Un Amplificatore Lineare “up to date” che parla italiano !

Intervista a I0ZY Gianfranco Scasciafratti

Oggi voglio presentarvi un oggetto del desiderio, almeno per me, l’amplificatore più tecnologico esistente sul mercato mondiale : il 2K-FA della SPE di Roma.

Non possiamo però parlare del prodotto senza aver conosciuto prima il suo ideatore l’ing. Gianfranco Scasciafratti I0ZY, Gianfranco è una colonna portante dell’ARI in quanto socio da oltre 50 anni, ma è soprattutto un personaggio eclettico, uno che la radio la usa d’avvero, nella sua lunga carriera ha partecipato a dx pedition, è stato Presidente di ARI Roma e del CR Lazio, ha portato in ARI l’allora On. Francesco Cossiga e conosce tutti i più importanti protagonisti del nostro mondo, sono suoi personali amici alcuni dei maggiori DX-man americani di cui è spesso ospite, insomma Gianfranco è una persona speciale che però non fa nulla per dimostrarlo, rimanendo sempre uno di noi.

Immagino che ora qualche maligno stia pensando che questo articolo sia stato scritto ad arte, per far pubblicità alla SPE, ma posso assicurarvi che non è così, il prodotto di cui stiamo parlando non ha bisogno di ulteriore pubblicità, la SPE è già inserzionista da anni di Radio Rivista ed il sottoscritto, haimè, non possiede neanche un prodotto dell’Azienda. Il vero motivo per cui ho deciso di scrivere queste brevi note sul 2K-FA è perché questo prodotto, deve essere un punto di orgoglio per noi italiani, troppo spesso e ingiustamente impegnati a denigrare tutto ciò che di buono c’è in Italia.

Vi assicuro che qui stiamo parlando di un Amplificatore (non a caso con la A maiuscola !) che non ha eguali in tutto il mondo, qualcuno lo ha giustamente definito come lo stadio finale del proprio transceiver, ma anche questa definizione appare riduttiva considerando tutte le feature dell’apparato.

Cercherò di non annoiarvi con freddi dati tecnici, questi li potrete trovare nelle pubblicità, ho preferito invece fare due chiacchiere con il suo progettista per carpire il funzionamento del 2K-FA, in maniera tale da consentire ai fortunati acquirenti di poterlo utilizzare al meglio. Di seguito l’intervista a I0ZY :

Come nasce l’idea di realizzare un prodotto così innovativo ?

Per caso. Circa 7 anni fa progettai e costruii per me un lineare da 1KW allo stato solido (che poi diventerà lo Expert 1K-FA). Ci misi tutti i miei allora 50 anni da radioamatore ed i miei 35 anni da progettista. Quando lo mostrai agli amici ci fu sorpresa e meraviglia per le sue caratteristiche, tanto che, essendo titolare di una società di elettronica, mi fu suggerito di produrlo. Essendo la SPE certificata ISO l’ingegnerizzazione fu lunga e costosa ma alla fine presentai il prototipo a Fredrichshafen 2006. Sinceramente non mi sono subito reso conto di aver presentato un qualche cosa “up to date” ma, avendo ricevuto in fiera quasi 100 prenotazioni, fui costretto a pensare di aver realizzato una apparecchiatura piccola, innovativa con prestazioni non presenti in altri lineari, il che mi spinse ad iniziare l’avventura. Dopo tanti positivi riscontri internazionali la strada era ormai chiara, i futuri progetti dovevano mantenere, se non migliorare, lo standard qualitativo raggiunto, ponendo la mia società in breve tempo al top mondiale nel settore. Così è poi nato l’Expert 2K-FA con tante uniche prestazioni, frutto della esperienza precedente, progettato per appaiare i tranceivers di alta fascia.

Quando un Amplificatore può definirsi veramente “lineare”, qual è la definizione esatta di questo importante parametro ?

Semplicisticamente quando il segnale di uscita ricalca il più possibile quello di ingresso. La misura di questo importante parametro viene generalmente fatta con la prova “Two-Tone Test”. Si tratta di immettere all’ingresso dell’amplificatore due frequenze, appunto “Due Toni”, poco distanti l’uno dall’altro ed andare a vedere su un analizzatore di spettro le ampiezze delle righe di intermodulazione generate dalla non linearità. Tanto maggiore è la differenza di ampiezza tra un tono e l’intermodulazione del 3° ordine attigua tanto migliore è la linearità. Per passare ai numeri, la suddetta differenza espressa in dB a cui vengono aggiunti 6 dB (ci riferiamo al valore di picco del segnale) rappresenta la misura. 30 dB è il minimo accettabile.

Parliamo di potenza in uscita, qual è il livello massimo che si può ottenere con uso continuo (contest) ? con quanta potenza si deve pilotare l’amplificatore ? Cosa accade se inavvertitamente si pilota l’amplificatore con un apparato che in uscita ha 150 W ? In che maniera si può intervenire sulla potenza in uscita ? Come si ottengono queste variazioni, lavorando sull’alimentazione ?

La potenza massima disponibile varia con la banda, non abbiamo mai visto potenze inferiori a 1.8 KW in 160 m. 1,9 KW in 80 m. 2 KW nel resto delle HF, 1.9 KW in 6 m. A lineare freddo si possono avere anche 2.4 KW in 40 m. Tutta questa potenza normalmente non serve sempre, con un semplice tasto si può allora ridurla ad 1 KW o a 500 W (potenza legale in Italia). Il tutto avviene automaticamente ci penserà lo stesso lineare a richiedere al transceiver la minima potenza di pilotaggio necessaria, per ogni singola banda, per ottenere una trasmissione ottimale. La limitazione della potenza viene fatta intervenendo contemporaneamente anche sulla Vcc del PA in modo da migliorare l’efficienza dello stadio. Grazie a queste caratteristiche uniche possiamo lasciare sempre il transceiver alla massima potenza (anche 200 W). In “operate” verrà ridotta la potenza al necessario per tornare in standby ai 200 W, nessun intervento è richiesto all’operatore. Questo se vengono rispettate tutte le interconnessioni, negli altri casi il circuito di ingresso viene disconnesso se la potenza supera gli 80 W. Per quanto riguarda il contest in SSB e CW ….si può operare h 24 senza problemi a piena potenza. In RTTY noi consigliamo un KW anche se il lineare consentirebbe molto di più.

Vorrei che ci spiegassi cosa è e come funziona un “combiner” ?

Per ottenere forti potenze con i semiconduttori è necessario sommare le potenze di molti amplificatori. Visto che non è pensabile metterli semplicemente in parallelo perché si influenzerebbero pericolosamente, si adotta un circuito che, pur sommandone le potenze, tiene opportunamente separati gli amplificatori, questo circuito viene chiamato “combiner”. In questo circuito debbono arrivare segnali rigorosamente in fase tra loro in modo da evitare sbilanciamenti, il tutto in una banda molto ampia (1.8 / 54 MHz). La sua progettazione è stata dunque molto laboriosa complicata dal fatto che deve trattare ben sei ingressi e gestire una potenza rilevante (2 KW anche in 6 m). Un SW molto sofisticato lo tiene costantemente sotto controllo in modo da prevenire sbilanciamenti.

L’amplificatore possiede un Accordatore d’antenna automatico, ma quali sono le precauzioni per un corretto utilizzo e cosa accade se improvvisamente l’antenna non funziona correttamente ? E’ vero che è possibile remotizzare l’accordatore e quali sono i vantaggi ?

L’accordatore automatico di antenna (ATU) rappresenta una eccellenza nelle caratteristiche del 2K infatti è in grado di gestire la piena potenza superando dei disadattamenti fino a 3.5:1. Può essere collegato a 6 antenne diverse impostando fino a tre antenne per ogni banda, è anche possibile impostare una differente antenna in ricezione caratteristica molto apprezzata in 160 e 80 m. E’ dotato di grande flessibilità infatti non solo può essere all’occorrenza escluso ma lo può essere selettivamente per banda e per antenna, rimanendo inserito per le altre bande e antenne. Altra caratteristica innovativa è una seconda misura delle SWR fatta direttamente sull’antenna. Questa non è la misura dell’accordo (gestita da altro misuratore tramite ATU), ma permettere di tenere sotto controllo l’antenna fisica che non dovrebbe variare se non variandone le dimensioni. Se ad esempio la nostra antenna ha in origine un SWR di 2:1 potrà essere adattata tramite l’ATU pur rimanendo sempre con un SWR di 2:1. Con la misura di questa grandezza ci potremo rendere conto se l’antenna degenera o perché non sopporta la potenza o per qualche altra ragione, senza coinvolgere nel problema le apparecchiature. Tutto l’ATU è gestito dal SW il quale adeguerà la banda, l’antenna, l’accordo seguendo docilmente ed immediatamente la manopola di sintonia del transceiver, ovviamente in ricezione e quindi, quando passeremo in trasmissione, sarà già tutto pronto. Altra caratteristica unica è la possibilità di remotizzare l’ATU (opzione). In questo caso lo stesso ATU del lineare viene messo in una scatola stagna e posto ad esempio sul tetto della casa. Il collegamento è fatto esclusivamente con un cavo nel quale passano il segnale, i controlli e l’alimentazione dell’unità remotizzata. In questo modo è possibile ridurre ad un solo cavo il collegamento tra casa e tetto, cavo che per giunta sarà sempre privo di onde stazionarie.

Dovendo smaltire grandi quantità di calore, bisogna fare i conti con la rumorosità dei sistemi di raffreddamento, al di là delle misurazioni professionali con fonometri, poiché la percezione umana è soggettiva e anche influenzabile dalle condizioni ambientali, cosa ci puoi dire sulle tecnologie adottate per contenere il rumore ?

La fisica non fa sconti a nessuno. Chiaramente maggiore è la potenza in gioco maggiore è la quantità di calore da smaltire. Nel nostro caso a piena potenza tra alimentatori ed amplificatori bisogna smaltire non meno di 800 / 1000 W, per fare questo si possono seguire due strade. La prima è di sfruttare la convezione naturale ma in questo caso le dimensioni dell’insieme sarebbero improponibili. La seconda è di usare il condizionamento forzato, ovviamente non si poteva che scegliere questa seconda soluzione. Il problema è che con l’uso dei ventilatori si genera rumore, ci tengo a precisare che tale rumore è dovuto principalmente all’aria che fluisce tra i rostri dei dissipatori e non dal ventilatore in se per se. L’Expert 2K-FA, per la potenza che tratta, è veramente silenzioso, questo grazie ad un accurato studio meccanico ed ad una gestione delle ventole la cui velocità varia proporzionalmente con la potenza e la temperatura. Per ottimizzare ulteriormente il problema la velocità delle ventole viene ridotta drasticamente o addirittura annullata (in SSB) durante la ricezione … risultato rumore zero proprio quando darebbe più fastidio.

Trattandosi di un amplificatore che utilizza n°6 Mos-fet di potenza, immagino che abbia un alimentatore di tipo switching, come siete riusciti a evitare le “interferenze” causate da questo tipo di alimentatore ?

Viene usato un alimentatore switching capace di erogare in continuo 3 KW con un peso di appena 4 Kg. Una caratteristica molto importante è la correzione automatica del fattore di potenza per cui la corrente di rete è sempre in fase con la tensione ed entrambi sono praticamente sinusoidali, quindi minima corrente di rete e drastica attenuazione dei disturbi immessi. La normativa europea impone che ogni alimentatore con potenza superiore a 75 W debba avere questa correzione, sinceramente dubito che gli attuali lineari con trasformatore di rete ne dispongano. Gli alimentatori switching possono portare problemi di interferenza considerando anche il fatto che nella stazione è presente un ricevitore di per se molto sensibile. Eliminare queste interferenze è stato un impegno che abbiamo raggiunto con un pesante uso di filtri e di schermature. Questi i definitivi risultati ottenuti: ponendo il lineare su un carico fittizio non si rilevano interferenze, questo significa che nessun segnale disturbante proviene dall’interno del lineare. Eventuali disturbi, principalmente a modo comune, possono provenire dal layout esterno. Con una opportuna messa a terra ed un sapiente uso di ferriti si risolve il problema.

L’amplificatore ha una interessante prerogativa, quella di poter essere pilotato da due trasmettitori e di poter selezionare fino a 6 antenne, inoltre ha una presa SO2R per la connessione di un’antenna a larga banda, Puoi descriverci la logica di funzionamento ?

La possibilità di gestire due transceivers è indispensabile per un oggetto al top di gamma. Con l’Expert è tutto automatico, perché rinunciare a due transceivers (anche di marche diverse o addirittura autocostruiti) da usare anche in contemporanea semplificando addirittura il layout di stazione? Quando si fa lo scambio vengono immediatamente cambiati CAT, ALC, il protocollo delle antenne sintonizzabili e le antenne da usare. Un esempio è la possibilità di lavorare in SO2R senza hardware esterno. Questo tipo di operazione viene usata durante un contest per acquisire, con la maggiore rapidità possibile, un nuovo moltiplicatore.

Sono necessari i seguenti collegamenti:

a) INPUT 1 collegato ad un primo transceiver (RTX1).
b) INPUT 2 collegato ad un secondo transceiver (RTX2).
c) ANT 1/2/3/4/5/6 collegate al parco antenne di cui si dispone.
d) SO2R collegato ad una antenna multibanda.

Il modo di operare può così riassumersi : Ammettendo di essere operativi con RTX1 su una certa banda (es. 20 m.), la relativa antenna tra le ANT 1/2/3/4/5/6 è automaticamente selezionata, mentre RTX2 è collegato tramite SO2R alla antenna multibanda in modalità RX su altra banda. Se, durante le operazioni in 20 m. si ascolta con RTX2 (es. 40 m.) un moltiplicatore interessante, basterà premere PTT2 per avere l’immediata commutazione di RTX2 sulla antenna dei 40 m. del parco ANT 1/2/3/4/5/6 che risulterà immediatamente accordata sulla specifica frequenza, mentre RTX1 verrà collegato all’antenna multibanda per continuare a ricevere i 20 m. Più in generale al transceiver in trasmissione viene associata la opportuna antenna del parco ANT 1/2/3/4/5/6, mentre la multibanda passerà all’altro transceiver per la sola ricezione.

Parliamo adesso di soppressione di spurie, di TVI e di rientri di radiofrequenza in genere. Quali precauzioni avete utilizzato e con quali risultati ?

Per quanto riguarda rientri di radiofrequenza questi sono dovuti normalmente a fattori esterni principalmente dovuti all’assenza o al cattivo funzionamento del balun per cui bisognerà agire con opportuna messa a terra, ferriti, ecc. Con l’avvento del digitale terrestre la TVI non è più un problema a meno che non si colleghi il lineare direttamente al televisore (hi), comunque tutto dipende dalla qualità del parco filtri. In questo caso nessun problema, l’ Expert è certificato FCC e supera largamente le già severe norme in materia di purezza spettrale.

Abbiamo accennato in più punti alle protezioni di cui dispone il 2K-FA è il caso ora di vederle più da vicino e nel loro insieme, possiamo fare il punto ?

Lo SPE Expert 2K-FA è dotato di un sofisticato sistema di protezione che costantemente tiene sotto controllo i parametri più importanti dell’apparecchiatura. Tali parametri sono: Temperature dei dissipatori, temperatura incrementale del combiner, max. / min. tensione del PA, max. corrente PA, SWR di accordo, SWR della sola antenna, max. tensione RF nell’ATU, potenza di ingresso, bilanciamento del combiner e tanti tanti altri. Il sistema di protezione viene attuato in due modalità diverse:

Mediante circuiti hardware per garantire il minimo tempo di intervento.
Tramite software, per garantire la massima precisione.

I due risultati sono sempre comparati, una loro differenza genera una protezione ed il conseguente allarme. Si distinguono fondamentalmente tre tipi di protezioni / allarmi: SEMPLICE E’ il caso più comune, l’operatore non si accorge di niente o viene avvisato acusticamente da un solo “beep”. L’elettronica pensa a ripristinare automaticamente le condizioni di corretto funzionamento. GRAVE Quando l’elettronica non ha più margini per il ripristino (es. la temperatura sale oltre il limite massimo per ostruzione della ventilazione, il livello di SWR raggiunge un valore molto elevato ecc.) allora l’amplificatore passa in condizione di “STANDBY” ed il relativo allarme viene scritto nello storico. La trasmissione può continuare con il solo exciter. FATALE Se nelle condizioni di cui al punto b), una CPU risulta guasta o comunque non è in grado di intervenire, si verifica un inconveniente nell’alimentatore, allora l’amplificatore viene spento senza altro preavviso. Per meglio chiarire l’elevato grado di protezione, basti pensare che è possibile trasmettere a piena potenza o senza antenna o con antenna in corto circuito senza avere problemi. Ricordo che questa protezione la dimostrai per la prima volta a Dayton, la gente faceva due passi indietro per prudenza.

Uso non-stop in contest, quali precauzioni adottare ?

Come già ho detto in SSB e CW h 24 alla massima potenza, in RTTY consigliamo 1KW non perché il lineare non possa supportare la massima potenza ma per mantenere la temperatura interna sempre a livello di “crociera” in tutti i modi di funzionamento. Cablaggio, un amplificatore con tutte queste caratteristiche come si connette al resto della stazione, ci si deve procurare cavetti diversi ogni qualvolta si cambia marca di RTX ? collegandolo ad un PC cosa si riesce a fare ? Per sfruttare a pieno tutte le possibilità dell’apparato sono necessari solo, ma contemporaneamente, tre collegamenti : PTT, ALC e CAT. Ci possono essere altri collegamenti opzionali che permettono ad esempio di accendere il lineare quando si accende il transceiver o controllare il lineare tramite PC (porta USB). Buona parte dei cavetti necessari vengono forniti ad eccezione dei cavetti CAT perchè variano da transceiver a transceiver, in questo caso vengono forniti solo i connettori lato lineare. Nel manuale d’uso sono presenti tutte le informazioni per la loro costruzione o possono essere acquistati da SPE. Collegare il lineare all’impianto di stazione governato da un PC è facilissimo, tutto è chiaramente spiegato nel manuale. Avendo in stazione due RTX anche di marche diverse, collegandoli ai due ingressi del lineare, la loro commutazione risulta immediata senza contare una forte semplificazione del layout.

Esaminiamo ora l’aspetto Soft-ware, quali sono le caratteristiche più interessanti, è prevista un modalità di aggiornamento del firmware ?

Il SW è probabilmente la parte dell’apparecchiature più difficile da descrivere, stiamo parlando di oltre 35.000 righe di programma che controllano e gestiscono ogni attività dell’amplificatore. Ogni cosa è controllata, dalla chiusura dei contatti dei relè che avviene rigorosamente senza corrente alla gestione della funzione di Split. Cura particolare è stata posta nelle misure, si pensi solo che la misura della potenza è fatta con la definizione del decimo di Watt quando nella maggioranza dei casi si ha una striscia di Led ciascuno dei quali rappresenta 50 o 100 W. Pensate a tutte le tabelle di regolazione, di taratura ed impostazione delle antenne e vi farete una minima idea di come siano impegnate le due pur potenti CPU. Pensate alla gestione (già presente), di tutte le unità esterne opzionali, alla gestione tramite USB che riproduce fedelmente tasti e display del pannello frontale, al controllo delle antenne tipo Ultrabeam e SteppIR con il cambio automatico di protocollo. Altra caratteristica unica è la possibilità di upgradare da web tutti gli aggiornamenti SW che vengono prodotti e, per finire, la capacità di remotizzazione via internet.

Considerazioni generali o punti che ritieni dover trattare :

Punti da trattare sarebbero tanti, credo che per un maggiore approfondimento sarebbe bene non solo leggere accuratamente il manuale d’uso ma tenerlo accanto al lineare e consultarlo regolarmente. Solo in questo modo si potranno apprezzare, scoprire ed utilizzare pienamente le numerose possibilità disponibili. Ritengo che proprio queste innumerevoli possibilità rendono unico questo prodotto che attualmente è considerato in campo internazionale “TOP” nel settore e per questo è usato nelle stazioni più prestigiose. Vorrei concludere con quanto ha scritto un famoso radioamatore “L’Expert non deve essere considerato un semplice amplificatore separato dal transceiver ma, considerando tutti i suoi automatismi, lo stadio finale da 2 KW di questo”.