Jednoduchý PA malého výkonu pro pásmo 70 cm, část první - návrh

Vývoj jednoduchého PA pro pásmo 70 cm stojí rovněž za pár slov na tomto webu. Snad zajímavé jsou moje důvody:

Určitě lze v pásmu 70 cm realizovat QRP JT-65 spojení EME s výkony, které poskytují standardní transceivery (IC 910H, Kenwood TS-2000), tedy s výkony mezi 50 až 100 Watty. Těmito výkony však nedisponují maličké transceivery (IC 706 MK2G, FT-897, apod.), které jsou rovněž rozšířené. Proto jsem se rozhodl co nejjednodušším a časově nenáročným způsobem vyřešit jednoduchý PA, který by dodal 100 - 150 Wattů výkonu v jednoduchém provedení, případně 200 až 300 Wattů výkonu při sdružení několika jednotek. Pro informaci o výkonové rozvaze odkazuji na důležitý dokument seriózního návrhu malé EME stanice v pásmu 432 MHz zde.

Druhým důvodem je ukázat způsob, jak takové zařízení řešit s minimálními teoretickými znalostmi, s běžným programovým vybavením, které lze stáhnout z Internetu a s relativně levným a dostupným materiálem.

Téma jsem rozdělil do tří článků. V prvním článku jsou uvedené myšlenkové pochody při návrhu, jednoduché výpočty pomocí základních programů, které jsou zdarma a upozornění na použitý materiál a katalogové listy. Ve druhém článku jsem uvedl jednodušší alternativní řešení. Přepočítal jsem celý návrh, navrhl více zkrácená vstupní a výstupní vedení s jinými hodnotami impedancí. Ve třetí části jsou fotografie, naměřené hodnoty a výsledek ze zkoušky na stanici.

Volba polovodiče

Pokud to myslíte s EME provozem v pásmu 432 MHz velice vážně, investujte do napájecího zdroje s napětím 50 V a do moderních polovodičů typu MRFE6VP5600HR6. S dvojicí polovodičů LD MOS s téměř shodnými parametry lze zkonstruovat vysoce účinný lineár, který vám odevzdá 500 až 600 Wattů výkonu. Po sdružení dvou jednotek obdržíte 1 kWatt, který se při provozu EME hodí. Inspirací vám budiž skvělé články a návody autorů F5FLN nebo W6PQL. Polovodiče MRFE6VP5600 jsem viděl na Internetu za cca 2 až 3 tis. Kč.

Pokud se chcete věnovat problematice návrhu sdružovaných zesilovačů precizněji, prostudujte si informace o tzv. Doherty Power Amplifier Design. Pro začátek doporučuji stáhnout a číst např. toto.

Pokud není vaším cílem konstrukce big gun, ale chcete se drát do éteru s maličkou stanicí, jako já, pokud míříte k těm snadno a levně dosažitelným 150 až 300 Wattům, nabízí se levné a jednoduché řešení PA. Já jsem pro pásmo 70 cm vyzkoušel polovodiče, které jsou určené pro N-CDMA, GSM, GSM EDGE základnové stanice, tedy pro pásmo 900 MHz. I když se jedná o tzv. polovodiče "internaly matched", byla s nimi práce v pásmu 70 cm snadná. Cena takového polovodiče se na Internetu (ebay) pohybuje v rozmezí od 300 do 400 Kč. Jedná se o polovodiče typu MRF9135, MRFE6S9160 apod.

Další kritické součásti

Stavba malého lineáru v pásmu 70 cm se neobejde bez kvalitních vícevrstvových keramických nebo porcelánových kondenzátorů, které jsou určené pro tento účel. Vyznačují se vysokou jakostí Q a vysokou elektrickou pevností. Takové kondenzátory vyrábí více výrobců. Jedná se o nákladné součástky, takže jsem investoval pouze do několika potřebných hodnot. Nemá smysl u tohoto tématu ztrácet s kondenzátory víc času, ale pro informaci a úplnnost uvedu alespoň základní dokuemnty ke 3 často rozšířeným typovým řadám kondenzátorů (ATC-100B, ATC-600S a ATC-700B).

Konstrukce na kuprextitové destičce

V pásmu 432 MHz jsem ještě obstál s běžným a levným materiálem FR4. Pokud si navrhujeme vstupní a výstupní obvod sami, měli bychom být vybaveni nějakým SW pro návrh mikropáskových obvodů. Jednoduchý a hezky napsaný program je např.: http://www.fritz.dellsperger.net/downloads.html

Pro kuprextit FR4 jsem si zkusil vypočítat potřebné šířky mikropáskového vedení. Např. pro šířku pásku 2.5 mm je Z = 48 Ohmů:

pro šířku 10mm je Z = 20 Ohmů:

a podobně zjistíme, že pro šířku 3 mm je  Z = 43 Ohmů, pro 5 mm je Z = 32 Ohmů, atd. Také zjistíme, že pomocí uvažovaného typu mikropásku vyrobíme impedance do cca Z = 15 Ohmů a menší hodnoty se nám nezadaří realizovat.

Přizpůsobení na vstupu a výstupu

Nevýhodou levných polovodičů pro N-CDMA, GSM v pásmu 900 MHz je, že pravděpodobně neseženeme pro návrh potřebné hodnoty vstupních a výstupních impedancí. Budeme se muset smířit s jejich kvalifikovaným odhadem, který musíme ověřit experimentem. Postup a myšlenkové úvahy ukážu detailně na přizpůsobení výstupního obvodu. U vstupního obvodu uvedu jen hodnoty a Smithův diagram.

Přizpůsobení výstupu LD MOS k impedanci napáječe pomocí čtvrtvlnného vedení. Odhadneme-li výstupní impedanci na hodnotu Z0 = 1.6 + j2 (malá hodnota rezistance R s indukčností v sérii), vyjde nám pro potřebné přizpůsobení požadovaná vlnová impedance přizpůsobovacího vedení Z = 8.7 Ohmu. Takovou hodnotu na mikropásku pravděpodobně nezrealizujeme a i kdybychom zrealizovali, nenaladíme ji přesně, protože bychom museli brousit při nastavování mikropáskové vedení po celé délce.

Čtvrtvlnné vedení s vlnovou impedancí kolem 20 Ohmů Takové vedení nám transformuje odhadnutou výstupní impedanci na hodnotu kolem 250 Ohmů. Takovou hodnotu bychom sice mohli transformovat transformačním balunem 4:1 na hodnotu poblíž nominální impedance napáječe, ale i takové řešení je nepraktické.

Řešení přizpůsobení s vedením o vlnové impedanci kolem 20 Ohmů

Aby došlo ke správné transformaci impedancí, použijeme vedení, které zkracujeme pomocí kapacitních čipů ATC. Princip ladění je zřejmý z předchozího schématu. Jeden, maximálně dva kondenzátory na každém vedení vhodně posouváme po vedení, až nalezneme správné přizpůsobení. Podmínkou je, že mikropáskové vedení má vhodnou charakteristickou impedanci i vhodnou délku. Vhodnou impedanci vedení stanovujeme ve Smithově diagramu. U délky zvažujeme možnost zkrácení další malou kapacitou.

Přizpůsobení výstupního obvodu může být provedeno např. s těmito hodnotami: Pozn.: 1. Indukčnost ve výst. obvodu představuje napájecí indukčnost v obvodu drainu. 2. Bylo použito mikropáskové vedení s jedinou hodnotou vlnové impedance po celé délce.
Alternativní způsob přizpůsobení

V obou předchozích úvahách si všimněte, že jsem použil:
- stejnou hodnotu vlnové impedance vedení
- rozdílné délky úseků
- rozdílné hodnoty kondenzátorů ATC
- krátkého pahýlu ve výstupním vedení; výstupní koaxiál se připojuje na odbočku takového vedení; tuto metodu jsem však opustil
- ve schématech je uvedena tzv. nezkrácená délka vedení; pokud se však podíváme na obrazovky s výpočtem mikropáskových vedení, zjistíme, že délka vlny na takovém vedení pro kmitočet 432 MHz je jen 320 mm, nikoliv 694 mm, jako ve vakuu. Na to nesmíme zapomenout při realizaci desky.

Přizpůsobení vstupního obvodu Vstupní impedance byla odhadnuta na Z = 2 - j3 (kapacita v sérii se vstupní rezistancí).
Návrh přizpůsobení před výrobou PCB
Vstupní obvod:	Výstupní obvod:
Schémata:

Schéma zapojení

Pozn.: V obvodu CL in nebyl použit trimr ve finální verzi.

Tvar desky (oboustranný FR4 tl. 1.6 mm, strana součástí):

Osazení součástkami

Konstrukční poznámky

1. PA je v plechové ohrádce, která je po celém obvodě. Toto vřele doporučuji, protože deska nemá prokovené díry v hustém rastru mezi zemnicími plochami.
2. Zemnicí plochy jsou mimo propájení po obvodě propojené také v místě dvojic děr drátovou propojkou tvaru U.
3. Blokovací kondenzátory jsou osazené s hodnotami 1n, 10n, 100n, velikost 1206 (nebo 0805). Elektrolyt je 100 - 1000 M /35 V (220M/35)
4. Kondenzátory ve vstupním a výstupním vedení jsou ATC - viz schéma.
5. Díra pro polovodič byla po vyvrtání rohu vyříznuta lupenkovou pilkou.
6. Zenerova dioda je 5V1, ztráta 1.4 W, trimr 1000 Ohmů PIHER.

Líbí se vám takové řešení? Mě vůbec. Na tak jednoduchý zesilovač bych spotřeboval kuprextit 100 x 160 mm, vedení, zdají se mi příliš dlouhá, celá řada věcí se mi zdá dost komplikovaná a pracná. Návrh odložíme do šuplíku. V druhé části zvolíme několik parametrů jinak a začneme znovu.

konec první části