Ampli 10 GHz 15W 3 etages F5BQP

Transcription

Ampli 10 GHz 15W type F6BVA,
de F5BQP
Release 1
The last but not the least !
F5DQK – novembre 2010
Ampli 10 GHz 15W type F6BVA de F5BQP - rev 1
1
Plan
1- Bibliographie
2- Vue intérieure
3- Vérifications DC
4- Mesures au scalaire
5- Mesures en compression à 10.37 GHz
6- Influence du courant de repos sur la linéarité nouvelle mesure du meilleur compromis
7- Conclusion
2
1- Bibliographie
3
Schéma originel et conception : site web
de F6BVA
2.7k+220Ω =179Ω
10kΩ
1.5kΩ
4
Implantation suggérée
5
Nomenclature
6
10 GHz 15W F6BVA 3 stages amp
Composants à commander chez :
Prix
Qui ?
eMail
Circuit imprimé 3 étages doré + vias
18.70€
F5BQP
[email protected]
Boîtier fraisé 3 étages + couvercle
50€
F5FMW Arthur PAIS LOUMET- 81350 SAINT
GREGOIRE
[email protected]
MGF 2124 ou 2445a
39.95£
Grande-Bretagne
TIM1011-4L
99.95$
USA
TIM1011-15
>250€
?
[email protected]
2 x LT1083 + isolant
?
?
?
Absorbant sur couvercle
?
?
?
CMS, R, C, NPN, régulateur lowdrop, etc …
?
SMG Diffusion
Electronique Diffusion
[email protected]
Ce tableau sera complété dans le futur
7
2- Vue intérieure
8
Vue d’ensemble
+12V, Ir_totale = 7.1A !
Ref
+10.22V
7805
LM2663
Ref +8.97V
0.1 Ω
0.1 Ω
0.1 Ω
stub
RF_out
RF_in
MGF2445a
TIM1011-4L
TIM1011-15
Vg = -4.60V sans ou avec RF
Détection
puissance
RF out
9
Notes sur le circuit imprimé
-Circuit Rogers RO4003C e=0.5mm conçu par F6BVA, doré, équipé de via-holes sous l’idée de F5BQP car
systématiquement utilisée dans l’industrie à ces fréquences)
-Via-holes = trous métallisés reliés électriquement à la face arrière métallisée du circuit imprimé et
permettant gràce à leur longueur minimale, de minimiser les selfs de masse série tout en diminuant la
résistance Ohmique série compatibles avec les règles RF.
-Le collage du circuit imprimé permet un contact électrique masse face arrière / intérieur boîtier métallique
optimal. Les colles utilisées sont à base d’Epoxy chargée à l’argent et en général à 2 composantes, à
mélanger juste avant utilisation. Mais le contact électrique ne sera toujours effectif qu’après polymérisation.
Les plus célèbres sont :
L’Epotek H20e polymérisée à au moins à 80° au bout d’une heure (130°C après 20 minutes)
La Chemtronics CW2400 polymérisée après mélange à la température ambiante au bout de 2
heures et disponible chez Farnell (utilisée ici)
-La colle pallie au serrage aléatoire des vis de fixation du circuit imprimé en fond de boîtier tout en assurant
un contact arrière reproductible et fiable dans le temps (surtout près du FET final)
-La dorure donne un aspect fini irréprochable tout en assurant une protection optimale contre l’oxydation de
la couche cuivrée
NB sur la résistance drain de T1 :
Contrairement au design originel utilisant un MGF2124 ou une 1Ω sufft, le MGF2445a nécessite
impérativement une 0.1 Ω pour fonctionner ! !
10
Zoom entre les régulateurs « low-drop »
Ref
Ref
Capa de
soft-start
11
Découplage d’une alime grille
Reprise masse
par 2 via-holes
Vg=-4.60V
100nF
1nF
Pot
200 Ω
47 Ω
47 Ω
Vers grille
12
Zooms
Fet de sortie
stub
13
3- Vérifications DC
14
Vérification des courants de repos
Dixit F5BQP
Mesures à 12V
Ir_drain (mA)
Vg (V)
CI_seul
Fet 1
Fet 2
Fet3
TOTAL (A)
0.5
1.4
4.35
6.25
-1.49
-1.99
-1.36
Courant total relevé ici =7.2A à froid et sans couvercle descendant progressivement à 6.3A
au bout de 2 à 3 minutes
Vg commune = -4.60V SANS ou AVEC RF
15
4- Mesures au scalaire
16
Banc de mesure scalaire
Atten 20dB
Radiateur généreux
Prévoir ventilation supplémentaire efficace pour mesures ultérieures P1dBc
17
Sans couvercle : 22.3 dB
18
Cet isolateur sera placé sur l’entrée de
l’ampli, en vue des mesures P1dBc
19
5- Mesures en compression à 10.37 GHz
Courant repos total = 7.2 A
20
Banc de mesure de puissance en compression
Sweep HP 8350b
Power meter HP 436a
10.368 GHz
+18 dBm max
Ampli
RFMA
Attén 30dB du
bolo HP 8481b
DUT : ampli 10 GHz 3 étages ouvert
Pin=+6 à
+24 dBm
Isolateur
Gros ventilateur 12V en-dessous
Radiateur
généreux
Pince ampèrométrique
(I_ampli)
21
Mesures Excel sans couvercle
Pin (dBm)
5,98
6,88
7,82
8,76
9,71
10,67
11,63
12,61
13,63
14,66
15,69
16,7
17,72
18,75
19,81
20,89
21,95
23,08
24,2
Pout réelle
Pout lue à
à 12V
Pout réelle
12V (dBm)
(dBm)
à 12V (W)
-2,51
-1,6
-0,66
0,27
1,19
2,16
3,15
4,16
5,2
6,26
7,3
8,31
9,26
10,13
10,93
11,53
11,92
12,13
12,23
26,99
27,9
28,84
29,77
30,69
31,66
32,65
33,66
34,7
35,76
36,8
37,81
38,76
39,63
40,43
41,03
41,42
41,63
41,73
0,5
0,6
0,8
0,9
1,2
1,5
1,8
2,3
3,0
3,8
4,8
6,0
7,5
9,2
11,0
12,7
13,9
14,6
14,9
Gain lin à
12V (dB)
Delta gain
(dB)
21,01
21,02
21,02
21,01
20,98
20,99
21,02
21,05
21,07
21,10
21,11
21,11
21,04
20,88
20,62
20,14
19,47
18,55
17,53
0,01
0,01
0,00
-0,03
-0,02
0,01
0,04
0,06
0,09
0,10
0,10
0,03
-0,13
-0,39
-0,87
-1,54
-2,46
-3,48
Itot à 12V
(A)
7,14
7,09
7,1
7,1
7,11
7,12
7,14
7,17
7,21
7,27
7,37
7,5
7,66
7,78
7,72
7,54
7,33
7,17
7,14
7,14
22
43
3
Ampli 10 GHz F5BQP 3 étages sans couvercle : P1dBc
2,5
Pout réelle à 12V (dBm)
Delta gain (dB)
+41.2dBm = 13.1W
39
2
37
1,5
35
33
in
Ga
é
lin
1.0
2
e
air
dB
1
0,5
31
0
29
-0,5
27
-1
Courant repos = 7.2A
25
-1,5
5
7
9
11
13
15
17
19
Pin (dBm)
21
23
125mW
23
Delta gain (dB)
Pout (dBm)
41
16
9
Ampli 10 GHz F5BQP 3 étages sans couvercle : consommation
14
8,5
13.1W
12
8
Pout (W)
10
7,5
8
7
6
6,5
4
6
2
5,5
0
5
5
7
9
11
13
15
17
19
Pin (dBm)
21
23
125mW
24
Intensité sous 12V (A)
Pout réelle à 12V (W)
Itot à 12V (A)
Mesures Excel avec couvercle
Pin (dBm)
5,98
6,88
7,82
8,76
9,71
10,67
11,63
12,61
13,63
14,66
15,69
16,7
17,72
18,75
19,81
20,89
21,95
23,08
24,2
Pout réelle
Pout lue à
à 12V
Pout réelle
12V (dBm)
(dBm)
à 12V (W)
-1,55
-0,62
0,32
1,24
2,21
3,19
4,2
5,22
6,26
7,32
8,37
9,31
10,19
10,99
11,63
12,04
12,27
12,4
12,45
27,95
28,88
29,82
30,74
31,71
32,69
33,7
34,72
35,76
36,82
37,87
38,81
39,69
40,49
41,13
41,54
41,77
41,9
41,95
0,6
0,8
1,0
1,2
1,5
1,9
2,3
3,0
3,8
4,8
6,1
7,6
9,3
11,2
13,0
14,3
15,0
15,5
15,7
Gain lin à
12V (dB)
Delta gain
(dB)
21,97
22,00
22,00
21,98
22,00
22,02
22,07
22,11
22,13
22,16
22,18
22,11
21,97
21,74
21,32
20,65
19,82
18,82
17,75
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
0,1
0,1
0,1
0,2
0,2
0,1
0,0
-0,2
-0,7
-1,3
-2,2
-3,2
-4,2
25
43
3
Ampli F5BQP 10 GHz 3 étages avec couvercle : P1dBc
2,5
+41.4dBm = 13.8W
Delta gain (dB)
39
2
37
1,5
35
in
Ga
33
é
lin
2.0
2
e
air
dB
1
0,5
31
0
29
-0,5
27
-1
25
-1,5
5
7
9
11
13
15
Pin (dBm)
17
19
21
23
110mW
26
Delta gain (dB)
Pout (dBm)
41
6- Influence du courant de repos sur la
linéarité
27
Influence du courant de repos sur la linéarité
-7.2A de courant de repos total (FET final à 4.35A) conduit à un ripple positif de seulement 0.1 dB,
mais cette valeur est vraiment très grande et le radiateur doit être dimensionné en conséquence
-La mesure d’une autre version de ce même ampli est affecté d’un ripple positif de 2.3 dB - - mais
son courant de repos total n’est que de 2.1A (FET final à 1.3A)
-D’ou l’idée de trouver le meilleur compromis entre courant de repos minimal et linéarité avec une
courbe de gain linéaire avec une bosse positive ne dépassant pas +0.3 dB, visant plus
spécifiquement une utilisation en portable.
-Certes la valeur de gain linéaire tombe de 21.0 (Ir=7.2A) à 18.2 dB (Ir=2.95A), mais ne joue pas
sur la puissance de sortie en compression
Courants repos règlés sur chaque étage et ripple positif obtenu
Règlage
F5DQK_min
U sur 0,1
Fet GaAs
Ohm
F5DQK_2
U sur 0,1
Ohm
I (A)
Fet1
33
Fet2
69
Fet3
193
Ir_totale
Compr positive (dB)
330
690
1930
2950
1,4
33
98
253
I (A)
330
980
2530
3840
0,7
F5DQK_3
U sur 0,1
Ohm
32
122
252
I (A)
320
1220
2520
4060
0,8
F5DQK_4
U sur 0,1
Ohm
I (A)
32
106
314
320
1060
3140
4520
0,3
F5BQP
U sur 0,1
Ohm
I (A)
550
1410
5130
7090
0,1
55
141
513
NB:
-à Id_repos = 7,2A, le courant descend progressivement à 7.09A et reste en « régime de croisière » au bout de 2 à
3 minutes environ (avec refroidissement efficace)
Pour un fonctionnement linéaire correct (ripple positif muselé à 0.3 dB), le dernier FET 15W de puissance exige
un courant repos d’au moins 3 Ampères
28
1,5
Ampli 10 GHz 3 étages F5BQP
Gain linéaire fonction du courant de repos total
1
∆gain à
∆gain à
∆gain à
∆gain à
∆gain à
0,5
2,95A (dB)
3,84A (dB)
4,06A (dB)
4,52A (dB)
7,2A (dB)
Gain linéaire (dB)
+0.3dB
0
Meilleur compromis de
courant repos total = 4.6A
-0,5
-1
-1,5
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
25
Pin (dBm)
Recherche du meilleur compromis entre courant de repos et puissance de compression
inchangée
29
Nouvelles mesures Excel sans couvercle
Pin (dBm)
5,98
6,88
7,82
8,76
9,71
10,67
11,63
12,61
13,63
14,66
15,69
16,7
17,72
18,75
19,81
20,89
21,95
23,08
24,2
25,32
Pout réelle
Pout lue à
à 12V
Pout réelle
12V (dBm)
(dBm)
à 12V (W)
-4,07
-3,13
-2,17
-1,22
-0,25
0,71
1,66
2,67
3,66
4,7
5,76
6,82
7,94
9,12
10,18
11,03
11,67
12,03
12,19
12,25
25,43
26,37
27,33
28,28
29,25
30,21
31,16
32,17
33,16
34,2
35,26
36,32
37,44
38,62
39,68
40,53
41,17
41,53
41,69
41,75
0,3
0,4
0,5
0,7
0,8
1,0
1,3
1,6
2,1
2,6
3,4
4,3
5,5
7,3
9,3
11,3
13,1
14,2
14,8
15,0
Gain lin à
12V (dB)
Delta gain
(dB)
19,45
19,49
19,51
19,52
19,54
19,54
19,53
19,56
19,53
19,54
19,57
19,62
19,72
19,87
19,87
19,64
19,22
18,45
17,49
16,43
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
0,1
0,2
0,3
0,3
0,1
-0,3
-1,1
-2,0
-3,1
Itot à 12V
(A)
4,62
4,64
4,66
4,68
4,7
4,73
4,77
4,82
4,88
4,96
5,05
5,2
5,37
5,61
5,93
6,3
6,37
6,27
6,25
6,3
6,36
30
43
3
Ampli F5BQP 10 GHz 3 étages sans couvercle : P1dBc
+41.53dBm = 13.8W
Gain lin à 12V (dB)
2,5
39
2
37
1,5
35
1
33
0,5
31
0
29
-0,5
27
-1
25
-1,5
5
10
15
20
Pin (dBm)
25
30
+23 dBm ou
200mW
31
Delta gain (dB)
Pout (dBm)
41
16
7
Ampli 10 GHz 3 étages sans couvercle : consommation
14
6,5
12
6
10
5,5
8
5
6
4,5
4
4
2
3,5
0
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
Pin (dBm)
23
25
+23 dBm ou
200mW
32
Intensité totale (A)
Pout (W)
Pout réelle à 12V (W)
Itot à 12V (A)
1600
Ampli F5BQP 10 GHz 3 étages : tension détection sortie
1400
RF détectée (mV) + couv
Tension détectée (mV)
1200
1000
800
600
400
200
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
Pout (W)
33
7- Conclusion
34
Conclusion
Règlé sous 12V à I_repos = 7.2 A, I_max = 7.8 A
Sans couvercle :
-Gain linéaire 21.0 dB
-P1dBc= +41.2 dBm ou 13.1W pour +21 dBm ou 125 mW in
-P2dBc= +41.5 dBm ou 14.2W pour +22.5 dBm ou 180 mW in
Avec couvercle :
Meilleur compromis entre consommation et linéarité sous 12V, I_repos = 4.6 A, I_max = 6.3 A
Sans couvercle :
Avec couvercle :
donne 1 dB supplémentaire sur le gain linéaire, mais puissance de sortie inchangée
35
Conclusion
-Conception du circuit imprimé doré version 2 design F6BVA, avec masses reliées vers la face arrière par
des via-holes
-Collage du circuit au fond du boîtier avec une colle Epoxy chargée à l’Argent puis polymérisée
-Soin apporté au découplage des alimes négatives
-Très grand courant total de repos de 7.2A pouvant être bridé à 4.1 A en respectant un bon compromis de
comportement en linéaire
Cette mesure à la compression permet de :
-mieux appréhender les aspects de non-linéarité dans de domaine de la puissance
-limiter les effets indésirables en BLU (même à 10 GHz) ! !
A l’inverse des amplis à Fet GaAs de puissance classiques ou le P1dBc est très proche de la puissance
saturée, le fait de pouvoir mesurer des puissances jusqu’à 2 ou 3 dB de compression indique une différence
de technologie à creuser – comme si l’on s’approchait du comportement d’un LDMOS de puissance !
Espérons que ce design 15 W assez facilement reproductible, permettra dans un avenir proche d'améliorer
nos DX en 10 GHz !
J’adresse mes sincères remerciements à :
- Pierre-François F5BQP heureux propriétaire et réalisateur de cet ampli, et pour avoir assuré la fabrication
reproductible de circuits imprimés optimisés de qualité industrielle et professionnelle
-Arthur F5FMW pour la réalisation des boîtiers fraîsés
- Sylvain F6CIS, Jacques F6AJW, Jeff F1PDX ainsi qu’à Yoann F4DRU pour leurs conseils avisés
- Arthur F5FMW pour la réalisation des boîtiers fraîsés et Michel F6BVA pour le design
36

Ampli 10 GHz 15W 3 etages F5BQP

Transcription

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