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