Montáž je komplikovanější. Na Cu základně je elektroda Source od LDMOSu. Musí být elektricky vodivě spojená ze zemnicí plochou desky. To je problém. U mé konstrukce je takové spojení provedené pouze tlakem pouzdra na Cu trubky chladiče. Ploška slouží pro odvod tepla. Musí být spojená s dobrým chladičem. Běžně se to dělá tak, že se použije vhodná Cu základna mezi rozměrným Al chladičem a polovodičem. Lze použít Cu základnu z chladiče od CPU v PC, pokud se vám někde válí. Jinak musíte opracovat materiál tak, aby byl dokonale rovinný a s nízkou hrubostí povrchu.

Poznámka: O něco později jsem tento typ polovodiče pro PA 70 simple definitivně opustil. U prototypů 3 série jsem použil Macom (Motorola MRF275L). Pro finální verzi mě však lákají polovodiče Mitsubishi z řady pro napájení napětím 12.5 V - viz text v závěru článku.

Použil jsem chladič s tzv. heatpipe trubicemi. Ten můj měl dvě heatpipe trubice. Jsou zploštělé a zalisované do Al žebrovaného materiálu. Jedná se o levný typ chladiče v ceně stokorun (alza.cz). Vhodný typ chladiče je takový, který je schopen uchladit výkon kolem 150 - 200 Wattů. Příkon PA je při napětí 29 V a proudu 10 A 290 Wattů. Výkon odevzdaný do antény je asi 130 Wattů a příkon ze vstupu do 5 Wattů. To znamená, že někde na desce, převážně v aktivním prvku se ztratí přes 160 Wattů. Při JT65 se vysílá tak, že plný výkon PA se dodává po dobu 50 sekund a potom se 70 sekund přijímá. Teoreticky by mohl stačit chladič, který odvede a rozptýlí cca 70 Wattů. Potíž je jinde. Takový chladič neodvede teplo dost rychle a aktivní prvek se ke konci cyklu nepřiměřeně oteplí. Takže jsem nakonec sáhnul k typu, který odvádí trvale dvojnásobný tepelný výkon.

S chladičem je tedy spojena elektroda Source tím, že je přitisknuta na Cu trubky. Teplovodivá pasta byla použita. Na Cu trubky je také přitisknuta zemnicí fólie PCB desky.

Chladič je vybaven ventilátorem. Ventilátor umožňuje řízení otáček (pulsně šířková modulace PWM, není tady použito) a ventilátor je trvale připojen na napětí 13.8 V. Je tichý, takže to ničemu nevadí. Odběr byl něco přes 100 mA.

Poznámka: Výše popsaná deska PA byla vyrobena dříve, než jsem uvažoval o chladiči s ventilátorem. Proto není na desce pájecí ploška pro napájení ventilátoru.

Našel jsem fotku z rozpracovaného vzorku. Ve vstupním a výstupním obvodě jsou vidět plošky k zapájení ladicích čipů ATC (v kroužcích).

Ve vstupním obvodě nalevo nahoře je nad MW relé vidět SMD trimr Murata, C= 10 pF. Vlevo vedle něho je ATC čip s kapacitou 100 pF. Vlevo od díry na LDMOS je vidět napájecí tlumivka pro Bias, vinutá lakovaným drátem na průměr 3.2 mm. Pod dírou je trimr na regulaci Bias. Vpravo na výstupním vedení jsou osazené dva vazební čipy ATC 2 x 100 pF. Dole jsou konektory pro napájení, pro Bias, pro napětí 13.5 V a pro PA PTT signál. Zrovna tuto desku jsem sprasil. Zaměnil jsem výstupy + 12V pro RX a +12 V pro TX. Musel jsem tedy přerušit spoje skalpelem a správně propojit drátem. To jsou ty dva ošklivé vodiče mezi MOS v pozdrech DPAK a mezi optrony 817 SMD. Na osazovacím plánu desky je to opravené, na mém zesilovači také, ale pro změnu zase nemám fotku v tomto stupni rozpracovanosti a rozletovávat box PA se mi nechce.

Jde o první prototyp (první můj vyrobený modul PA70 simple) po oživení. Všimněte si detailů:
1. Ve vstup. obvodě jsou vlevo od polovodiče pouze dva kondenzátory ATC a kapacitní trimr pro přesnější ladění vstupního vedení.
2. Ve výstupním obvodě je několik kondenzátorů paralelně

POZOR - NIKDY NESPOUŠTĚJTE ZESILOVAČ:

A. Bez chlazení
B. Bez zatížení vstupů a výstupů jmenovitými impedancemi. Toto jsem opravdu nezkoušel, ale předpokládám, že zesilovač nebude být stabilní a jeho vlastní kmitání vám ho může zničit.

Na fotografii jsou vidět:

- výstupní konektor typ N pro připojení napáječe antény
- jeden ze vstupních konektorů (jsou tam dva, jeden pro LNA, druhý pro připojení TRXu)

- napájecí konektor, typ CANON (DB9) s paralelně zapojenými špičkami

- pomocný konektor (+13.5 V, PTT, výstup pro napájení LNA)

Na zesilovači se nastavuje klidový proud polovodičem.
Vřele doporučuji tento postup:
- před osazením polovodiče oživit obvody Bias, zkontrolovat, zda naměříme správné Zenerovo napětí a zkontrolovat, že lze potenciometrickým trimrem nastavovat spojitě napětí pro elektrodu G.
- po osazení polovodiče zakončit vstup a výstup umělou zátěží, připojit napájení k dvojitému laboratornímu zdroji; z jedné sekce napájet Bias napětím +13.5 V, na druhé sekci nastavit napětí 20V, omezit maximální proud na hodnotu kolem 500 až 600 mA a připojit na napájecí konektor
- trimrem Bias nastavit hodnotu cca 400 až 600 mA.

Nastavování vstupního a výstupního obvodu

Výstupní obvod nastavujeme pomocí dvou sad kondenzátorů na maximální výkon. Mezi výstupní konektor a umělou zátěž je zapojen wattmetr a reflektometr. Při buzení PA výkonem několika miliwattů nastavíme maximální výkon PA. Potom zvýšíme napětí na laboratorním zdroji na 28V a maximum doladíme. Při buzení výkonem kolem 20 mW (+13 dBm) bude PA odevzdávat cca 100 až 200 mW.

Po nastavení výstupního obvodu provedeme nastavení vstupu, opět pomocí dvou kapacit na začátku a na konci transformačního vedení. Nastavujeme na nejlepší koeficient odrazu (VSWR) na vstupu. Při buzení kolem 20 mW odevzdá PA po nastavení vstupu více než 400 mW (typicky 500 mW) výkonu do umělé zátěže.

Po této nastavovací proceduře můžeme doladit klidový proud na 700 - 800 mA a vyzkoušet zesílení a oteplení při vyšší úrovni buzení. Při buzení menším než  1.5 W dává zesilovač výkon kolem 35 Wattů. Při tomto výkonu doporučuji zkoušet oteplení chladiče. Máme-li jistotu, že chladič odvádí teplo dostatečně, můžeme vyzkoušet PA na maximálním výkonu (nebudeme bezdůvodně překračovat 120 až 140 W).

20.3.2017 Závěr a nebo co bych dělal dneska jinak?

1. Určitě bych volil jiný typ tranzistoru, než MRFE6S9160. Přestože jich mám zásobu, nechávám je na konstrukci PA 23 simple obdobné konstrukce. Jednu desku mám osazenou stařičkým MOS typem MRF275, který je určen pro kmitočet 500 MHz. Tranzistor má malý zisk, není náchylný na buzení, z pouzdra odvádí velmi dobře teplo do standardního hliníkového chladiče. Konstrukce i naladění bylo mnohem, mnohem jednodušší. MRF275 lze budit vyšším výkonem, který je v TCVRu k dispozici. Zesilovač s MRF275 je těžce pracující kůň, zesilovač s MRFE6S9160 je opravdu náchylná hračka.

2. Relé ARE10A12 jsem v další verzi nepájel těsně ke kraji desky (tj. k ohrádce/stínění modulu). Mikropásková vedení k relé na FR4 kuprextitu není třeba dělat na 70 cm extrémně krátká. S delšími to funguje také dobře.

3. Tranzistory hexfet pro spínání stejnosměrných proudů do předzesilovačů a relé jsem nahradil maličkým typem v SOT-23 pouzdře. Lze s ním spínat proudy do 3 A a tepelná ztráta je nepatrná, pokud použijeme typ s dynam. odporem R=0.065 Ohmu. Hexfet spíná napětí pro LNA a anténní relé. Jakýkoliv zkrat v obvodu napájení ho spolehlivě zničí. V zapojení slouží jako levná pojistka. Pouzdro SOT-23 se snadno odpájí pomocí Cu licny. To o pozdrech s většími ploškami nelze tvrdit.

4. Deska PA byla na prototypu v jedné variantě opět dělená, v druhé z jednoho kusu.
Hlavní důvod pro dělení je v případě, že chceme PA vyrobit na materiálu s lepším dielektrikem (Duroid, apod.). Konstrukci PA potřebuji také pro projekt EME 23 Simple, na který teď nemám čas, takže pokračování v zimě ...ns 23 cm si nedovolím použít na PA kuprextit FR4, ale Duroid 5880 je vhodný. Takže raději obrázky než slova - poslední návrh desky PA 70 simple:

a konkrétní provedení s polovodičem MRF275:

Zesilovač s MRF275L mě velice překvapil svým chováním. A tak, aby nebylo těch změn dost, vyrobil jsem desku s posledním uvedeným námětem bez stínící krabičky. Zesilovač je velmi stabilní. Při buzení cca 12 Watty odevzdá do zátěže kolem 100 Wattů výkonu při účinnosti lepší než 55%. Pracnost takového provedení je neskutečně menší, než u konstrukce v boxu.

Detaily konstrukce:

1. Nepoužil jsem na propojení obou stran desky s plošným spojem ani prokovené díry, ani tzv. U propojky, které jsem v této publikaci popsal, ale tenké měděné lanko. Otvory jsem jím doslova prošil v lajně z jedné strany desky na druhou. Viz foto pod textem. Postupoval jsem takto:
a) Do desky jsem vyvrtal otvory 0.8 mm a odstranil hrany.
b) Ze signálového 8 žilového kabelu jsem ustřihl asi 15 cm kousky lanka a odstranil PVC izolaci.
c) Na začátku jsem lanko pocínoval v délce asi 1 cm, aby se žíly spojily. Vznikla jakási jehla, kterou jsem prostrkával skrz desku a "šil" řadu otvorů. Lanko jsem protáhl prvním otvorem celé a připájel k zemnicí fólii desky, aby "neuteklo".
d) Prošil jsem otvory. Na konci řady otvorů jsem lanko opět připájel k desce.
e) Zapájel jsem lanko v lajnách na obou stranách desky. Tak vzniklo poměrně kvalitní propojení obou stran desky, které především nezvyšuje podstatně její tloušťku. Lanko je tenoučké a pájené spoje desky nijak nevadí AL chladiči. Tranzistor stačí přišroubovat k AL chladiči, s použitím teplovodivé vazelíny, která se používá u chladičů procesorů PC.
f) S takto "prokovenou" deskou byl zesilovač stabilní, byl schopen odevzdat výkon víc než 100W. 

Foto rozpracované desky, je vidět detail "prošití" Cu lankem:

2. Vstupní a výstupní konektory jsou typu SMA, nasazené ke kraji desky. Zapájení je vidět z fotografie. Tato varianta zesilovače byla zkoušena bez ohrádky z kuprextitu. Zesilovač byl naprosto stabilní.

3. Napájení a ovládání bylo realizováno pomocí konektorů Canon DB9, rovněž nasazených ke kraji desky, piny z obou stran desky. Toto zůstalo stejné, jako v původním návrhu.

Poslední postřehy:

1. Polovodič Macom (dříve Motorola) typu MRF275L mě zaujal více, než původně zvolené tranzistory pro pásmo 900 MHz. Jedná se o 100W RF MOSFET pro napájení napětím 28 V. Vyzkoušel jsem zapojení téměř podle datasheetu. Pouze s kapacitami ATC na vstupu a na výstupu. Na ladění jsem použil trimry Murata a kupodivu jsem byl překvapen přiměřenými ztrátami. Tranzistor je k podobnému použití přímo určen (100W/500MHz), zesilovač lze snadno nastavit a polovodič snadno chladit na hliníkovém chladiči. Můj chladič byl malý, musel jsem ho "posílit" chladičem s heatpipes a s ventilátorem.

2. Kupodivu funguje na 432 MHz také Macom (Motorola) typ MRF175L (100W/400MHz). Tento RF MOSFET je ve stejném pouzdře jako předchozí (CASE 333-04, style 2). Jde o dost velké pouzdro, určené k přišroubování na AL chladič. Tranzistor má už malý zisk. Možná by všechny zesilovače nefungovaly.

3. Láká mě varianta s polovodiči pro napětí 12.5 (přímé připojení autobaterie). Dostupné jsou polovodiče Mitsubishi, typ RD70HUP2. Jde o polovodiče použitelné pro pásmo 144 MHz i 432 (530) MHz. ID (Drain Current) je ovšem 20 A. Zesilovač by měl dát více než 70 Wattů. Mitsubishi má hezky vyvedené datasheety svých produktů. U zmíněného typu jsou podrobnosti k návrhu PA i informace o tzv. vývojovém kitu (evaluation board) na str. 12. Mitsubishi však připravuje rovněž novou řadu výkonových Power modulů (60W), za zváženou stojí rozhodnutí, jakou koncepci zvolit.

4. U další konstrukce desky už nepoužiji řešení BIAS se Zenerovou diodou. Jednak mi došly a řešení s monolitickým regulátorem 78L05 je také jednoduché. Pokud půjdu do řešení pro napájení 12.5 V, určitě použiji v obvodu BIAS termistor na pouzdře aktivního polovodiče a budu snižovat při vyšších teplotách klidový proud ID. Zde bych měl uvést skutečnost, že u popisovaných PA jsem uvažoval režim použití pro provoz JT-65, tj. cyklus, ve kterém se cca 50 sekund vysílá a následujících 70 sekund je BIAS odpojený (režim nulového klidového proudu). V případě, že by měl být PA používán v jiném režimu, zásadně budeme uvažovat o teplotní stabilizaci klidového proudu. Není neobvyklé, že se u aktivního prvku s teplotou zvýší hodnota klidového proudu ID z jednoho ampéru při teplotě t=25°C na hodnotu několika ampér při teplotě chladiče 80°C. Velice dobře vyřešený obvod teplotní stabilizace ID jsem viděl od ok1vpz (http://www.ok2kkw.com/00003016/23cmpa/ldmos_bias.htm). S takovým řešením udržíte klidový proud ID v přijatelné toleranci 10% i u chladičů s velice malou tepelnou kapacitou, jako jsem vyzkoušel u zde popsané konstrukce.

5. Existuje celá řada dalších koncepcí. Dokonce i na Internetu seženete velice levně stavebnici PA pro 70 cm s výkonem 100W a napájecím napětím 28V. Jde o tzv. DIY hračky (Do It yourself, "urob si sám"). Dokopal jsem se konečně k tomu, abych ji osadil, oživil a vyzkoušel. Více zde.

6. Návrh a konstrukce PA pro výkon 100 Wattů a pro pásmo 70 cm je docela piplačka. Možná to dokážete rychleji i efektivněji, než já. Viděli jste, že jsem se k jakémusi finále dostal až po několika experimentech, které si vyžádaly návrh nové desky a začít znovu ...

Tímto s projektem PA 70 simple definitivně (z technického hlediska) končím. Projekt PA 23 simple si sice připravuji, ale domnívám se, že nemá smysl publikovat obdobnou konstrukci. Proto ho zcela určitě nebudu ani fotografovat a ani popisovat. Jak jsem uvedl, chtěl jsem si vyzkoušet vidláckou konstrukci na doma dělaných deskách  PCB a několik, postupů.

73, Míra