITUDE  and  FREQUENCY.   The
  16. frequency  is how fast the signal is oscillating from one  extreme
  17. to  the other and back again. Frequency is measured in cycles  per
  18. second (cp/s), which these days are known as HERTZ (Hz), 1000 Hz =
  19. 1  kHz,  1000000 Hz = 1 MHz. The amplitude is to what  extent  the
  20. signal  is  oscillating. LEVEL or STRENGTH can be  thought  of  as
  21. meaning the same as amplitude. Amplitude can be measured in  Volts
  22. (V). There is more than one way of measuring amplitude.
  23.  
  24. INTRODUCTION
  25. What we are trying to is get information from one place to lots of
  26. other.  I'm  using  information here in  a  wider  sense,  meaning
  27. speech,  music, etc., rather than phone numbers local hairdressers
  28. or  whatever.  Now I'm going to assume we're going  to  use  radio
  29. broadcasting to achieve this, which immediately rules  out  things
  30. like  standing  on top of tall buildings and shouting  out  really
  31. loud.  We'll  also assume we've got this info in the  form  of  an
  32. audio frequency signal, i.e. what comes out of a tape recorder  or
  33. an  audio  mixer. You can't transmit audio frequency signals  very
  34. easily so what we can do is import the info in the audio frequency
  35. signal  onto a higher frequency carrier signal. Two ways of  doing
  36. this  are  AMPLITUDE MODULATION and FREQUENCY MODULATION  (AM  and
  37. FM).
  38. In  AM the amplitude of the carrier is determined at every instant
  39. by  the  amplitude  of  the audio signal,  the  carrier  frequency
  40. remains constant. In FM the frequency of the carrier is determined
  41. at  every  instant by the amplitude of the audio signal,  and  the
  42. carrier amplitude remains constant.
  43. Frequencies  between 30 MHz and 300 MHz are  known  as  Very  High
  44. Frequencies or VHF. This corresponds to wavelengths between  10  m
  45. and  1  m.  To  convert between wavelength and frequency  use  the
  46. formula:  Wavelength (in metres)=300 / Frequency (in MHz).
  47.  
  48. FM
  49. There  are  two  sorts of FM, known as Narrow Band FM  (NBFM)  and
  50. Wideband FM. They differ by the maximum allowable frequency  shift
  51. of  the  carrier  when  the transmitter is fully  modulated.  This
  52. frequency  shift is known as the DEVIATION. Legal  CB  radios  use
  53. NBFM with a maximum deviation of 3 kHz. Wideband FM is used by the
  54. national  broadcasting companies for radio  broadcasting  and  for
  55. studio to transmitter links. The standard maximum deviation for FM
  56. radio broadcasting in Europe is 75 kHz. There is no simple way  to
  57. set the deviation of a transmitter without a deviation meter which
  58. is  an  expensive piece of test gear. Probably the best way to  do
  59. this  is  to  vary the level of the audio signal  going  into  the
  60. transmitter  (TX)  and  listen on a receiver,  until  your  signal
  61. sounds  about the same loudness as the other (legal?) broadcasting
  62. stations. If you use too high a deviation you'll use a bigger than
  63. necessary chunk of the radio spectrum and be more likely to  cause
  64. interference with others, which will make you even more  unpopular
  65. with the DTI.
  66. The police use NBFM as well, which is why if you listen to them on
  67. an ordinary FM receiver, which is wideband, you can hear more than
  68. one channel at a time.
  69.  
  70. CHOOSING A FREQUENCY
  71. If  your first action could be to reach for your receiver and tune
  72. trough looking for a blank space, think again, for a kick-off  the
  73. FM  broadcast band is 88 to 108 MHz. What stations you can receive
  74. is  determined by where you are, as well as by the nature  of  and
  75. positioning of your aerial. If you look our old friend the  Maplin
  76. catalogue  we  find  on  P24  of the  '88  issue  a  list  of  the
  77. frequencies and locations of all FM broadcasting stations. What it
  78. doesn't  say, of course, is the frequency of existing pirates.  TX
  79. Magazine  gives a good rundown of these. Armed with this info  you
  80. should  make  a list of all frequencies in use in, say,  a  50  km
  81. radius.  If you write to the BBC or IBA's Engineering Info Offices
  82. they'll send you service maps of where their TX's are meant to  be
  83. able  to  heard. Then its just a question of finding a big  enough
  84. gap between stations, with the proviso that your station shouldn't
  85. be  nearer than 200 kHz (0.2 MHz) to the frequency of any existing
  86. station. This is no problem as the band is half empty. Also  don't
  87. choose  a frequency which is 10.7 MHz away from any other  station
  88. as  for  complex  reasons (which involve the use of  10.7  MHz  as
  89. intermediate frequency in FM receivers) reception will be hard for
  90. people listening to you and/or the other station.
  91. Now let's take a little stroll through the whole system.
  92.  
  93. TAPE OR LIVE
  94. What  we  are  going to feed to our TX? The obvious  possibilities
  95. are:
  96. A) A tape or cassette player.
  97. B)  Live, either directly from the mixer or via some kind of  link
  98. from studio to TX site (highly recommended).
  99.  
  100. TAPE.  This is the safest approach in that you can put a  tape  on
  101. and then retire to a safe distance. Links are now being traced and
  102. studios busted, and some of the biggest pirates (e.g. the LWR) are
  103. going back to taped broadcasts. If the DTI trace your transmission
  104. and turn up all they can do to confiscate your tape player, TX and
  105. aerial, i.e. no arrests (unless they catch you changing the tape).
  106. Its also the most inflexible alternative as tapes will have to  be
  107. prepared  in  advance. Time checks, if you're into that,  will  be
  108. difficult and live phone ins are right out.
  109. Give  a little thought to your choice of tape recorder, as it will
  110. probably be the weakest link in terms of sound quality. In an  old
  111. clapped out one the heads will be worn flat. Maybe you can  use  a
  112. 'Walkman' type of player, which are small, can be battery  powered
  113. and  have a OK sound quality and are cheap. An amateur radio rally
  114. I  was at recently were selling off very slightly damaged ones for
  115. ú2  each.  To reduce 'noise' or 'tape hiss' on such recorders,  if
  116. you're doing programmes with quiet passages, you can use a circuit
  117. known  as  a Dynamic Noise Limiter (DNL), which is placed  on  the
  118. output  and  cuts off the 'noise' just in quiet pauses.  DNLs  are
  119. sometimes used in the soundtracks of old films. You can find a DNL
  120. circuit in part of the 'Audio Embellisher' project in the Jan.  84
  121. issue of 'Elektor' magazine.
  122. If  you  want to go upmarket you could use a proper 1/4"  reel  to
  123. tape  recorder, though few pirates do. The latest and greatest  is
  124. to  use  'Stack  machines' which will change the  tapes  for  you.
  125. Whatever  you use get one that can be battery powered as  you  may
  126. not always have access to mains power.
  127.  
  128. MONO OR STEREO
  129. The advantages of mono are that the TX is kept as simple and cheap
  130. as  possible, and you don't need as much power as on stereo to get
  131. same   result.   The  disadvantages  are  you   don't   sound   as
  132. professional,  quite small pirates are now using Stereo  Encoders,
  133. and  maybe  people might dial past when the red  stereo  light  on
  134. their  receivers doesn't flash. With stereo the listener  can  get
  135. quality  the  same of legal stations. Weigh against  this  is  the
  136. extra  cost, extra circuitry and more output power needed for  the
  137. same signal.
  138. What  you  need is a STEREO ENCODER, which combines the  left  and
  139. right  stereo signals into a single composite stereo signal  which
  140. is then fed into your TX.
  141. For those interested a brief description follows. The left (L) and
  142. right  (R) signals are fed into a summing and differential amp  to
  143. get a L+R and L-R signal respectively. The L-R signal is mixed  in
  144. a  balanced  modulator  with a 38 kHz sub carrier  to  produce  an
  145. amplitude modulated double sideband suppressed carrier signal. The
  146. 38  kHz signal is derived from the same source as the 19 kHz pilot
  147. tone. The composite output is formed by mixing the L+R signal, the
  148. sidebands containing the info of the L-R signal, and a bit  of  19
  149. kHz  pilot tone. The pilot tone switches on the STEREO DECODER  in
  150. peoples' receivers.
  151. Back  in  the receiver, once the stereo decoder has extracted  the
  152. L+R  and L-R signal the original left and right signals are easily
  153. got by   (L+R)+(L-R)=2L
  154.          (L+R)-(L-R)=2R.
  155. The reason L+R and L-R signals are encoded rather than L and R  is
  156. so that a mono receiver can just demodulate the L+R bit and ignore
  157. the  rest  of the signal. If L and R signals were encoded  a  mono
  158. receiver would only be able to hear the left channel. The  19  kHz
  159. pilot  tone is usually got from a crystal oscillator, to be  quite
  160. accurate and stable. A crystal resonating on 4.8640 MHz is  conven
  161. ient  as  4864 divided by 2 eight times is 19. This can easily  be
  162. done  by digital logic chips, but its highly unlikely that  you'll
  163. be  able to buy a 4.8640 crystal off the shelf, so you'll have  to
  164. have one made for order.
  165. It  doesn't matter if you didn't understand all of the  above  but
  166. one  thing is important. The standard FM broadcast audio bandwidth
  167. extends only to 15 kHz and stereo encoders are designed to  assume
  168. this  figure. If you put signals into them with frequencies  above
  169. that  the  L+R  signal and the lower side band of the  L-R  signal
  170. could spread into each other and you will get a right bloody mess.
  171. With  a  tape  recorder you can't really get over 15 kHz,  but  if
  172. you're  live its quite possible. In that case you need a LOW  PASS
  173. FILTER  on  each  input to a stereo encoder. Maplin  have  a  high
  174. quality  design on page 243 in summer 86 issue. The pot  could  be
  175. replaced with a 500k resistor to wire the circuit permanently  for
  176. max.  roll off. If you're using a link between studio and  TX  and
  177. you want stereo you'll have to know the bandwidth of the link.  If
  178. its  53  kHz  (=38+15) or more you can use it after  the  encoder.
  179. Otherwise you'll need two links and have to encode at the TX end.
  180.  
  181. PRE-EMPHASIS
  182. In  a  typical  audio signal the high frequency sounds  have  less
  183. energy  than  the  low ones and so produce less deviation  of  the
  184. carrier.  This  in  turn  makes them  susceptible  to  noise  when
  185. received. To avoid this high frequencies are boosted before  being
  186. transmitted  by PRE-EMPHASIS. In the receiver the frequencies  are
  187. cut  by  the same amount by DE-EMPHASIS. So the overall  frequency
  188. response of TX to receiver stays flat, but the level of background
  189. noise is reduced a lot.
  190. Pre-  and  de-emphasis networks are characterised  by  their  TIME
  191. CONSTANT. In the USA the standard is 75 us, but in UK its 50 us so
  192. anything  designed or bought from there needs slight modification.
  193. In  a mono TX the pre-emphasis network can be built into the front
  194. end of the exciter. For a stereo TX such a network must not be  in
  195. the  exciter  or it'll play hell with the composite stereo  signal
  196. from  the  encoder.  Instead you need 2  networks,  one  for  each
  197. channel,  on  the  inputs of the stereo encoder. They're  actually
  198. often built into the studio encoder.
  199.  
  200. COMPRESSORS AND LIMITERS
  201. Compressors and limiters operate on the same principles, but their
  202. effects and the reasons for using them are completely different.
  203. A compressor compresses, it reduces the DYNAMIC RANGE of its input
  204. signal.  This means as the input amplitude varies over  a  certain
  205. range,  the output amplitude varies only a fraction of that range.
  206. The  graph  shows a  2:1 compression characteristic. In this  case
  207. with  every change in the input amplitude the output changes  only
  208. half  as  much.  The  dotted  line  shows  a  1:1  non  compressed
  209. characteristic (drawing missing).
  210. A  limiter  passes its signal unaffected till the input  amplitude
  211. reaches  its  THRESHOLD. At this point the  limiter  prevents  the
  212. output increasing much by compressing its input much more strongly
  213. than in compressors e.g. 10:1.
  214. Some  American  music  stations and some  pirates  compress  their
  215. programmes  to  make  it seem louder and more upfront  than  other
  216. stations.  This occurs cos the compressor keeps the average  level
  217. of the signal high, even in quiet parts of the prog. The flip side
  218. of  this  is listeners can soon get 'listener fatigue' as constant
  219. compression can become boring and irritating to the ear, as if the
  220. music were rammed into it!
  221. Compression  has other uses, you might compress your programme  as
  222. you  transfer  it  to  tape  to  stop  quieter  bits  fading  into
  223. background  tape  hiss when played. The process of  recording  and
  224. playing does this to some extent anyway. Don't compress the output
  225. of  a  tape recorder as it'll make tape noise worse. Guitar effect
  226. units,  labelled  compressors,  are  unlikely  to  be  much   use.
  227. Compressors  intended for use in home studio recording  are  worth
  228. experimenting  with. A stereo compressor with a 2:1 characteristic
  229. can be simply constructed around a NE571 IC.
  230. Limiters  are  used  to  stop a signal's amplitude  going  over  a
  231. certain  level.  E.g.  when  cutting  a  master  disc  in   record
  232. manufacture, large PA systems at gigs to stop loudspeakers blowing
  233. every  time  someone  burps in a mike and, surprise  surprise,  in
  234. broadcasting. In FM particularly, as the signal level increases so
  235. also  does  the  bandwidth  of  the  transmitted  signal,  risking
  236. interfering  with other stations. With tape input to  the  TX  its
  237. different  the  output  is  inherently limited  by  the  recording
  238. process,  no  limiter  needed. With  live  input  to  the  TX  its
  239. different.  Though you might set the levels right to start,  along
  240. comes a loud record or voice and you could be interfering with the
  241. next station. Use a limiter.
  242. Any  limiters based on 2 back to back diodes is a little more than
  243. a guitar fuzz box and will sound like one. A suitable high quality
  244. limiter  was described in the May 83 issue of 'Electronics  Today'
  245. International Magazine.
  246.  
  247. THE OSCILLATOR
  248. At  the  heart of everything is the OSCILLATOR that generates  the
  249. VHF  signal.  The frequency of this is modulated  by  applying  an
  250. audio signal to it. The most common way of doing this is using one
  251. or  two  VARICAP diodes. When a varicap diode is operated  with  a
  252. reverse  bias the capacitance of the diode varies with that  bias.
  253. The  diode(s) is/are connected to a frequency determining part  of
  254. the oscillator. The audio signal is connected across the diode  to
  255. achieve frequency modulation. Also by varying the DC reverse  bias
  256. the  oscillator  can be fine tuned. The higher  the  voltage,  the
  257. lower the capacitance, the higher the frequency.
  258. The  VHF  signal can be generated directly, or the oscillator  can
  259. oscillate  on a lower frequency e.g. a third or half that  desired
  260. and  then followed by a TRIPLER or DOUBLER stage. There are  three
  261. main types of oscillator:  a) Variable Frequency Oscillator (VFO)
  262.                   b) Crystal Oscillator
  263.                   c) Phase Locked Loop oscillator (PLL)
  264.  
  265. VFO's
  266. These  are  simple oscillators which can be built round  a  single
  267. transistor. This can be a Bipolar Junction Transistor (BJT)  or  a
  268. Field Effect Transistor (FET).
  269. The  problem with oscillators based on BJT's is that the frequency
  270. is  too dependent on the temperature of the transistor. i.e. a few
  271. degrees  temperature  change will result a significant  change  in
  272. transmitting frequency. For this reason oscillators based on BJT's
  273. are  UNSUITABLE for serious use as a TX. FET's don't  suffer  from
  274. this  problem so badly, so they can be used, but you should  still
  275. bear it in mind.
  276. The  FET's will heat itself up slightly, and other bits of the TX,
  277. like  the power amps, will be fair old chucking heat out, and  are
  278. usually  built into the same case as the oscillator. The frequency
  279. will  drift  most  when the TX is first switched  on  as  all  the
  280. components will be at the same temperature as the air outside  the
  281. TX's case, this is known as the AMBIENT TEMPERATURE. After the  TX
  282. is  turned on the heat from the amps will warm the air in the case
  283. directly or indirectly. As the FET warms the frequency will  drift
  284. a bit. When heat loss equals heat gain you get THERMAL EQUILIBRIUM
  285. and  it  won't  drift more. Keep your TX out of  drafts  to  avoid
  286. messing this up. If you have a frequency counter plug it in  to  a
  287. dummy  load and see how long it takes for the frequency  displayed
  288. to  settle down, maybe about 15 minutes. If you have time you  can
  289. arrive  at the TX site early and run your TX for the warm up  time
  290. with  no input to a dummy load. This avoids listeners who tune  in
  291. immediately having to retune as your frequency drifts.
  292.  
  293.  
  294. CRYSTAL OSCILLATORS
  295. This is also simple oscillator but incorporates a crystal into the
  296. frequency determining network. There are various types of  crystal
  297. (fundamental, 3rd overtone, 5th overtone etc.) and various ways of
  298. using them (series mode, parallel mode) but their basic properties
  299. are  the  same.  They're  resonant  on  one  frequency  which   is
  300. determined  by  the crystal's characteristics when made.  This  is
  301. their  problem,  whereas  a  VFO's are  not  very  stable  crystal
  302. oscillators  are too bloody stable and it's a job  to  get  enough
  303. deviation.  You'll  probably lose the higher frequencies  of  your
  304. programme and stereo is right out. Also chances are you'll have to
  305. get a crystal made order for your desired frequency so if you want
  306. to change it you'll need a new one.
  307.  
  308. PHASE LOCKED LOOP (PLL) OSCILLATORS
  309. The   way  its  done  properly  is  with  the  phase  locked  loop
  310. oscillator. This combines the ease of tuning and wide deviation of
  311. a  VFO  with  the frequency stability of a crystal oscillator.  It
  312. works  thus:  A crystal oscillator is used to provide a  reference
  313. frequency.  This  is  digitally  divided  by  logic  chips  to   a
  314. relatively  low frequency, say 25 kHz. A VFO provides the  output,
  315. which  is  also  digitally divided to give another relatively  low
  316. frequency. These two low frequencies are presented to a PHASE  COM
  317. PARATOR  which  basically decides which  frequency  is  higher  by
  318. comparing  the  phases  of the two signals. The  phase  comparator
  319. generates an ERROR VOLTAGE which is connected back to the input of
  320. the VFO through a low pass filter. This is the loop bit.
  321. If  the VFO is running too fast the phase comparator decreases the
  322. error  voltage so as to slow it down till the phases at its  input
  323. are  the  same.  If  its  running too slow the  error  voltage  is
  324. increased  to  speed  it till the phases are the  same.  All  this
  325. happens  instantaneously of course so the output frequency remains
  326. constant.
  327. In  this  way the temperature stability of the VFO isn't important
  328. and  it can be built round a BJT, as its output frequency is phase
  329. locked to the crystal oscillator, and the frequency is very good.
  330. Two  more  things  to  explain.  How  do  you  change  the  output
  331. frequency? By making the VFO's divider programmable. Say  its  set
  332. to divide by the number N. The phase comparator is a simple minded
  333. sort  of  soul, concerned only with equalising the phases  at  its
  334. inputs, it doesn't know what's really coming out of the VFO, which
  335. is N times the divided reference signal. Because this signal is so
  336. low  compared to the VFO frequency N can be made to have  hundreds
  337. of   different   values,  giving  hundreds  of  different   output
  338. frequencies from the VFO. So changing the frequencies  is  just  a
  339. matter of clicking some little switches.
  340.  
  341. Hang  on a sec, the VFO is being frequency modulated by the  audio
  342. input,  so  its  frequency at any given  instant  depends  on  the
  343. voltage of the audio output. We don't want this variation  of  the
  344. VFO's  frequency to be ironed out by the PLL system, so  we  'iron
  345. out'  the  error  voltage from the phase comparator,  so  it  just
  346. contains  the  underlying trend rather than what's  happening  any
  347. split second. This is purpose of the low pass filter.
  348. The  system can be simplified by leaving out the dividers. If this
  349. is  done you end up with an output frequency determined solely  by
  350. the  crystal.  You've still got the wide deviation  capability  of
  351. course, which distinguishes this system from one based on a simple
  352. crystal  oscillator.  This sort of fixed frequency  oscillator  is
  353. used  for things like wireless mikes and could be used for  studio
  354. to  TX  links. Programmable PLL oscillators are used in all manner
  355. of professional communication equipment, including broadcast TX's.
  356.  
  357. BUFFERS
  358. Any  oscillator, regardless of its type, is followed by a  buffer.
  359. This  is usually one or two transistors operating in what is known
  360. as  class  A mode. Its function is to protect the oscillator  from
  361. what  is  going  on  further  along the circuit,  especially  from
  362. changes  in  its  'load'  as the following  stage  is  tuned.  The
  363. combination  of  oscillator  and buffer  together  is  called  the
  364. EXCITER  and is a small but fully fledged TX. Small in respect  to
  365. its  output power. Typical values are in the region of 100  -  500
  366. mW.
  367.  
  368. AMPLIFIERS
  369. To  increase the power output of our fledging TX we need to add an
  370. amplifier.  Obviously we are talking about radio  frequency  (RF),
  371. not audio amps. RF amps have certain important characteristics:
  372. a) Bandwidth, b) Gain and maximum power output c) Input and output
  373. impedance
  374. BANDWIDTH.  This  is the range frequencies the  amp  will  amplify
  375. properly.   The   bandwidth   is   ultimately   limited   by   the
  376. characteristics of the active devices in the amp (i.e. transistors
  377. or  valves), but more specifically by its type, LINEAR or a  TUNED
  378. amplifier.
  379. A  linear amp will amplify quite a large range of frequencies  and
  380. they have a good bandwidth, commonly 1.8 - 30 MHz which covers all
  381. of  the  amateur shortwave broadcast bands... no good  for  a  VHF
  382. pirate, but could be useful for a MW pirate. They operate in class
  383. A  or B mode and have the advantage that they don't need adjusting
  384. when the frequency is changed. Their disadvantage are they're more
  385. complex  and dearer than tuned amps and are much harder to design,
  386. requiring  extensive knowledge of the transistors round which  the
  387. amp is constructed. Linear amps for VHF are uncommon.
  388. Tuned amps only amplify a narrow band of frequencies, they have  a
  389. small  bandwidth, centred on one frequency which is determined  by
  390. the  TUNED CIRCUITS in the input and output networks of  the  amp.
  391. Tuned  circuit have a RESONANT frequency. This can be adjusted  by
  392. variable  capacitors known as trimmers, to the desired  frequency.
  393. The  amp  will produce max. output when the tuned circuit resonant
  394. frequency  is  the same as the input frequency from  the  exciter.
  395. Tuned  amps  often  operate in the class C  mode,  which  is  more
  396. efficient  than A or B. This means more of the power  being  drawn
  397. from the battery or whatever turns into watts up the aerial rather
  398. than  heat the amp. They are relatively simple circuits,  and  are
  399. easier  to  design. The bandwidth is a trade-off  with  gain,  the
  400. wider  the  bandwidth, the less the gain. The disadvantages  of  a
  401. tuned amp is of course you have to tune it to the frequency you're
  402. using  and  if you change the frequency you'll have to  retune  to
  403. maintain the gain of the amp.
  404.  
  405. GAIN AND MAXIMUM OUTPUT POWER
  406. The  POWER GAIN (as opposed to a voltage or current gain which  is
  407. different)  of an amp is defined as a ratio:  
  408. Power gain= Output power / Input power.       and is a measure  of
  409. the  amps ability to make its input bigger. Power gains are  often
  410. expressed in DECIBELS (dB) which are defined: 
  411. Power gain (dB) = 10 log(Output power / Input power).
  412. Amps  also  have  a  max.  output  power.  When  this  is  reached
  413. increasing the input power won't result in more output  power  and
  414. may damage the amp.
  415. In  the  case of single stage (i.e. one transistor) class C  tuned
  416. amps  the  gain and max. output power of the amp is basically  the
  417. gain and max. output power of the transistor. Knowing these we can
  418. calculate  the  power necessary to produce the max. output  power.
  419. e.g. lets consider the popular MRF237 transistor. According to the
  420. makers  data sheet this has a max. output power of 4  watt  and  a
  421. gain  of  12 dB. First we've to convert the gain in dB to ordinary
  422. gain:     Gain=10^(gain (dB) / 10)
  423. for example:  Gain=10^(12/10) = 10^1.2 = 15.85
  424.               Input Power = Output power / Gain = 4 / 15.85 = 0.25.
  425.  
  426.  
  427. So  for  4  watt  output power we need 250 mW  input  power.  Most
  428. exciters  can manage this, hence the popularity of the  MRF237  in
  429. the first amp after the exciter. The joker in the pack is that all
  430. these  figures are for a frequency of 175 MHz, that on  which  the
  431. transistor was designed. You can't predict what happens at 100 MHz
  432. and have to experiment.
  433. The  MRF238  has 30 watt output power and a gain of 9  dB,  so  it
  434. needs  3.8  watt  input power. This can be had  from  the  MRF237.
  435. That's how the makers (Motorola Corpse.) planned it.
  436.  
  437. INPUT AND OUTPUT IMPEDANCE
  438. Impedance  is the alternating current (AC) version of  resistance.
  439. The  standard impedance of exciters and inputs and outputs of amps
  440. is  50 . The impedance of the input and the output networks of  an
  441. amp  is  altered by the tuned circuits which you recall also  tune
  442. the circuit in a tuned amp. The INPUT IMPEDANCE is important as it
  443. effects the LOAD the amp has on the stage before it. Max. power is
  444. transferred  between stages when the impedance of the  output  and
  445. input are equal. If the impedances aren't equal a MISMATCH is said
  446. to  occur and in this case some energy is reflected back from  the
  447. input  of a stage into the output of the preceding one, where  its
  448. wasted as heat.
  449.  
  450. THE VSWR METER
  451. Some  of you may know that we can use a VSWR meter (also known  as
  452. Voltage  Standing Wave Ratio meter, SWR meter or a  Reflectometer)
  453. to  detect mismatch between TX and the aerial, but a VSWR meter is
  454. just  as much at home doing this between amp stages. VSWR  is  the
  455. ratio of the forward (or incident) and reflected power. Except for
  456. dear ones they work the same. The switch is set to forward or  the
  457. SET button is pressed. The knob is then adjusted to make the meter
  458. read  full scale. The switch is then set to reverse or the  button
  459. is  pre-released.  It now indicates the VSWR. A  VSWR  of  1:1  is
  460. perfect  (no reflected power) and so unlikely. One of  00:1  shows
  461. all the power is reflected back into the amp, you'll get this with
  462. a VSWR connected to the amp output with nothing on the VSWR output
  463. (unless  its  got a built in dummy load). You'll also  get  it  if
  464. there's  a short circuit in the VSWR meter. In either case  switch
  465. off IMMEDIATELY or you'll blow your power transistor.
  466. The point of all this is to get the max. power output from the amp
  467. into the aerial, instead of a hot TX and a bad signal.
  468. To  tune  such an amp you need a load connected to the output  (or
  469. it'll  blow  up).  We could use an aerial but this  introduces  an
  470. extra  unknown quantity... the characteristics of the  aerial.  As
  471. well  as  the fact that we'd be broadcasting. What we  need  is  a
  472. DUMMY LOAD.
  473.  
  474. THE DUMMY LOAD
  475. This  is basically a resistor, made so it presents a load  to  the
  476. amp's  output independent of frequency (unlike the aerial). The  3
  477. things about a dummy load we're interested are:
  478. a)  It  should be suitable for the frequency we're interested  in,
  479. about 100 MHz.
  480. b) it should be rated to take the power we're trying to make.
  481. c)  It should have a resistance of 50  to match the output network
  482. of the amp.
  483. When  buying  ask  for  one for the 2 meter band,  amateur  radio,
  484. centred  on  145 MHz. Most test gear  for this band will  work  on
  485. frequencies we're interested in.
  486. The  amp should first be tuned with reduced input power and supply
  487. voltage.  Adjust  the  network for the best  input  match  (lowest
  488. reading  on  a VSWR meter connected to the input side) and  adjust
  489. the output trimmers for max. output power. Be sure the extra power
  490. is  in the frequency you want and not in the HARMONICS. Check with
  491. a  wave meter (more of this coming up). Another VSWR meter can  be
  492. used  for  a relative indication of the output power,  or  the  RF
  493. PROBE will give an absolute indication. The pairs of trimmers  are
  494. very  interdependent, adjust one and you'll  have  to  adjust  the
  495. other, and so on.
  496. This  done, if all OK, increase the input power by increasing  the
  497. voltage  supply to the previous stage, and the voltage supply  and
  498. repeat  the  tuning. Do all this a few times till  you  reach  the
  499. required  levels. Listen on a nearby (but not too near)  receiver.
  500. The  signal should be in just one place on the dial with no  funny
  501. noises  or modulations going on. Check with a wavemeter.  Altering
  502. the trimmers and varying the input power and supply voltage should
  503. result in smooth variations of the supply current and output power
  504. with  no  steps or jumps. The exception is, as the input power  is
  505. reduced  at  some point the amp will switch off, a characteristics
  506. of class C amps.
  507. To  vary  the supply voltage you need a Variable Stabilised  Power
  508. Supply  Unit.  If you can't get hold of one you could  build  one.
  509. They're  not  expensive  and are well handy,  and  give  you  some
  510. experience, if needed, of electronic construction.
  511.  
  512. HARMONICS
  513. Harmonics  are  multiples  of the transmitting  frequency.  For  a
  514. frequency   of  100  MHz,  the  first  harmonic,  known   as   the
  515. FUNDAMENTAL, is 100 MHz, the second is 200 MHz, the third  is  300
  516. MHz  etc. They're produced as side effects in various parts of the
  517. circuit  and  will interfere with other users of these frequencies
  518. if  let  escape from the TX. Known as RADIO FREQUENCY INTERFERENCE
  519. (RFI). Tuned class C amps don't amplify harmonics, as they're  out
  520. of  the range of the amps abilities. But the use of class C  means
  521. that  harmonics  are generated by the amp along with  the  desired
  522. frequency.  The  strongest ones (apart from the fundamental)  from
  523. such amps are usually the third, then the fifth etc. The amplitude
  524. of  harmonics  is  minimised  if the  output  networks  are  tuned
  525. properly,  but  they're still there. Oscillators and  buffers  can
  526. also make harmonics if not set up right.
  527.  
  528. WAVEMETERS
  529. To  detect  harmonics  we  need an ABSORPTION  WAVEMETER,  usually
  530. called just a wavemeter. Or we can use a GRID DIP OSCILLATOR (GDO)
  531. or  a  gate dip oscillator, both of which are known as DIP METERS.
  532. Most dip meters have a switch which turns them into wavemeters.  A
  533. wavemeter  has  a  tuning knob, calibrated in frequency,  a  meter
  534. showing  signal strength, and some kind of aerial.  You  hold  the
  535. aerial near a coil in the bit of the circuit you're interested in,
  536. and tune the wavemeter. It shows how much signal is present on the
  537. frequencies  shown in the scale. So you can see  what  frequencies
  538. are  being  generated in that part of the circuit. Ideally  you'll
  539. just  find  the  fundamental, unless the circuit  is  a  frequency
  540. tripler or something.
  541. If  you  buy  a wavemeter be sure it covers the right range,  from
  542. below  100 MHz to get the fundamental to above 300 MHz to get  the
  543. third harmonic.
  544. Even  with  all  tuned  right you're  still  going  to  have  some
  545. harmonics generated by the last stage. A sensible pirate won't let
  546. these reach the aerial, e.g. if you're using a frequency of 100.35
  547. MHz the third harmonic us 307.05 MHz which happens to be that used
  548. by  USAF  Upper Heyford's Control Tower. You might think  this  is
  549. funny  but  you won't stay on the air for long. To stop  harmonics
  550. reaching the aerial we need a BANDPASS FILTER.
  551. Each  amp bumps up the power some more, cos the transistor in each
  552. one can only supply so much gain. So if you're the proud owner  of
  553. a 5 watter and you're offered a 1000 watt amp its useless as you'd
  554. need  probably 100 watt input to drive it so you'd  need  amps  in
  555. between.
  556. To  tune a series of amps on your TX you must break in, physically
  557. if  needed,  to  tune  each one at time. Do  this  by  unsoldering
  558. components  and  soldering in short bits of co-ax  with  plugs  to
  559. connect to dummy load and VSWR meter.
  560.  
  561. BANDPASS FILTER
  562. This filter only allows through a narrow band of frequencies, i.e.
  563. it has a narrow bandwidth, a good one would be less than 1 MHz. It
  564. needs standard 50  input and output impedance and be able to  take
  565. power  you're using and be tuned to the frequency you want to  let
  566. through.  Other frequencies are reduced drastically, by an  amount
  567. known  as  INSERTION LOSS. It reduces also the  desired  frequency
  568. slightly.  To keep this loss low bandpass filters for high  output
  569. powers are usually pretty chunky numbers.
  570. Pirate  gear doesn't have this filter built into the final  stages
  571. so if you need one you have to add it on. It needs a well screened
  572. case  to stop harmonics leaking out. In fact your whole TX  should
  573. be  well screened for the same reason. Say e.g. you used a shoebox
  574. and had your oscillator on a third of a frequency of 92.25 MHz you
  575. could  be interfering with pagers of a local hospital as they  use
  576. 31.75  MHz. Proper screening and a bandpass filter will  eliminate
  577. such possibilities.
  578.  
  579. CONNECTORS
  580. As  you  may have guessed you can't use any connectors on  VHF  as
  581. they  have to match the amp and feeder. Use BNC or the UHF series.
  582. UHF  is  best for higher powers as you can get a wider cable  into
  583. the plug. N type is also good but dearer.
  584.  
  585. FEEDERS
  586. So  you've got your nice clean harmonic free signal coming out  of
  587. your bandpass filter... we're on the home run. All that's left  is
  588. to  get  the signal up the aerial feeder to the aerial  and  we're
  589. away. BUT the aerial cable needs to MATCH the TX's output stage at
  590. one  end  and  the aerial at the other. The cable  like  the  TX's
  591. output,  the  connectors and the aerial has an  impedance  and  to
  592. match  this should be 50 . It also needs a LOW LOSS or your  watts
  593. will  escape  as heat. Not the same as a bad VSWR where  you  lose
  594. energy  in  the  TX, a good VSWR does not mean the  cable's  okay.
  595. Decent  cables for short runs are UR76 and RG56U. For longer  runs
  596. or higher powers use UR67.
  597.  
  598. AERIALS
  599. At  last,  the aerial! You can run a pirate knowing  a  little  of
  600. TX's,  but  if  you  know nothing of aerials  you'll  have  a  few
  601. listeners.  So  you must read a book on it. I recommend  'The  Two
  602. Metre Antenna Handbook' by FC Judd G2BCX. Lot's of it isn't useful
  603. but he goes into things like propagation, matching, VSWR in better
  604. detail.  All the dimensions he gives are for the two meter amateur
  605. band,  centred  in  145 MHz. To convert to other  frequencies  all
  606. dimensions (including diameter of aerial element etc.)  should  be
  607. divided by your frequency in MHz and then multiplied by 145.
  608.  
  609. POLARISATION
  610. One thing to decide is what polarisation to use. The main ones are
  611. HORIZONTAL  and  VERTICAL. To simplify you can say a  horizontally
  612. placed  aerial produces horizontally polarised radio waves  and  a
  613. vertically  placed  one vertically polarised ones.  To  receive  a
  614. horizontally  polarised  signal you need a horizontally  polarised
  615. aerial,  and  for  vertical one you need  a  vertically  polarised
  616. aerial.  Most receivers on FM have horizontally polarised aerials,
  617. but all car aerials are vertically polarised. So what polarisation
  618. you  go  for  depends on the audience you expect. E.g.  on  Sunday
  619. afternoon you'd expect people at home so use horizontal, while  in
  620. rush hour you might favour vertical. You can build an aerial which
  621. splits the power between both, as used in legal stations, known as
  622. MIXED  polarisation. But the effect of radio  waves  bouncing  off
  623. buildings etc. tends to twist the polarisation of your signal from
  624. horizontal to vertical and vice versa, so your signal could  still
  625. be picked up by the wrong aerial.
  626. Your  transmitting site will affect you choice of aerial.  In  the
  627. middle   of   the   area  you  want  to  cover  you'll   need   an
  628. OMNIDIRECTIONAL  aerial which transmits equally each  ways,  while
  629. outside  your  coverage area you can beam the  signal  in  with  a
  630. DIRECTIONAL aerial.
  631. The  simplest  possible aerial for VHF is known as the  HALF  WAVE
  632. DIPOLE. The elements can be bits of thin aluminium or copper tube.
  633. The lengths of each dipole you get from your frequency by:
  634. . The impedance is about 75  which is close enough to 50 to be fed
  635. from  50   cable without too much power loss. A half  wave  dipole
  636. used vertically is omnidirectional, but when used horizontally  it
  637. has a fig of eight coverage which isn't very useful. Also a dipole
  638. needs  a  balanced feed. You need a BALUN (BALance  to  UNbalance)
  639. transformer. These can be easily made out of bits of co-ax  cable.
  640. If  you  don't do this power will be radiated from the feeder.  An
  641. aerial  with  an  impedance greatly different from  50   needs  an
  642. IMPEDANCE TRANSFORMER also made out of bits of co-ax cable.
  643. Before  going on air get a low VSWR by adjusting the  position  of
  644. the aerial and any adjustable pieces. Aim for 2:1 or less. Use low
  645. power into the aerial when tuning it up and adjusting, if using  a
  646. 100's  of watts and a bit came off in your hand the VSWR could  be
  647. so  bad as to blow the final transistor. For the same reason check
  648. the  continuity of the aerial with an ohmmeter before plugging in,
  649. to  be sure its what its meant to be, either a short circuit or an
  650. open  one,  depending  on the type. A dipole  should  be  an  open
  651. circuit.
  652.  
  653. SITING
  654. Siting  is  very important. Height is the main factor,  even  more
  655. than watts! Since VHF radio waves go almost in straight lines, 100
  656. watt  in your front room will only reach your neighbours, while  5
  657. watt  up high and unblocked will go 10 km's or more. The waves  do
  658. bend  a bit so you'll cover more than you can see but its hard  to
  659. say how much.
  660. GO FOR IT!!!!!
  661.  
  662.