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AMSAT-DL 2.4 GHz 6W PA für den Betrieb über QO-100

insbesondere mit einem SDR

AMSAT-DL, Stefan DG8FAC und Matthias DD1US,

aktualisiert am 28. April 2021

Es gibt diverse Konzepte für Leistungsverstärker für den geostationären Satelliten QO-100. Leider basieren viele

Konzepte auf einer Versorgungsspannung von 28V mit einem sehr geringen Wirkungsgrad. Außerdem haben viele

Verstärker eine zu geringe Verstärkung um sie direkt mit einem SDR wie dem ADALM-Pluto, einem LimeSDR-

USB oder LimeSDR-mini anzusteuern.

Das nachfolgende Design wurde von Stefan DG8FAC für den Betrieb mit einem SDR über den

Schmalbandtransponder entwickelt. Es ist für einen weiten Spannungsversorgungsbereich von 6 bis 15V und einen

hohen Gesamtwirkungsgrad optimiert. Damit ist es auch insbesondere für portable Anwendungen geeignet. Der

Verstärker kann auch sehr gut als Treiber zwischen einem ADALM-Pluto und einer High Power PA für DATV

eingesetzt werden.

Diese PA liefert eine Sättigungsausgangsleistung von über 6W. Für SSB-Betrieb über QO-100 sollte die PA nicht

über ca. 3W ausgesteuert werden, um noch eine ausreichende Linearität sicher zu stellen. Durch das zweistufige

Design mit einer hohen linearen Verstärkung von ca. 46dB reichen bereits ca. 120uW aus um eine Ausgangsleistung

von 3W zu erzeugen.

Nachfolgend finden Sie zunächst eine detaillierte Beschreibung der Schaltung bevor Sie dann Messergebnisse und

eine Zusammenfassung finden.

Schaltbild HF-Teil

Das Eingangssignal (im Schaltbild rechts) wird zunächst an den Eingang des Treiberverstärkers angepasst und dann

von diesem MMIC des Typs Minicircuits GVA-84+ um ca. 16dB verstärkt. Unerwünschte Nebenaussendungen,

beispielsweise von einem im Sender nicht optimal unterdrückten Lokaloszillator, werden dann durch 2 kaskadierte

LTCC Bandpassfilter der Firma Mini-Circuits des Typs BFCN-2450+ unterdrückt. Anschliessend wird das Signal

durch einen 90 Grad Hybridkoppler auf 2 Kleinleistungsverstärker der Firma Skyworks des Typs SKY66292

aufgeteilt. Nachdem beide Teilsignale um ca. 35dB verstärkt wurden, werden sie in einem weiteren baugleichen 90

Grad Hybridkoppler zusammengefasst und das Summensignal wird an der Ausgangsbuchse (im Schaltbild links) zur

Verfügung gestellt. Beide Hybridkoppler des Typs GSC356-HYB2500 der Firma Soshin bieten mit einer

nominellen maximalen Leistung von 100W genügend Reserve.

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Schaltbild PTT-Eingang

Die PA bietet einen PTT Schalteingang mit welchem die beiden Skyworks Verstärker ein- bzw. ausgeschaltet

werden können. Damit kann sichergestellt werden dass während des Empfangs kein Ausgangssignal die PA verlässt.

Ausserdem wird dadurch der Ruhestrom im Empfang auf ca. 62mA reduziert. Wenn die PTT betätigt ist (active

low) beträgt der Ruhestrom der Endstufe bei einer Versorgungsspannung von 12V ca. 130mA.

Schaltbild Netzteil

Um eine konstante Ausgangsleistung bei einem hohen Wirkungsgrad über einen weiten Versorgungsspannungs-

bereich von 6V bis 15V zu gewährleisten, ist in die PA eine kleines hocheffizientes Schaltnetzteil basierend auf

einem TPS5450 der Firma Texas Instrument integriert. Alle 3 Verstärkerbausteine werden mit einer geregeltem

Versorgungsspannung von +5V betrieben.

Die PA ist auf einer sehr kompakten Platine mit den Abmessungen 42mm x 53mm realisiert. Als

Leiterplattenmaterial wird eine Kombination aus FR4- und Teflon verwendet um die HF-Verluste zu minimieren

und gleichzeitig die Herstellkosten zu optimieren.

Alle SMD-Komponenten sind mittels einer professionellen Bestückungs- und Lötanalage bestückt.

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Layout

Die Wärmeableitung bei gleichzeitiger elektrischer Isolation wird durch ein 3mm dickes Wärmeleitpad des Typs

EC360BLUE der Firma ExtremeCool sichergestellt. Dieses Wärmeleitpad hat eine thermische Leitfähigkeit von

5W/mK und wird ganzflächig zwischen Platine und Kühlkörper angebracht. Hierzu zunächst die dickere Schutzfolie

abziehen und das PAD unten auf die Platine positionieren und leicht andrücken. Dann die dünnere Schutzfolie

abziehen und die Platine mit PAD auf dem Kühlkörper positionieren. Dem Bausatz liegen 2 PADs mit 2mm und

3mm Dicke bei. Falls man die PA-Platine auf eine größere Platte oder Kühlkörper montiert, gibt es bei der

Verwendung des 3mm PADs Probleme beim Anschrauben der SMA-Stecker. Hier ist es besser die beiden PADs zu

stapeln. Bei der resultierenden ca. 5mm Dicke reicht der Abstand zwischen SMA-Buchse und Kühlkörper dann aus.

Es reicht die PADs nur leicht zu komprimieren.

Hier einige Bilder des Testaufbaus. Der Kühlkörper sollte bei langen Dauersendungen z.B. für digitale

Datenübertragungen mit dem AMSAT-DL Highspeed Modem oder bei Verwendung als Treiber für DATV etwas

grösser dimensioniert werden.

Testaufbau ohne Gehäuse Sandwich-Aufbau mit Wärmeleitpad

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Falls die PA nicht insgesamt in ein Metallgehäuse montiert wird, sollte sie zur ausreichenden Schirmung in ein

Weißblechgehäuse eingebaut werden. Durchführungskondensatoren für die Versorgungsspannungszufuhr und das

PTT-Schaltsignal vermeiden leitungsgebundene Störungen.

Testaufbau im Weissblechgehäuse Testaufbau mit Kühlkörper

Testaufbau im geöffneten Weissblechgehäuse

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Der Frequenzgangs des Verstärkers wurde im Frequenzbereich 2,0 bis 2,8GHz gemessen. Die Messung erfolgte mit

einem Spectrumanalyzer im Modus „Peak Hold“ und der Messsender wurde von Hand durchgestimmt. Das

nachfolgende Bild zeigt den gemessenen Ausgangspegel, wobei zwischen Verstärkerausgang und Spektrumanalyzer

eine Dämpfung von 40,8dB eingefügt war.

Gemessener Frequenzgang

Die beiden kaskadierten Bandpassfilter dämpfen Signale unterhalb von 2120MHz um mehr als 55dB. Tatsächlich ist

die Unterdrückung noch höher allerdings war die Messung war durch den Dynmikbereich des Messaufbaus

begrenzt. Vewendet man einen Upconverter mit einer Zwischenfrequenz von 435MHz, so liegt der Lokaloszillator

in der Regel bei 1965MHz und die Spiegelfrequenz bei 1530MHz. Falls der Upconverter diese Signale nicht gut

unterdrückt so werden sie spätestens in dieser PA ausreichend abgesenkt.

Bei der Entwicklung des Verstärkers wurde Wert auf eine gute Eingangsanpassung gelegt, um mögliche

Rückwirkungen auf den Steuersender zu minimieren. Die Eingangsanpassung liegt bei ca. 23dB.

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Eingangsanpassung S11 in der Smithchart

Eingangsanpassung S11 LogMag 10dB per div

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Hier noch abschließend die Messung von Verstärkung, Ausgangsleistung und Stromaufnahme des Testaufbaus als

Funktion der Eingangsleistung.

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Is /

mA

Po

ut

/dB

m &

Ga

in /

dB

Pin /dBm

Pout, Gain and Is versus Pin @2400MHz

Pout /dBm

Gain /dB

Is /mA

P1dB=35dBm

Die Verstärkerbaugruppe hat eine Gesamtverstärkung von 46dB. Der 1dB Kompressionspunkt liegt bei ca. 35dBm

entsprechend 3,2W. Die Sättigungsleistung beträgt über 6W und wird bereits mit einer Ansteuerleistung von -1dBm

erreicht. Eine maximale Eingangsleistung von +3dBm sollte nicht überschritten werden um den Verstärker nicht zu

zerstören. Bei einer Eingangsleistung von -10dBm wird eine Ausgangsleistung von ca. 3W erzeugt. Diese geringe

Ansteuerleistung sollte von allen gängigen SDRs wie ADALM-Pluto, LimeSDR-USB und LimeSDR-mini mit

einem ausreichend sauberen Signal geliefert werden können.

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Andreas DL5CN hat seinen Verstärker vermessen und bei einer Aussteuerung auf 4W PEP einen

Intermodulationsabstand 3. Ordnung von ca. 40dB gemessen. Er hat für diese Messungen den Verstärker mit seinem

ADALM Pluto (drive level auf 84% eingestellt) angesteuert.

Andreas legt Wert auf den Hinweis, dass seine Messergebnisse durch Toleranzen von Kabeln, Adaptern, etc. leicht

beeinflusst sein können.

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Kurt DJ0ABR hat Messungen des Spektrums bei Ansteuerung durch den Pluto als DATV Sender in DVB-S2

durchgeführt. Die Modulation war QPSK, die Symbolrate war 500kS/s. Die nachfolgenden Screenshots wurden mit

einem Messaufbau mit einem 20dB Dämpfungsglied vor dem Spectrumanalyzer durchgeführt. Es sind also jeweils

20dB auf die angezeigten Werte zu addieren.

Bis zu einem Ausgangspegel von ca. 33dBm entsprechend 2W ist das Ausgangsspektrum sehr gut. Der

Schulterabstand ist grösser als 50dB:

Bei einer Ausgangsleistung von ca. 33.9dBm entsprechend ca. 2.5W sind die Schultern ansatzweise zu erkennen.

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Bei einer weiteren Erhöhung des Ausgangspegels auf 35.3dBm entsprechend 3.3W ist der Schulterabstand nur noch

ca. 37dB. Weiter sollte die Ausgangsleistung nicht erhöht werden. Da in der Regel eine weitere Endstufe

nachgeschaltet wird soll man die hier beschrieben 6W PA für DATV mit QPSK Modulation eher bei maximal 2W

Ausgangsleistung betreiben.

Falls man nicht jederzeit eine gute Anpassung der Sendeantenne sicherstellen kann, ist das Einfügen eines Isolators

am Ausgang des Verstärkers ratsam.

Wir wünschen viel Spaß und Erfolg mit dem neuen Verstärker.

Viele Grüße

Stefan DG8FAC und Matthias DD1US

Email: dd1us@amsat.org Homepage: www.dd1us.de