Ein Entwurf für einen 40W Breitband VHF HF-Leistungsverstärker für FM-Rundfunk

Einleitung

Was ist dieser Entwurf für

Um die Ausgangsleistung von FM-Broadcast-Band-Erregern mit geringer Leistung zu erhöhen, sind einige davon im Handel erhältlich, sowohl als Kits als auch als fertige. Sehen Wie ein Community Radio Station sein Links zu Bewertungen von einigen der beliebtesten Erregern.

Wer ist dieser Entwurf für?

• Diejenigen, die vertraut sind mit den HF-Elektronik und mechanische Konstruktionstechniken
• Diejenigen, die bereits erfolgreich UKW-Leistungsverstärker (> 10 W) konstruiert und getestet haben

Als Referenz finden Einführung in die Gemeinschaft Radio Station Electronics

Der folgende Test Ausrüstung wird der Verstärker abzustimmen erforderlich:

• Stabilisierte strombegrenzte Stromversorgung (+ 28V, 3A)
• Multimeter, mit 3A oder größeren Strombereich
• 50W VHF Dummy-Last
• RF Power Meter
• FM Erreger, mit ca.. 26 - 27 dBm Ausgangsleistung
• RF Spectrum Analyser
• RF Network Analyser oder ein Spektrumanalysator mit Tracking-Generator
• HF-Leistungsdämpfungsglied

Dieser Entwurf ist NICHT Geeignet für Anfänger und UKW-Funkanfänger. Diese Personen sind folgenden Risiken ausgesetzt:

• Thermische und HF-Verbrennungen
• Stromschlag
• Zerstörung von teuren HF-Komponenten und Prüfgeräte
• Unerwünschte störende HF-Strahlung, was zu Störungen bei anderen Nutzern des elektromagnetischen Spektrums, so dass ein Besuch vom Staat, und damit das Risiko eines Geräte Beschlagnahmung, Strafen zu riskieren, und möglicherweise Haft.
• Ein sehr viel Stress und Frustration.

Warum ist dieser Entwurf notwendig

Ich bin der Meinung, dass die Qualität der meisten im Internet verfügbaren Schaltpläne und Designs für FM-Rundfunkgeräte alles andere als zufriedenstellend ist. Sieh mein Beratung auf den Aufbau von Plänen im Web. Insbesondere die Informationen zu UKW-HF-Leistungsverstärkern sind noch verzweifelter, beispielsweise bei Designs mit Dinosauriern von Geräten wie dem TP9380. Dieses Design basiert auf einer neuen MOSFET-Vorrichtung mit den damit verbundenen Vorteilen von

• Hoher Gewinn
• hohe Effizienz
• einfache Tuning

Da die meisten Designs im Web älter als 10 Jahre sind, sollte die Verwendung eines kürzlich eingeführten Geräts die Nutzungsdauer des Designs maximieren. Ich verwende dieses Design auch als Vehikel, um die Menge an Informationen zu demonstrieren, die für einen Dritten erforderlich sind, der nicht über Gedankenlesefähigkeiten verfügt, um diesen Verstärker erfolgreich zu bauen. Der Punkt ist folgender: Wenn eine Person ausreichend qualifiziert und erfahren ist, um etwas aus spärlichen Entwurfsinformationen zu erstellen, beispielsweise nur aus einem Schaltplan, kann sie es genauso gut aus überhaupt keinen Informationen erstellen. Umgekehrt benötigt eine Person, die nicht über diese Fähigkeiten und Erfahrungen verfügt, detaillierte Anweisungen, um erfolgreich zu sein.

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Design-Verfahren

Die Verstärkerdesign basiert auf der kürzlich eingeführten (1998) Motorola MRF171A MOSFET (MRF171A Datenblatt in PDF Format).Nicht zu verwechseln mit dem älteren, nun eingestellt, MRF171 Gerät.  2002 Januar - Motorola ändert ihre RF-Leistungsbauteil Produktportfolio mehr oftern als einige Leute ihre Unterseite ändern. Es sieht aus wie Motorola das Gerät auf bis M / A-Com entladen haben.

Computersimulation

Die anfängliche Machbarkeit wurde unter Verwendung eines linearen HF- und Mikrowellensimulationspakets, insbesondere Supercompact, durchgeführt. Die verwendete Version war 6.0, was ich ehrlich gesagt als pissarme Software betrachte und überhaupt nicht empfehle. Für dieses Gerät bietet Motorola S-Parameter und Single-Ended-Impedanzen für Großsignale. Die S-Parameter werden bei 0.5 A ruhendem Drainstrom gemessen, was einen Fortschritt bei der Gerätecharakterisierung darstellt, da traditionell S-Parameter dazu neigten, bei ziemlich niedrigen Drainströmen gemessen zu werden. Während dies für Kleinsignalvorrichtungen zufriedenstellend ist, ist die Verwendung von S-Parametern, die bei kleinen Drainströmen gemessen werden, für das Leistungsverstärkerdesign begrenzt. 

Während die bei 0.5 A gemessenen S-Parameterinformationen einen nützlichen Entwurfsstartpunkt hätten liefern können, entscheide ich mich, den Entwurf auf die Single-Ended-Großsignalimpedanzen zu stützen. Diese werden vom Gerätehersteller gemessen, indem das Gerät bei jeder Testfrequenz in einem generischen Testgerät auf die beste Leistung eingestellt wird. Die Testvorrichtung wird dann entfernt und ein Vektornetzwerkanalysator wird verwendet, um die komplexe Impedanz zu messen, die in das Anpassungsnetzwerk zurückblickt, während diese mit 50 R abgeschlossen werden. Dieses Verfahren wird für die Eingangs- und Ausgangsanpassungsnetzwerke durchgeführt. Der Vorteil großer Signalimpedanzdaten besteht darin, dass sie bei der tatsächlichen Ausgangsleistung gemessen werden können, für deren Erzeugung das Gerät ausgelegt ist, und als solche in einem Leistungsverstärkerszenario repräsentativer sind. Beachten Sie, dass die großen Einzelimpedanzen nur Informationen liefern, um die Synthese eines Eingangs- und Ausgangsanpassungsnetzwerks zu ermöglichen. Sie liefern keine Informationen über die wahrscheinliche Verstärkung, Effizienz, Rauschleistung (falls relevant) oder Stabilität des resultierenden Verstärkers.

Dies ist die Datei verwendet, um das Eingangsnetzwerk zu synthetisieren.

* Mrf171i1.ckt; Name der Datei

* Variablendefinitionsblock, erster Wert ist minimal zulässiger Wert, * dritter ist maximal zulässiger Wert, Mitte ist variabel

C1 :? 1PF 30.2596PF 120PF? C2 :? 1PF 21.8507PF 120PF? L1 :? 1NH 72.7228NH 80NH? C3 :? 1PF 179.765PF 180PF? L2 :? 1NH 30.4466NH 80NH? BLK; Schaltungsnetzlistenkappe 1 2 c = c1 Kappe 2 0 c = c2 ind 2 3 l = l1 Kappe 3 0 c = c3 ind 3 9 l = l2 res 9 0 r = 33; Gate-Vorspannungs-Einspeisungswiderstand eins 9 mrf171ip; Referenz zu 1-Port-Daten IPNET: 1POR 1; Erstellen Sie ein neues 1-Port-Netzwerk. END FREQ STEP 88MHZ 108MHZ 1MHZ END OPT

* Optimierungssteueranweisung, weist den Simulator an, zwischen * 88 und 108 MHz zu optimieren und eine Eingangsrückflussdämpfung von besser als * -24 dB zu erzielen

   IPNET R1 = 50 F = 88 MHz 108 MHz MS11 -24 dB LT

END DATA

* Definieren Sie ein Netzwerk mit einem Port namens mrf171ip, das auf die äquivalenten komplexen Impedanzen der Großsignalreihe * verweist. Diese Daten sind an 4 * Frequenzpunkten verfügbar

* Definieren Sie Z-Parameterinformationen, reales und imaginäres Format. * Die Referenzimpedanz beträgt 1 Ohm

   mrf171ip: Z RI RREF = 1 * MRF171A Z SOURCE 30 MHz 12.8-3.6 100 MHz 3.1 -11.6 150 MHz 2.0 -6.5 200 MHz 2.2 -6.0 ENDE

Natürlich bietet die Verwendung eines Simulators weder Unterstützung bei der Auswahl der Schaltungstopologie noch der Startwerte für die Netzwerkkomponenten. Diese Informationen stammen aus der Designerfahrung. Alle Optimierungswerte wurden mit Maxima und Minima eingeschränkt, um das resultierende Netzwerk realisierbar zu halten.

Anfänglich wurde ein 3-poliges Anpassungsnetzwerk ausprobiert, das keine ausreichend breitbandige Übereinstimmung über die 20 MHz liefern konnte. Durch die Verwendung einer 5-poligen Schaltung konnte das Optimierungsziel erreicht werden. Beachten Sie, dass die 33R-Gate-Vorspannung in der Simulation enthalten ist, da dies dazu beiträgt, das Eingangsnetzwerk zu entschärfen und die Stabilität im Endverstärker zu verbessern.

Ein ähnliches Verfahren wurde für das Ausgangsnetzwerk durchgeführt. In dieser Simulation wurde die Abflusszufuhr in die Simulation einbezogen. Obwohl der Wert dieser Drossel auf den ersten Blick nicht kritisch ist, kann sie bei zu großer Stabilität eingeschlossen werden. Wenn sie zu klein wird, wird sie Teil des Ausgangsanpassungsnetzwerks, was in diesem Fall als nicht wünschenswert angesehen wurde .

Komponentenauswahl

Da die Eingangsleistung nur ein halbes Watt beträgt, wurden in der Eingangsanpassungsschaltung Standardkeramikkondensatoren und -trimmer verwendet. L1 und L2 (siehe schematisch) hätte viel kleiner gemacht werden können, wurden aber aus Gründen der Konsistenz mit den im Ausgangsnetz verwendeten Induktoren groß gehalten. Im Ausgangsnetzwerk wurden mit Glimmermetall ummantelte Kondensatoren und Glimmerkompressionstrimmer verwendet, um die Leistung zu handhaben und die Komponentenverluste auf ein Minimum zu beschränken. Die Breitbanddrossel L3 bietet eine verlustbehaftete Reaktanz bei niedrigeren HF-Frequenzen, C8 sorgt für die AF-Entkopplung (Audiofrequenz).

Die Verwendung eines N-Kanal-MOSFET im Anreicherungsmodus (eine positive Spannung spannt die Vorrichtung in Leitung) bedeutet, dass die Vorspannungsschaltung einfach ist. Ein Potentialteiler leitet die erforderliche Spannung von einer durch eine 5.6-V-Zenerdiode stabilisierten Niederspannung ab. Der zweite 5.6-V-Zener D2 ist vorsorglich angebracht, um sicherzustellen, dass keine übermäßige Spannung an das Gate des FET angelegt wird. Dies würde sicherlich zur Zerstörung des Geräts führen. Puristen würden den Vorspannungsstrom temperaturstabilisieren, aber da die Vorspannung in dieser Anwendung nicht kritisch ist, wurde dies nicht gestört.

Aufgrund der geringen HF-Eingangsleistung wurde für den HF-Eingang eine BNC-Buchse verwendet. Ich habe den Typ N für den HF-Ausgang verwendet, ich verwende BNC nicht für über 5 W und ich mag keine UHF-Anschlüsse. Ich persönlich empfehle nicht, UHF-Anschlüsse über 30 MHz zu verwenden.

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Hoch- und Tiefbau

Der Verstärker wurde in einer kleinen Aluminiumdruckgussbox aufgebaut. HF-Eingangs- und Ausgangsverbindungen werden über Koaxialbuchsen hergestellt. Die Stromversorgung wird durch einen Keramik-Durchführungskondensator geführt, der in der Wand der Box verschraubt ist. Diese Konstruktionstechniken führen zu einer hervorragenden Abschirmung und verhindern, dass HF-Strahlung aus dem Verstärker austritt. Ohne sie könnten erhebliche Mengen an HF-Strahlung abgestrahlt werden, die andere empfindliche Schaltkreise wie VCOs und Audiostufen stören, und es könnten auch erhebliche Mengen an harmonischer Strahlung auftreten. 

Die Basis des Stromversorgungsgeräts sitzt durch eine Aussparung im Boden der Druckgussbox und ist direkt mit einem kleinen Kühlkörper aus extrudiertem Aluminium verschraubt. Eine Alternative wäre, wenn die Basis des Stromversorgungsgeräts auf dem Boden der Druckgussbox sitzt. Dies wird aus zwei Gründen nicht empfohlen, da beide darauf abzielen, einen effektiven Weg zur Wärmeleitung vom FET bereitzustellen. Erstens ist der Boden der Druckgussbox nicht besonders glatt, was zu einem schlechten Wärmeweg führt. Zweitens führt das Vorhandensein des Bodens der Druckgussbox im Wärmeweg zu mehr mechanischen Grenzflächen und damit zu mehr Wärmewiderstand. Ein weiterer Vorteil der gewählten Konstruktionstechnik besteht darin, dass die Gerätekabel korrekt an der Oberseite der Leiterplatte ausgerichtet sind.

Die Verwendung des angegebenen Kühlkörpers erfordert die Verwendung einer Zwangsluftkühlung (eines Lüfters). Wenn Sie keinen Lüfter verwenden möchten, ist ein viel größerer Kühlkörper erforderlich, und der Verstärker sollte mit vertikalen Kühlkörperlamellen montiert werden, um die Kühlung durch natürliche Konvektion zu maximieren.

Die Leiterplatte besteht aus einem Stück Glasfaser-Leiterplattenmaterial (Leiterplatte), das auf jeder Seite mit 1 Unze Cu (Kupfer) beschichtet ist. Ich habe Wainwright verwendet, um die Schaltungsknoten zu bilden - dies sind im Grunde selbstklebende Teile aus verzinntem einseitigem Leiterplattenmaterial, die mit einem kräftigen Paar Seitenschneider zugeschnitten wurden. Eine einfache Alternative besteht darin, Stücke aus 1.6 mm dickem einseitigem Leiterplattenmaterial zu verwenden, zuzuschneiden und dann zu verzinnen. Diese werden mit einem Klebstoff vom Typ Cyanoacrylat (z. B. Sekundenkleber oder Tak-Pak) auf die Grundplatte geklebt  FEC 537-044). Diese Konstruktionsmethode führt dazu, dass die Oberseite der Leiterplatte eine ausgezeichnete Grundplatte ist. Die einzige Ausnahme bilden die beiden Pads für Gate und Drain des FET. Diese wurden hergestellt, indem die oberste Kupferschicht sorgfältig mit einem scharfen Skalpell geritzt und dann die Kupfersplitter mit Hilfe einer feinen Lötkolbenspitze und des Skalpells entfernt wurden. Wenn Sie die Eisenspitze entlang des isolierten Kupferstücks laufen lassen, wird der Klebstoff so weit gelöst, dass das Cu mit dem Skalpell abgezogen werden kann. Das so erzeugte Gate-Pad ist im deutlich sichtbar Fotografie des Prototyps

Nachdem ich die Öffnung in der Leiterplatte für die Basis des Stromversorgungsgeräts hergestellt hatte, wickelte ich Kupferband durch den Schlitz, um die obere und untere Masseebene zu verbinden. Dies wurde an zwei Stellen unterhalb der Quellregisterkarten durchgeführt. Das Kupferband wurde dann oben und unten gelötet.

See Foto für vorgeschlagene Komponentenpositionen. Das vertikale Sieb rechts neben dem Gehäuse besteht aus doppelseitigem Leiterplattenmaterial, das auf beiden Seiten mit der oberen Grundebene verlötet ist. Dies ist ein Versuch, die endgültige Unterdrückung der Harmonischen zu verbessern, indem die Kopplung zwischen den Induktoren, die die Ausgangsanpassung bilden, und den Induktoren, aus denen der LPF besteht, verringert wird. Für diese Art von Lötarbeiten ist ein Lötkolben mit 60 W oder mehr erforderlich - vorzugsweise ein temperaturgesteuerter. Dieses Bügeleisen ist für die kleineren Komponenten zu übertrieben, sodass auch ein kleineres Bügeleisen erforderlich ist.

Wie nachstehend erwähnt, werden die Induktivitäten LPF direkt auf die Register der metallkaschierten Kondensatoren verlötet.

Empfohlene Rough and Ready Bauablaufs

1. Schneiden Sie ein Stück zweiseitige Leiterplatten Material für die Hauptplatine (ca. 100 x 85mm)
2. Erstellen Sie die Blende für den FET mithilfe einer Auswahl von Bohrern und Feilen. Verwenden Sie den FET bei Bedarf als Vorlage, aber sprengen Sie ihn nicht mit statischer Aufladung. Stellen Sie sicher, dass Sie den Abfluss auf der rechten Seite haben.
3. Bohren Sie sechs Löcher in der Platine, das sind um die Leiterplatte am Druckgussgehäuse halten
4. Legen Sie die Leiterplatte in das Feld ein und verwenden Sie die Löcher in der Platine, um durch die Box bohren
5. Vorübergehend schrauben Sie die Platine an der Box
6. Stellen Sie fest, wohin der Kühlkörper unter der Box gehen soll. Das Gerät sollte in Richtung der Mitte des Kühlkörpers enden. Bohren Sie entweder weitere Löcher durch das gesamte Los und verwenden Sie einige der vorhandenen Leiterplatten- / Kastenlöcher erneut und verlängern Sie diese durch den Kühlkörper. Schrauben Sie den Kühlkörper vorübergehend an die Leiterplatten- / Box-Baugruppe. Wenn Sie in die Oberseite der Box schauen, sollten Sie jetzt ein Stück Kühlkörper sehen, das dieselbe Größe hat wie die Basis des FET.
7. Rig selbst bis einige statische Schutz (wenn du eine alte aufgeblasene Gerät oder eine bipolare Gerät habe im gleichen Paket werden Sie nicht mit dem zu belasten) und legen Sie das Gerät in die Öffnung in der Platte.
8. Verwenden Sie den FET, um Ihnen geben die mittleren Positionen seiner 'Befestigungslöcher
9. Nehmen Sie alles wieder in Stücke. Machen Sie zwei Löcher in den Kühlkörper für den FET
10. Die Löcher in den beiden Enden der Schachtel für die HF-Verbinder und der Durchführungskondensator
11. Verzinnen Sie die Leiterplatte oben und unten mit einem großen Bügeleisen. Verwenden Sie gerade genug Lötmittel, um ein glattes Finish zu erhalten, aber nicht zu viel, um erhabene Lötstellen zu erzeugen, insbesondere auf der Unterseite, da dadurch verhindert wird, dass die Leiterplatte flach auf dem Boden der Box liegt.
12. Erstellen Sie die beiden Inseln für die FET-Gate-und Drain, wie im obigen Absatz aufgeführten
13. Solder Kupferband zwischen Ober-und Unterseite der Leiterplatte unter dem die Quelle Registerkarten werden
14. Erstellen Sie die PCB-Inseln, Zinn ihnen, kleben Sie diese auf der Platine mit dem Foto als Führung
15. Erstellen und auf den Bildschirm zwischen dem Verstärker und den LPF Bereichen
16. Bringen Sie alle verbleibenden Leiterplatten-Komponenten, mit Ausnahme des FET
17. Montieren Sie die Platine an der Box und dem Kühlkörper
18. Fit und die Verbindung her und die HF-Anschlüsse und die Durchführungskondensator
19. Wenn Sie erneut antistatische Vorsichtsmaßnahmen treffen, tragen Sie den dünnsten durchgehenden Film aus Wärmeübertragungspaste auf die Basis des FET auf. Dies kann bequem mit einem hölzernen Cocktailspieß erfolgen
20. Biegen Sie die letzten 2 mm jeder FET-Leitung hoch. Dies erleichtert das Entfernen im Bedarfsfall erheblich
21. Schrauben Sie den FET an den Kühlkörper. Zu locker und das Gerät wird überhitzt, zu fest und Sie verzerren den Flansch des Geräts und es wird erneut überhitzt. Wenn Sie einen Drehmomentschraubendreher haben, suchen Sie das empfohlene Drehmoment und verwenden Sie es. 
22. Wenn Sie die Anweisungen richtig verstanden haben, befinden sich die Laschen des Geräts geringfügig über der Leiterplatte. Löten Sie den FET mit dem großen Eisen ein, zuerst die Quellen, dann den Abfluss und schließlich das Tor. Möglicherweise müssen Sie L4 und L5 trennen, während Sie den FET montieren, aber trennen Sie R3 nicht, da dies einen statischen Schutz für das Gerät bietet.

schematisch

Liste der Einzelteile

Notizen

1. Farnell Bestellnummern gelten für die Führer nur - andere gleichwertige Teile ersetzt werden können.
2. Metallkaschierten Kondensatoren sind entweder Semco MCM-Serie, Unelco J101-Serie, Underwood oder Bogen MCJ 101-Serie, erhältlich von, unter anderen Plätzen, HF-Teile.
3. MRF171A verfügbar BFI (VEREINIGTES KÖNIGREICH), Richardson or HF-Teile (US)
4. Bogen Sprague oder Trimmer sind ab Communication Concepts (US)
5. 18 SWG (Standard Wire Gauge) ist ungefähr 1.2mm Durchmesser
6. 22 SWG (Standard Wire Gauge) ist ungefähr 0.7mm Durchmesser
7. Um die Induktoren herzustellen, wickeln Sie die erforderliche Anzahl von Windungen um einen entsprechend großen Former. Verwenden Sie zunächst einen Drahtdurchmesserabstand zwischen jeder Windung. Ziehen Sie dann die Windungen auseinander, um die in der Teilelistentabelle erforderliche Länge zu erhalten. Überprüfen Sie abschließend den Wert mit einem Netzwerkanalysator und passen Sie ihn entsprechend an.
8. Die Ausnahme von der Regel ist oben Abstand L4, die enge Wunde ist.
9. Kupferfolie ist von Handwerksbetrieben zur Verfügung (verwendet in der Glasmalerei making)
10. A / R = nach Bedarf

Photograph of Prototype Verstärker

Beachten Sie die Ausrichtung des FET. Die Führung mit dem Schrägstrich ist die Drain und ist auf der rechten Seite

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Low Pass Filter Testing

Jeder HF-Leistungsverstärker muss von einem verfolgt werden Tiefpassfilter (LPF) auf die Reduzierung Harmonik auf ein akzeptables Niveau. Was dieser Pegel in einer nicht lizenzierten Anwendung ist, ist ein strittiger Punkt, aber wenn die Ausgangsleistung erhöht wird, muss der Unterdrückung der Harmonischen mehr Aufmerksamkeit geschenkt werden. Beispielsweise beträgt eine 3. Harmonische von -30 dBc an einem 1-W-Gerät 1 uW, was wahrscheinlich keine Probleme verursacht, während die Unterdrückung der 30. Harmonischen von -3 dBc an einem 1-kW-Ausgang zu einer Leistung von 1 W an der dritten Harmonischen führt, was möglicherweise problematisch ist. Also für die Absolute Ebene der harmonischen Strahlung im zweiten Beispiel die gleiche wie die erste sein, müssen wir nun die dritte Harmonische von 60dBc unterdrücken.

In diesem Design habe ich die Entscheidung getroffen, einen 7-poligen Chebyshev-Tiefpassfilter zu implementieren. Ein Chebyshev wurde gewählt, da die Phasen- und Amplitudenwelligkeit innerhalb des Durchlassbereichs nicht kritisch war, und der Chebyshev bietet eine bessere Stoppbanddämpfung als beispielsweise ein Butterworth. Das Entwurfsstoppband wurde auf 113 MHz gewählt, was einen Implementierungsspielraum von 5 MHz von der höchsten gewünschten Durchlassbandfrequenz bei 108 MHz und dem Start des Stoppbands bei 113 MHz ergibt. Der nächste kritische Entwurfsparameter war die Durchlassbandwelligkeit. Bei einem Einzelfrequenzdesign ist es üblich, eine große Durchlassbandwelligkeit, beispielsweise 1 dB, zu wählen und die Spitze der letzten Durchlassbandmaxima auf die gewünschte Ausgangsfrequenz abzustimmen. Dies ergibt die beste Stoppbanddämpfung, da eine größere Durchlassbandwelligkeit zu einer schnelleren Stoppbanddämpfung führt. Ein siebenpoliger Filter hat 7 reaktive Elemente, bei dieser Ausführung vier Kondensatoren und drei Induktivitäten. Je mehr Pole vorhanden sind, desto besser ist die Sperrbanddämpfung auf Kosten einer höheren Komplexität und eines größeren Verlusts beim Einfügen des Durchlassbereichs. Eine ungerade Anzahl von Polen ist erforderlich, da sowohl die Eingangs- als auch die Ausgangsimpedanz auf 50 R ausgelegt sind.

Da dieses Design breitbandig ist, wird die Durchlassbandwelligkeit auf ein Niveau beschränkt, so dass der Durchlassbandrückfluss nicht zu schrecklich wird. Verwenden des hervorragenden Dienstprogramms zum Entwerfen von Faisyn-Shareware-Filtern (erhältlich von FaiSyn RF Design Software Home Page) ermöglicht die einfache Untersuchung dieser Kompromisse, und ich habe mich für eine Durchlassbandwelligkeit von 0.02dB entschieden. Dieses Programm berechnet auch die Filterwerte für Sie und gibt eine Netzliste in einem Format aus, das für die Eingabe in die beliebtesten Linearschaltungssimulatoren geeignet ist. Bei 7 Polen standen 4 Kondensatoren und 3 Induktivitäten oder 3 Kondensatoren und 4 Induktivitäten zur Auswahl. Ich habe mich für Ersteres entschieden, weil es zu einer Komponente weniger für den Wind führt. Die aus dem Faisyn-Programm angegebenen Kondensatorwerte wurden untersucht, um zu überprüfen, ob sie nahe an einem bevorzugten Wert lagen, der sie waren. Wenn sie zwischen bevorzugte Werte gefallen wären, würden die Optionen das Parallelschalten von zwei Kondensatoren umfassen, was die Komponentenanzahl unnötig erhöht, oder das subtile Ändern der Sperrbandfrequenz und der Durchlassbandwelligkeit, um einen wünschenswerteren Satz von Werten zu erhalten.

Um den Filter zu implementieren, entschied ich mich Standardgröße metallkaschierten Kondensatoren durch Unelco gemacht oder benutzen Sie Semco. Die Induktoren bestanden aus verzinntem Kupferdraht mit 18 SWG (Standard Wire Gauge). Nach meiner Erfahrung kann mit der Verwendung von versilbertem Kupferdraht wenig erreicht werden. Die Induktoren wurden um die Mitte eines Standards herum gebildet RS or Farnell Tweaking-Tool (FEC 145-507) - dies hat einen Durchmesser von 0.25 Zoll, 6.35 mm. Verwenden Sie andernfalls den Bohrer mit der entsprechenden Größe. Die beiden äußeren Induktoren wurden im Uhrzeigersinn gewickelt, der innere gegen den Uhrzeigersinn. Dies ist ein Versuch, die gegenseitige induktive Kopplung zwischen den Induktoren zu verringern, was dazu neigt, die Sperrbanddämpfung zu verschlechtern. Aus dem gleichen Grund sind die Induktoren in einem Winkel von 90 ° zueinander angeordnet und nicht alle in einer geraden Linie. Die Induktivitäten sind direkt mit den Laschen der metallbeschichteten Kondensatoren verlötet. Dies reduziert Verluste auf ein Minimum. Ein sorgfältig konstruierter Filter dieses Typs kann einen Durchlassbereichseinfügungsverlust von besser als 0.2dB aufweisen. Hier sind die Testergebnisse für die Prototypeinheit.

Da ich die erforderlichen Werte für die Induktoren kannte, machte ich eine fundierte Vermutung, basierend auf der Erfahrung, wie viele Windungen ich benötigte, und verwendete dann einen ordnungsgemäß kalibrierten HF-Netzwerkanalysator, um die Induktivität des von mir erstellten Induktors zu messen. Dies ist bei weitem der genaueste Weg, um den Wert von Induktivitäten mit kleinem Wert zu bestimmen, da die Messung bei der tatsächlichen Betriebsfrequenz des Filters durchgeführt werden kann. Nachdem Sie den Wert gemessen und die Induktivitäten entsprechend angepasst haben, sollten Sie feststellen, dass bei der Konstruktion des gesamten Filters überraschend wenig Einstellungen erforderlich sind, um die Filterabstimmung abzuschließen.

Der beste Weg, um diesen Filter abzustimmen, besteht darin, den Rückflussverlust des Durchlassbereichseingangs mithilfe eines Netzwerkanalysators zu minimieren. Durch Minimieren des Eingangsrückflussverlusts minimieren Sie den Durchlassbandübertragungsverlust und die Durchlassbandwelligkeit. Das 20MHz Spanne Die Grafik zeigt, dass ich eine Durchlassband-Rückflussdämpfung von -18 dB erreicht habe. Wenn Sie keinen Netzwerkanalysator haben, sind die Dinge etwas schwieriger. Wenn Sie nur eine Punktfrequenz einstellen, richten Sie eine HF-Stromquelle ein, um über einen Richtungsleistungsmesser in den Filter zu fahren. Der Filter wird mit einer guten 50R-Last abgeschlossen. Überwachen Sie nun die vom Filter zurückkommende reflektierte Leistung und stellen Sie den Filter so ein, dass die reflektierte Leistung minimiert wird. Wenn Sie Breitbandleistung wünschen, müssen Sie versuchen, dies beispielsweise bei drei Frequenzen zu tun, unten, in der Mitte und oben im Band. Wenn Sie es alternativ geschafft haben, Ihre Induktivitäten auf andere Weise gut genug zu messen, können Sie den Filter einfach zusammenbauen und ohne weitere Einstellung dabei belassen.

Nachdem Sie die minimale Durchlassband-Rückflussdämpfung eingestellt haben, kümmert sich die Sperrbanddämpfung von selbst. Sie sollten sich nicht darauf einstellen, da dies den Einfügungsverlust des Durchlassbereichs durcheinander bringt. Das 200MHz Spanne Die Grafik zeigt, dass ich 36 dB Unterdrückung bei der 2. Harmonischen von 88 MHz geschafft habe, was der schlimmste Fall ist. In Bezug auf 600MHz Spanne Grafik zeigt die 3rd Harmonische 88MHz by-55dB und höherer Ordnung um einen Betrag größer als diese unterdrückt.

Verstärker Testing

Ich habe einen HP 8714C Netzwerkanalysator verwendet, um diesen Verstärker abzustimmen. Ohne Zugriff auf einen Netzwerkanalysator müssen Sie äußerst erfinderisch sein, um die Breitbandleistung zu optimieren. Nachdem der LPF eingestellt wurde, besteht der nächste Job darin, die FET-Vorspannung einzustellen. Tun Sie dies mit einem an den Ausgang angeschlossenen Spektrumanalysator (über eine geeignete Größe einer Dämpfung zumindest 40dB) zur Überwachung auf Störschwingungen. Schließen Sie eine gute 50R-Last an den Eingang an und schließen Sie ein stabilisiertes Netzteil (Netzteil) mit einer Strombegrenzung von 200 mA an.

Stellen Sie alle Trimmer auf die Mitte ihres Bereichs ein. Wenn bei den angegebenen Miniaturkeramik-Trimmern die Halbmondmetallisierung auf der oberen Platte des Trimmers vollständig mit der Ebene auf dem Trimmerkörper ausgerichtet ist, hat der Trimmer die maximale Kapazität. Für minimale Kapazität von hier aus um 180 ° drehen. Stellen Sie R1 auf minimale Spannung ein (experimentieren Sie, bevor Sie den FET anbringen, wenn Sie nicht wissen, wie dies ist). Erhöhen Sie langsam die Versorgungsspannung von 0 V auf + 28 V. Der einzige Strom, der entnommen wird, sollte der von der Vorspannungsschaltung aufgenommene sein, etwa 14 mA. Stellen Sie nun R1 ein, um dieser Zahl 100 mA hinzuzufügen. Der Strom vom Netzteil darf nicht plötzlich ablaufen. Wenn ja, schwingt der Verstärker mit ziemlicher Sicherheit.

Wenn alles in Ordnung ist, schalten Sie aus. Kalibrieren Sie den Netzwerkanalysator. Auf dem HP 8714C für diese Anwendung normalisiere ich S11 in einen offenen Stromkreis und führe eine Durchgangskalibrierung auf S21 mit 40 dB Dämpfung in Linie durch. Offensichtlich müssen die verwendeten Dämpfungsglieder für mindestens 50 W HF bei UKW-Frequenzen ausgelegt sein.

Jetzt wird das Leben etwas kompliziert. Normalerweise würde ich empfehlen, die Kombination aus Verstärker und LPF durchzusehen. Da der LPF-Haltepunkt jedoch nur 5 MHz über dem gewünschten Durchlassbereich des Verstärkers liegt, ist es unmöglich, die Ansprechform des Verstärkers zu erkennen, wenn dieser von 108 MHz hochbandig ist . Aus diesem Grund habe ich die anfängliche Verstärkerabstimmung mit umgangenem LPF durchgeführt, wodurch ich die Spanne des Netzwerkanalysators so weit einstellen konnte, dass ich sehen konnte, wo die Verstärkerantwort war.

Mit 0dBm von Antriebs-, zwicken weg zu bekommen ca. 15dB von Verstärkung und besser als 10dB der Rückflussdämpfung über 88 zu 108 MHz (Kleinsignalverstärkung Grundstück, Pin = 0 dBm). Fahren Sie nun den Antrieb zum Verstärker hinauf und ziehen Sie die Strombegrenzung entsprechend zurück. Sie werden feststellen, dass mit zunehmendem HF-Antrieb die Verstärkung zunimmt und sich die Eingangsrückflussdämpfung verbessert. Dieses Verhalten ist eine Folge der vergleichsweise geringen Vorspannung des FET. Sie können die Muttern aus dem FET vorspannen und auf beispielsweise 0.5 A vorspannen. Dies gibt Ihnen mehr Verstärkung bei niedrigeren Antriebspegeln. Für normale Anwendungen empfehle ich die Verwendung einer geringeren Vorspannung. Eine hohe Vorspannung bei kleinen Ausgangspegeln verringert die Effizienz von Gleichstrom zu HF.

Sie müssen den Verstärker jetzt mit einem Lüfter kühlen, es sei denn, Sie haben ihn mit einem riesigen Kühlkörper ausgestattet. Mit dem HP 8714C können Sie + 20 dBm Quellleistung erhalten (das steht auf dem Bildschirm, es ist tatsächlich weniger als das) (Medium Signalverstärkung Grundstück, Pin = + 20 dBm). Mit dieser Laufwerksstufe können Sie jetzt eine Gewinn- und Rückflussdämpfung von 18 bis 20 dB einstellen, die besser als 15 dB ist. Zu diesem Zeitpunkt würde ich den LPF wieder anschließen und die Spanne des Netzwerkanalysators auf 20 MHz bei 98 MHz eingrenzen. Es wird sicherlich nicht empfohlen, den Verstärker über 108 MHz mit Strom in den LPF zu treiben. Bevor Sie zu sehr mitgerissen werden, wechseln Sie zu CW (am besten verlängern Sie den Sweep-Sweep im CW auf einige Sekunden, um nicht durch den Sweep-Flyback des Analysators verwirrt zu werden) und sehen Sie sich den Ausgang des Spektrumanalysators an. Der Ausgang sollte sauber sein wie der gefahrene Schnee. Denken Sie daran, zu überprüfen, ob der Ausgang auf der Frequenz liegt, mit der Sie den Verstärker erregen. Wenn dies nicht der Fall ist, sehen Sie eine schreckliche In-Band-Schwingung.

Für die endgültige Einstellung der Ebenheit der Leistung verwendete ich einen Mini-Circuits ZHL-42W-Breitbandverstärker, um die Leistung des Netzwerkanalysators zu erhöhen, da ich Zugang zu einem intelligenten HF-Labor mit allem hatte, was Sie möglicherweise benötigen könnten (jedenfalls in Bezug auf die Testausrüstung) Ich möchte die Verstärkungsantwort der Verstärker bei voller Ausgangsleistung flach einstellen. Das endgültige Verstärkungsdiagramm wurde erstellt, indem die Quellleistung entsprechend eingestellt und dann eine Durchgangskalibrierung mit dem Mini-Circuits-Verstärker und den Leistungsdämpfern in Reihe durchgeführt wurde. Dadurch konnte ich nur die Verstärkung des Leistungsverstärkers aufzeichnen. Ich wechselte dann zu Slow Sweep und verwendete ein kalibriertes HF-Leistungsmessgerät, um die HF-Ausgangsleistung genau zu messen. Durch genaue Kenntnis der HF-Ausgangsleistung und -Verstärkung konnte ich die Eingangsleistung des Leistungsverstärkers berechnen. Dieses Diagramm zeigt, dass die Leistungsverstärkung einen Schatten unter 20 dB und ungefähr 0.3 dB flach über das Band beträgt (große Signalverstärkung Grundstück, Pin = + 26.8 dBm). In Verbindung mit der Ebenheitsabstimmung sollte der Wirkungsgrad überprüft werden. Ich habe ein Minimum von 60% bei 88 MHz bei 40 W erreicht und mich mit höheren Ausgangsleistungen verbessert. Ich würde sagen, dass eine gute Effizienz wichtiger ist als eine gute Ebenheit. Aus der Sicht des Hörers ist der Unterschied zwischen 35 W und 45 W Leistung vernachlässigbar. Wenn jedoch eine geringere Leistung mit einem guten Wirkungsgrad verwendet wird, läuft der FET kühler, hält länger und ist widerstandsfähiger gegen Fehlerbedingungen wie ein hohes VSWR.

Welche Ausgangsleistung Sie für den endgültigen Betrieb auswählen, liegt ganz bei Ihnen. Der MRF171A kann problemlos mindestens 45 W und wahrscheinlich noch viel mehr Leistung erbringen, obwohl ich ihn nicht empfehle. Etwa 40 bis 45 W sind ausreichend - siehe So halten Sie Ihren Abschlussbericht RF Stromversorgungsgerät Lebend um mehr zu erfahren.

Verstärker Ergebnisse

Am Ausgang des Verstärkers konnten bis zu einem Grundrauschen von -70 dBc keine Oberwellen gemessen werden. Dies ist zu erwarten, da eine schnelle Untersuchung die rohen Harmonischen des Verstärkers vor dem LPF auf etwa -40 dBc zeigte. Es wurde bereits gezeigt, dass der Filter eine minimale Unterdrückung der 2. Harmonischen von -35 dBc aufweist. Es waren keine falschen Ausgaben sichtbar.

Es wurden keine formalen Messungen mit VSWRs mit schlechter Ausgabe durchgeführt. Ich habe den Verstärker versehentlich einige Sekunden lang mit voller Leistung in einen offenen Stromkreis geschaltet, und er ist nicht explodiert. Die Verwendung eines Netzteils mit einer sorgfältig festgelegten Strombegrenzung verhindert, dass der Verstärker unter diesen Bedingungen etwas Dummes tut.

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Anwendung

Als Beispiel einer Anwendung für diesen Verstärker habe ich die Broadcast-Warehouse 1W LCD FM PLL Exciter um den 40W Breitbandverstärker anzusteuern. Um zu vermeiden, dass die Broadcast Warehouse-Einheit geändert wird, habe ich ein Labor-3DB-BNC-Pad zwischen dem Erreger und dem Leistungsverstärker verwendet, um dem Verstärker den richtigen Ansteuerungspegel zu verleihen. Der Erreger wurde für drei verschiedene Frequenzen programmiert, wobei bei jeder Frequenz die Ausgangsleistung und der Stromverbrauch gemessen wurden, wodurch der Wirkungsgrad von Gleichstrom zu HF berechnet werden konnte.

Endstufenversorgung = 28V
Exciter Versorgungsspannung = 14.0V, Exciter Stromaufnahme = ca. 200 mA.

Der Broadcast Warehouse-Erreger verfügt über eine RF-Abschaltfunktion außerhalb der Sperre, die während der PLL-Neuprogrammierung verwendet wird, sodass die HF erst erzeugt wird, wenn die Frequenzsperre wieder hergestellt wurde. Wenn die HF-Abschaltung der Erreger aktiv war, wurde der Verstärkerausgang auf ähnliche Weise reduziert - dh der Verstärker blieb stabil.

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Zusammenfassung

Ich habe einen Breitbandverstärker demonstriert, der nach dem Einstellen keine weitere Anpassung erfordert, um das FM-Broadcast-Band von 87.5 bis 108 MHz abzudecken. Das Design verwendet einen hochmodernen MOSFET, der mit einer einzigen Stufe eine Verstärkung von fast 20 dB bietet, eine gute DC / RF-Effizienz, eine geringe Komponentenzahl und einen einfachen Aufbau aufweist. Die Teilekosten sollten 50 GBP nicht überschreiten, der im Prototyp verwendete FET weniger als 25 GBP

Wenn dieser Verstärker mit einer Breitband-Erreger und Antenne benutzt wird, erlaubt die resultierende Kombination der Benutzer Sendefrequenz am Willen schalten ohne Anpassungen ohnehin notwendig in der Übertragungskette.

Der Verstärker benötigt ein gewisses Maß an Erfahrung, um HF-Leistungs-Melodie, und der Zugang zu professionellen HF-Messgeräte

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Future Work

• Bauen Sie zusätzliche Einheiten, um die Wiederholbarkeit bewerten
• Design-Leiterplatte
• Verbessern Sie die Stabilität unter schlechten Bedingungen Mismatch-Eingang
• Reduzieren Sie die Anzahl der Komponenten variabel
• Untersuchen unterschiedlichen FET Vorstrom, um die Verstärkung zu ändern

 

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Beigesteuert

Beigesteuert von Einzigartige Elektronik (Woody und Alpy)
"Hier ist eine Platine für den MRF171A, 45 Watt Mosfet, auf Ihrer Seite.
Die Datei ist im BMP-Format. Verwenden Sie einen Laserfilm und einen Laserdrucker, um die Größe zu bestimmen. "

MRF171A_1_colour.bmp (14 kb)

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