Modułowe PA HF LDmos

Od kilku lat zgłębiam wiedze tajemną i testuję różne rozwiązania, związane z techniką wzmacniaczy KF na tranzystorach LD-mos. Przedstawione moduły wraz z opisem, dadzą możliwość wykonania części elektronicznej, kompletnego PA dla osób zaawansowanych w dziedzinie elektroniki w.cz.

Projekt budowy nowoczesnego wzmacniacza wydaje się banalnie prosty. Obecne tranzystory typu BLF188, seria MRFX1,25-1,8 itp. po za dość wysoką ceną, dają spore możliwości.
Zalety w postaci niskiego (bezpiecznego) napięcia zasilania 50-65V, mała moc sterująca 1-2 waty, wysoki dopuszczalny SWR na obciążeniu, wydawały by się że jest to idealny zestaw.
Wadą jest brak odporności na przesterowanie bramek (uszkodzą się bezpowrotnie), spora ilość ciepła do odprowadzenia z małej powierzchni tranzystora, konieczność stosowania szeregu zabezpieczeń które nie dają 100% bezpieczeństwa, a półprzewodnik pozostaje najszybszym bezpiecznikiem. Jeśli dalej masz chęć zabawy z takim elementem to zapraszam do kolejnych punktów układanki.

Zacznę prawie od końca przedstawiając rozwiązania Filtrów dolnoprzepustowych (LPF)
Wystarczająco dobry wzmacniacz nie powinien emitować sygnałów harmonicznych powyżej -60db od mocy wyjściowej. W układzie Pusch-Pull, druga harmoniczna będąca bliżej właściwego sygnału jest na szczęście niskiej wartości i starannie dobierając prądy spoczynkowe, oraz układ indukcyjny dookoła, można sprowadzić ją do minimum. Trzecia harmoniczna występuje już o większym poziomie i niestety dużo z nią nie zwojujemy, wynika ona głównie z nieliniowości tranzystora i mocy na poziomie 50-80% parametrów dopuszczalnych dla danego półprzewodnika. Poniżej kilka płytek z opisem filtrów LPF które wykonałem i testowałem.

Moduł przekaźników N/O z mostkami pomiarowymi swr , tłumikiem i filtrami pasmowymi.

Na początku opracowałem płytkę która miała na pokładzie przekaźniki z dwoma mostkami "Tandem-match" dla pomiaru mocy wejściowej i wyjściowej PA

Obecnie dokonałem zmian, które umożliwiają pomiar mocy wychodzącej ze wzmacniacza podczas jego pracy jak i przejścia sygnału z TRXa. Dołożone jedno obwodowe układy LC mają na celu zmniejszenie mocy doprowadzonej do wejścia tranzystora (o kilka dB), w sytuacji kiedy TRX nie jest na tym samym zakresie częstotliwości co PA. W przypadku synchronizacji, moc doprowadzona jest tłumiona w minimalnym zakresie (0,3dB), doczyszczana z sygnałów harmonicznych a filtr pełni jeszcze rolę układu dopasowania do wejścia PA, korygując potrzebną pojemność wejściową, konieczną dla uzyskania niskiej wartości SWR na wszystkich pasmach. Współczynnik ten jest mierzony po tłumiku wejściowym 10dB, więc sam trx nie odczuwa różnicy, a układ pomiarowy natychmiast podaje moc padaną i odbitą zezwalając lub nie, na załączenie nadawania poprzez PA Przykładowe wartości widoczne przez mostek wejściowy będą umieszczone na stronie poświęconej temu modułowi.

Co daje taki filtr wejściowy. Jednym z błędów które mogą uszkodzić tranzystory i LPF jest podanie wyższej częstotliwości z TRXa niż załączone pasmo we wzmacniaczu. Przykładowo dla pasma 3,5 w trasceiwerze i naszym PA nic złego się nie dzieje, wszystkie dopasowania są poprawne ( pod warunkiem odpowiednio dopasowanej anteny). Swr wejściowy do 1,1, między PA a LPFem do 2. Po Lpfie do anteny przykładowo do 2. Gdy w Trx zmienimy pasmo na 7kę, a PA zostanie na 3,5; to bez BPFa wejście zostanie 1:1, po PA do LPF końcówka zobaczy swr w granicach 5-10 i popłyną juz duże prądy zwarciowe, czas reakcji mostka lpf i elektroniki itp zajmie 20-50mS, a my się spocimy widząc alarm na wyświetlaczu sterownika.
Gdy mamy układ wejściowego filtra, to on zareaguje w czasie rzeczywistym (bez zwłoki), zobaczy on SWR wejściowy około "3" dzięki temu napięcie na bramki spadnie o połowę. Końcówka mocy dalej będzie widziała wysoki swr do LPFa, ale juz nie zadziała z pełną mocą, tylko nawet 1/3 ( bo moc to napięcie do kwadratu). Oczywiście wyskoczą alarmy ale tranzystory powinny to łatwiej znieść. Gorszy scenariusz jest dla wyższych częstotliwości, tam między PA a LPFem możemy zobaczyć wartości SWRa nawet do "90" Zostawiony lpf na 1,8 dla pracy na 30-50 MHz będzie totalnym zwarciem dla końcówki. Zapięty BPF na wejściu dla 1,8 nie wpuści-( może 1-2%)-takiego sygnału do PA i dzięki temu tranzystory w ogóle nie odczują problemu. Układ wejściowego swr-a zadziała pokazując wysoką wartość odbitej i sterownik nie pozwoli kontynuować nadawania. Kolejny przykład zapiętego BPFA na 30 MHz - co widzi mostek wejściowy przy sąsiednich pasmach (21 swr 3,5 ; 24 swr 2 ; 29 MHz swr 1,0 ; 52MHz swr 20) . TRX widzi i tak tą odbita poprzez 6-10 decybelowy tłumik mocy, więc w najgorszym układzie zobaczy on SWR nie większy od 1,5 i nie stanie się nic złego. Podając przy filtrze bpf-29, sygnał na 52 MHz, do końcówki dociera około 10% sygnału i nie powinno się nic wydarzyć przez tak krótki czas. Dodatkowym układem pilnującym, jest jeszcze dekoder częstotliwości, który szybko sprawdza ją na wejściu wzmacniacza co 100kHz i informuje sterownik który weryfikuje ustawienie pasma pracy wzmacniacza, ale o tym w części sterującej.
Opis pewnie dość zawiły ale ukazuje możliwe sytuacje w trakcie pracy (kiedy nie ma komunikacji z trxem odnośnie zakresów pracy, lub cos się wysypie i ta informacja nie będzie poprawna)

Dane dla każdego zakresu

Moduł wejścia tranzystora
Układ z jednym podwójnym tranzystorem nie sprawia większych problemów z dopasowaniem bramek do impedancji 50 Ω. Pojemność pojedynczej bramki w zależności od tranzystora to 500-750 pf. Przełożenie 4/1 lub 9/1 z odpowiednim terminowaniem rezystorami daje pożądany rezultat. Zastosowanie dwóch par tranzystorów to już większe wyzwanie Pojemność bramki zrównoleglonego MRFX1k80 to 1500pf, Dla 52 MHz , mamy ekwiwalent rezystancji (reaktancji) o wartości 2Ω , a dla najniższego pasma 1,8 mamy wynik 55Ω
Tak szeroki zakres jest trudny do pokonania. Różne próby dopasowania, kilka wykonanych testowych płytek i w końcu sensowny rezultat. Oczywiście dopasowanie dla jednej częstotliwości w układzie L lub Pi nie sprawiło by żadnego kłopotu.
Zastosowałem transformator o przełożeniu impedancji 9/1 na rdzeniu o niższej przenikalności BN61-202. Czyli chcąc widzieć 50Ω na wejściu, musze się dopasować do wartości 5,5Ω na wtórnych zaciskach trafka. Terminowanie rezystorami działa dobrze do pewnej częstotliwości, a niska reaktancja dla wyższych zakresów i tak zmienia parametry obciążenia. Sygnał do bramek jest pobierany z 1/2 uzwojenia wtórnego względem masy. Dla niskiej indukcyjności uzwojenia na takim rdzeniu, trzeba dołożyć 1,5nf do wejścia dla zakresu 1,8 MHz ( realizowane w module N/O-BPF). Materiał 61 działa korzystniej dla wyższych częstotliwości kf więc lepiej przeniesie moc dla 50tki. Jak się okazało, bardzo ważną kwestią były szerokości ścieżek, Początkowo 2-2,5mm szerokości wprowadzały duże straty sygnału, stając się cewkami które na tym zakresie stanowiły szeregową rezystancję. Uświadamiając że przy napięciu 4Vrms na bramkę płynie prąd dwóch Amperów, co przy takiej częstotliwości jest wysoka wartością, Dopiero prostokątne pola zamiast typowej ścieżki pozwoliły zmniejszyć straty napięcia. Przedostatnia płytka testowa, zamiast tranzystorów (bramek) zamontowałem kondensatory 1,5nF.

Niedosyt równego pasma przenoszenia i większy swr dla 14-28 - po dopasowaniu 50tki, to kolejne próbne trafo 16/1 ( 4zwoje/1) Trudniej je wykonać, nie miałem cienkiego przewodu w teflonie, zastosowałem drut nawojowy w potrójnej izolacji aby uniknąć zwarcia podczas przewlekania w ciasnym oplocie wtórnego uzwojenia. Swr po zmianie rezystorów terminujących stał się idealny w zakresie 1,8-30 a dla 50tki lekko zmienione dopasowanie wejścia i w końcu w całym zakresie, dopasowanie bliskie ideałowi. Wadą jest konieczność doprowadzenia większego napięcia ( mocy ) do wejścia która i tak w większości, wydzieli się na cieplnie na rezystorach. Zostawiony tłumik wejściowy (1,6-1,7dB) który poprawia dopasowanie i umożliwia działanie pierwszych zabezpieczeń musi znieść większą moc strat. Zrównolegliłem rezystory, aby dały radę oddać ciepło na płytce, która będzie na gorącym radiatorze. Do rezystorów bramkowych dodałem kondensatory 2,2 nf. Muszą być SMD c0g ( cokolwiek z nóżkami dawało rezonans np dla 30-40 MHz) Nastąpiła olbrzymia poprawa charakterystyki, do takiego stopnia że w całym zakresie mam 0,2db różnicy w paśmie przenoszenia. Większa pojemność obciążenia przy tak niskiej rezystancji terminowania, nie spowodowała kłopotów z dopasowaniem dla 50Ω. Zmieniłem tylko pojemność za trakiem z 330na 100pf aby końcowa górka pasma, znalazła się w okolicy 52 MHza. Cała ta zabawa powinna dać satysfakcje podczas dalszych prac z końcówką mocy.

Pomiary od wejścia z napięciem mostka na płytce z BPFem
Tłumik mocy 6 dB 100 wat
Przełożenie 16:1 4zw/1zw
moc z TRXA 25 wat, przy 50 watach napięcie na bramce 2,4-2,7 V v640- 7vpp
tłumik na pcb 4,7/470+470/4,7 Ω+68pf równolegle do 235Ω
zamiast bramek kondensatory 1,5nf do masy podstawy miedzi
Rezystory do bramek 4x4,7Ω+2,2nf na końcu
Pomiary napięć w.cz. na skraju płytki na kondensatorze 1,5nf (bramce) - sonda wcz V640 masa na środku ld-mos
Wejście cewka 4 zwoi fi 8 , L8mm + 0pf przy trafie 0p na wej
Napięcia DC po mostku wejściowym SWR

Częstotliwość MHz moc w k3 25 wat	NapDC pwr V	NapDC swr mV	Nap sk. na bramce
1,9 swr 1,0-1,1	2,2	30-100	1,85
3,7 swr1,0-1,1	2,2	30-100	1,85
5 swr1,0	2,2	30	1,85
7,1 swr1,0	2,2	20	1,85
10 swr 1,0	2,2	16	1,9
14,2 swr 1,1	2,2	10	1,85
18swr 1,0	2,2	10	1,8
21,2 swr 1,0	2,2	16	1,75
24 swr 1,0	2,2	10	1,7
28,4 swr 1,0	2,2	10	1,7
52 swr 1,0	2,3v	50	1,75

Kolejna płytka to wyjście końcówki mocy czyli dopasowanie oporności drenów do impedancji 50Ω.

W układzie pusch-pull obydwa tranzystory działają naprzemiennie i symetrycznie, odwzorowując dostarczony na wejście sygnał. Transformator musi być mechanicznie poprawnie wykonany. W tym wypadku jest to zestaw transformatorów które mają za zadanie trzykrotne podniesienie dostarczonego sygnału z tranzystorów mocy, jego de symetryzację w celu wpuszczenia go w przewód niesymetryczny (koncentryczny) RG142. Dodatkowo na płytce znajduje się bifilarny dławik zasilania, oraz szeregowy dławik zasilania aby jak najmniej w.cz. przedostawało się po kablach do zasilacza i wewnątrz obudowy. Umieszczę szczegółowy opis wykonania każdego uzwojenia transformatora. Tylko dzięki niemu uda się przekazać większość mocy w całym potrzebnym zakresie częstotliwości pracy. Więcej zdjęć po otrzymaniu i wykonaniu docelowej płytki.

Próbna płytka

Finalna wersja