10 GHz Endstufen kombiniert

Transkript

1 10 GHz Endstufen kombiniert Etwas eleganter als mittels Magic-T s 1

2 Einführung Agenda Traditionelle Methode: Band-Koppler mit Abschluss-R Schmalbandiger Ansatz Zielsetzung Praktische Umsetzung eines 10 GHz Kopplers Messungen mit 4 Mini-PAs Messungen mit 2 Mini PAs Messungen mit 4x Kuhne MKU 3cm-60W A PAs Konklusionen Bezugsquellen der Komponenten Anhang: Koax-WG Adapter 2

3 Einführung Hohe Leistungen >100W im 3cm Band werden bisher mit TWTs erzeugt BigGuns in EME benutzen TWT PAs Die für TWTs erforderliche Spannungsversorgung ist aufwendig Nicht jedermann hat Zugang zu ausgemusterten kommerziellen oder militärischen Anlagen Das Hantieren mit Hochspannung ist nicht ungefährlich, besonders nicht im Aussenbereich. 3

4 Beispiel: BigGun 10 GHz EME TX SP6JLW 250W TH3947A 4

5 Einführung Die Verfügbarkeit von Halbleitern in der 50W Klasse für das 3cm Band beflügelte die Idee des Zusammenschaltens von 2 oder mehreren Stufen Das Ziel, mit SSPAs zu den TWTs aufzuschliessen, war verführerisch Zusammenschaltung mit Hybrid-Kopplern zu bewerkstelligen ist verlustreich, sperrig und gewichtig Mehrere Hybrid-Koppler kaskadieren die Verluste Der Wirkungsgrad ist schlecht 5

6 Einführung In professionellen Anlagen erfolgt das Zusammenschalten mehrerer PAs stets in Zweierpaketen. Bei 4 Stufen werden 2x 2 Stufen zu je 2 PAs gekoppelt, was am Ein- und am Ausgang je 3 Koppler erforderlich macht, deren Verlust sich addiert Die gängige Art dieser Kopplung erfolgt ausgangsseitig üblicherweise mittels sog. "MagicT". Unschwer, sich vorzustellen, dass 3 dieser Koppler viel Platz, viel Kupfer und Gewicht und viele Verschraubungen erfordern und damit die Handlichkeit im Fokus eines Parabolspiegels sehr beeinträchtigen 6

7 Band-Koppler und Dummy-Loads Leistungs-Teiler eingansseitig Leistungslimit 10W Verluste unwesentlich 1:4 4:1 Leistungs-Koppler ausgangsseitig Leistung bis einige KW Verluste sehr wesentlich! 7

8 Einführung Unwiderstehlich wurde der Wunsch, es mit SSPAs zu versuchen, nachdem mit meinem 1m Offset Spiegel, 50W und zirkularer Polarisation mein erstes, CW EME QSO ohne Internet, ohne Sked und ohne Chat, random gelang Der Wunsch, mit SSPAs auf Augenhöhe mit TWTs zu arbeiten, war damit geboren 8

9 10 GHz EME QSO mit OZ1LPR OZ1LPR 2,4m 350W, linear Pol NO INTERNET! NO SKED, NO CHAT! NO DIGITAL! No fake! FULLY RANDOM! PURE CW! 1m 50W, zirkular Pol LNA Eigenbau, PA Kuhne, nach langem Rufen QRZ.. QSO Dauer bis RR: 40 Minuten 9

10 Traditionelle (Band)Koppler Übertragen die ganze Bandbreite, d.h. zb. WR GHz Aussenbereich mit O-Ring Dichtung Indoor Wir brauchen lediglich einige 100 KHz 10

11 Schmalbandiger Ansatz Anlässlich der EME Konferenz 2015 in Örebro erwähnte Goran, AD6IW die Idee eines 5:1 Kopplers im Anhang seiner Präsentation über 10 GHz PAs 11

12 Meine Zielsetzung 4 PAs derselben Leistungsklasse auf einen Strahler kombinieren. Dabei sollen die Verluste durch den Koppler am Ausgang 0,5 db nicht überschreiten 1 db entspricht bereits 20% der Leistung. Schade, wenn von 4 PAs 1 PA durch die Verluste annähernd verloren geht.. Der Entfall der Kaskadierung durch nur einen Koppler und der Abschlusswiderstände wecken Hoffnung auf effizientere Lösung 12

13 Zielsetzung Breitband- Koppler 3-stufig Sehr teuer >500 Euro >2 db Verlust = >40% 96 Verschraubungen... Schmalband- Koppler einstufig OHNE Dummy Load billig, 47 Euro Verlust < 0,5dB 13

14 Praktische Umsetzung Verbinder N TNC SMA Quelle: Southwest Microwave: Frequenz/Power Graph der Koaxialverbinder 14

15 Praktische Umsetzung Verbinder Da absehbar war, dass Leistungen > 150W für SMA grenzwertig würden, ist für die Verbinder die TNC Norm vorgesehen worden TNC Verbinder sind bei 10 GHz bis für bis ca 300W brauchbar. Auch qualitativ erstklassige N-Verbinder eignen sich Für Leistung bis 150W genügen SMA (schlechte Qualität kocht nach Sekunden) 15

16 Praktische Umsetzung Koaxialkabel Koaxialkabel SemiRigid Ausführungen, z.b. Sucoform141 von Suhner. Dieses Kabel ist bis 180W auf 10 GHz spezifiziert 16

17 Praktische Bedenken.. Ob das Ganze am Schluss auch funktionieren werde, war zu Beginn des Projekts offen. Es ist ziemlich unbescheiden, neue Lösungen als smarter als die der Profis zu betrachten Zum Vermessen braucht man 2 Stück (es sei denn, man verfüge über einen Netzwerkanalysator mit 5 Ports..) Ich wagte den Versuch und fräste 2 4:1 Koppler/1:4 Teiler 17

18 . Praktische Umsetzung Der Koppler 18

19 Praktische Umsetzung Der Koppler 19

20 Praktische Umsetzung Der Koppler (Prototyp) Strahler: L = 6,5mm Durchmesser = 3mm Einbauhöhe = 2mm Abstimmschrauben auf Deckel, 4xM3, 15mm vom Zentrum Strahler auf Deckel L = 5,3mm 20

21 Messungen Teiler und Koppler S11 54 Ohm, S Ohm S db (inkl. TNC(+) - TNC(+) S db inkl. TNC(+) - TNC(+) Damit schien es möglich, pro Koppler eine Einfügungsdämpfung von <0,5 db zu erreichen. 21

22 S11 54 Ohm, S Ohm S db S db 22

23 Messungen mit 4 Mini-PAs -10 db -0,5 db 23

24 Messungen mit 4 Mini-PAs 4x RFMA 7185-S1 A-Betrieb 4,21 W out@16dbm 4.2A -10 db -0,5 db -0,5 db 1:4 Divider 16 dbm 24

25 Messungen mit 4 Mini-PAs Summenleistung, Einzelmessung Die gemessene Summenleistung von 36,68 dbm verglichen mit der gekoppelten Leistung von 36,25 dbm ergibt eine Dämpfung durch den Koppler von -0,43 db -10 db 25

26 Messungen für 2 PAs Anpassung, Durchgangsverlust 0,05dB 0,1dB -10 db 0,05dB 0,633 / 2 = 0,316 db 0,1dB = -0,26 db pro Koppler 26

27 Messungen mit 2 Mini-PAs -10 db 27

28 Messungen mit 2 Mini-PAs 2x RFMA 7185-S1 A-Betrieb 2,06 W out@13dbm 2.1A 2,33W = 100% 2,06W = 88,4% -10 db Der Abgleich für 2 PAs stellte sich als bedeutend anforderungsreicher dar als mit 4 PAs Die Asymmetrie der Koppler und damit verbundene Phasen Fehler müssen korrigiert werden 28

29 Messungen mit 4 62W-PAs Die -10 db -0,5 db 4 x Kuhne 29

30 Messungen mit 4 62W-PAs Der 1:4 Eingangs-Teiler -10 db -0,5 db 30

31 Messungen mit 4 62W-PAs Phasenschieber -10 db Bis 35 Grad 10 GHz Bei mehrstufigen Verstärkern -0,5 db ist die Phasenanpassung am Eingang erforderlich, aufgrund mech. Toleranzen, unterschiedlicher Verstärkung und damit unterschiedlicher Parameter 31

32 Messungen mit 4 62W-PAs Die Phasenschieber am Eingang -10 db -0,5 db 32

33 Messungen mit 4 62W-PAs Der 4:1 Ausgangs-Koppler -10 db -0,5 db 33

34 Messungen mit 4 Kuhne MKU PA 3cm-60W A -10 db -0,5 db 34

35 Mess-Anordnung Kunstlast WR90 280W Adapter WR75 WR90 Richtkoppler -50,5 db TNC-SMA + SMA-SMA-WG Sucoflex 104-0,5 db -10 db Abschwächer -10 db -0,5 db Messkopf Agilent U2000H Offset-Korr. am Power Meter -61 db 35

36 Messungen mit 4 Kuhne MKU PA 3cm-60W A PA SMA-SMA Suhner Gold -10 db -0,5 db SMA-SMA 3.5mm Stahl Wird heiss wie die Dummy load Koppler bleibt auf Umgebungstemperatur 36

37 KUHNE MKU PA 3CM-60W A : Summenleistung, 12,4V DC -10 db 37

38 Leistungskurve 4x KUHNE MKU PA 3cm-60W A Arbeitspunkt ,4V DC dbm Input 38

39 Effizienz DC Power input 92A = 1.14 KW RF input 24 mw max Aussteuerung (nicht relevant) RF output 249W max. Messunschärfe +- 2% Summenleistung einzeln: 251W, mit Koppler 249W Effizienz 1.14KW / 0,249KW = 21,8% Verlust durch Koppler < 10W bzw. <2,5% 39

40 Konklusionen Es ist möglich, 4 Endstufen für 10 GHz mit sehr geringen Verlusten zu kombinieren Ebenso können 2 PAs ohne magict gekoppelt werden Phasengleichheit ist unverzichtbar und stellt die grösste Herausforderung beim Abgleich dar Alle verwendeten Komponenten müssen für die entsprechende Leistung ausgelegt sein Erwärmung heisst: Komponenten sind verlustreich Vorsicht ist geboten im Umgang mit jedem X-Band TX 40

41 Konklusionen = 90 Kg, 250W 12 Kg, 249,5W 41

42 Bezugs-Quellen Gehäuse mit Deckel 4:1 Koppler, mit allen Löchern und Gewinden für SUHNER SMA oder SUHNER N-Buchsen (, Euro 47) abgeglichen in N-Ausführung ( Euro 145) Dito abgeglichen in SMA-Ausführung ( Euro 145) Phasenschieber SMA-SMA (, Euro 53) (sorry, das ist mein Ankaufspreis ) 42

43 Kritik? Fragen? 43

44 Anhang SMA-WG75 Adapter Typische Spezifikation: Anpassung <20 db genügen nicht Datenblätter zifikati -10 db 1:1,3 = 13% Verlust -0,5 db 44

45 SMA-WG75 Adapter Selbstbau oder Abgleich auf MHz 13% von 250 W = 32,5W Rückwärtsleistung -10 db -0,5 db 45

46 SMA-WG75 Adapter Es lohnt sich, WG-Koax Übergänge selber herzustellen -10 db -0,5 db 46

47 SMA-WG75 Adapter Kreuzkoppler auf MHz -10 db -0,5 db Einfügungs-Dämpfung Auskopplung -30dB 47