Malý koncový stupeň na 1296MHz

15.12.2022

Před časem jsem na tomto webu narazil na konstrukci PA s tranzistorm MRFE6S9160. Tento design PA s uvedeným tranzistorem se mi líbil mnohem více než v Evrope oblíbená konstrukce podle DF9IC. Bohužel uvedená konstrukce používá na DPS obtížně sehnatelný materiál RO4350B. Později ale Ruští amatéři modifikovali tento design pro běžný materiál FR4 tloušťky 0,8 až 1mm. Toto řešení se mi velmi líbilo, ale v mezičase jsem postavil budič pro EME PA v designu DF9IC na běžném FR4 tloušťky 1,5mm. Tento budič fungoval, krátkodobě byl schopen dodávat až 100W výkonu. Ovšem jeho naladění bylo nejednoznačné a výstupní obvod se velmi silně zahříval. Potom co jsem zjistil že se mi ve výstupním obvodu přetavil cín kterým byly připájeny ATC kondenzátory a odlepil se mi výstupní pásek od kuprextitu doplnil jsem PA malým ventilátorem který chladil při TX výstupní obvod. Po těchto úpravách PA přežil řadu provozních hodin přímo u paraboly a navázal jsem jen s ním řadu EME QSO. Po tom co jsem postavil EME PA sloužil mi tento PA jako budič. Protože mám EME PA připojen do boudy koaxem typu "tkanička" s útlumem cca 10dB potřeboval jsem pro buzení cca 50 - 60W které tento PA dával v pohodě.

Po několika desítkách provozních hodin mi však v budiči z neznámého důvodu odešel tranzistor. Rozhodl jsem se zkusit postavit nový PA s designem podle Ruských amatérů. Měl jsem k dispozici kuprextit tloušťky 0,7mm (Měřeno přes polepy). Původně jsem se domníval že jde o materiál FR4. Bohužel po odleptání motivu se ukázalo, že barva kuprextitu je červenohnědá a ne žlutá jako u FR4. Ze změřené kapacity a velikosti desky jsem spočítal Er tohoto kuprextitu na přibližně 5,4. Tedy znatelně více než má běžná FR4. Předpokádám že jde o starý kuprextit z Gumonu Bratislava který se tam vyráběl před nějakými 30ti lety :-). Z tohoto materiálu jsem dříve stavěl koncové stupně pro 144MHz a fungoval tam při výkonech až 300W bez problému. Ovšem 23cm je něco úplně jiného. Měl jsem k dispozici jen fotografii ruského PA ale ne přesné rozměry vstupních a výstupních obvodů. Podle známých rozměrů tranzistoru jsem z fotografie vypočítal rozměry obvodů a zkusil jsem PA vyrobit. Hned první pokus byl překvapivě úspěšný. Vstupní obvod šel krásně doladit, ale výstupní obvod ladil mírně pod pásmem a to bez kondenzátorů ATC v tomto obvodu. Při přidávání techto kondenzátorů se kmitočet ještě snižoval. V tomto provedení jsem na 1296MHz měl zisk kolem 17dB a maximum zisku kolem 1200MHz. Pokusil jsem se odfrézování zkrátit vstupní a výstupní obvody, ovšem při této činnosti sem mi povedlo hloupě zničit tranzistor. Předtím ale bylo jasně vidět že zkrácení obvodů je správná cesta a maximum zisku se přibližovalo k 1296MHz. Tranzistor nešlo vyjmut bez poškození DPS a proto jsem celý PA musel udělat znovu. Toho jsem využil a zkrátil vstupní a výstupní obvody cca o 3mm. Výsledek se dostavil a druhá verze měla maximum zisku přesně na 1296MHz a minimum vstupních odrazů jsem dosáhnul -30dB.

Měření budiče:

Na obrázku vidíme změřenou charakteristiku hotového modulu koncového stupně. Levé minimum S11 odpovídá naladění vnitřní struktury tranzistoru který je určen pro kmitočty cca 900 až 1000MHz. Toto minimum musíme ignorovat a smířit se s ním. Na kmitočtu 1296 pak vidíme naladění PA na pracovní kmitočet. Zisk bylo možné dosáhnout kolem 20dB.

Fotografie modulu budiče:

Na obrázku je vidět konstrukce modulu PA. Vychází z designu Ruských amatérů. Tranzistor je připájen k měděné podložce která rozvádí teplo vzniklé v tranzistoru do větší plochy kterou pak teplo přechází do masivního al chladiče. Levou průchodkou je přivedeno přepětí Gate. Obvod předpětí Gate obsahující teplotní stabilizaci pracovního bodu je umístěn mimo modul PA. Pravou průchodkou je pak přivedeno napájecí napětí až 28V. Já používám napětí 26,5V protože to je maximum na co lze nastavit zdroj který používám. Za povšimnutí stojí plíšky které spojují levou a pravou část plechové ohrádky. Takto jsem to udělal proto aby šlo snadno vyměnit tranzistor. V případě jeho destrukce odpájíme tyto plíšky a odstraníme 4 šrouby které upevňují obě DPS k měděné podložce. Pak stačí ohřát gate nebo drain a vytáhnout odpovídající díl zpod křídla tranzistoru. Zůstane nám tak holý tranzistor na měděné podložce který snadno vyměníme a dvě nepoškozené poloviny obvodů PA.

Bohužel po připojení TCVRu a vybuzení PA přibližně na 60W mě přešla legrace protože se z PA po několika desítkách sekund začalo kouřit. Termokamerou jsem našel místo ohřevu v bodě připojení výstupního kondenzátoru. Během 20ti sekund se motiv plošného spoje ohřál na teplotu přes 170°C a pak jsem to radši vypnul. Bylo jasné že tudy cesta nevede a bude nutné použít jiný materiál než Gumon. Bohužel doporučovanou FR4 tloušťky 0,8 až 1mm jsem neměl k dispozici. Měl jsem ale ve starých zásobách kousek Duroidu 5870 tloušťky asi 0,4mm. Zkusil jsem tedy vyrobit výstupní obvod PA z tohoto materiálu. Vstupní obvod nebylo nutné měnit a nechal jsem ho tedy na Gumonu. Předpokládám že použití materiálu FR4 tloušťky 0,7 až 1mm je taky možné ale nemám to vyzkoušené.

Po zapnutí nové verze PA se mi velmi rychle podařilo nastavit PA a bylo jasně vidět že parametry jsou lepší než v předchozí verzi. To se ostatně dalo očekávat. Změnily se i potřebné kapacity kondenzátorů ve vstupním i výstupním obvodu. Výstupní obvod teď ladí zřetelně ostřeji než u původní verze a je potřeba si pohrát s hodnotami kondenzátorů abychom dosáhli optimálních parametrů. Doporučuji nejprve při měření použít běžné kondenzátory a na místě C7 použít trimr cca 10pF. I ATC kondenzátory lze totiž zničit opakovaným pájením a odpájením z DPS. Teprve po naladění PA na optimum pak vyměníme kondenzátory za kvalitní ATC 100B. Já jsem na místě C7 místo potřebného kondenzátoru 6p8 který jsem v provedení ATC neměl k dispozici použil 2x 3,3pF paralelně a k nim ještě malý praporek z měděného plíšku. Jeho přihýbáním lze výstupní obvod doladit na optimum.

Měření budiče s duroidem:

Měření budiče s duroidem:

Na obrázcích vidíme charakteristiky PA s duroidem ve výstupním obvodu. Parametry PA jsou zjevně o trochu lepší a tak jsem doufal že tentokrát bude PA použitelný.

osazení DPS budiče:

Klišé pro výrobu DPS fotocestou. Klišé vytiskněte z PDF prohlížeče s nastavením velikosti 1:1. Jinak nebudou rozměry správné. Naprostá většina prohlížeču si velikost dokumentu upravuje a pokud nenastavíte velikost 1:1 bude klišé špatně.

Na obrázku je vidět osazovací plán DPS budiče. Vstupní polovina DPS je vyrobena z kuprextitu tloušťky 0,7mm z materiálu který neumím přesně určit ale předpokládám že jde o červený Gumon Bratislava. Pro výstupní polovinu PA jsem použil materiál Duroid 5870 tloušťky 0,4mm. Domnívám se, že by pro obě poloviny DPS měl být použitelný i Materiál FR4 tloušťky 0,7 až 1mm ale vyzkoušené to nemám.

Schéma modulu PA jsem ani nemaloval protože je tak primitivní že to nemá cenu. Vše je jasně vidět z obrázku DPS do kterého jsou dopsány i hodnoty součástek. Kondenzátor C2 u kterého hodnota není uvedena jsem neosazoval. Na desce chybí namalovaná cívka napájení Drainu. Překrývala by součástky které jsou pod ní a tak jsem ji nemaloval. Její umístění je jasně vidět z fotografie. Tato cívka má 2 závity drátem o průměru 1mm a je navinutá na trnu o průměru 10mm. Provedení civky ale není kritické. Civka L2 má stejné provedení, jen je navinutá na trnu 8mm, aby se vešla do prostoru který je jí vyhrazen. Prokovy které jsou na desce jsem vyrobil z měděných nýtků o vnějším průměru 1,4mm určených pro prokovování DPS pomocí lisovacího nástroje. Tyto nýtky lze v různých průměrech zakoupit u Conrada. Paralelně k dvojici kondenzátorů C7 mám ještě malý praporek z měděného plechu kterým jsem výstupní obvod doladil na maximum zisku.

Případné experimentátory upozorňuji že hodnoty kondenzátorů které jsem použil lze brát spíše jako ideové, v žádném případě nejde o dogma. S vysokou pravděpodobností budete muset experimentovat a najít vhodné hodnoty pro Vámi použitý materiál. K nastavení PA je využití VNA v podstatě nutností. Bez něj by nastavení PA bylo velmi obtížné ne-li nemožné. Naštěstí se v poslední době na Aliexpresu s nabídkou vhodných VNA s velmi přijatelnou cenou doslova roztrhl pytel. Lze použít levné NanoVNA, nebo o něco dražší LiteVNA. Já jsem stihl před skokovým zdražením koupit velmi dobrý přístroj LibreVNA který měří všechny 4 S parametry najednou což je při mnoha měřeních neocenitelné. Jen ještě jedno upozornění. Pokud VNA budete kupovat neberte klony ale kupte original. Bohužel už i Čiňané si mezi sebou začali dělat naschvály a přesto že konstrukce NanoVNA byla označena jako volně šiřitelná po čase zablokovali v ovládacím SW funkčnost klonů. Tím jsem skoncil s mým NanoVNA které bylo bohužel klon a musel jsem se poohlédnout po novém VNA což vyústilo v koupi již uvedeného LibreVNA. Ovšem za dnešní cenu už bych si ho asi nedopřál :-(. Stále je ale široká nabídka velmi levných a přitom překvapivě dobrých přístrojů. Jsem přesvědčen, že v dílně žádného amatéra by takový přístroj neměl chybět. Stejně jako multimetr nebo osciloskop.

Po naladění PA pomocí VNA jsem připojit TCVR a PA vybudil. Žádní čmoudíci se tentokrát nekonaly a PA dával stabilně výkon lehce přes 60W při 26,5V a proudu 5A. Bohužel jsem doma neměl zdroj který by dal víc než 5A, takže jsem se ani nepokoušel budit PA na větší výkon. Neměl jsem k tomu ani důvod - větší výkon u budiče nepotřebuji. 60W při účinnosti lehce pod 50% nasvědčuje, že je vše v pořádku. Termokamerou jsem zjistil, že nejvíce se ohřívají paralelně spojené kondenzátory C7 které se po 90s zaklíčování ustálily na teplotě 70°C a teplota již dále nestoupala. Patrně by bylo možné ještě dál optimalizovat hodnoty kondenzátorů ve výstupním obvodu, ale mé omezené zásoby různých hodnot ATC kondenzátorů to nedovolily. Nicméně s výsledkem jsem spokojen a nemám potřebu pa "honit" na plný výkon - bude sloužit pouze jako budič EME PA. Pro jeho vybuzení potřebují výkon cca do 50W protože mezi budičem a PA je koaxiální kabel s útlumem přibližně 10dB. Aby se mi náhodným zavysíláním plným výkonem z TCVRU nepodařilo PA zničit vložím ještě mezi TCVR a budič útlumový článek 10dB.

Fotografie modulu budiče s Duroidem na výstupu:

Měření teploty budiče po 90s vybuzení na 60W:

Červený obdélník nad bílými oblastmi je tranzistor, nejteplejší oblast 70,8°C je C7 tvořený paralelními kondenzátory ATC 100B 3p3