Home - Techniek - Electronica - Radiotechniek - Radio amateur bladen - CQ-DL - Rauscharmer 23-cm-GaAs-FET-Vorverstärker in Mikrostrip-Technik
Der hier vorgestellte 23-cm-Vorverstärker wurde im Hinblick auf gute Reproduzierbarkeit und hohe Funktionssicherheit entworfen. Der Entwurf und die Optimierung der Schaltung erfolgt unter Verwendung des Mikrostrip-CAD-Programms LINMIC+. Durch diese Optimierung wurde erreicht, daß der Verstärker in der Regel keinen Abgleich erfordert und die im voraus gestellten Anforderungen von der Schaltung erreicht werden.
Folgende Anforderungen sollten erreicht werden:
- hohe Nachbausicherheit und einfacher Nachbau;
- hohe Betriebssicherheit, insbesondere sollte der Vorverstärker unter keinen Umständen zum Schwingen neigen;
- ausreichende Anpassung an Ein- und Ausgang;
- gute Rauschzahl;
- weitgehende Unabhängigkeit von Temperatur und Betriebsspannung.
Der Vorverstärker wurde als zweistufiger Verstärker ausgelegt. In der ersten Stufe findet ein GaAs-FET S8831 von Toshiba Verwendung. Dieser Transistor wurde gewählt, da er auf 23 cm eine gute Rauschzahl bei für die Anpassung relativ günstigen S-Parametern bietet und sich durch geringe Toleranzen in den elektrischen Daten auszeichnet. Dieser Gesichtspunkt ist besonders für eine Schaltung von Interesse, die mit geringem Abgleichaufwand auskommen soll.
In der zweiten Stufe wurde ein MAR-4 der Firma Mini-Circuits verwendet. Dieses Bauteil ist ein integrierter Verstärker auf Siziliumbasis, der eine Eingangs- und Ausgangsimpedanz von 50 Ohm hat und zudem nicht teurer ist als ein Transistor mit vergleichbarer Verstärkung. Der Aufwand für die Beschaltung ist allerdings bei einem Transistor ungleich höher. Der MAR-4 kommt mit einem absolutem Minimum an Beschaltung aus und erreicht eine gute Ausgangsanpassung.
Der Vorverstärker erreicht die folgenden elektrischen Werte:
- Eingangsanpassung: besser als -7 dB (1240 - 1300 MHz)
- Ausgangsanpassung: besser als -1,3 dB (1240 - 1300 MHz)
- Verstärkung: 20,5 dB +/- 0,5 dB (1240 - 1300 MHz)
- Rauschzahl: 1,3 dB (1240-1300 MHz)
- Stabilität: K-Faktor > 1 (130 MHz - 20 GHz)
Schaltungsbeschreibung des Vorverstärkers
Über C11 wird das von der Antenne kommende Signal in das eingangsseitige Anpaßnetzwerk eingespeist, das die Eingangsimpedanz des FET an 50 Ohm anpaßt. Die Auslegung dieser Anpassung stellt einen Kompromiß zwischen guter Leistungsanpassung und Rauschanpassung dar.
Über R11 wird die Gate-Vorspannung angekoppelt. Die Einkopplung der BiasVersorgungüber einen Widerstand ist einfacher, zuverlässiger und reproduzierbarer als eine Blas-Struktur mit λ/4-Drosseln.
Die Source-Anschlüsse des Transistors sind direkt an Masse gelegt. Dadurch wird zwar eine negative Gate-Spannung notwendig, es ergibt sich aber der Vorteil, daß die sonst üblichen Abblockkondensatoren an den Source-Anschlüssen entfallen und durch wesentlich besser zu reproduzierende Masse-Pads ersetzt werden.
Die Zuführung der Drain-Spannung erfolgt über eine SMD-Drossel. Das HF-Signal wird über C12 und R12 am Drain ausgekoppelt und dem Silizium-IC des Typs MAR-4 zugeführt. Die Betriebsspannung des MAR-4 wird ebenfalls durch eine SMD-Drossel zugeführt. über C13 wird das Signal am Ausgang der zweiten Stufe ausgekoppelt.
Stromversorgung mit Stabilisierung des Arbeitspunktes
Abb. 1: Schaltbild der Gleichspannung.
Beim Entwurf der Stromversorgungsschaltung wurde besonderer Wert auf den Schutz des GaAs-FETs gelegt. Die Schaltung stellt sicher, daß der FET fast unabhängig von Betriebsspannung und Temperatur mit dem vorgesehenen Arbeitspunkt arbeitet. Eine Zerstörung des FETs wird dadurch weitgehend verhindert.
Die Versorgungsspannung, wird in U1 (LM78L05) zunächst auf 5 Volt stabilisiert. U2 (LM555) arbeitet als Multivibrator, der an seinem Ausgang eine Rechteckspannung von etwa 5 Volt liefert. Dieses Ausgangssignal wird zu einer negativen Spannung gleichgerichtet und gesiebt.
Der PNP-Transistor Q1 bewirkt die eigentliche Regelung des Arbeitspunktes des GaAs-FETs. Geregelt werden sowohl der Drain-Strom als auch die Drain-Spannung. Mit den hier angegebenen Werten stellen sich Werte für Ups von etwa 3 Volt und für IDS von etwa 20 mA ein. Der Wert für UDS kann durch das Verhältnis von R4/ R5 und der Wert für IDS durch R6 eingestellt werden. Die maximal am FET mögliche Spannung zwischen Drain und Source beträgt 5 Volt, der maximal mögliche Strom durch den FET (bedingt durch R6) 50 mA. Damit werden die für den FET zulässigen maximalen Werte nicht überschritten.
Die für R4, R5 und R6 angegebenen Werte sollten keinesfalls geändert werden, da die dadurch bewirkte änderung des Arbeitspunktes drastische Auswirkungen auf die S-Parameter des Transistors und somit auf die HF-Eigenschaften des Verstärkers haben kann. Der Betriebsspannungsbereich, in dem eine zuverlässige Funktion gewährleistet ist, liegt zwischen 7 und 18 Volt.
Aufbauhinweise
Abb. 2: Platinenlayout Maßstab 2 : 1.
Abb. 3: Bestückungsplan.
| ICs | |
|---|---|
| U1 | 78L05 SMD |
| U2 | NE555 SMD |
| U3 | MAR-4 (Mini-Circuits) |
| Transistoren | |
| Q1 | BC8578 SMD |
| Q2 | S8831 (Toshiba) |
| Dioden | |
| D1 | BAV99 SMD |
| D2 | 1N4148 o. ä. |
| Widerstände | |
| R1, 2 | 10 kΩ |
| R3 | 6,8 kΩ |
| R4, 5 | 8,2 kΩ |
| R6 | 100 Ω |
| R7 | 1 kΩ |
| R11 | 82 kΩ |
| R12 | 68 Ω |
| Kondensatoren | |
| C4, 5, 6 | 10 µF/20 V SMD |
| C7 | einlötbarer Durchführungs-C |
| alle anderen Cs | 1 nF SMD |
| 1 Stück Weißblechgehäuse 55,5 mm x 74 mm x 30 mm | |
| 2 Stück SMA- oder BNC-Flanschhuchse | |
| 1 Stück Platine Norplex G200 0,635 mm stark, beidseitig Cu-kaschiert | |
Die gesamte Schaltung ist in SMDTechnik aufgebaut. Die Größe der Platine ist so gewählt, daß sie direkt in ein handelsübliches Weißblechgehäuse paßt. Die Schaltung benötigt einige Durchkontaktierungen, die aber sehr einfach herzustellen sind.
Die Platine wird an den als Durchkontaktierung gekennzeichneten Punkten mit einem dünnen Bohrer (0,5 bis 0,8 mm) durchbohrt. Anschließend wird ein dünner Draht durch diese Löcher gesteckt und auf der Ober- und Unterseite der Platine verlötet. Die überstehenden Drahtenden werden abgeschnitten.
Bei der Montage des GaAs-FETs ist besondere Vorsicht angebracht, da dieses Bauelement wie alle rauscharmen Mikrowellen-FETs empfindlich gegen statische Aufladungen ist und selbst durch kurzzeitige überspannungen an den Anschlüssen zerstört werden kann. Einfaches, unbedachtes Anfassen des Transistors kann dafür schon ausreichen. Es sollten daher beim Einbau des FET die Vorschriften zur Handhabung von GaAs-FETs berücksichtigt werden.
Die Anschlüsse des FETs sollten vor dem Einlöten auf etwa 1 mm Länge gekürzt werden. Der Source-Anschluß des FET ist abgeschrägt und sollte beim Kürzen wieder schräg abgeschnitten werden, damit erkennbar bleibt, wo Drain und Gate ist. Das Gehäuse selbst hat keinerlei Kennzeichnungen für die Anschlüsse.
Bei der Bestückung der Platine sollten der FET und der MAR-4 zunächst noch nicht montiert werden, um die Stromversorgung separat auf Funktion prüfen zu können.
Die Platine wird in das Weißblechgehause eingepaßt, auf der Unterseite rundherum verlötet. Die Betriebsspannung wird über einen einlötbaren Durchführungskondensator zugeführt. Die Verbindung zwischen diesem Kondensator und der Platine wird durch eine Diode (1N4148 o. ä.) hergestellt. Durch diese Diode ist die Schaltung verpolungssicher.
Als Anschlußbuchsen sollten SMAoder BNC-Buchsen verwendet werden, die auf die Stirnseiten des Gehäuses aufgelötet werden.
Inbetriebnahme
Zunächst sollte die Platine auf eventuelle Bestückungsfehler und Kurzschlüsse untersucht werden. Danach wird die Schaltung (ohne FET und MAR-4) an die Betriebsspannung (z. B. 12 Volt) angeschlossen. Es müssen sich folgende Spannungen einstellen:
- MP1: 5 V
- MP2: etwa -2 bis -3 V
- MP3: etwa 4 V
Wenn diese Spannungswerte eingehalten werden, können FET und MAR-4 eingesetzt werden. Nach Montage der beiden Bauelemente muß sich an MP3 eine Spannung von 3 Volt einstellen.
Abgleich
Auf der Eingangsseite des Verstärkers sind acht sogenannte Tuning-Pads vorgesehen, von denen die ersten vier angelötet werden. Durch An- bzw. Ablöten von Pads läßt sich der Verstärker genau auf beste Eingangsanpassung tunen. Dazu sollte allerdings ein Network-Analyzer zur Verfügung stehen. In der Regel ist mit vier angelöteten Pads das Optimum erreicht.
Abb. 4: Meßdiagramme.
Abb. 5: Meßdiagramm.
DDBED, Frank Tofahrn und Rolf H. Jansen.