Modifica ad un amplificatore WCDMA 2170MHz per la banda dei 13cm

L'amplificatore mostrato nell'immagine e' usato nelle stazioni base WCDMA/UMTS per traffico dati a larga banda. La sua frequenza di lavoro e' 2170MHz e la potenza d'uscita dovrebbe essere di circa 50W in classe lineare su una banda di circa 4MHz, come richiedono le specifiche di lavoro per questi oggetti. Per garantire la linearità dell'amplificatore su una banda cosi' larga vengono usati degli LDMOS appositamente progettati per questo uso e spesso all'interno di un modulo vi sono 2 amplificatori usati con la tecnica dell FEED/FORWARD per aumentare ulteriormente la dinamica.

 

Nel mio caso di amplificatori c'e' ne uno ma basta e avanza....HI!! Purtroppo sul contenitore non e' riportata nessuna marca e modello. La foto in alto mostra l'amplificatore aperto. Partendo da sinistra, dove si trova l'ingresso del segnale, abbiamo il driver, preceduto da un pad attenuatore da 10dB, un MMIC LDMOS di potenza della Freescale modello MW4IC2230N seguito da un piccolo isolatore

Andando oltre la paratia metallica si nota il divisore Wilkinson che porta il segnale ai due LDMOS  in parallelo sempre della Freescale modello MRF6S21140HS. I due LDMOS lavorano in push-pull. Da notare che le linee che entrano ed escono dai due dispositivi sono di diversa lunghezza, calcolate per far arrivare sui gate il segnale sfasato di 90° gradi ed uscire dai Drain in modo che i segnali amplificati si vanno a sommare tra loro. A seguire un piccolo accoppiatore direzionale per leggere la potenza diretta, un circolatore di potenza e l'uscita. La potenza riflessa viene prelevata dal carico a 50ohm che si trova sulla porta isolata del circolatore. Il resto della componentistica che si nota serve per gestire le alimentazioni dei componenti di potenza ed in particolare per la generazione delle tensioni di bias.  

Come ho scritto sopra, questo amplificatore dovrebbe fornire circa 50W su una banda di 4MHz ma se andiamo a vedere i datasheet dei componenti di potenza usati si nota subito che a banda stretta sono in grado di erogare potenze ben piu alte di quella originale. In particolare, il MMIC in ingresso e' in grado da solo di dare fino a 30W mentre i due MRF6S21140 danno oltre 150W cadauno!!!!  Purtroppo sono tutti componenti internally matched da 2080 a 2200 MHz cioe' all'interno è presente un filtraggio per limitarne la banda di frequenza di utilizzo e per facilitare l'adattamento per semplificare la circuiteria esterna. Però, la gamma dei 13cm non e' poi così lontana (2320MHz) e vale la pena provare se l'amplificatore può funzionare anche dove interessa a noi.

Per prima cosa ho dato alimentazione. L'amplificatore lavora a 28V e senza segnale in ingresso consuma 2,5 A. Ho poi predisposto il banco di misura della potenza costituito da un accoppiatore direzionale Narda calibrato, e due attenuatori di potenza per un totale di 53dB di attenuazione. Sulla porta diretta dell'accoppiatore ho collegato un carico di buona qualità. Si veda la foto sotto. A dire il vero il carico che ho usato era un po piccolo...ho dovuto raffreddarlo con una ventola dato che durante le prove diventava rovente. Come generatore ho usato il mio sweep HP8620C col cassetto HP86222B (0.01 - 2,4GHz) in modalità CW e opportunamente regolato per la frequenza che mi interessava con 10dBm di potenza in uscita seguito da un attenuatore variabile a passi di 1dB. Il tutto pilotava un piccolo amplificatore stato solido da 15dB di guadagno in grado di erogare fino ad 1 W.

 

La foto sopra mostra la potenza d'uscita misurata con amplificatore senza nessuna modifica. Conti alla mano, la potenza risultate e' di +49,05dBm (53dB + -3,95dBm) ovvero circa 80W. La potenza di pilotaggio e' di +23dBm ovvero 200mW. Aumentando il pilotaggio non si ha un aumento di segnale e l'amplificatore comprime. Il consumo a 28V e' di 10,5A per un totale di 294W consumati per un rendimento del 27%. L'inizio e' incoraggiante!!! Se non altro almeno un po di potenza esce. Per curiosità ho provato a 2170MHz.... ho misurato oltre 250W con l'alimentatore che e' andato in limitazione di corrente a 20A.

Dopo vari tentativi, ho visto che la potenza aumentava se toglievo le capacita sui Drain dei due LDMOS. Infatti occorre sagomare con un cutter il pad di Drain come si vede in foto. Inoltre ho tagliato la capacita originale sulla linea di uscita e messo un quadratino di rame piu stretto e lungo.

 

Altra modifica, togliere il circolatore dopo il driver ed inserire una bandella di rame come rappresentato nella foto sotto

Con queste semplici modifiche il comportamento dell'amplificatore cambia parecchio....

La potenza finale ora e' di +53,31 dBm ( 53dB +0,31dBm) che corrispondono a 215W circa con un consumo di 20,5A a 28V. Oltre non sono riuscito a salire come potenza. Il calcolo energetico e' presto fatto: 574W consumati per rendimento del 37,4%. L'elevato consumo dell'amplificatore fa si che occorre usare dei cavi di sezione adeguata per alimentarlo. Misurando la tensione di alimentazione ai capi dell'amplificatore, con i cavetti che usavo, mi sono accorto che avevo una caduta di 2,5V alla massima potenza . Ho allora preso 2 cavetti di sezione 10 ed ho acceso l'alimentatore switching della Lamda da 820W regolato per fornire 28,5V. In questo modo ho circa 0,3V di caduta e la potenza e' aumentata non di poco....53,75dBm che sono quasi 240W.

Per guadagnare ancora qualcosa si potrebbe alimentare l'amplificatore con 30V ma non ho provato. La massima potenza di pilotaggio e' di 200mW. Oltre non conviene salire dato che non c'e' incremento di potenza. Ho anche provato a togliere il circolatore in uscita ma non ho c'e' stato incremento di potenza per cui ho preferito rimetterlo dato che protegge lo stadio d'uscita da eventuali variazioni di impedenza del carico. Per concludere,  mi sembra un risultato piu che soddisfacente. Occorre curare bene il raffreddamento del modulo dato che genera parecchio calore (circa 350W se ne vanno in calore).

Le tensioni di bias sono generate internamente da un paio di stabilizzatori di tensione LDO LP2951 seguiti da riferimenti di tensione di precisione della Analog Device. Per il nostro uso e' comodo poter controllare le tensioni di bias in modo da poter tenere sempre alimentato l'amplificatore con i 28V in interdizione ed applicare la tensione di bias solo quando si va effettivamente in trasmissione. Il vantaggio principale e' che non si consuma corrente e non si genera calore inutile quando si e' in ricezione e si evita di generare rumore sul ricevitore con l'amplificatore polarizzato. La modifica consiste nel tagliare un paio di piste sul circuito stampato e portare all'esterno, tramite un paio di condensatori passanti, i punti dove applicare i 28V per il bias.

 

La foto sopra mostra dove intervenire per il driver. Occorre interrompere la pista dei 28V nei due punti segnati col rettangolo nero. Una volta isolato il tratto di pista si deve effettuare un ponticello con del filo isolato nei punti in uniti col tratto di colore rosso. La tensione di bias va portata nel punto indicato dalle freccia gialla.

L'altro punto dove intervenire e' mostrato nella foto. Anche qui occorre interrompere la pista nel punto indicato col rettangolo nero e portare la tensione nel punto indicato dalla freccia gialla. Occorre poi forare il contenitore in 2 punti possibilmente in prossimità dei punti dove portare la tensione per portare all'esterno i conduttori attraverso due condensatori passanti. Unire poi con un cavetto i 2 reofori esterni. In questo modo , se applichiamo tensione all'amplificatore senza applicarla al bias, non vi e' consumo di corrente. Applicando tensione anche ai bias si avra il funzionamento normale dell'amplificatore.

ATTENZIONE.... non e' consigliabile dare tensione solo ai punti di bias senza aver alimentazione sull'amplificatore. In teoria non dovrebbe succedere nulla ma....io non ho provato dato che possiedo solo 2 esemplari e se proprio devo romperlo preferisco farlo durante l'uso, un po come un valoroso soldato che cade sul campo di battaglia....HI!!!!!!!!!!!

Infine, come si presenta tutto il gruppo dei 13cm, pronto per essere posizionato in cima al traliccio. L'amplificatore e' pilotato direttamente dal transverter, un 23G2 di DB6NT (acquistato in kit). Per l'alimentazione ho portato su 2 copie di cavi da 10mm2 per avere minor caduta possibile. Per ricavare i 13,8V dai 28V, ho usato un DC-DC stepdown converter costruito con un LM2679T che assicura la corrente necessaria al funzionamento del transverter, preamplificatore e sequencer.