Poslední aktualizace březen 2021

      
 

   Doma realizovaný, na kuprextitu FR4 konstruovaný a dostupnými prostředky navržený PA pro 2400 MHz
 
 Úvod

Provoz SSB via satelit QO-100 NB lze ralizovat malými výkony a používat levně koupené PA s výkonem 1W (viz zde). Pokud uvažujeme použití malých antén, např. parabolu o průměru 40 cm se zářičem s lineární polarizací, hodí se nám výkon PA v rozmezí např. 5 až 20 Wattů. Opět máme více možností. Například si můžeme zakoupit vynikající PA od bulharské  firmy SG Laboratory. Zesilovač je nádherně navržený, hezky mechanicky zpracovaný a cenově dostupný. Aktivní polovodič na konci PA je v plastu pouzdřený širokopásmový LDMOS Ampleon. Rovněž se můžeme pokusit v domácích podmínkách navrhnout a vyrobit funkční PA. Není to úplně triviální, nemá to žádné ekonomické opodstatnění, ale jde to. Pokud chceme, pak se při návrhu a realizaci můžeme naučit mnoha zajímavým dovednostem.

 Zásady

Pokud si polovodičový PA pro GHz kmitočty navrhujeme prvně a nemáme za zadkem výrobce PCB desek, který disponuje prostředky pro návrh mikropásků s řízenou impedancí, k tomu odpovídající technologií výroby a s možností prokovovat díry v PCB, budeme muset improvizovat.
 
Volba polovodiče

Jde-li o první konstrukci, doporučuji LDMOS s menším ziskem (např. 10 dB), s elektrodou Source vyvedenou na destičku s otvory pro šrouby a s větší výkonovou ztrátou. Já jsem se učil dělat PA s polovodičem Motorola MRF286. Je to výborný a odolný polovodič. Pouzdro je na obrázku vpravo.

Pokud jsme se již něco naučili a získali zručnost v pájení pouzder polovodičů bez příruby se šrouby, můžeme použít např. polovodiče v pouzdru Ampleon, které nestačí pájet za plošky č. 3. 

 
Informace o vhodných polovodičích Apleon najdete na přehledných stránkách Internetu. Základní katalogové listy a dokumenty s pokyny, jak se s polovodičem dělá, jsem dal ke stažení zde.

Čemu se vyhnout, pokud jsem začátečník?

Vícestupňovým polovodičům s vysokým ziskem. Návrh zesilovače je komplikovanější. Např. dvoustupňový zesilovač se mi nepodařilo oživit v prvním pokusu, aniž by nekmital, pokud nebyl v hliníkovém uzavřeném boxu.
 
PCB a materiál substrátu

PA pro pásmo 2.4 GHz lze vyrobit i na substrátu FR4, pokud dodržíme několik zásad:

a) Pečlivě si vyzkoušíme návrh mikropáskových obvodů a výsledek si ověříme na vektorovém analyzátoru (např. nano VNA s rozsahem do 3 GHz).

b) Opatříme si datasheet polovodiče s uvedenými hodnotami impedancí Zin a Zout a použijeme je při návrhu transformačních vedení ve Smithově diagramu. Tomu budu věnovat samostatný článek.

c) Naučíme se dělat přiměřeně přesné plošné spoje na tenkém materiálu FR4. Např. tl. 0.8 mm je dobrá. Já si plošné spoje pro prototypy nechávám zhotovit za přiměřenou cenu u firmy z Pardubic: https://www.plosnaky.cz, protože umí dělat s formátem mého kreslicího programu na návrh PCB, nemusím dělat export do Gerber souborů,  vyrobí mi měděný spoj bez nepájivé masky. Používají přímý inkoustový tisk (Agfa) na měď.

d) Na obrázku vpravo je příklad desky prvního prototypu, jsou tam vidět měděné plošky na snížení impedance vedení, která např. u druhého prototypu nepoužívám - viz foto dole.

 
e) Deska je navržena tak, aby šla připojit pomocí tzv. pigtailů (s SMA konektory), aby byla pevně přišroubovaná na chladiči a aby zemnicí plochy byly pomocí šroubů "dobře prokovené", tj. propojené s Al chladičem. Spodní vrstva mědi leží přímo na rovné ploše chaldiče těsně.

f) Obvody pro bias (zdroj pro nastavení klidového proudu) raději navrhujeme u prototypů mimo desku PA. Já používám dva osvědčené obvody pro nastavení klidového proudu, jeden z nich jsem popsal např. zde. Obvodům bias se budu v dalším článku znovu věnovat.

   
Osazení desky

Pro základní zkoušku na nízkých úrovních signálu osadíme desku:

a) s SMD čipy, které jsou schopné blokovat vysoké kmitočty, tj. paralelně více SMD a nejmenší hodnoty v baterii jsou např. 5j6, 22 pF apod.

b) pro blokování napájecího napětí použijeme elektrolytický SMD kondenzátor s nízkou impedancí a na vyšší napětí. Např. pro napájení 28 V dávám kondenzátory na 63 V, protože provedení na 35 V se mi těžce hřálo a to nemám rád.

c) Substrát FR4 nemá už na kmitočtu 2.4 GHz zanedbatelné ztráty. Proto se snažíme navrhnout vstupní a výstupní obvody tak, abychom je byli schopni naladit a aby byly po naladění dobře přizpůsobené. Proto pro měření na nízkých signálech sesku osadíme levnými MLCC čipy, které až po experimentálním zjištění správné hodnoty nahradíme drahými porcelánovými čipy ATC100B.

 

 
Na fotografiích nahoře je prototyp PA, který momentálně používám k provozu SSB na QO100NB s výkonem do 10 Wattů. S použitým zdrojem je schopen dodat přes 20 Wattů výkonu při buzení z WiFi busteru WiFi  EDUP typ EP-AB003 nebo asi 10 - 12 Wattů při buzení ze zesilovač SZA2044Z. Zesilovač SZA2044Z však musí být v hliníkovém boxu.
S polovodičem MRF286 je zesilovač schopen vyrobit a odevzdat výkon větší než 50 Wattů.

Inspiraci jsem před mnoha roky nalezl na stránkách: LES PDF de F5DQK (free.fr) a navrhl a vyrobil jsem si vlastní desku. Konstrukci dle původního návrhu jsem nezkoušel, ale předpokládám, že jde o opakovaně ověřenou vděčnou konstrukci zesilovače středního výkonu.

Jde o úvodní článek, na který budou navazovat související témata, která se budou věnovat návrhu vstupního a výstupního obvodu zesilovače, nastavení (naladění) PA a měření základních parametrů PA. Dalším souvisejícím tématem je konstrukce obdobného PA s cenově dostupným LDMOS Ampleon, který má větší zisk (asi 16 dB) a konstrukce dvoustupňových zesilovačů s polovodiči MW7IC2725NR1 a MW7IC2750 od NXP. Ale, až budu mít trochu času ...

Související témata

1. Naladění vstupního obvodu popsaného zesilovače.   
2. Design a naladění výstupního obvodu PA 
3. Emulace vstupní/výstupní impedance polovodiče pomocí R a C 
4. Výstupní obvod s ploškami Cu pro doladění impedance/délky transformačního vedení a kapacity transformačního obvodu.

   TU 73, Mira, ok1ufc