|
Rozbočovač
a sdružovač pro malý 23cm tranzistorový PA |
||
|
Při konstrukci 23cm PA jsem byl před časem postaven před úkol zhotovit rozbočovač a následně slučovač pro 2 výkonové moduly. Vytknul jsem si za cíl to udělat tak, abych to mohl nabídnout radioamatérské veřejnosti ve stavu, který zajišťuje slušnou opakovatelnost konstrukce, což by mohlo podpořit počet aktivních stanic na tomto zajímavém pásmu. Zde je výsledek mé práce: Požadavky na vstupní
rozbočovač (pro budicí obvody PA):
Nejprve poznámku - proč vlastně v PA mezi dvěma výkonovými moduly vyžadovat 90° fázový posun? Důvod je jednoduchý - v případě poruchy (nebo i ztrátě buzení) jednoho výkonového modulu se u tohoto zapojení na výstupu PA objeví jen 1/4 nominálního výkonu, zatímco druhá 1/4 se propálí v zatěžovacím odporu výstupního hybridního sdružovače. Ten je ovšem jedním koncem uzemněn a není proto problém u něj mít VF sondu, která takové nerozvážení PA zjistí a přes ovládací obvody PA "zabrzdí" dříve, než by došlo k další poruše. U běžně používaného soufázového děliče / sdružovače typu Wilkinson je totiž odporová zátěž, ve které se v takovém případě "protápí" výkon, zapojena mezi "horké konce" dvou větví výkonového sdružovače, což podobnou indikaci rozvážení mimořádně komplikuje. Dalším důvodem sdružovače s fázovým posunem je lepší potlačení sudých harmonických kmitočtů, takže na výstupu stačí jednodušší dolní propust, což je zejména u výkonových PA velice žádoucí. Více na téma tohoto druhu obvodu najdete tady. Výše uvedené zadání jsem
tedy řešil kvadraturním děličem, který je zhotovený jako mikropáskový
motiv na oboustranně plátované desce plošných spojů (druhá strana je
neodleptaná) z relativně běžného laminátu FR4 (Epsilon R cca 4,6) o
rozměrech 45x50mm a tloušťce 1,5mm, vestavěným do krabičky z pocínovaného
plechu tloušťky cca 0,3mm stejných rozměrů o výšce 25mm, na kterou jsou
napájeny konektory SMA. Celé mechanické uspořádání je dobře vidět na
obrázcích uvedených níže. Vpravo je motiv
plošného spoje pro vstupní dělič PA (pro
zvětšení klikni). |
||
Při mechanické výrobě děliče postupujeme pokud možno s co největší přesností - každá odchylka rozměrů se ve výsledku totiž může projevit jako fázová chyba, která zvětší útlum a sníží tak dosažitelný výstupní výkon PA. Středy konektorů jsou vertikálně v ose krabičky a horizontálně 7,5mm od vnější hrany. Otvory konektorů SMA převrtáme na průměr 2,8mm a odhalíme tak čistou mosaz, která se skrývá pod poniklovaným povrchem. Na místě středů konektorů vyvrtáme do stěny krabičky otvory o průměru 2,5mm. Konektor SMA na správném místě (vycentrovat střední vodič vůči otvoru ve stěně krabičky) přichytíme svorkou a konektor připájíme skrz převrtané otvory ke stěně krabičky. Na krabičku nedoporučuji používat jiný, než slabý pocínovaný plech - při použití silnějšího, nebo mosazného, či měděného plechu je problém na stěnu krabičky cokoli připájet, aniž by se odpájelo, co tam již bylo připájeno. Nedoporučuji také dělat krabičku spájením z desek plošných spojů - pokud byste však přesto tento postup preferovali, je zapotřebí zachovat vnitřní rozměry, SMA konektory upevnit šroubky M2 skrz stěnu krabičky a uvnitř krabičky použít mosazné matičky, které po sestavení připájíme ke stěně, aby se tak zaručila dobrá zem u všech konektorů. Nicméně ani toto řešení spíše nedoporučuji, protože se o tlouštku laminátu, použitého na krabičku zvětší indukčnost mezi konektorem a mikropáskovým obvodem a to může způsobit zhoršení parametrů děliče.
Nyní již můžeme začít měřit (budeme k tomu potřebovat dva zakončovací 50-ti ohmové odpory na konektorech SMA - například viz níže). Nejprve zakončíme dva vývody na jedné straně a pomocí spektrálního analyzátoru (generátor a měřicí přijímač) měříme izolaci mezi oběma porty na jedné straně děliče. Na 1296 MHz by hodnota útlumu měla být větší, než 26dB a maximální útlum (přes 40dB) by měl být na kmitočtech okolo 1275 až 1285 MHz. Měření opakujeme pro protilehlé dva porty. Nyní již můžeme změřit průchozí útlum děliče v konfiguraci vstup -> výstup1 a vstup -> výstup 2. Útlum by se měl pohybovat mezi 3,2 až 3,8 dB. Pokud je rozdíl větší, udělali jsme někde chybu (vadné rozměry, nevhodný laminát plošného spoje apod.) a bude nutné ji nejprve odstranit. Vyvážení útlumu obou výstupů se provede napájením krátkých drátků cca o průměru 0,6mm uprostřed mikropásků. V případě, že protilehlý konektor (vůči vstupnímu) má menší průchozí útlum, než konektor umístěný křížem (vůči vstupnímu), doprostřed stran užších mikropásků (vedle sousedními konektory) připájíme cca 10mm dlouhý drátek, jehož volný konec orientujeme do středu děliče. Tuto kmitočtovou kompenzaci je nutno učinit symetricky na obou protilehlých mikropáscích. Přihýbáním těchto drátků směrem k plošnému spoji se zvětšuje kapacita a to má za následek, že se snižuje útlum mezi konektory, umístěnými křížem a zvětšuje se útlum mezi konektory, umístěnými protilehle. V případě, že útlum na konektor umístěný křížem (vůči vstupnímu) by byl menší, než na konektor protilehlý, stejné kompenzace umístíme do středu širších mikropásků mezi protilehlými konektory Pokud je odchylka malá, většinou stačí lehce ocínovat daný mikropásek - viz obrázek.. Tímto způsobem se nám jistě podaří dělič vybalancovat na stejný útlum mezi vstupem a oběma výstupy (s přesností do 0,1dB). Nyní můžeme změřit přizpůsobení (útlum odrazu) - pro toto měření budeme ovšem potřebovat již 3 zakončovací odpory a přesnou směrovou odbočnici) a v případě, že jsme dělali více, než jeden dělič, je výhodné oba děliče otestovat tak, že je (zcela stejně dlouhými spojkami) spojíme do serie jako kombinaci dělič a následně sdružovač a potom lze změřit celkový útlum takové kombinace (měl by se vejít do 1dB). Užitečným testem je změřit útlum v případě zapojení kombinace dvou děličů v protifázi (přehodíme výstup a zátěž u výstupního sdružovače), útlum by se měl pohybovat přes 30dB, což je potvrzením správných fázových parametrů obou děličů (minimalizace chyby fázové odchylky). Naměřené parametry děliče
(typické hodnoty na základě měření 3 vzorků): Poznámka *) - výkonová ztráta: Ztráty v děliči jsou v podstatě pěti druhů. Je to nepřizpůsobení (část energie se odrazí zpět do zdroje signálu), fázové chyby (vstupní energie by se teoreticky měla rozložit a následně fázově sečíst tak, že na jednom výstupu bude fázový posun o 90 stupňů posunutý oproti druhému výstupu děliče. Pokud jsou ale mikropásková vedení navržena nevhodně - nesprávná elektrická délka, či impedance - potom se část budicího výkonu ztratí v zakončovacím odporu, který zakončuje port v sousedství vstupního portu), následují ztráty v dielektriku mikropáskového vedení (viz tangens delta použitého laminátu) a dále je to energie vyzářená z mikropáskového vedení. Protože je však mikropáskové vedení uzavřeno ve stíněné krabičce, nemůže se energie vyzářená z mikropáskového vedení ztratit. Část se jí ztratí ve formě tepla v plášti z pocínovaného plechu (který má poměrně mizernou elektrickou vodivost) a zahřeje jej, část se jí naváže zpět do ostatních částí mikropáskového vedení a protože již není ve fázi, je přeměněna na teplo v zakončovacím odporu. Nu a nakonec jsou to ztráty vzniklé omezenou vodivostí mědi mikropáskového motivu (což je s ohledem na skinefekt ztráta poměrně podstatná) a proto by měla být deska postříbřena, nebo alespoň vyleštěna. Z hlediska výkonové zatížitelnosti nás nejvíce zajímají ztráty v dielektriku a ztráty v mědi plošného spoje, které způsobují ohřívání plošného spoje (v případě, kdy je obvod použit jako sdružovač). Pokud u materiálu FR4 připustíme maximální provozní teplotu cca 100°C, potom s ohledem na odvod tepla z plošného spoje do kovové krabičky a výkonové plnění různých druhů modulace lze učinit závěr, že tento typ děliče lze teoreticky možno použít také jako sdružovač dvou malých PA modulů (například s hybridem RAH1213G) do celkového výkonu (předpoklad) cca 40W FM (FSK), případně až do 60W při provozu SSB a CW. V praktickém testu jsme hybridem "proháněli" delší dobu výkon 20W, což dělič ohřálo cca o 30°C oproti teplotě okolí. Dá se proto předpokládat, že výkonové ztráty při výše uvedených výkonech ohřejí desku plošného spoje na přibližně 90°C (při vyšším gradientu teplotního spádu se navíc relativně zlepší odvod tepla do okolí), takže by to integritu takového sdružovače nemělo ohrozit. Pozor však na sdružování "přebastlených" zesilovačů z GSM pásma 900MHz. Jejich tranzistory (například BLV 958 apod) jsou pro 23cm již nevhodné, protože mají již uvnitř pouzdra tranzistoru zabudován částečný přizpůsobovací obvod pro GSM pásmo. Při pokusu o přeladění takového PA na kmitočet o cca 30% vyšší se již začnou výrazně uplatňovat individuální odchylky každého takového tranzistoru (PA modulu), což sice lze na vstupu takového PA doladit, ale může to vést k relativně podstatným fázovým odchylkám mezi dvěma, jinak identickými kusy zesilovačů, "přetažených" z GSM pásma na 23cm - a takové fázové odchylky mohou být navíc teplotně závislé. To může vést k situaci, že například dva takové sdružené zesilovače, každý o výkonu např. 50W, nedají dohromady očekávaných cca 95, ale třeba jen 70W výkonu a zbytek se zbytečně "protopí" v zakončovacím odporu výkonového sdružovače... Když jsem u těch zakončovacích odporů: protože SMA zakončovací odpory nerostou v lese, byl jsem nucen si je vyrobit. Použil jsem k tomu panelové SMA konektory (typu "tatínek"), okolo kterých jsem udělal "ohrádku" z pocínovaného plechu a umístil do ní dva paralelně půlwattové metalizované odpory 100R. Výsledný "zakončovák" má útlum odrazu na 23cm lepší, než - 21dB a jistě by snesl výkon 1W. Takový doma zhotovený zakončovací odpor je samozřejmě dobře použitelný i na nižších kmitočtech, naopak na 13cm již zcela jistě nevyhoví (útlum odrazu na 1750 MHz, kde ještě mohu slušně měřit, je už pouze 16dB). Protože obrázek napoví více, než dlouhé povídání, podívejte se prosím na obrazovou galerii níže. Někdy příště si povíme více na téma konstrukčních detailů domácí výroby větších výkonových sdružovačů pro výstupní obvody PA řádu stovek Wattů, které jsou na obrázcích též částečně vidět. Plošné spoje na popsaný 23cm dělič (deska C27 verze 2) si lze objednat tady. Cena bude cca 40Kč. 73 OK1VPZ
|
