Amateurfunktechnik

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Moderne 50-V-LDMOS-Leistungstransis-toren weisen nicht nur eine große Robust-heit gegen Lastfehlanpassung auf, sie sindauf der Drain-Seite auch mit relativ klei-ner Kapazität und niedriger Bondinduk -tivität „belastet“. In Verbindung mit derhöheren Versorgungsspannung von 50 V(kleinere Transformationsverhältnisse) ist

es leichter, eine breitbandige Anpassungdes üblichen Verbraucherwiderstands von50 Ω auf einen komplexen Arbeitswider-stand an den Anschlussfahnen des Tran-sistors zu erreichen. Darauf basiert dasnachfolgend vorgestellte Konzept.Es sei ferner vorangestellt, dass beim Be-trieb einer solchen Endstufe die Lizenzbe-dingungen zu beachten sind. Das betriffthier insbesondere das 6-m-Band.

■ Das Verstärkermodul Der hier verwendete LDMOS-Gegentakt-Leistungstransistor BLF574 von NXP kannseine maximale PEP-Leistung im Fre-quenzbereich von 20 MHz bis 450 MHz

abgeben [1]. Der damit erzielbare Wir-kungsgrad liegt bei einer CW-Leistungvon 400 W im Mittel bei 55...60 %.Um die Anpassungsmaßnahmen zu verste-hen, kommen wir nicht ganz ohne Mathe-matik aus. Der notwendige Realanteil desArbeitswiderstands R’L eines Einzeltran-sistors lässt sich aus

R’L = (UDS–UDK)2/ (2 P’O) (1)

ermitteln. Darin sind

UDS die Versorgungsspannung und UDK die sog. „Kniespannung“ (hier zu 4 V

angenommen) undP’O die abgebbare HF-Leistung eines Ein -

zel transistors. Konkret ergibt sich

(48 V – 4 V)2

R’L = = 4,84 Ω .2 × 200 W

Mit Leitungsanordnungen nach Guanellalassen sich relativ breitbandige HF-Trans-formatoren erstellen. Sehen wir uns dazudas Blockschaltbild Bild 2 an: Der üblicheunsymmetrische Verbraucherwiderstand

von 50 Ω (Antenne, Eingang eines Anpass-geräts usw.) wird mithilfe des Baluns T4(Wellenwiderstand 50 Ω) auf einen reellensymmetrischen 50-Ω-Widerstand gebracht.Der Leitungstransformator T3 (Wellen -widerstand 25 Ω) untersetzt die an 2/2’anliegende symmetrische Last von 50 Ωan 1/1’ auf einen reellen Eingangswider-stand von 50 Ω / 4 = 12,5 Ω respektive 2 × 6,25 Ω. Nach der vorher durchgeführten Über-schlagsrechnung für R’L (1) benötigt nunjeder Transistor am inneren Drain-An-schluss etwa 5 Ω reell für die gewünschteLeistungsabgabe von 200 W.Durch ein zusätzliches LC-Netzwerk lässtsich nun für die oberen Frequenzbereiche70 MHz (ggf.), 144 MHz und 432 MHz eine weitgehende Anpassung des an 1/1’angebotenen symmetrischen 12,5-Ω-Last-widerstands auf den an den Drain1/Drain2notwendigen reellen Arbeitswiderstand er-zielen. Die ungeliebte Drain(Ausgangs)-Kapazi -tät Cob (mit dem größten Einfluss auf dieBreitbandigkeit der Anpassschaltung) unddie Bondinduktivität LB werden dabei zumgroßen Teil kompensiert.Für die niedrigen Betriebsfrequenzen von21 MHz bis 50 MHz kann man in ersterNäherung die LC-Anpassschaltung alsweit gehend wirkungslos betrachten. AnDrain 1 und Drain 2 ist dann eben jeweilsein Widerstand von etwa 6,25 Ω wirksam.Dies entspricht einer Fehlanpassung von s = 6,25 Ω / 4,84 Ω = 1,29, die der Halb-leiter leicht verkraftet!Das Eingangsnetzwerk zur Transformationdes meist sehr niederohmigen Gate-Source-Widerstands RGS (≈ 1 Ω in Serie mit etwa300 pF) eines Einzeltransistors ist ähnlichaufgebaut wie das Ausgangsnetzwerk. Dahier das notwendige Transformationsver-hältnis wesentlich höher (≈ 50:2) als amAusgang ausfällt, ist es oft von Vorteil, fürT2 einen 9:1-Transformator zu wählen. Mit den LC-Netzwerken zwischen T1, T2 und G1/G2 des BLF574 soll wieder eine möglichst optimale Anpassung beiden oberen Frequenzen erreicht werden,

Der „Sechsbander“ – breit ban digeKW/VHF/UHF-LeistungsendstufeKONRAD HUPFER – DJ1EE

Im folgenden Beitrag geht es um keine Bauanleitung, sondern um einenKonzeptvorschlag für eine breitbandige Leistungsendstufe mit 350 W PEP,die sich für die Bänder 15 m, 12 m, 10 m, 6 m, 2 m und 70 cm eignet. Auchdas 4-m-Band ließe sich ggf. damit abdecken. Ausgangspunkt ist derGegentakt-LDMOS-Leistungstransistor BLF574 von NXP.

Pst

1:1Balun

L/C

L/C

R

R

4:1(9:1)

T1 T2 L/C

L/C

1:1Balun1:4

T4T3L/C

L/C

2

2’1’

1

LB

LB

Cob

Cob

RL’

RL’

G1

G2

S S

D1

D2

Cgs

Cgs

Rs

Rs

LB

LB

BLF574

Po’

Po’

Bild 2: Blockschaltbild des breitbandigen Ein- und Ausgangsnetzwerks für das HF-Leistungsmodul mit dem LDMOS-Transistor BLF574(NXP) und dem internen Ersatzschaltbild

Bild 1:Auf einem Kühlkörpermontiertes Breitband -verstärker modul mit BLF574; links Eingangs-LC-Netzwerk, rechts Ausgangs-LC-Netzwerk, ge folgtvon 1:4-Trans for -mator und Balun

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d. h. es wird ein maximales Stehwellen-verhältnis (SWV) von s = 1,5…2,0 ange-strebt.Die nach niedrigen Betriebsfrequenzen hinansteigende Verstärkung des Transistorswird durch die hier herrschende schlech -tere Eingangsanpassung kompensiert. Dasam 50-Ω-Ansteuereingang auftretende Ein-gangs-SWV würde jedoch sehr groß wer-den (s = 5); das Ansteuergerät (Treiber -stufe) „sieht“ dann einen von 50 Ω reellstark abweichenden Lastwiderstand unddie IMD3-Produkte könnten erheblich zu-nehmen. Ein Teil der LC-Anpassglieder ist nochmit ohmschen Widerständen belastet, dieerst bei den unteren Frequenzen wirksamwerden und das SWV wieder in die Nähevon s = 2,5…1,5 bringen. Außerdem wirddamit der Frequenzgang der Verstärkungklein gehalten (± 1,5 dB).

Die Messwerte eines Breitbandmoduls,optimiert für die Amateurfunkbänder, nochohne Kompensation des Frequenzgangs,gehen aus Tabelle 1 hervor. Mit Kompen-sation liegen die notwendigen Ansteuer-leistungen für den ganzen Frequenzbereichbei 4…6 W; das Eingangs-SWV schwanktzwischen s = 2,8…1,8.

■ Breitbandmodule in einer PA für mittlere Ansteuerleistungen

Für Vollaussteuerung des Breitbandver-stärkers sind etwa 10 W Ansteuerleistungerforderlich. Höhere Ansteuerleistungensind ggf. herabzudämpfen. Bild 4 zeigt diePrinzipschaltung meines Musteraufbaus mitvier separaten Ein- und Ausgängen.Um ggf. das 70-MHz-Band noch zu erschlie-ßen, müsste man den jetzigen 50-MHz-Traktdafür mitbenutzen und dessen Oberwellen-filter für 70 MHz dimensionieren.

Aus Bild 4 geht auch die notwendige Pe -ripherie wie Oberwellenfilter, S/E-Um-schaltung und Messtechnik zur Ansteue-rung der Anzeigen für z. B. vor- und rück-laufende Modulausgangsleistungen sowiezur Steuerung der Schutzschaltungen her-vor.

Bild 1 zeigt den erprobten Aufbau des Leis-tungsverstärkers und Bild 3 die Relais/Oberwellenfilterbank.Da eine Gegentaktschaltung im Allgemei-nen die 2. Oberwelle 3 × f0 mit nur etwa13…15 dB Abstand zur Grundwelle lie-fert, müssen die Tiefpässe entsprechendsteil ausgelegt sein. Dies ist mit Filter -anordnungen vom Grad 7 gut erfüllbar, dadie Endstufe die 1. Oberwelle 2 × f0 bereitsmit etwa 30 dB unterdrückt. Die Oberwel-lenfilter sind im Sende- und Empfangs -betrieb eingeschaltet; die damit einher -gehende zusätzliche Empfangsdämpfungvon maximal 0,3…0,4 dB ist dabei sicherzu vernachlässigen.Die hier in diesem Versuchsaufbau zurSende-Empfangs-Umschaltung verwen-deten Leistungsumschaltrelais K9…K12(Bild 5) sind für eine PEP-Leistung von400 W ausreichend, da ja üblicherweise

K1 K5D21/28

K2 K6D50

K3 K7D144

K4 K8D432

21/28MHz

50MHz

144MHz

432MHz

a1 = 0,5…6dB*

OWF21/28MHz

21/28MHz

PEPmax = 350W

50MHz

144MHz

432MHz

a2 ≈ 0,6dB

K13

K14

K15

OWF50MHz

OWF144MHz

OWF432MHz

K9

K10

K11

K12

L1

L2

L1’

L2’

S11 ≤ 20dBBasismodul+48V

BLF574

PEPmax = 400W

MRK

Vorlauf-Anzeige

Rücklauf-Anzeige

* mit D einstellbar

K1…8; K13…15 einfache Umschaltrelais; z.B. NAI2W-KK9…12 Typ AR201 3F ST1-DC12V-F

Bild 4: Blockschaltbild der kompletten Breitband-Endstufe mit BLF574-PA-Modul gemäß Bild 2, Umschaltrelais, Dämpfungsgliedern undOberwellenfiltern

Bild 3:Teilansicht vonTiefpassfilterbank(links), Dämpfungs -gliedern sowie 50-ΩΩ-Mikrostreifenleitung(rechts, etwa Mitte)

Fotos: DJ1EE

Tabelle 1: Messwerte eines Breitbandmoduls mit BLF574

f /MHz 21 28 50 70 144 432Id/A 12 12,5 12 13 14 15Pst/W 0,7 0,8 0,8 1,2 1,9 4,9

Pomax = 400 W IDq = 1,2 A UDS = 48 VWerte für die Amateurbänder optimiert, noch ohneKompensation

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im „kalten“ Zustand geschaltet wird. MeinZiel war es, ohne teure Koaxialrelais aus-zukommen. Wie aus Bild 3, rechte Seite,hervorgeht, sind diese Relais „HF-güns tig“einzubauen; eine Abschirmung ist zweck-mäßig.Das weite Feld derartiger preiswerter Um-schaltrelais (um 7 €) bietet sicher die Mög-lichkeit, Ausführungen zu finden, die auchnoch bei höheren HF-Leistungen ver-wendbar sind. Die Zuführung der Hochfrequenzleistungdes Breitbandmoduls zu den Relais K9…K12 geschieht über eine möglichst kurz-gehaltene 50-Ω-Leitung (hier als Mikro -streifenleitung ausgeführt). Die unvermeid-lichen Streukapazitäten an den Relaisein-gängen lassen sich weitgehend durch L1’und L2’ kompensieren. Bei richtiger Di-mensionierung dieser in die Leitung ein-geschleiften Induktivitäten sowie durch ei-nen kleinen Nachgleich an den Eingangs-bauelementen der Oberwellenfilter lässtsich am zentralen Einspeisepunkt (am Aus-gang des Messrichtkopplers MRK) eineEingangsreflexion von etwa S11 = –20 dBerreichen.

Eine ähnliche Kompensation der Streu -kapazitäten an der Eingangsrelaismatrixkann mithilfe von L1 und L2 erfolgen. Diefür die jeweiligen Bänder eingefügtenohmschen Dämpfungsglieder D21/28,D50, D144 sowie D432 sind so zu be -messen, dass in allen Frequenzbereicheneine etwa gleiche Ansteuerleistung für 350 W PEP Ausgangsleistung erforderlichist (z. B. Pst = 10 W PEP).

Noch ein Wort zu den Relais K13, K14und K15: Wird z. B. auf 21 MHz gesendet,so könnte durch die mangelnde Entkopp-lung der Sendekontakte von den RelaisK10, K11 und K12 eine geringe Oberwel-lenleistung an die restlichen Antennenaus-gänge (50/144/432 MHz) gelangen. Umdas zu verhindern, legen K13, K14 undK15 diese Ausgänge auf Masse. Bei Sen-debetrieb auf 144 MHz könnte über denSendekontakt von K12 die 3. Oberwelleüber das Oberwellenfilter zur angeschlos-

senen Antenne weitergeleitet werden. K15legt darum den 432-MHz-Ausgang aufMasse.Zur Messung der erzeugten HF-Leistungund der Anpassung kommt ein breitbandi-ger Richtkoppler nach [2] zum Einsatz.Durch die Einschleifung direkt am Mo-dulausgang lässt sich auch die Funktionder einzelnen Oberwellenfilter überprü-fen. Bei Überschreitung eines festgelegtenRücklaufwertes erfolgt dann durch die übliche Schutzschaltungstechnik eine Ab-schaltung der Gate-Spannung des HF-Leis-tungstransistors.Einige Messwerte im SSB-Betrieb sind inTabelle 2 aufgelistet. An dem hier vorge-stellten Konzept für einen Mehrband-Leis-tungsverstärker lassen sich freilich nochVerbesserungen und sinnvolle Änderungendurchführen. Vor allem ist es, wie bereits oben erwähnt,eine Spielwiese für eine anzuwendendepreiswerte Relaistechnik! Ich würde michfreuen, wenn aus dem verehrten Leser-kreis einige Kommentare zum Gesamt-konzept kämen.

Literatur

[1] NXP Semiconductors: BLF574, HF / VHF powerLDMOS transistor. Product data sheet, Rev. 02,24 February 2009

[2] Hupfer, K., DJ1EE: Ein Leistungsmessricht -koppler für den KW- und UHF-Frequenzbereich.UKWBerichte 52 (1912) H. 1, S. 35–43

Tabelle 2: Erreichte IMD3-Messwerte der Breitband-PA im 70-cm-Band

PSt/W Pout/W IMD3/dBc10 350 –3011,5 400 –27

f = 432 MHz; alle Leistungswerte PEP

Bild 5: Innenleben der zur Sende-Empfangs-Umschaltung verwendeten Leistungsum-schaltrelais AR201 3F; darunter die eingangs-seitig verwendeten Relais NAI2W-K

Die Berechnung verlustbehafteter Collins-Filterbauelemente unterscheidet sich fürmaximale Leistungsübertragung von denenfür Anpassung. Zur Berechnung auf maxi-male Leistungsübertragung bei einer ver-lustbehafteten Induktivität habe ich ein Ex-cel-Arbeitsblatt Collins-Filter_eta_max.xls(Bild) erstellt, das vom Download-Bereichauf www.funkamateur.de heruntergeladenwerden kann. Dort ist auch die Handha-bung erläutert. Eingaben müssen zunächst für R1, R2, dieBetriebsfrequenz fB und Spulengüte QL ge-macht werden. Nach Vorgabe der Filter-eingangskapazität C1 werden Induktivitätund Filterausgangskapazität automatischberechnet sowie mit ihnen die Selektivitätund der Filterverlust ermittelt. Die verwen -deten Formeln sind in den jeweiligen Zel-

len des Arbeitsblatts sichtbar und für Inte -ressenten nachvollziehbar.Das Arbeitsblatt verwendet die sogenannteBetriebsgüte bewusst nicht, da sie von ver-schiedenen Autoren unterschiedlich defi-niert wird. R1/XC1 dient in gewissem Maßezur Filtercharakterisierung – vgl. Bilder 6,7 und 9 bis 12 in [1], in denen „QB“ durch„R1/XC1“ zu ersetzen ist.Das Arbeitsblatt ist sowohl für MicrosoftExcel ab 1997 als auch für Calc aus demfreien OpenOffice.org-Paket geeignet. BeiExcel ist die Zielwert-Suchfunktion mit ei-nem Makro-Button Start verknüpft. Das ver -einfacht die Handhabung.Literatur

[1] Peuker, H., DL2DSD: Eigenschaften des Collins-Filters – eine Übersicht in Bildern. FUNKAMA-TEUR 58 (2009) H. 9, S. 969–971

[2] Peuker, H., DL2DSD: Zur Theorie und Berech-nung von Collins-Filtern. Teilreprint mit Berichti-gungen. www.funkamateur.de → Downloads/Ar-chiv → Downloads zum Heft → 2009 → FA 9/09

[3] Peuker, H., DL2DSD: Selektivität verlustloserCollins-Filter. FUNKAMATEUR 58 (2009) H. 12,S. 1305

Collins-Filterberechnung bei verlustbehafteter InduktivitätDr.-Ing. HENNING PEUKER – DL2DSD

Zur Berechnung von Collins-Filtern für Röhrenendstufen im Fall maxi malerLeistungsübertragung wird ein Excel-Arbeitsblatt vorgestellt.

Ausschnitt aus dem Arbeitsblatt zur Collins-Filterberechnung Screenshot: DL2DSD