90W Transistor-PA fur 1,3GHz (A 90W Transistor PA for l .3GHz)

Dieter Briggmonn, DC6GC

Kurzbeschreibung: Ein Linearver.>tiirker mil dem ERICSSON PTB-20174 Gegentakt-Transi­stor l iefen auf l ,3GHz einen Ausgangsleistung von 90W bei einer Steuerleistung von 13W und einem Wirkungsgrad von 57%.

Abstract: A linear power amplifier w11h the ERICSSON PTB-20174 Push-Pull transistor de­livers about 90W output with 13W drive power and about 57% dficiency on I .3GHz.

1. Einfuhrung In der DUB US 4/96 stelhe Konrad Hupfer, DJ I EE tint! Transistor-PA fiir 23cm mil Transistoren von

Motorola und MNCOM vor und bt!schrieb <lit! Wirkungsweise tier Gegentaktschaltung. Mittlt:r­weile sind iihnliche Transistoren von Ericsson auf dem Markt, die: gegeniibt!r den genannten den Voneil haben, da13 sie .,billiger" sind und einen bt!sseren Wirkungsgrad zulas.~en. Billig ist viel­lc!1ch1 etwas zuv1el ges:igt. denn bilhg sind die Transistoren nicht:

Ein Exemplar PTB 20174 kos1e1ca.530 DM und es tut weh. wenn sich ein Transistor unterden Hiinden des bastc:lndc:n OM verab­schiedet.

90 W PA for 23 cm

DUBUS 4/1997 36

Diete• B•lggmonn, DC6GCo 90W fronslsto.-PA fU• l ~G= -' l Fig. 1: Inside the PTB 2017 4

Man bekommt allerdings auch viel{e) Halbleiter fiir sein Geld. wie die Auf­nahme des lnnenlebens des Ericsson-Transis1ors in Bild I zeigt.

Die Endsiufe wurde auf ~ einem Platinenmaierial mit e,=3.38 und h= 0.81 mm realisiert.

\Vie der Tabelle I zu ent­nehmen ist. konnte eine Ausgangsleistung von ca. 90W mit einem Wirkungsgrad von 1')=57% bei einer Steuerleistung von 13.8W erreicht werden. Diese Steuerleistung lieferte ein Yaesu FT-736R.

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In DUBUS 4/96 (/ 1/) Konrad Hupfer. DJ I EE. introduced a PA for I .3GHz based on Push­Pull transistors from

- MNCOM and MO­TOROLA. These tran­sistors arc either very ex­pensive or not available. In the meantime a simi­lar transistor from

ERJCCSON. the PTB-20174 is available and moderate in pricing. Moderate in this case means that the ransistors costs about OM 530.­( US$ 300.00). This price . .,..hich may be not ham­like may give some headache, if this transistor is killed during opera1ion or inital tuning.

DUBUS 4/1997

Dieter Briggmann. DC6GC: 90W Transistor-PA tar l ,3GHz

Fig. 2: Block Diagram

But as shown in Fig. I, you will get a lot of rransistors for the money.

Table I shows, that the manufactureres data on 1490MHz can be verified on 1270MHz too. Out­put power is in excess of 90W with quite good linearity and an excellent efficiency of 57% when driven with a drive powerofabout 14W. This value is considerable better than with those obsolete modules (<30%) and even better than what can be achieved with those obsolete tubes like the 2C39.

2. Schaltung Die Schaltung der Gegentakt-Endstufe basien auf der bereits erwiihnten PA von DJ IEE /I /.

Die Transformationsnetzwerke (NWle, NW2e und NWla. NW2a) sind fiir den Transistor PTB20174 und das Substrat (Rogers 4003, Er = 3,38) neu berechnet worden und passen die Ein-

l

und Ausgangsimpedanzen ZIN bzw. ZOUT der beiden Transistoren an einen Quell- bzw. Lastwi­derstand von jeweils 25 nan.

Bild 2 zeigt das Prinzip der Endstufe. Ein kurzes (< 1/4 A.) Stiick Koaxleitung Kl dient der Symme­trierung und der Erzeugung der gegenphasigen Schwingungen (s. Bild 3), mit denen die beiden Transistoren TI a und TI b angesteuert werden. Bild 3 zeigt die Symmetrierschaltung mit kurzer Koaxleitung. Die Spannung am Eingang der Lei­tung KI (3. Zeile von oben) erscheint gegenphasig und jeweils mit halber Amplitude an den Wider­standen RLI (I. Zeile von oben) und RL2 (zweite Zeile von oben. Analog werden die Ausgangs­schwingungen nach Durchlaufen der Anpaflnetz­werke iiber ein kurzes Sriick Koaxleitung mit Zo=50n zusammengefaflt. Die Funktionsweise

Table 1: Features of PTB-201 74

Data Power Gain (dB)I Output Power Efficiency(%)

Manufacturer 8.3(typ.) @ 1490 MHz Measurements 8. l @ 1270 MHz

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> 90

>90

56

-157

38

Bias Current mA

250

-- - --- l- -

Dieter Briggmann, DC6GC: 90W Transistor-PA rur 1,3GHz

Fig. 3: Balun Circuit with short coaxial line

Kl RU~~ RL2 5 25

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Fig. (3a): Balun Function

39 DUBUS 4/1997

Dieter Briggmonn, DC6GC: 90W Transistor-PA tor l .3GHz

Fig. 4: Circuit Diagram

Ube Ub

JNPIJT

dieser Symmetrierschaltung kann in /3/ nachgele­sen werden.

Die detaillierte Schaltung der PA ist in Bild 4 wiedergegeben. Gegeniiber dem Prinzip des Bil­des 2 fa lit auf. dal3 zur Symmetrierung zwei Koax-

Fig. 5: Bias Circuit

Ub Ube

RI

R2

R3

DUBUS 4/1 997 40

ce

OUT PVT

Ub

leitungen eingesetzt werden. Der Grund hierfiir ist. dall der am Eingang mit Masse verbundene Aullenleiter der Symmetrierleitung KI zur mecha­nischen Fixierung auf einen Streifenleiter ZK I aufgelotet wird. Dieser Streifenleiter mit aufgelo-

Parts for Bias-Boord

Des._L Port T2, 3 ,Transistor BD2~ Rl , 4, 7 ~s~tor, l k_ R2 Resistor, l 8k R3 Resistor, 8k2 RS Resistor. l SOn R6 Resistor. 2n;o . .;;:..sw-'-'-__ _.

RS Resistor, 47Q/5W.:....:.._ __ ~ Cl Co ocitorJD.f/lOOV C2. 3 Co ocitor, lOOnF/SOV

Dieter Briggmann, DC6GC: 90W Transistor-PA fur l ,3GHz

tetem Koa.xleiter wurde nur ei­nen Eingang des Verstiirkers. namlich TI a belasten. Zur Wie­derhcrstellung der Symmetric wird an den zweiten Eingang. der mil dem lnnenlei ter von KI verbundcn ist, zusatzlich der Aullenleiter einer zweiten Koa­xleitung K2 angeschlosscn. Damit die vier Koaxleitungen KI- K4 die Anp illschaltungen NW I. NW2 nicht verstimmcn, wcrden sie auf am Ende kurz­gcschlossenc Streifenleitungen ZK I - ZK-l der Lange 1/4.A (1=23 cm) aufgelotet. Diese Leitungen haben die Eigen­schaft. einen Kurzschlull am Ende in einen Leerlauf an den An fang ( sehr grolle Ein­gangsimpcdanz) zu transfor­mien:n.

Fig. 6: PCBs for PA and Blas Circuit

0

I

--

• •

PA23 90

• -

0 c

0

'

Wahlt man mr die Streifenki­tungcn eincn Wellenwiderstand von l.11 = 380, so crgibt sich flir das verwendete Platinenmaten­

al mu E;.n(/.oi = 2.8 eine Lange von I= 35.3 mm. Damn ist auch die Lange I = 35.3 mm fiir die

~~-----"~ '~ .... ..,, 50il-Koax-Symm;;:trier- 0 leitungen festgelegt.

Bild 6 zeigt die Platine mr die Endstufe und die Platine flir die Vorstromerzeugung (bias). Der Temperaturft.ih ler ( Transistor T2) liegt mit seinem Koll ck tor the1misch und elekuisch direkt auf "Ma­sse", daher w1rd hier der PN-Obergang Kollektor­Basis genuizt. Der Transistor BD 243 mull isolien auf dem Gehiiuseboden ( Glimmerscheibe ) mon­tien werden. Die Vorspannungsschaltung wird mit einer Spannung von 12 ... 14 V betricben und cr­laubt daruber auch die Umschaltung Z\vischcn Senden und Empfang

2. Circuit Description Basically the circu11 of this PA stems from Konrad Hupfer. DJ I EE. The transformation networks (NWle, NW2e and NWla, NW2a) have been recalculated 10 accommodate the transistor PTB 20174 and the substrate Rogers 4003 with an

0

80213

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Dieter Briggm onn. DC6GC: 90W Transistor-PA tor l .3GHz

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70

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Fig. 7: Output Power Po and Current le vs. Drive Power

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Fig. 8: Efficiency and lnput-VSWR vs. Output Power

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f.1. ,;

Dieter Briggmonn, DC6GC: 90W Transistor-PA fOr I ,3GHz

€,=3.38. The block diagram can be seen from Fig. 2. Shon pieces of semi rigid function as baluns to drive the transistor in push-pull and combine the output. Fig. 3 and 3a show the function of these baluns. Voltage VI is divided by half and fed in antiphase to RLI and RL2.

The circuit diagram of the PA is shown in Fig. 4. The baluns are soldered to quarterwave micro­striplines ZK I and ZK2. To preserve symmetry additional lines ZK2 and ZK3 together with addi­tional coaxial lines K2 and K3 have to be intro­duced. This scheme provides a fully balanced con­figuration which works even if the load imped­ances of the transistor are not the same. The quar­terwave m1crostriplines have a length of35.3 mm and hence the coaxial lines.

The bias circuit is shown in Fig 6. A temperature sensor with T2 senses the temperature of the PTB-20174 and serves as a reference voltnge for the bias regulator with the 723 This circuit provides a temperature compensated and lo" impedance source for the base current. You should opearte the bias circuit with 12 .. 14 V. The voltage can be used as a T 'R-switching.

3. Konstruktion Dimensionierung und Abmessung der Bauele­mente sind aus Bild 6 und Tabelle 2 ersichtlich. Die Endstufe wird mit einer Betriebsspannung von Ub = 26 V betrieben, mit dem Potentiometer R4 ein Kollektorruhestrom von ca. 300 mA (ohne Steuerleistung) eingestellt. Der Trimmkondensa­tor Cl wird direkt neben das Gehliuse des Transi­stors Tl auf die beiden Streifenleiter gelotet. Die Schraube ist ca. I mm hineinzudrehen. Trimmkon­densator C2 hat einen Abstand von 18 mm von der Kollcktorseite, die Schraube schlieBt mit dem Kar­per ab ( kleine Kapazitlit ).

Die Symmetrierleitungen sind aus Semirigid-Koa­xleitung mit Teflon-Dielektrikum und d = 2,2 mm gefertigt. Vorsicht bcim Knicken.

Der Eingangstrimmer wird aufminimale Reflexi­on und der Ausgangstrimmer auf optimalen Wir­kungsgrad abgestimmt. Abgleich und lnbetrieb­nahme der PA sind ausfiihrlich in Heft 4/96 be­schrieben.

Verwcnden Sie nur Netzteile mit Strombegren­zung. gebe_n Sie niemals ohne Betriebsspannungen HF- Steuerleistung auf die Endstufe, priifen Sie mit einem Oszilloskop (an den Kollektoren des Transistors TI), ob die Endsrufe im Kurzwellen-

11/06197 Compact Sottware inc . • Microwave Har-monlea 7 .0 1441:30

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·10 00

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Ii "' ~ a; .,, . ..., no

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FREQ [OH~]

Fig. 9: Measurement of S21 and Sl 1 for small power (<lmW)

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Dieter Briggmann, DC6GC: 90W Transistor-PA fur 1.3GHz

Table 2: Parts List for PA (Fig. 4)

Bez./Des. Art/ Sort Wert/ Value

Rl. 4 Resistor lOfl/ 0.25W R2,5 Resistor 18 fl/0.25W

R3.6 Resistor 12 n. Cl,2 Cap l lpF/60-0715-10011

C3. 5 Cap 18pF C4.6 Cap 22pF Cl. 13 Cap l.SnF cs. 14, 11. Cap O. lµF. MKL 17

'Cap ClO, 16, 33 pF 13, 19 C9, 12, 15, Cap 10µF/35V Elco 18 Ll. 5 Inductor 3 t .. 0.6mm CuEI. 0=4 mm L2, 7 Inductor 12 t..0.6mm CuEI on Rl A L3. 6 Inductor 2 t .. 0.6mm Cu El. 0=4 mm

L4. 8 jchoke VK200 Kl. 2. 3. 4 Semirigid UT086 (0=2.2 mm). Z=SO n.

L=35.3mm Zl,6 Microstripline Z= 13 n. L=9.6 mm Z2. 7 Microstripline Z= 15 n. L= 13.4 mm Z3. 8 Microstripline Z= 15 n. L=4 mm Z4.9 I Microstripline Z=l5 n. L=l8 mm ZS, 10

1

Microstripline Z=l5 n. L=S.2 mm Tl RF· Transistor PTB20174

T2.3 Transistor BD243 or BD20l PA90 PCB Rogers 4003. 0.8 lmm.

0,035mm Cu

Hersteller Bautorm I I Size

Ma nut.

Tronser/Jo hanson ATC ATC

l OOB lOOB

Ker

ATC lOOB

HB HS HB VALVO

PCB

PCB

PCB

PCB

PCB

ERICSSON

T0-202 DC3XY

bereich "wild " schwingt. Die Endstufe darf bei Steuerleistungen von 0 ... 15 W keinerlei Sch\\ ing­neigung zeigen.

Der Transistor Tl braucht einen "grollen" Kiihl­korper mit einem Warmewiderstand von hoch­stens OSK!W und muJ3 mit diesem unter Vermei­dung von Warmewiderstiinden verbunden werden. Der Transistor selbst hat einen Warmewiderstand von 0.6" KJW. Beim Muster liegt ein plan geschlif-

fener Kupferblock von 6mm Hohe zwischen Tran­sistorund Aluminium-Kuhlkorper(Abb. 10). Die­ser Kupferblock dicnt zum Vcrteilen der W:irme, die relativ konzcntrien auftritt und ist 'lebenswich­tig' fiir den Transistor. Rechnet man fiir die Mon­tage 0.1 KJW ergibt sich cine gesamter Wiinnewi­derstand von l.2"K/W. Bei 90 W Ausgangslei­stung und 50% Wirkungsgmd bedeutet das eine Temperaturerhohung des Transistorkristalls von

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-~--·---'-

Dieter Briggmonn, DC6GC: 90W T ronsistor-PA fur 1,3GHz

90 · 1.2= 1 os· C gegenuber der Umgebung. Der Kuhlkorper hatte dann bei Tu=25'C einen Tempe­ratur von 79' C und der Transistorkristall von 133'C. Ein Liifter flir Dauerbetrieb ist in jedem Fall empfehlenswen. Empfehlenswert isl der SK4 l 8 Kilhlki:irper von Fischer mit einer Lange von 200mm. Er hat einen Warmcwiderstand von 0.3 K/W.

Flir T 1 und T2 ist ein geeigneter Ausschnin in die Platine zu sagen. Die gei:i!Tneten Augen werden mit Nieten zur Masse-Ebene durchkontaktiert. wie auch PIN 7 des uA 723.

3. Construction The ph0tograph. Fig. 6 and table 2 show the com­ponents layout. Vaiiable trimmer C I is soldered direct!) 10 the bases. C2 has a distance of about 18 mm to the collector.CI is tuned to I mm inside, C2 is on minimum

Be careful with the semirigid lines. For initial operation connect a current-Limited power supply with an output voltage of 26V. Adjust for a bias current of300mA. Adjust C I for maximum return loss and C2 for ma~imum output w11h moderate drive power of about SW. Check \\ith an oscillo-

PT 20174

scope (at the collector circuit), that there is no oscillation on HF (3 ... 50MHz).

A well designed heat sink hat to be used for this PA. With full output a themJal power ofabout 80W has to be sinked. The heat sink should have a the1TT1al resistance ofless than OS KIW. For exam­ple a Fischer type SK418 with a length of 200mm provides a thermal resistance of 0.3'K/W. For effective heat distribution a heat spreader made from 6mm thick piece of copper is flanged to the transistor.

A blower may be worthwhile. The temperature of the heatsink can reach a temperature of nearly 80' C with full output and I 00% duty cycle.

4. MeBergebnisse Alie Mellergebnisse sind fiir eine Frequenz von f=l270 MHz (uplink AMSAT Phase Ill) giiltig. Soll die Endstufe bei 1300 MHz betrieben werden. ist ein geringes Nachstimmen mit Cl notwendig.

Bild 7 gibt Auskunft iiber die Ausgangsleistung Po in Abhangigkeit von der Steuerleistung Pin und den zugehorigen Kollektorstrom Jc. Bei einer Eingangsieistung von 13W steht eine Ausgangs­leistung von 90W bei einem Kollektorstrom von ca. 6A zur Verfugung.

Printecl boo.rel h=Q,81MM

Al-Heu tsink Fig. 10: Mounting Details of Heotspreoder

45 DUBUS 411997

Dieter Briggmann. DC6GC: 90W Transistor-PA fOr l .3GHz

Nach Bild 8 ergibt stch hteraus ein Wirkungsgrad von 57%. das entspncht emem Kollektornir­kungsgrad von etwa 49%. Das Eingangs-SWR konnte im Le1stungsbere1ch von IOW bis SOW ermittelt werden. bei SOW Ausgangsletstung gilt VSWR = 1.15, das entspricht etnem Reflex1ons­faktor von -23dB und isl tn guter Obereinsttm· mung mu dem Refle'(tOnsfaktor, der bet Kletnsi­gnalaussteuerung zu S 11 = -26dB besrimmt wurde (Bild 9). Fiirden Kleinsignaherstiirkungsfaktor ist ein Wert von 9.SdB ablesbar. der gemaB Bild 7 auch fiir Ausgangsleistungen bis ca 2W stimmt.

Bild 9 zetgt den Ubertragungfaktor S2 I und Ein­gangsreflexionsfaktor S 11 der PA bei Kleinsi1p1al­betrieb ( lmW).

Fur die Obenragungornessung wurde ein 30dB · Dampfungsgl1ed an den Ausgang geschaltet. Den Absolutwen S2 I erhalt man <lurch Additton von 30dB zurn Betrng dcr Y-Achsc dB( S2 I ).

4. Measurement Results The PA has been measured at I 270M Hz (Phase Ill uplink frequency on 23cm) Operatton on 1300MHz require> unly minor retuning of CI

Fig. 7 shows the the dependency of ourput power l'o and collector current le ·and dn\'e power I',,,. At a drive level of 13.8\\ an output pO\\Crof90W at a collector current of 6A can be achie\ed.

Fig. 8 shows an efficiency of 57% at this po\\ Cr level.

The input VSWR ts less than I 15 Fig. 9 shows the return loss and gam at small power

5. Danksagung/ Acknow­ledgements lch bedanke mich bet Herm Friedrich von der Firma Richardson Electronics GmbH. Puchheim, ftir die freundliche Unterstiltzung bezilglich der aktiven Hardwarekomponcnten

I have to thank Mr Friedrich from the German branch of Richardson Electronics, who did kind­fully help with the delivery of the ERICSSON components.

DUBUS 4/1997 46

6. Teile/ Parts Die Leiterplatten sind bet Rainer Jiigc:r, DC3XY. Breslauer Str. 4, D-25479 Ellerau, Tel :04106-73430. Fax.: 04106-761288 zu bc:ziehen.

Pcs·s you can get from DC3XY. addre>s as above.

7. Literatur / References /1/ Konrad Huprer, DJJEE, "100\\. Transistor Lmear on I .3GHz'', DUBuS 4 96. pp. 5 ... 12

/2/ ERICCSON, "Datasheet PTB-20174". DL­BUS 1/97. pp 40 ... 42

131 Zinke, Bruns~ ig, "Lehrbuch der I lochfre­quenztechnik".Springe1 Verlag 1986. 1 Auflage. Band I. S. I 77 IT