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Ampli de puissance 2.4 GHz

 

Par: Michel Vonlanthen HB9AFO

 

 

 

 

 

Transistor Freescale  MHT1004N

 

 

Pallet vendu 225 par SV1AFN (vendeur fiable):
https://www.sv1afn.com/en/product-category-6/2.4-2.5-GHZ-RF-Power-Amplifier-220-W-Palette-for-Experimenters.html

 

 

Data sheet:

https://www.eedesignit.com/wp-content/uploads/2016/09/NXP-Semiconductors-MHT1004N-datasheet.pdf

 

 

Application note:

 

 

 

 

Premiers résultats

 

Le pallet monté sur un modeste refroidisseur ventilé. Le drain est alimenté en +24 Volts et la gate en 0 à +4 Volts au moyens d'alimentations stabilisées de laboratoire équipées de limitations de courant. L'amplificateur est attaqué par un ampli qui sort 4 Watts au maximum sur 2.4 GHz.

 

Le signal DATV provient d'une carte DATV-Express,  DVB-S2, 8PSK, SR 333k et FEC 9/10.

 

La mesure de puissance de sortie se fait au moyen d'un bolomètre HP 435A dont la sonde est équipée de 30dB d'atténuateurs. La sortie du PA attaque un coupleur directif de précision H-P 779D se terminant sur une charge fictive de 100 Watts. Le couplage donne -20dB de signal en sortie. Avec 100 Watts en sortie du PA, il reste 1 Watt sur la prise -20dB du coupleur. Avec les 30dB d'atténuation de la sonde, il reste 1mW sur la thermistance du bolomètre qui peut en supporter 100 avant de claquer. Ne riez pas, cela m'est déjà arrivé et m'a couté très cher pour me procurer une autre sonde (car difficilement réparable).

 

Avec 4 Watts en entrée, en réglant la tension de gate entre 0 et +3,5 Volts, on varie la puissance de sortie et le courant de repos (courant de drain sans signal à l'entrée). 0 V = rien en sortie et  +2,1V = 100 Watts. J'ai pu pousser jusqu'à  220 Watts DATV sans que le PA ne devienne trop chaud. A noter que la gate ne consomme aucun courant. Ces valeurs sont à prendre avec des pincettes car la mesure d'un signal DATV avec un bolomètre n'est pas tout-à-fait exacte par rapport à une porteuse pure. Lorsque je mesure 100 Watts en DATV, le PA consomme 7,6 Ampères sous 24V ce qui fait un rendement de 54%. Avec le même drive et le même réglage de tension de gate,  je mesure 120 Watts out avec une porteuse pure (8,6 A).

 

A 100 Watts, les épaules sont d'environ 25dB mais la mesure est imprécise car elle est influencée par tout ce qui arrive à l'analyseur (Airspy, SDRsharp et récepteur AR-5001DX) par les pertes rayonnées par les amplis, les câbles, etc. La linéarité du PA dépend du réglage de la tension de polarisation de la gate mais les premiers tests en local m'ont permis de recevoir les images DATV transmises par la carte DATV-Express avec le Minitiouner et ceci en 8PSK ce qui demande plus de linéarité que le QPSK.. 

 

Pendant ces essais, j'ai mesuré les températures. Celle du transistor est stable à 45 degrés alors que le boîtier/radiateur monte à 30 degrés.C'est vraiment très raisonnable, je m'attendais à plus. Par contre la charge fictive chauffe beaucoup, ce qui est normal, elle devient brûlante au toucher.

 

Voilà pour les premières mesures vite faites sur le gaz une fois la mécanique montée. Pour la suite, je vais remplacer l'alimentation de la gate par un circuit indépendant dérivé du +24V. Je vais également implanter une mesure permanente de la température qui, en plus, fera office de protection contre les surchauffes car je me connais, j'ai la fâcheuse habitude d'oublier mes PA en fonctionnement pendant la nuit, raison pour laquelle je les veux hyper-refroidis et à toute épreuve. Le circuit de polarisation comporte également un switch qui permet de mettre en route et d'arrêter le PA à distance. Je l'utilise surtout lorsque je fais des réglages sur la parabole avec le PA à côté mais avec  tout le reste dans le shack. Ce switch me permet de couper la HF lorsque je suis devant la parabole ce qui m'évite peut-être la mort puisque je porte un pacemaker. Je dis "peut-être" car j'en ai fait l'expérience par  inadvertance et il ne s'est rien passé. Mais sait-on jamais. Pour avoir déjà expérimenté un arrêt cardiaque, je suis devenu un peu plus prudent car ce n'est pas des plus agréable...

 

 

Premiers essais sur l'air

 

Je brûlais d'impatience de voir le résultat du PA sur le signal reçu par Oscar-100. J'ai donc installé provisoirement l'ampli à la place de l'ancien (de nuit, avec un lampe frontale, il faut le faire...) et l'ai mis sous tension, drivé par la DARTV-Express: sIgnal monstrueux qui, pour la première fois, pouvait dépasser celui de la balise en SR 500! Donc heureux et suite des essais bien au chaud dans le shack, avec 18 mètre de câble coaxial entre la sortie du PA et la parabole, donc des pertes. Mais sans importance pour les réglages, avec l'avantage de ne pas avoir besoin de charge fictive ce qui m'arrangeait car, pendant les premiers tests, sa température me faisait un peu peur. Et pourtant c'est une 100W! En principe ce câble me fait perdre 4dB, raison pour laquelle, en fonctionnement normal,  j'ai installé le PA très près de la parabole, après ce câble de 4dB.

 

On voit ci-dessous le banc de mesure dans le shack.

 

 

 

 

 

Refroidisseur

 

Le refroidisseur est un profilé d'alu de 74 x 62 mm de 250 mm de long. Une extrémité est ouverte et à l'autre un ventilateur 24V de 60m x 60mm souffle à l'intérieur.

 

  

Reichelt No cde: LA 6250 24V

 

 

Le PA avec à gauche le circuit de polarisation, au centre le pallet et devant le driver 5W

 

 

Le pallet est un circuit-imprimé sur lequel est fixé le transistor LDMOS, le tout vissé sur une plaque de cuivre de 10mm d'épaisseur. Afin de fixer le tout sur le refroidisseur, j'ai percé tous les trous du pallet à 3,2mm afin de pouvoir y enfiler des vis M3 qui iront se visser dans des taraudages faits sur le refroidisseur. Une bonne couche de crème de silicone blanche sous la plaque de cuivre améliore encore la conduction thermique entre elle et le refroidisseur. 

 

Le tout est fixé au sommet et au milieu du profilé dans le sens de la longueur afin qu'il profite au mieux de la dissipation de chaleur. Le pallet est contenu dans un boîtier fait avec des équerres d'alu plaquée sur ses côtés. Le dessus est fermé par un plaque d'alu à trous. Suite aux premiers essais, il a fallu installer un ventilateur supplémentaire car le transistor chauffait un peu trop au fil du temps. C'est le petit ventilateur 12V qu'on voit sur la photo. Au final il sera remplacé par un 24V 60 x 60mm afin qu'il puisse également être alimenté par le 24-28V du PA.

 

Au milieu l'ampli, à droite le driver 5W et à gauche la mesure de température et la polarisation

 

 

Dans le shack, les essais ont consisté à régler la polarisation du transistor de façon à ce qu'il soit le plus linéaire possible (donc proche de la classe A) tout en ayant un courant de repos le plus faible possible. Le tout en surveillant la température au moyen d'une sonde, un IC analogiqueLM35 qui délivre une tension proportionnelle à la température. 1 degré = 10 mV. Elle est fixée sur le pied de l'équerre latérale gauche du pallet, entre le boîtier de la polarisation et celui du pallet. En plus je contrôle de temps en temps la température du transistor lui-même au moyen d'un thermomètre laser. C'est d'ailleurs grâce à lui que j'ai constaté que le transistor chauffait un peu trop à mon gré et qui m'a fait installer le petit ventilateur.

 

 

1. Résultats avec PA sur charge fictive

 

Pour:

  • Valim = 28V

  • Pin    = 3-4W (il faudrait un peu plus)

  • La puissance (valeur efficace) est mesurée avec le bolomètre sur un signal DATV SR333. La puissance sur une porteuse pure non modulée est supérieure d'environ 20%.

 

Pout (W)

Irepos (W)

Idrain (A)

Ugate (V)

Epaules (dB)

50 0.0 4.5A + 1.7 -25
100 0.0 7 + 2.1 -23
150 0.6 9.2  + 2.6 -20
200 4.5 12 + 3.0 -18
220 10 14 + 3.3 -15

 

 

2. Résultats sur QO-100 avec PA dans le shack (avec un coax de 18m (perte 4dB)

  • Sur le spectre BATC: mon SR 500 est -2dB en-dessous de la balise
     

  • Signal reçu sur parabole 1,2 m: MER=5.7 dB / D2


20201205_Mesures (suite)

  1. Dans les mesures du courant de drain dans le tableau ci-dessus, j'avais oublié de déduire la consommation  du driver, qui est alimenté par la même source, soit le 28V. En conséquence, j'ai soustrait 0.6A des mesures ci-dessus.
     

  2. Je me suis aperçu que la fiche N du câble coaxial qui est vissée à la sortie du PA via un coude N, chauffait beaucoup. HB9IAM m'a soufflé de m'en méfier car les coudes ne sont pas toujours ce qu' on pense question pertes. Et effectivement, après l'avoir enlevé et branché le coax directement sur la prise de sortie du PA, j'ai obtenu un gain de 2dB sur mon signal  sur le satellite. Et pourtant c'est un ancien modèle qui me paraissait  sérieux, marqué "Ottawa UG.27B/U".
     

  3. En refaisant les mesures des épaules (linéarité), étage après étage, je me suis rendu compte que je ne pouvais pas sortir plus de 2,3W de mon driver final faute de quoi les épaules devenaient visibles.  Il faudra donc que je me procure un driver plus puissant.
     

 

 

 

Durant les essais, quelquefois je ne pouvais plus décoder mon signal sur le satellite. Les LED avaient la danse de St Guy. Après avoir mis un filtre de bande centré sur 2.4 GHz entre le driver et le PA, tout a semblé rentrer dans l'ordre. J'ai ensuite remplacé le filtre par un isolateur afin de protéger la sortie du driver et tout a continué à bien fonctionner. Une fois le PA remis près de la parabole, je mesurerai le spectre à large bande pour voir s'il n'y a pas une oscillation à quelque part. Je ne peux pas le faire dans le shack parce que le signal est trop fort. Et aussi je ne ne veux pas trop m'exposer à la HF car 2.4 GHz c'est la fréquence des chauffages à  micro-ondes....

 

 

Mesure de températures

 

Pout (W)

 

Idrain (A)

 

Temp (degrés C)

Radiat / transist

50 4.5A 30 / 40
100 7 34 /4 9
150 9.2 36 / 54
200 12 43 / 64
220 14 48 / 78

 

Laissé 3 minutes à la puissance désirée puis lecture de la sonde sur le multimètre et mesure de la température du transistor avec un thermomètre laser. C'est donc relativement approximatif mais cela donne une idée. Pour ma part j'éviterai de dépasser 200 Watts  ou alors il faudrait un radiateur plus gros.

 

 

20210111_Photos du PA

 

Clic sur la photo pour démarrer les diaporama

 


 

Le TOS-mètre

 

 

J'ai passé mon samedi à me construire un TOS-mètre pour le 2.4 GHz. J'avais déjà la sonde, restait à construire un appareil de mesure, ce que j'ai fait. Avec un simple microampèremètre à aiguille c'est un plaisir à utiliser. Et du même coup j'ai pu contrôler le TOS de ma parabole: il est très bont.

 

 

 

Tu vas rire!

En voulant étalonner mon TOS-mètre 2.4 GHZ, je me suis demandé pourquoi nous utilisions le RAPPORT d'ondes stationnaires plutôt que le TAUX d'ondes stationnaires.

 


 

 

Est-ce que ça te parle si je te dis que ma source hélice a un ROS de 1.5:1 ?

Il me semble que ce serait bien mieux d'utiliser la notion de TAUX d'ondes stationnaires, soit le rapport entre la puissance directe et la puissance réfléchie (en %). Dans le cas de l'exemple ci-dessus (1.5:1), le TOS serait de 20%, soit 20% de puissance en retour. J'envoie 100 Watts dans ma source et 20 Watts reviennent en retour à cause de la désadaptation des impédances.

Et accessoirement ça me facilite l'étalonnage de mon galvanomètre de 100 microAmpères puisqu'il est gradué de 0 à 100. Sans rien changer,  je lis directement le pourcentage de la puissance réfléchie par rapport à la puissance directe. Si je lis "10", cela signifie 10% de puissance en retour. C'est simple et parlant.

Les Anglo-saxons utilisent le terme VSWR soit Voltage Standing Wave Ratio, rapport de tension des ondes stationnaires. Et comme la tension est proportionnelle à la puissance, j'ai mon étalonnage.

C'est tellement simple que je me demande si je n'ai pas oublié quelque chose, ce qui arrive quelquefois lorsqu'on se fait des théories et qu'on n'a pas de contradicteur. Ou de prof à qui poser la question.

Si tu étais expert à l'examen de radioamateur, tu me la donnerais ma licence?

 

Dernier détail: j'ai acheté des grilles pour ventilateurs du plus bel effet. Et aussi pour m'éviter de me blesser car c'est vite fait de laisser traîner un doigt dans les pâles, j'en ai fait moultes fois l'expérience. Je les ai cependant retirées car elles diminuaient assez fortement le flux d'air ce qui faisait grimper la température de l'ensemble. Je vais simplement installer des grilles de protection (doigts) plutôt que des grilles contre les poussières.

 

 

Grille à poussières            grille protège doigts

 

 


 

20201227_Driver avec le MHT1008N

 

Le petit frère du transistor de puissance MHT1004N est le MHT1008N.

 

50 x 60mm

 

Pallet vendu 137 € par SV1AFN (vendeur fiable):

https://www.sv1afn.com/en/product-category-6/2.4-2.5-GHZ-RF-Power-Amplifier-12-W-Palette-for-Experimenters-1.html

 

Data sheet:

https://style.nxp.com/docs/en/data-sheet/MHT1008N.pdf

 

 

 Le gros peut sortir 320W CW et le petit 12W avec 18dB de gain. Mis ensemble, ils forment un amplificateur de 33dB de gain et de 320W de puissance. A l'entrée, il faut donc 200mW pour obtenir la puissance de sortie maximale. Pour ma part je les fais travailler sous 28  Volts ce qui me permet d'utiliser des ventilateurs 24V pour les refroidir. Les alimenter sous les 32V prévus par les data sheets n'amène rien  de plus, les puissances sont les mêmes.

 

 

Les conditions d'utilisations maximum sont les suivantes:
(Id = courant de drain. Id repos = courant de drain sans HF à l'entrée)

 

MHT1004N (Ig négligeable, Ug réglable entre 0 et +2.5V)

  • Pin   max (CW): 20W

  • Pout max (CW): 320W

  • Pour Pout =200W CW, Id= A et Id repos= A.

  • Pour Pout =200 W DATV, Id= 12.5 A  et Id repos= 1 A.
    Pour Pout =150 W DATV, Id= 10.5 A et Id repos= 1 A.
    Pour Pout =100 W DATV, Id= 9 A       et Id repos= 1 A.
    Pour Pout = 50 W DATV,  Id=6.2 A  et Id repos= 1 A.
     

MHT1008N (Ig négligeable, Ug réglable entre 0 et +2.5V)

  • Pin   max (CW): 400 mW

  • Pout max (CW): 12 W (8W chez moi)

  • Pour Pout = 8 W CW,     Id= 0.73 A et  Id repos= 0.1 A
    Pour Pout = 5 W DATV, Id= 0.6 A et    Id repos= 0.1 A, épaules à -25dB

    Pour Pout = 3 W DATV, Id= 0.46 A et  Id repos= 0. 1A, épaules à -30dB
    Pour Pout = 2 W DATV, Id= 0.37 A et  Id repos= 0.1 A, épaules à -35dB

Réalisation pratique du driver

 

 

 


 

20201231_PA ampleon

 

 

270 Dollars chez Digi-Key:

https://www.digikey.com/en/products/detail/ampleon-usa-inc/BPC2425M9X250Z/8627420?s=N4IgTCBcDaIIwDYAMBmAtHOB2ALGgcgCIgC6AvkA

 

Data sheet

 

Application note

 

Présentation à la BATC CAT 2020 par Michel HB9DUG

 

Par rapport au PA de SV1AFN (appelons-le comme cela même si ce n'est pas lui qui le produit), ce pallet a l'avantage d'être plus compact. Par contre il est plus cher, son fournisseur Digi-Key (USA) est plus lent, et nous devons le modifier avant de pouvoir l'utiliser. Voir à ce sujet la présentation de Michel HB9DUG (link ci-dessus).

 

 

 

 

A suivre...