Представляем вашему вниманию совместную разработку Павла US4ICI и Сергея US2IDR – PA 23cm 150 Watt.
Прототипом этой конструкции послужил РА 23cm DF9IC.
Длительное время наблюдал за результатами испытаний Wolf-Henning Rech PA разными авторами. Многие отмечали сильный нагрев конденсаторов в выходной согласующей цепи. Изучение datashet и результаты моделирования РА привели к конструкции, описанной в этой статье.
Транзистор MRFE6S9160 разработан для базовых GSM станций и обычно используется с выходной мощностью 35 Watt. Диапазон рабочих частот, указанный в документации, 865 — 960 MHz. Нет информации о возможности использовать этот транзистор в радиолюбительском диапазоне 23cm. MRFE6S9160 снят с производства и продается на рынке восстановленных компонентов.
Моделирование РА в программе MWO
Первый опыт моделирования РА на основе нелинейной модели транзистора потребовал немалых усилий. Проверены разные варианты согласующих цепей. Для печатной платы использовал материал RO4003C 0.508 mm, Arlon 25N 0.76 mm, а также FAF4 1mm. Все материалы подходят для такого РА. Остановился на ламинате RO4350 0.76 mm.
Для расширения полосы согласующих цепей и снижения нагрева конденсаторов на выходе использованы несколько ступеней трансформации сопротивления по входу и выходу. Проект PA-23cm-150W представлен на Рис. 1
РА оптимизирован по максимальной выходной мощности, КПД и КСВ по входу. Максимальная мощность достигается не при лучшем PAE. Компромисс был достигнут путем снижения Pout в пользу PAE.
В проекте получены следующие характеристики:
- Pout: 187 Watt
- PAE: 66%
- VSWR IN: 1.03 (1296 MHz)
- Gain: 16.7 dB при VDC = 28 V, Pin = 36 dBm
При настройке РА на макете номиналы некоторых конденсаторов согласующих цепей отличаются от проекта. В целом получено хорошее совпадение характеристик на практике.
Конструкция РА 23cm
Схема РА содержит:
- согласующие цепи транзистора по входу и выходу
- цепь стабилизации напряжения смещения с температурной компенсацией
- направленные ответвители прямой и обратной волны с детекторами
- цифровой датчик температуры транзистора
Цепь стабилизации смещения транзистора выполнена в соответствии с рекомендациями CA-330-11 компании Ampleon. Содержит элементы стабилизации тока транзистора по температуре и схему управления РТТ РА по смещению на затворе. Принципиальная схема PA-23cm-150W представлена на Рис. 3
Корпус PA выполнен из алюминиевой плиты Д16 фрезерованием на станке с ЧПУ. Для эффективного отвода тепла транзистор припаян к медной вставке. Разъемы N-типа «гнездо» обеспечивают подключение к антенне и трансиверу. Питание осуществляется через проходной конденсатор.
Конструктивно РА выполнен в виде блока для установки на радиатор. В отличии от паллеты (PCB на медной пластине) он является законченной конструкцией с RF разъемами. Используются разъемы flange mount with microstrip N-type female. Такой разъем в стенке корпуса образует коаксиальную линию 50 Ohm что обеспечивает хорошее согласование с микрополосковой линией платы. На НЧ 7-pin разъем выведены: PTT, «земля», выходы датчиков прямой и обратной волны, датчик температуры (2-х приводная схема подключения). Назначение выводов разъема PA-23cm-150W — Рис. 4.2
В дне корпуса (под PCB) расположены фрезерованные канавки для проводов от датчиков. Разметка для крепления корпуса на радиатор представлена на Рис. 5. В результате экспериментов нами была установлена достаточная площадь радиатора в 1500 см. кв, при условии продува ребер тремя вентиляторами в скоростью вращение 6500 оборотов в минуту. Тесты проводились для режима WSJT минутными циклами.
PCB усилителя выполнена на ламинате RO4350, 0.03 inches, 1 oz. Входная и выходная части платы раздельные. Размер платы 98х45 mm. PCB закреплены на дно корпуса винтами M2.5 Датчик температуры типа DS18B20 укреплен на медную вставку через термопасту. В выходной согласующей цепи используются конденсаторы типа ATC100B. Печатная плата PA-23cm-150W представлена на Рис. 6
Варианты использования блока РА зависят от предпочтений и возможностей радиолюбителя. Желательна установка РА ближе к антенне. Каждый радиолюбитель вкладывает разную конструкцию в понятия <антенного блока>, <моно блока РА>, <полностью готовой конструкции>.
Изложу свое понимание терминологии и наших конструкторских устремлений:
- <Моно блок РА> (150 или 300 Watt) – усилитель мощности в корпусе с RF разъемами и разъемом контроля и управления, транзистор на медной пластине, без радиатора. Содержит цепь РТТ, стабилизатор по напряжению смещения с компенсацией по температуре, датчики проходящей и отраженной мощности в антенну, датчик температуры, возможно управление вентилятором по температуре.
- Моно блок установлен на радиатор с вентилятором и схемой управления вентилятором. Функционально все как в п.1
- <Антенный блок> – конструктивно <моно блок>, содержит МШУ, РА, два RF реле (обхода РА и МШУ), задержку на включение РА от сигнала РТТ, остальные функции как в п.1 Выполнен на одной плате, SMD RF реле. Для реализации управления <антенным блоком>, контроля мощности в антенне, температуры медной пластины, защиты по КСВ и температуре, снятия блокировки защиты необходим блок управления и индикации в шеке.
- Готовый РА содержит п.2, возможно с реле обхода, и плату контроля и управления. Для установки такого РА под антенной понадобится тот же блок контроля и управления в шеке и линия передачи сигналов. Размышляем о передаче всех сигналов в обе стороны по линии с портом RS485 или Ethernet.
Испытания РА 150 Watt
Собрали и испытали РА на радиаторе размером 122х200х35 mm с обдувом тремя вентиляторами 40х40х20 mm. Транзисторы имеют разброс параметров, один РА раскачивался при меньшей мощности и на холодную выдал 210 Watt. Второй при раскачке примерно 5 Watt показал 190 Watt. При нагреве непрерывной несущей температура медной вставки достигла 60°C за 3 минуты (Рout = 150 Watt). При этом нагрева элементов платы и конденсаторов АТС100В выше этой температуры не обнаружил. Испытывали с закрытой крышкой <моно-блока>.
Начальный ток установлен 0.5 A. В диапазоне температур 25-60°C стабильность начального тока 20 mA (работает схема стабилизации начального тока транзистора по температуре).
Характеристики РА с учетом разброса экземпляров транзисторов, не хуже:
Pin < 6 Watt, Pout = 150 Watt (JT65, FM), Pout = 180 Watt (CW, SSB), IDC < 12 A, UDC = 28 V
Результаты измерений зависимости выходной мощности, Pout от входной мощности (раскачки), Pin представлены в таблицах ниже:
| Выходная мощность, Pout | Входная мощность, Pin | Ток, Idc |
|---|---|---|
| 20 | 0.34 | 4 |
| 50 | 0.8 | 6 |
| 80 | 1.2 | 7 |
| 100 | 1.48 | 7.8 |
| 120 | 1.85 | 8.8 |
| 150 | 2.58 | 10 |
| 180 | 4.48 | 11.1 |
| 200 | 8.67 | 12.8 |
| Выходная мощность, Pout | Входная мощность, Pin | Ток, Idc |
|---|---|---|
| 10 | 0.35 | 3 |
| 20 | 0.68 | 4.2 |
| 30 | 1.3 | 5.5 |
| 40 | 2.6 | 7 |
| 50 | 5.3 | 8 |
Заключение
Удалось разработать усилитель мощности для любых применений (тропо, тесты) включай ЕМЕ (WSJT). <Моно-блок> РА можно установить возле антенны или собрать законченную конструкцию с блоком питания, индикацией мощности и температуры, защитой и автоматикой.
РА на двух транзисторах MRFE6S9160 мощностью 300 Watt будет описан в отдельной статье.
Технические характеристики РА-23cm-150W
- Model: PA-23cm-150W-N-female
- Based on MRFE6S9160HS transistor
- RF Range: 1260 — 1300 MHz
- P input TX < 6 Watt
- Pout = 150 Watt (JT65, FM)
- Pout = 180 Watt (CW, SSB)
- Supply operation: 28 V DC at IDQ = 12 A (TX)
- Impedance: 50 ohms
- RF connectors: N-female
- Dimensions: 100 mm x 60 mm x 28 mm (w/o connectors)
- Weight: 0.45 kg
- Assembled in Ukraine
Данный набор содержит
- 1 x PA-23cm-150W-N-female
- 1 x Mounting screws KIT
- 1 x 7-pin female connector
Внешний вид
Optional heatsink supply (for PA-23cm-150W-pallet installation)
