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Im folgenden Beitrag werden zwei Leistungsendstufen für 10 GHz vorgestellt. Beide Bausteine wurden vom Verfasser im Hinblick auf Nachbausicherhelt und zuverlässigen Dauerbetrieb entwickelt. Zahlreiche Exemplare der 1 W-Endstufe laufen seit einigen Jahren, einige davon in Mastmontage, alle bis heute störungsfrei.
1. Einführung
In den letzten Jahren kamen Leistungs-GaAsFETs im 5 W-Bereich auf den Markt, die zwar immer noch den "Forschungsetat" eines Funkamateurs bis auf das Äußerste ausreizen, aber "lieber 5 Watt im GHz-Rucksack, als ein Designer-Anzug im Schrank". So wurde die bereits bewährte Schaltung um einen intern auf 50 Ω angepaßten TIM 0910-4 von TOSHIBA erweitert. Es wurden bisher fünf Exemplare der 5 W-Version gebaut. Dauerbetrieb im Labor und der Einsatz bei mehreren (verregneten) Wettbewerben und (eingeschneiten) Expeditionen lassen die Hoffnung zu, daß auch diese Endstufe die Betriebssicherheit der 1 W-Version erreicht. Zumindest bei einem Exemplar sorgte ein defektes SMA-Relais für einen zehnminütigen Crashtest bei voller Leistungsansteuerung aber offenem Ausgang. Der Transistor hat es überlebt, vom Relais hat sich der Verfasser schwungvoll getrennt.
Trotz aller Bemühungen um Reproduzierbarkeit soll nicht verschwiegen werden, daß die Summe kleiner Toleranzen der Bauteilewerte und des Aufbaues am Ende zu deutlichen, individuellen Abweichungen (-3 dB ist normal) in Verstärkung und Ausgangsleistung führen kann. Tröstlich ist aber die Tatsache, daß mit Geduld, Erfahrung und guten Meßmöglichkeiten noch jede Endstufe mit einem Feinabgleich nach der "Plättchen-methode" auf die Sollwerte getrimmt werden konnte.
Die folgenden Beschreibungen sollen dem interessierten Funkamateur Anregungen vermitteln; sicherlich werden sich im weiteren Verlauf der Optimierung dieses Konzepts noch kleine Änderungen ergeben.
2. 1 W-Endstuffe für 10 GHz
2.1. Beschreibung
Der Schaltplan (Bild 1) ist bis auf den zusätzlichen Spannungsinverter für die negative Gate-Spannung ähnlich der in (1) und (2) veröffentlichten zweistufigen 5,7 GHz-Endstufe des Verfassers aufgebaut. Die guten Erfahrungen und die Verfügbarkeit der Transistoren FSX52WF (Treiber) und FLC103WG (Endstufe) von FUJITSU führten zu Versuchen auf 10 GHz, die auf Anhieb erfolgreich verliefen, obwohl der FLC103WG vom Hersteller nur bis 8 GHz spezifiziert wird. Als HF-Koppelelemente fanden 1 pF SMD-Kondensatoren der Bauform 0805 (2,0 mm x 1,25 mm) Verwendung. Eine erst jüngst im Rahmen einer Facharbeit (3) erfolgte Untersuchung zeigte allerdings, daß die vom Verfasser eingesetzten SMD-Kondensatoren mit einer Serieninduktivität von Lserie = 0,66 ± 0,01 nH von den im üblichen Bauteile-Versandhandel angebotenen, mit Lserie = 0,72 ± 0,02 nH abwichen. Leider war es dem Verfasser nicht mehr möglich, den jeweiligen Hersteller zu ermitteln. Auf jeden Fall zeigt eine überschlägige Rechnung schnell, daß die Senenresonanzfrequenz dieser SMDKondensatoren im Bereich von 6,2 GHz bzw. 6,0 GHz liegt. Die Koppel-"Kondensatoren" sollten also bei 10 GHz besser als gleichspannungstrennende Bauelemente mit induktivem Verhalten betrachtet werden. Selbstverständlich geht diese Induktivität (auf Kosten der Breitbandigkeit!) deutlich in die Transformation durch die Abgleichelemente ein.
Bild 1: Schaltbild der 1 Watt-Endstufe für 10 GHz
Die Spannungsversorgung wurde bewußt einfach konstruiert. Die Stabilisierung erfolgt über 1,3 W-Zenerdioden, wobei gleichzeitig Schutz vor Überspannung und Falschpolung gewährleistet ist. Die 1,5 Ω/0,25 W achsialen Kohleschichtwiderstände erfüllen ihren Zweck als Entkopplungs- und als Sicherungswiderstände.
Auf eine Schutzschaltung für den Ausfall der negativen Spannungsversorgung wurde verzichtet, nachdem ein unfreiwilliger 24 Stunden-Test ohne Minusspannung keine Schäden an den Halbleitern hinterließ.
2.2. Aufbau
Zwei wesentliche Forderungen bestimmen Aufbau und Platinenlayout einer Leistungsstufe für den Mikrowellenbereich:
- möglichst idealer, stoßfreier HF-Übergang von der Massefläche der Platine zum Source-Flansch des Transistors
- möglichst ideale Ableitung der Verlustwärme des Transistors
Um beide Forderungen gleichermaßen erfüllen zu können, hat sich eine "Sandwich"-Konstruktion der Platine bewährt. Das Layout (Bild 2) wird auf eine 68,5 mm x 34 mm x 0,25 mm messende RT/duroid D-5870 Platine geätzt. Nach dem Vorverzinnen der Massefläche wird die Platine unter hohem Druck auf eine 1,0 mm starke Kupferplatte gelötet. Anschließend werden mit einem 2,5 mm 0 Bohrnutenfräser zwei ovale 0,75 mm tiefe Nuten für die Source-Flansche der Transistoren gefräst. Nach Anbringen der fünf 2,1 mm 0 Bohrungen zum Anschrauben und Durchkontaktieren der Platine im Gehäuse und dem Verzinnen (oder Versilbern) der Bahnen wird die Platine bis auf die beiden 10 p.F Elkos (auf der Drain-Seite) und die Transistoren bestückt (Bild 3). Um einen guten Wärmeübergang zwischen Kupferplatte und gefrästem Aluminiumgehäuse (Bild 4) zu gewährleisten, wird im Bereich der Transistoren etwas Wärmeleitpaste auf den Aluminiumboden aufgetragen. Damit im Bereich des Eingangs und des Ausgangs ein guter HF-Masseübergang zustande kommt, kann dort, allerdings sehr sparsam, Silberleitlack aufgetragen werden. Nun wird die teilbestückte Platine in das entsprechend vorbereitete Aluminiumgehäuse eingebaut und mit fünf M2-Messingschrauben festgeschraubt. Nach dem Herstellen der Verbindung zum Durchführungsfilter kann bereits die Gleichstromfunktion kontrolliert werden. Dabei werden beide Trimmer auf etwa -1,5 V Gate-Spannung voreingestellt.
Bild 2: Platlnenlayout der 1 Watt-Version
Bild 3: Bestückungsplan der 1 Watt-Version
Bild 4: Maße für das gefrists Aluminiumgehiuss (In mm)
Der heikelste Verfahrensschritt ist das Einlöten der GaAs-FETs in die Fräsnuten. Dazu wird zunächst das Aluminiumgehäuse mit eingebauter Platine auf exakt 150° C erwärmt. Mit Niedertemperaturlot von 140° C Schmelztemperatur wird zunächst jede Fräsnut vorverzinnt. Überschüssiges Zinn wird mit einer Entlötpumpe wieder entfernt. Dann werden, unter Beachtung aller einschlägig bekannten Sicherheitsmaßnahmen, die Transistoren in die Nuten eingelegt. Normalerweise verbindet sich das Zinn sehr schön mit den vergoldeten Flanschböden, was durch Sichtkontrolle in den Flanschbohrungen leicht überprüft werden kann. Selbstverständlich sollte dieser Lötprozeß möglichst kurz ausgeführt werden. Das Gehäuse wird anschließend sofort auf einen kalten Kupferklotz oder einen großen Kühlkörper gelegt, so daß die Temperatur rasch sinkt.
Drain- und Gate-Anschlüsse werden, unter Beachtung der einschlägigen Sicherheitsmaßnahmen, an die Stripline gelötet. Die beiden 10 µF Elkos der Drainseite werden eingebaut und die SMA-Flanschbuchsen angeschraubt. Die Endstufe ist zum Feinabgleich bereit (Bild 5).
Bild 5: Musteraufbau der 1 Watt-Endstufe für 10 GHz (ohne Deckel)
2.3. Abgleich
Zunächst werden die Ruheströme folgendermaßen eingestellt:
Für den FSX52WF auf ca. 70 mA, dies entspricht 105 mV Spannungsabfall am 1,5 Ω-Vorwiderstand, für den FLC103 WG auf ca. 240 mA, was einem Spannungsabfall am 1,5 Ω-Vorwiderstand von 360 mV entspricht.
Bei einer Ansteuerung von 30 mW auf der gewünschten Frequenz sollte nun eine Ausgangsleistung von, im schlechtesten Fall ca. 400 mW, im Idealfall 1 Watt zu messen sein. Wie bereits eingangs erwähnt, hilft im Normalfall die "Plättchenabgleichmethode". Kleine Plättchen von etwa 2 mm2 bis 4 mm2, einige Zahnstocher zum Aufpressen und Verschieben, viel Geduld und vor allem größte Vorsicht vor Kurzschlüssen führen (hoffentlich) bald zum Ziel. Nach dem Abgleich kann ein Aluminiumblechdeckel von 1 mm Stärke in eine passende Randfräsung ein-gepreßt werden. Bei der überwiegenden Mehrzahl der gemessenen Endstufen konnte nahezu keine Deckelbeeinflussung festgestellt werden. Allerdings zeigten einige wenige Exemplare nach dem Auflegen des Deckels eine minimale Eigenerregung. Diese äußert sich als erstaunlich stabile Gehäuseresonanz, etwas oberhalb der Abgleichfrequenz liegend, mit wenigen Milliwatt Leistung am Ausgang. Schon bei geringer Ansteuerung verschwand diese unerwünschte Schwingung. Sichere Abhilfe schuf hier ein etwa 5 mm breiter und etwa 10 mm langer Streifen aus Absorbermaterial, welcher im Bereich oberhalb des FSX52WF auf die Innenseite des Deckels geklebt wurde.
2.4. Daten und Meßwerte
Aus dem Vergleich der Leistungsdaten der Halbleiter (Bild 6 und Bild 7) mit den Meßwerten einer typischen Endstufe (Bild 8 bis Bild 10) wird ersichtlich, wie weitgehend die praktische Realisierung gelungen ist.
Bild 6: Leistungsdaten des FSX52WF aus dem Datenblatt von FUJITSU(5)
Bild 7: Leistungsdaten des FLC 103WG aus dem Datenblatt von FUJITSU
Typische Meßwerte einer 1 W-Endstufe:
Bild 8: Leistungsbandbreite
Bild 9: Eingangsanpassung
Bild 10: Linearität
3. 5 W-Endstuffe für 10 GHz
3.1. Beschreibung
Der Schaltplan der 5 Watt-Endstufe (Bild 11) unterscheidet sich vom Schaltplan der 1 Watt-Endstufe durch den zusätzlichen Leistungsteil mit dem "TOSHIBA Internally Matched Power GaAs FET" TIM0910-4 und durch eine aufwendigere, weitgehend aus (4) übernommene Stromversorgungsschaltung nach DB6NT, Michael Kuhne. Der 5 A Low-Drop-Regler LT1084CP ist fest auf 9,5 V Drainspannung eingestellt und wird bei Ausfall der -5 V-Spannung über den Transistor BC848 abgeschaltet. Die relativ hochohmige Gate-Beschaltung des TIM0910-4 entspricht einer Empfehlung des Herstellers und führt bei HF-Ansteuerung zu einem Anstieg von UMS und damit zu einer gewollten Gegenkopplung. Damit läßt sich laut Herstellerempfehlung "undesirable oscillation' vermeiden. Dies erklärt den Rückgang der Stromaufnahme von ca. 2,5 A ohne Aussteuerung auf ca. 2,1 A bei Vollaussteuerung. Der Einsatz des Gate-Stromes ist auch im Linearitätsdiagramm (Bild 18) als leichter Kennlinienknick bei ca. 32 dBm Ausgangsleistung zu erkennen. Als Drainwiderstände werden zementierte 2 Watt Drahtwiderstände von 10 Ω bzw. 0,1 Ω eingesetzt. Sie besitzen genügend Induktivität und der Spannungsabfall an ihnen kann zur -bequemen Messung des Drain-Stromes herangezogen werden. Die aufgefädelten Ferritperlen könnte man als "Hoffnungsperlen" bezeichnen, da sich mit ihnen die Hoffnung verbindet, sie mögen dazu beitragen, unerwünschte Gehäuse-Resonanzen zu unterdrücken. Zur Überwachung der Ausgangsleistung ist ein Richtkoppler mit einer Low Barrier Schottky-Diode vom Typ BAT15-098 der Firma SIEMENS vorgesehen.
Bild 11: Schaltbild der 5 Watt-Endstufe für 10 GHz
3.2. Aufbau
Beim Aufbau der 5 Watt-Endstufe ergeben sich einige konstruktionsbedingte Abweichungen gegenüber der 1 Watt-Endstufe. Das Layout (Bild 12) wird auf eine 101,6 mm x 50,8 mm x 0,25 mm (4in x 2in x 0,01 in) messende RT/duroid D-5870 Platine geätzt. Die Abmessungen ergeben sich aus der Verwendung eines fertig gefrästen, vernickelten Aluminiumgehäuses des Typs ZG4-2-N der Firma TELEMETER ELECTRONIC(6). Nach dem Vorverzinnen der Massefläche wird die Platine unter hohem Druck auf eine 1,5 mm starke Kupferplatte gelötet. Anschließend werden mit einem 2,5 mm 0 Bohrnutenfräser zwei ovale 0,75 mm tiefe Nuten für die Source-Flansche der beiden Treiber-Transistoren gefräst. Für den Spannunsgregler LT1084CP wird eine Ausfräsung und für den Transistor TIM0910-4 ein genau passender Durchbruch gemäß der Vorgabe des Layouts hergestellt. Beide Bauelemente werden später unmittelbar auf den 8 mm starken Gehäuseboden geschraubt. Dabei ergibt sich gerade die passende Höhe der Stripline für den TIM0910-4. Nach Anfertigen der sieben 2,1 mm 0 Bohrungen zum Anschrauben und Durchkontaktieren der Platine im Gehäuse und dem Verzinnen (oder Versilbern) der Bahnen wird die Platine, bis auf den 10 µF Elko (an der Stromversorgungsschiene), den LT1084CP und die drei GaAs-Transistoren, bestückt (Bild 13). Um einen guten Wärmeübergang zwischen Kupferplatte und Gehäuse zu gewährleisten, wird im Bereich der beiden Treiber-Transistoren etwas Wärmeleitpaste auf den Aluminiumboden aufgetragen. Damit im Bereich des Eingangs, des Ausgangs und am Gate und Drain des TIM0910-4 ein guter HF-Masseübergang zustande - kommt, kann dort Silberleitlack aufgetragen werden. Mit dem Silberleitlack muß allerdings äußerst sparsam umgegangen werden. Ein nur geringfügiges Herausquellen beim Anschrauben der Platine kann zu erheblichen Problemen führen. (Der Musteraufbau des Verfassers wurde ohne Leitlack gestestet. Es konnten keine Abweichungen zu den späteren Aufbauten mit Leitlack festgestellt werden!)
Bild 12: Platinenlayout der 5 Watt-Version
Bild 13: Bestückungsplan der 5 Watt-Verslon
Nun wird die teilbestückte Platine in das mit allen notwendigen Bohrungen vorbereitete Gehäuse eingelegt und mit sieben M2-Messingschrauben festgeschraubt. Nach dem Einbau des LT1084CP (Isolierplättchen nicht vergessen!) und Herstellen der Verbindung zum Durchführungsfilter kann die Gleichstromfunktion kontrolliert werden. Dabei werden alle Trimmer für die Gate-Spannung auf -1,5 V voreingestellt. Das Einloten der beiden Treiber-Transistoren erfolgt genauso wie bereits bei der 1 Watt-Endstufe beschrieben. Nach dem Abkühlen des Gehäuses werden die restlichen Bauteile und die SMA-Buchsen (mit passendem Teflonkragen) montiert. Als letzte Aktion erfolgt der Einbau des "teuren Stücks", TIM0910-4, mit zwei M2-Schrauben im vorgesehenen Durchbruch der Platine. Da eine gewisse Hebelwirkung beim Anziehen der Schrauben nicht auszuschließen ist, sollten erst anschließend die Gate- und Drain-Fahnen an die Stripline gelötet werden.
Beachten Sie unbedingt, daß TOSHIBA bis etwa Frühjahr 1993 die Drain-Fahne durch Abschrägen gekennzeichnet hat. Seither wird die Gate-Fahne abgeschrägt. Im Zweifelsfall hilft eine Messung mit einem geeigneten Ohmmeter. Geeignet sind Geräte mit kleiner Meßspannung (< 0,5 V) und Batteriebetrieb. Der Drain-SourceWiderstand ist in der Regel deutlich kleiner als ein Ohm. Der Gate-Source-Widerstand wird dagegen sehr hochohmig sein und zwar unabhängig von der Polung der Meßspannung. Die Messung muß selbstverständlich mit größter Vorsicht vor statischen Ladungen durchgeführt werden.
Der Entscheidung, ob bei der Montage dem besten Wärmekontakt, durch Verwendung von reichlich Wärmeleitpaste, oder dem besten HF-Kontakt, durch Verzicht auf diesselbe, der Vorzug gegeben werden sollte, entzog sich der Verfasser, indem er (etwas halbherzig!) weniger als einen Hauch dieser Paste auftrug.
Bild 14: Maße des Telemeter-Gehauses ZG4-2-N (in mm)
Bild 15: Musteraufbau der 5 Watt-Endstufe für 10 GHz
Bild 16: Leistungsdaten und Anschlußschema des TIM0910-4 aus dem Datenblatt von TOSHIBA(7)
Bild 17: Typische Leistungsbandbreite einer Watt-Endstufe
Bild 18: Linearität der 5 Watt-Endstufe
Bild 19: Relative Leistungsanzeige mit BAT 15 (Kurzschlußstrom zwischen Durchführungsfilter und Masse gemessen)
3.3. Der Abgleich
Zunächst werden die Ruheströme eingestellt:
FSX52WF auf ca. 80 mA, dies entspricht 800 mV Spannungsabfall am 10 Ω Drainwiderstand; FLC103WG auf ca. 250 mA, dies entspricht 25 mV Spannungsabfall am 0,1 Ω. Drainwiderstand; TIM0910-4 auf ca. 2,0 A, dies entspricht 200 mV Spannungsabfall am 0,1 Ω Drainwiderstand.
Falls sich die unten angegebenen Meßwerte nicht sofort einstellen, schließt sich ein Feinabgleich mit der "Plättchenmethode" an.
3.4. Kühlung
Wie eine Abschätzung zeigt, verdient die Kühlung der Endstufe besonderes Augenmerk:
Angenommene Verlustleistung des TIM0910-4: Pv = 9,5V × 2,1 A = 20W. Der HF-Output bleibt unberücksichtigt!
Temperatur-Differenz zwischen Channel und Flansch: Δθcc = 3,5 K/W × 20W ≈ 70 K.
Das heißt, daß bei einer Flanschtemperatur von beispielsweise 60° C eine Channel-Temperatur von 130° C vorliegt. Die maximal zulässige Channel-Temperatur beträgt 175° C. Wenn man auf der "sicheren Seite" bleiben möchte, sollte das Gehäuse der Endstufe so gekühlt werden, daß auch bei ungünstiger Umgebungstemperatur (Sonneneinstrahlung!) eine Flanschtemperatur von 60° C am TIM0910-4 nicht wesentlich überschritten wird.
Bei allen, die an diesem Projekt mitgewirkt haben, möchte ich mich bedanken. Besonderen Dank schulde ich meinem Funkfreund Manfred Deutsch, DC4UI, der mir bei der Auswahl und Erprobung geeigneter Bauteile jederzeit mit Rat und Tat zur Seite stand.
4. Literaturhinweise, Bezugsquellen
- Peter Vogl: 6-cm-Transverter in moderner Streifenleitungstechnik VHF-UHF-München 1990, S. 49 - 66
- Peter Vogl: 6-cm-Transverter in Streifenleitungstechnik, 3. abschließender Teil UKW-Berichte 30 (1990) Heft 4, S. 248 - 251
- Roland Richter: Bestimmung parasitärer Induktivitäten an Kondensatoren Facharbeit am Dominicus-von-LinprunGymnasium Viechtach 1994
- Michael Kuhne: POWERFET Verstärker für das 9-cm-Band VHF-UHF-München 1992, S. 50 - 58
- FUJITSU-Distributor MELATRONIC Nachrichtentechnik GmbH, Unterschleißheim
- Aluminiumgehäuse ZG4-2-N TELEMETER Electronic GmbH, Donauwörth
- TOSHIBA-Distributor TRICOM Mikrowellen GmbH, Freising
DL1RQ, Peter Vogl.