13cm PA für es'hail-2

Endstufen für das 13cm Band gibt es viel, könnte man meinen, aber so einfach ist es dann doch nicht. Die in DL gebauten PAs sind ATV Endstufen für 2,3 GHz und meist nicht für 2,4 GHz angepasst, und wenn doch, dann preislich in der Oberklasse angesiedelt. Es gibt noch weitere PAs aus verschiedenen Ländern Europas, alle nicht wirklich günstig. Daher greifen viele OMs zu den "WLan Boostern" aus China, welche mit 4W bzw. 8W beworben werden. Abgesehen davon dass diese Leistungsangaben nur etwas für Optimisten sind, wird der Import durch neue Regelungen von Finanzamt und Zoll immer schwieriger. Nachdem in unserem OV zwei entsprechende Bestellungen nie angekommen sind, reifte der Entschluss selbst aktiv zu werden und eine PA zu bauen.

Zielvorstellung:

* ca. 3 bis 6 Watt Ausgangsleistung
* ca. 15 bis 18 dB Verstärkung
* Kaskadierbar falls höhere Verstärkungen erforderlich sind
* sehr preiswert, Materialkosten unter 50.- wenn möglich unter 30.-
* Nachbau sollte auch ohne Messmittel möglich sein

Suche nach einem passenden Konzept:

Anhand der gewünschten Leistungsdaten begann erstmal die Suche nach einem passenden Transistor.

Die Wahl fiel auf den MHT1008N (Freescale Semiconductor), welcher im Datenblatt eine Maximalleistung von 12,5W bei 28 Volt angegeben hat. Mit Glück kann man die Hälfte dieser Leistung erwarten, aber das würde ja passen.

Die Anpassung des Transistoreingangs und -ausgangs an 50 Ohm wird in diesem Frequenzbereich üblicherweise mit Streifenleitungen gemacht, welche direkt als Kupferbahnen ins Layout übernommen werden. Durch entsprechende Wahl der Impedanz und Länge der Streifenleitung lassen sich die gewünschten Transformationen herstellen.

Zum Glück mussten wir nicht bei Null anfangen (was vermutlich auch nicht geklappt hätte), sondern es gibt von Freescale ein Muster-Layout mit den korrekten Anpassungen. Allerdings benötigt dieses Layout das Platinenmaterial Rogers 4350 welches (für kleine Stückzahlen) praktisch unerschwinglich ist. Bei einer Leistung von maximal 5 Watt kann so eine PA jedoch auch mit normalem FR4 Platinenmaterial funktionieren. Um die Verluste so gering wie möglich zu halten würde das dünnste Platinenmaterial gewählt dass unser Platinenhersteller anbietet: 0,6mm Dicke.

Die nächste Aufgabe war es die Anpassleitungen des Referenz-Layouts von Rogers auf FR4 Platinenmaterial umzurechnen. DC1RJJ hat sich bereit erklärt das zu machen, da er über das Know How sowie die dafür benötigte Software verfügt. Anhand seiner Berechnungen habe ich das Referenz-Layout geändert und eine Test-Platine erstellt und anfertigen lassen.

die Test-Platine, diese dient der Überprüfung unserer Berechnungen und des neuen Layouts:

Schaltplan der Test-Platine:

                   

die Streifenleitung und einige Kondensatoren des Referenz-Layouts wurden geändert, außerdem wurde eine Vorspannungserzeugung für den Ruhestrom hinzugefügt.

Layout der Test-Platine:

                   

Platinengröße: 77 x 56 mm

Unterseite (blau): komplette Kupferfläche, keine Leiterbahnen, kein Lötstoplack.

Fertiger Prototyp:

                   

Inbetriebnahme:

zunächst wurde die Platine gleichspannungsmäßig getestet und ein Ruhestrom von 100 mA eingestellt.

Die weiteren Tests erfolgten mit einer Versorgungsspannung von 12V und auch 24V.

Die Platine wurde natürlich auf einen passenden Kühlkörper geschraubt. Sie hat extra viele 3mm Löcher die auch alle für Schrauben benutzt werden damit die Platinen einen sehr guten Kontakt zum Kühlkörper hat. Der Transistor muss seine Wärme über Durchkontaktierungen auf die Platinenunterseite, und weiter zum Kühlkörper abgeben. Das ist nicht ideal, aber bei diesem Transistorgehäuse so üblich. Es wurden daher besonders viele Durchkontaktierungen unterhalb des Transistors vorgesehen.

Anpassung und Messungen:

die Eingangsanpassung hat DC1RJJ vorgenommen. Im Referenz-Layout gibt es dazu vier Kupferflächen am Gate des Transistors, welche je nach Bedarf angeschlossen werden können.

zunächst sahen die Messwerte so aus:

S11 (rot) ist die Anpassung des Eingangs, diese war nur -5dB, was einem Eingangs-SWR von ca. 3,5 : 1 entspricht. Grün is S21, die Durchgangsverstärkung. Sie ist tatsächlich niedriger als angezeigt (ca. 4dB) wegen Problemen bei der Kalibrierung des Analysers.

Jetzt wurden die Kupferflächen in verschiedenen Konfigurationen angeschlossen, solange bis die Anpassung stimmte.

Nach diesem Abgleich sah es so aus:

bei 12V Versorgungsspannung:

und bei 24V Versorgunsgspannung (rot und grün vertauscht):

S11, die Eingangsanpassung ist jetzt besser als -20dB, also das Eingangs-SWR ist besser als 1,2 : 1, ein sehr brauchbarer Wert. Die Verstärkung liegt bei ca. 17 bis 18 dB bei 12 Volt (wie zuvor liegen auch hier die im Analyser angezeigten Werte zu hoch).

Messung der Ausgangsleistung:

folgende Tabelle zeigt die Messwerte bei 5W und 10W Ausgangsleistung an:

Versorgungs-
spannung
Ausgangs-
leistung
Stromaufnahme Steuerleistung Verstärkung
[V] [W] [A] [mW] [dB]
12 5 0,85 100 17
24 5 0,48 63 19
         
12 7,9 1,1 400 13
24 10 0,68 200 17

diese Leistungsangaben sind Spitzenleistungen. Dabei ist der Mosfet längst in Kompression.

Für ein sauberes SSB Signal sind ca. 30 bis 40% dieser Maximalleistung nutzbar. Daraus sieht man schon, dass die PA mit 24 Volt (bis 28V) betrieben werden muss. Bei einer Steuerleistung von 100mW (20dBm) ist dann eine saubere Ausgangsleistung von ca. 3,5W (35 dBm) zu erwarten.

Man kann sie auch mit 200mW ansteuern, dann bringt sie 6,5 Watt. Das ist aber das Maximum. Bei einer Ansteuerung über 400 mW kann man den Transistor beschädigen. Man muss unbedingt aufpassen die PA am Eingang nicht zu überfahren.