Jednoduchý návrh PA pro pásmo 70 cm - myšlenkové postupy kolem naladění

Všeobecně

Výsledky myšlenkových postupů, které se týkaly přizpůsobovacích vedení na vstupu a na výstupu u jednoduchého výkonového zesilovače pro pásmo 70 cm jsem již dříve popsal v druhé části článku s praktickým návrhem. V první části jsem navíc popsal několik úvah, které se týkaly návrhu tvaru vstupního a výstupního obvodu. V tomto článku rekapituluji metodu návrhu, která je jednoduchá, tj. pro amatérské podmínky dostupná bez nutnosti práce se složitějším SW designérem. Vystačíme si pouze se SW Smithův diagram, s trpělivostí a s určitým citem pro odhad, který si však raději korigujeme samostatným výpočtem.

Přizpůsobovací vedení

Jako přizpůsobovací vedení na vstupu a na výstupu jsou použita zkrácená vedení. Zkrácení je provedeno kapacitami u vstupní a výstupní části každého vedení. Cílem je najít hodnoty kapacit a jejich polohy vůči stejně dlouhému vedení tak, abychom použitý polovodič přizpůsobili k nominální impedanci Z= 50 ohmů. Schéma vypadá takto. Polohy kondenzátorů jsou označené šipkami.

Kvalifikovaný odhad vstupní impedance polovodiče

U popsaných konstrukcí jsem vstupní impedanci LD MOSu odhadl na hodnotu Z = 2 - j3. Samozřejmě, že za tuto hodnotu nemohu dát ruku do ohně, zejména ne proto, že polovodič je určen pro pásmo 900 MHz, navíc má zřejmě určité pre-match prvky na čipu, o kterých nic nevím. Jak jsem tedy uvažoval? V žádném případě se mi na vývoj nechtělo obětovat mnoho destiček, polovodičů a drahých ATC kondenzátorů.

Takže jsem postupoval takto. Ukážu u vstupního obvodu. U výstupního obvodu jsou úvahy stejné.

1. Odhadl jsem vstupní impedanci polovodiče na kmitočtu 432 MHz na Z = 2 - j3 a navrhl ve Smith. diagramu hodnoty vedení a kondenzátorů:

Z = 2 - j 3

Vidíme, že jsme vstupním obvodem přizpůsobili polovodič nominální impedanci 50 Ohmů za následujících podmínek:

1. polovodič je připájen na širokou plošku, kterou reprezentuje vedení o impedanci cca 15 ohmů, dlouhé maximálně 10 mm (fyzická délka na kuprextitu FR4, s permitivitou 4.7, tl. 1.5 mm). Následuje cca 6 mm dlouhé vedení (Z=50 ohmů), kapacita proti zemí (C = 40 pF), totéž vedení, úsek dlouhý 12 mm, kapacita proti zemi (C = 12.7 pF), kapacita 100 pF. Na konci vedení je vstupní impedance Z = 50 ohmů.

Co když není vstupní impedance taková, jak jsme ji odhadli? Může se stát. Uděláme další odhad a řekneme si, že reálná složka impedance může být klidně poloviční nebo také trojnásobná. A jalová složka může mít 2 x větší hodnotu, než byla ta odhadnutá. Provedeme řešení pro oba krajní případy

Z= 1 - j6 (dole)
Z = 3 - j6 (dole)

Co ze schémat a diagramů zjistíme?

V prvním případě jsme museli polohu kondenzátorů na vedení změnit posunutím o cca 2 mm, ze 6 mm na 8 mm (fyzická délka - viz schémata vedle Smithových diagramů). Změnila se i hodnota kondenzátorů ze 40 pF na 58 pF. Dále zjistíme, že druhé vedení je kratší přibližně o 2 mm. Celková délka tedy zůstala zachována a i pro hodnotu impedance Z = 1 - j6 jsme zesilovač dokonale přizpůsobili.

Ve druhém případě jsme museli polohu kondenzátorů rovněž změnit. Dokonce o celé 4 mm, posunutím ze 6 mm na 10 mm. Hodnota kondenzátorů se změnila na 22 pF. Druhý úsek vedení je ještě víc zkrácen. Celková délka však zůstává zachována tak, jako v předchozím případě.

V obou případech jsme byli schopni změnou kondenzátorů od 22 pF do 60 pF, změnou jejich polohy kolem 4 mm podél vedení a změnou hodnoty vstupních kondenzátorů od cca 10 pF do 18 pF dokonale přizpůsobit i takto hrubě odhadnuté vstupní impedance. Aniž bychom měnili délku vedení nebo jeho charakteristickou impedanci. Tedy aniž bychom zahodili desku a vyráběli a osazovali ji znovu. A to považuji za solidní výsledek. Vyplatí se pohrát si ve Smith. diagramu s charakteristickou impedancí přizpůsobovacího vedení i s kapacitami na koncích vedení a zjistit si, jaké impedance jsme s běžnými hodnotami kapacit a použitým vedením přizpůsobit.

A co vodiče ke konektorům ?

Použil jsem panelové konektory. Levné, sice nové, jako všechny součástky na prototypu (to byl úmysl, nemít nikde inkurantní komponentu), ale velice pochybné. Tady jsem znejistěl. Co když nebudou mít přesnou nominální impedanci? Pro klidnější spaní jsem se pokusil alespoň o jednoduchý odhad. Uvažoval jsem,

že přívod ke konektoru bude z drátu dlouhého do 12 mm a budu ho řešit jako vedení o mnohem vyšší impedanci, než má mikropásek, např. Z = 150 Ohmů: Indukčnost délky vodiče ke konektoru se nám zadaří vykompenzovat kondenzátorem o kapacitě 14 pF (v kroužku na schématu). Porovnejte si, že ostatní součástky obvodu mají původní hodnotu.
V této věci uvedu ještě řešení drátu k výstupnímu konektoru. Tam jsem původně uvažoval o typu SMA (female), ale na poslední chvíli jsem si řešení rozmyslel a zvolil typ N. Jenže ten musí být kvůli maximální výšce kuprextitové krabičky (h = 30mm) nad deskou. Takže zase drát:
	Ve výstupním obvodě je třeba změnit kapacitu 56 pF na 54 pF (v kroužku) a kapacitu 10.8 pF na 12.9 pF. Průběhy impedancí opět vidíte ve Smith. diagramu vlevo, stejně, jako předpoklad, že i tento panelový konektor s drátem o délce 12 mm byste měli pomocí již použitých prvků naladit.

Závěr

Jednodušší metoda řešení přizpůsobovacích obvodů na vstupu a na výstupu zesilovače typu LD MOS neexistuje. Tedy pokud neuvažujeme s řešením pomocí specializovaných CAD designérů. Totéž, co jsem prováděl se vstupním obvodem, musíme samozřejmě udělat také s výstupním vedením.