PA 150W pro 23cm na plošném spoji FR4 podle RZ4HD
Pro kalibraci 300 W Wattmetru v pásmu 1296 MHz jsem potřeboval
jednoduchý a levný zesilovač cca 150W, který jsem chtěl umístit na malý
chladič. Tento PA se zapne jen při testování měřičů výkonu na krátké periody.
Není zde proto zapotřebí žádné "obcházecí" anténní relé ani velký
chladič. Volba padla na oblíbený tranzistor MRF8S9160. Pavel US4ICI již v té
době měl hotový velmi dobrý návrh plošných spojů PA desky pro tento tranzistor,
ale počítal s použitím drahého, 0,8mm silného laminátu Rogers 4003. Vstupní
část plošného spoje jsem udělal na 1
mm FR-4 a
výstupní desku jsem vyrobil z ruského laminátu FAF-4D (podobný výrobku fy
Rogers). Vše jsem nastavil pouze pomocí změn hodnot kondenzátorů a zesilovač
pracuje dobře. A nedávno jsem se navíc seznámil s informacemi Vladimíra EU2AA.
Vše je napsáno v tomto vlákně:
http://forum.vhfdx.ru/usiliteli-moshchnosti/ra-na-1296-mgc-s-primeneniemtranzistora-mrfe6s9160hs/540/
http://forum.vhfdx.ru/usiliteli-moshchnosti/ra-na-1296-mgc-s-primeneniem-tranzistora-mrfe6s9160hs/
Vladimir udělal návrh PA pomocí
stejného tranzistoru, ale všechny desky plošných spojů byly vyrobeny z laminátu
FR-4 o tloušťce 0,8 mm.
Odvážný krok ... Znám Vladimíra jako talentovaného designéra již od sovětských
dob a já mu naprosto věřím. Ale velmi jsem sám chtěl na stole vidět, jak
pracuje 150 W PA používající levný laminát ve výstupním obvodu. Prsty můžete
sami cítít, jak se laminát pod mikropáskem ohřívá. Ano, nechal jsem si již
vyrobit desky z FR4 na 5760 MHz, 10 GHz a 12 GHz, ale nikdy jsem to neudělal na
výkonovou výstupní desku z tohoto materiálu. Myslel jsem, že na FR4 je to
neuvěřitelně vysoký výkon na takovém kmitočtu. Ukazuje se, že ne. Děkuji
Vladimírovi za tento nápad.
Desku podobnou designu US4ICI nebo EU2AA jsem vyrobil z 0,8 mm FR-4 V zásadě je to
pro ty, kteří mají zkušenosti s bastlením radioamatérů, s materiálem je možné
manévrovat jak v tloušťce laminátu, tak v šířce mikropásků. Pokud máte
měřicí zařízení, pak můžete vše konfigurovat. Nastavil jsem vstupní a výstupní
obvody jen výběrem hodnot kondenzátorů a jejich umístěním. Možná, že to trvalo
dlouho. Ano, takový postup vyžaduje čas a dostupnost celé šíře hodnot
kvalitních kondenzátorů (ATC), ale já používám pouze tuto metodu.

Vstupní PSV se mi podařilo dostat na hodnotu 1,07. Zde je fotografie měření. S
napájením 30 voltů, klidovým proudem 1 ampér a provozním proudem 10 ampérů byl
výstupní výkon 163 wattů. S účinností 54%. Ukazuje se, že PA lze udělat i z
levných FR-4 0,8 mm
a 1,0 mm.
Výrobu plošných spojů jsem si nechal udělat v Číně. Velké díky Vladimírovi
EU2AA za takovou zajímavost a nápad použít laminát FR-4. Mimochodem, výstupní
(výkonová) deska se vůbec nezahřívá. Testoval jsem PA s uvedeným výkonem.
Nejprve jsem jako druhý pár kondenzátorů vložil dva kondenzátory 2,7 pF každý.
Jako Vladimír EU2AA. Při proudu 10 ampérů byl výstup výkon 126 wattů. Uvědomil
jsem si, že musím změnit tyto kondenzátory. Připájel jsem pár kondenzátorů 1,0
pF a okamžitě jsem dostal mnohem lepší zisk a výkon 163 wattů při současné
spotřebě 10 Ampér, což odpovídá účinnosti 54%. Zastavil jsem vývoj na této
hodnotě.
Situace při testování zesilovače, měření jeho výstupního výkonu a další
parametry jsou uvedeny na fotografii. Všimněte si, že desky s plošnými spoji a
tranzistor byly připájeny k měděnému pomocnému radiátoru. Chci se vrátit k
návrhu Vladimirova zesilovače pomocí dvou tranzistorů MRFE6S9160. Někteří
radioamatéři měli problémy s výrobou PA této konstrukce. Byly tam určitě
subjektivní důvody ale, jak věřím, (ať se moji kolegové na mě neurazí),
neexistovala u nich odpovídající základna měřicího zařízení. Při pečlivé
analýze situace bylo zjištěno, že tloušťka dodaného laminátu FR-4, která by
měla mít 0,8 mm,
je ve skutečnosti tlustá jen 0,7
mm a to společně s fólií a pocínovanou vrstvou. Ani
barva laminátu nebyla úplně obvyklá - byla světle hnědá. Menší tloušťka
laminátu než 0,8 mm
bylo potvrzeno mnoha radioamatéry, kteří desky vyrobili podle Vladimirovy
dokumentace u čínské firmy na výrobu
plošných spojů GLC
https://www.chinapcbsmt.com/default.html.
Rozhodl jsem se zkontrolovat, jak se tato deska začíná používat při použití
jejich rukou a nástroje. Potom radioamatéři objevili zmenšenou velikost
tloušťky desky a nestandardní laminátovou barvu, desky byly tedy objednány
znovu. Další verze desek již měla typickou světle žlutou barvu a větší
tloušťku, ale stále tloušťka desky spolu s vrstvou fólie a pocínovaná vrstva
byla menší než 0,8 mm (měřeno mikrometrem).
NASTAVENÍ
První věc, které byste měli věnovat pozornost, pokud chcete uspět a
získat slušný výkon, pak je to na výběru párů tranzistorů. Musíte mít dva
dokonale identické tranzistory, které na desce dávají schopnost vytvořit dva
stejné zesilovače se stejnou amplitudou a fázovou charakteristikou. Tato
operace umožní, aby sdružovač zůstal neporušený, mikropásky se nezahřívaly a
laminát nezhnědnul. Dokonce i třídění tranzistorů ve dvojicích podle klidového
proudu v bodech 0,15A, 0,3A, 0,5A, 1A a 2A přinesou výsledky. Tím se
potvrzuje, co napsal EU2AA. Ano, musíte si koupit 5-6 tranzistorů, pokud chcete
vybrat dva. Čím více tranzistorů zapojených do tohoto procesu, tím více párů!
Dalším postupem je vybrat tranzistor na měřicím zařízení při kmitočtu 1296 MHz
a výkonu 150 wattů. Před mnoha lety jsem vyrobil takovou testovací desku
měřicího zesilovače a použil ji k výběru MRF-286, ve kterém byly stisknuty
svorky tranzistoru fluoroplastovou částí (PTFE). Toto je asi nejsprávnější, ale
také obtížnější způsob. V současné době Pavel US4ICI vybírá tranzistory pro své
PA. Přemýšlím o takovém stojanu - už pro silnější tranzistory, které budou při
testování pájeny. Navíc dobré výsledkem bude výroba 4-5 palet a výběr stejného
páru připravených moduly s vysokým výkonem. Zatím jdu touto cestou. Použitím
ohoto postupu mi PA s buzením z 10 wattového transceiveru dal výkon 370 wattů.
Pro mě je to zatím jen jakýsi poznatek o dosažených výsledcích bez toho, abych
použil nějaký externí budič. Přidám pár informací o nastavení vstupů PA pomocí
digitálního měřiče VS-1201. Nejprve vám ale řeknu, že někteří radioamatéři nás
pokládají za blázny. Jiní si tenhle článek jen přečtou letmo a odloží ho, ale
pro jiné jsou tyto informace užitečné. Tranzistory jsou někdy i bez interního,
vestavěného přizpůsobovacího transformačního obvodu. Toto je konvenčně
nejjednodušší způsob nastavení vstupu pomocí externího porovnávacího zařízení:
pohleďte na obrázek - panoramatická frekvenční odezva VNA má pak zpravidla jen
jeden pokles vstupního minima VSWR. Toto minimum, pokud je nesprávně nastaveno,
není na provozní frekvenci. Ale lze ho tam dostat. Znamená to tvrdě pracovat,
počítat a bastlit. Panoramatický graf je velmi jednoduchý: pomáhá určit, kde,
co a kde upravit. Zažijte si to přirozeně - potřebuješ dobré vstupní přizpůsobení
a můžeš ho dosáhnout. Chce to trpělivost. Radioamatéři však často používají
tranzistory s vestavěnými interními přizpůsobovacími obvody a je nutné se s tím
vypořádat, protože do tranzistoru nevlezete.

V tomto případě se často používají tranzistory designované pro
frekvenci 2400 MHz na pásmu 23cm. Jenže ten přizpůsobovací obvod je nastaven na
2400 MHz. Podobně se používají tranzistory 900 MHz na frekvence 144 MHz a 1296
MHz. Zajímalo mne jak na to a při
experimentech jsem ztratil hodně času. Téměř vše ale nakonec pracuje funguje
podle očekávání.
Pokud se podíváme na průběh SWR na vstupu PA, využívající takový
tranzistor, najdete, že má dvě minima VSWR. Je to představeno na dalším obrázku.
Mluvíme tu o tranzistoru MRFE6S9160H. Vlevo je minimum VSWR vnitřního
přizpůsobení, vpravo je průběh SWR tvořený externími přizpůsobovacími obvody na
desce plošného spoje. Soustřeďte se na úpravu externího přizpůsobovacího obvodu.
Tady je to stále docela jednoduché. Všechno jsme na vstupu PA nastavili, aniž
bychom věnovali pozornost tomu, co se děje s levým minimem grafu interního
přizpůsobovacího obvodu.
Stačí věnovat pozornost správnému minimu. Je to cesta, jak ideálně dosáhnout
bezchybného přizpůsobení 1:1. Existuje samozřejmě určitý vzájemný vliv obou
přizpůsobovacích obvodů, ale vše je perfektně viditelné v panoramatickém
zobrazení VNA a vše lze upravit. Přirozeně předtím musíme zvolit správnou a
osvědčenou topologii obvodů na desce plošných spojů PA. Nastavení se provádí bez
napájení a klidového proudu! Tento
způsob nastavení se naštěstí obvykle téměř shoduje s provozním
nastavením, kdy je přivedeno napájecí napětí i předpětí. Zesilovač obvykle už
potom není třeba znovu upravovat! A platí to i pro 144 MHz i 432 MHz a na 1296
MHz také. KV jsem nekontroloval.
Pokud ovšem chceme tímto způsobem naladit PA s použitím dvou
tranzistorů se vstupním děličem, v zobrazení průběhu SWR bude spousta neznámých
rezonancí. Viz obrázky. Tady se například překrývají vstupní odezvy přizpůsobovacích
obvodů dvou PA zesilovacích stupňů plus kvadraturní (90°) dělič. Vyřešit tuto
situaci už není tak snadné. Přikládám pár fotek z průběhu VSWR na vstupu PA v
různých fázích ladění. Nakonec jsem mezi sebou připájel dva 0805 2 pF trimrové
kondenzátory a dělicí výstupy nastavil VSWR na 1,13 Ihned řeknu, že později
jsem tomuto nastavení nevěnoval pozornost a odstranil jsem ty kondenzátory.
Malá fotoreportáž. Dvě fotografie ukazují desky pájené tranzistory a plně
pájenou desku. Na Vladimirově desce jsem použil jinou možnost zapojení zdroje
klidového proudu. V mém rozložení pro test, je nainstalován stabilizátor
D-815E, který prostřednictvím odporu 330 ohmu / 5 W připojen k napájecímu
zdroji 30 voltů. Na stabilizátor 78L05 , který je nainstalován na vstupní desce
PA je přivedeno + 12 V. Připájel jsem
tam malou měděnou desku, která působí jako prostor pro bastlení. Některé části
desek s jejich zapojením jsou zobrazeny na fotografiích. Tak jako blokování
kondenzátorů tlumivek, použil jsem skupinu tří kondenzátorů řady 1206 NPO s
hodnotami 27 pF, 270 pF a 1000 pF. Samostatně, blíže k elektrolytickému
kondenzátoru, je další 1000 pF kondenzátor.

A pod elektrolytickým kondenzátorem je pájen kondenzátor 0,01 µF. Jsou zobrazeny fotografie výstupního přizpůsobovacího
obvodu a modulu na chladiči. Co jsem dostal s 30voltovým napájecím zdrojem s
buzením 10 wattů: 18.5 Ampér proudu a
270 wattů výkonu. PA lze i nadále „vylepšovat“. Účinnost je 48%.
Přirozeně proud i výkon s nárůstem teploty trochu „uplaval“ dolů. Moje
měděná podložka mezi tranzistory a chladičem
má velikost 120 x 110
mm a tloušťku 10 mm. Tak. Koupil jsem pět desek plošných
spojů za 820 rublů i s dodáním. Při zahájení práce vždy nejprve vybereme
správné tranzistory a věnujeme se jejich párování. Čím více tranzistorů, tím
více párů. Desky pájíme včetně tranzistorů a s osazenými součástkami na měděnou
desku "rozptylovače tepla"! Připojíme napájení a nastavte klidové
proudy jednoho ampéru na tranzistor. Přitom na vstup PA namontujte konektor a
zakončete ho bezindukčním odporem 50 ohmů, aby se zesilovač narozkmital! Kde
načtěte vstup PA a jeho výstup na správné zatížení 50 Ohm !!! Potom odpojte
napájení a optimalizujte vstupní obvody na nejlepší SWR pomocí použití VNA -
viz výše. Připojte buzení a napájecí napětí a nalaďte trimrové kondenzátory na
maximální výkon. Obvykle je to VŠECHNO !!! Při dlouhodobé práci pětisekundové
impulsy (5 s přenos a 5 s příjem) nic prakticky se neohřívá. Sdružovač nesmí
být horký. Očekávejte jen mírně teplé obvody s teplotou cca 40°C.
Při nastavování se mi ale
objevil jeden problém, který se absolutně netýkal PA. Vše vypadalo normálně, na
vstupu i na výstupu PA jsem měl směrové vazby umožňující měřit výkon, ale
šlápnul jsem si na hrábě. Celý den testování byl ztracen... Nemohl jsem
dosáhnout většího výkonu PA.. Ukázalo se, že po počátečních testech jsem nechal
aktuální hodnoty proudového omezení na 14 ampérů. Můj PA tedy nezklamal. Změnil
jsem proudový limit a okamžitě viděl výkon 260 wattů. Dost pro mě. Pro ty, kteří rádi až na okraji - můžete
začít měnit hodnoty kondenzátorů ve výstupním obvodu. Nedotýkejte se ale
kondenzátorů 4,7 pF !!!!!!!! Zvedněte jen ten který je blíže výstupu. Můžete z
PA „vyždímat“ třeba až dalších 20–30 wattů. Ale pro mě to není nutné, protože
deska bude použita v PA pro testování různých přizpůsobovacích obvodů. Jako
kondenzátory ve výstupu STC jsem použil kondenzátory typu ATC-100V.


Mám na výstupu oddělovací kondenzátor nominální hodnoty 27 pF a to jen
jeden. Nezahřívá se ani při výkonu 250 wattů při 1296 MHz. A okolo tranzistorů
koluje výkon jen okolo 140 wattů na tranzistor.
Jurij RZ4HD.
Volný překlad OK1VPZ
Poznámka: jsem
poněkud skeptický k náhradě laminátu s dielektrickou konstantou 3,3 za jiný
materiál s hodnotou epsilon r okolo 5 a mnohem většími ztrátami. Podívejte se na
tuhle webovou stránku:
http://www.ok2kkw.com/00003016/pa70cm/antena/pics.htm
|