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HB9EPU-141230 LPA300-LDMOS-PA von DC6NYmit adaptiver Vorverzerrung

# 1

LPA300-LDMOS-PA von DC6NYmit adaptiver Vorverzerrung

Aufbau und Erfahrungen

Alfred Wullschleger, HB9EPU

7. Januar 2015

USKA Sektion Winterthur


# 2

Inhalt

● LPA300– Aufbau, Eigenschaften– Kühlung– Ausgangsfilter– Steuerung und -überwachung

● Linearisierung mittels digitaler Vorverzerrung– 1. Stufe: statische Vorverzerrung (Rampe)– 2. Stufe: adaptive Vorverzerrung


# 3

LPA300: Aufbau, Eigenschaften


# 4

Schaltung LPA300: sehr einfach

Doppelloch-Kern

BN43-202

Doppelloch-Kern

BN43-7051

Bifilardrossel


# 5

Platine LPA300

10 cm

8 cm


# 6

Unterseite LPA300


# 7

Daten LPA300

● Design und Realisierung durch DC6NY, Helmut● Einstufig mit LDMOS-Transistor

– MRFE6VP6300H von Freescale– Verstärkung 25-28 dB (ca. 300W aus 500mW!)

● 80x100 mm2 Platinengrösse– Doppelseitig kaschiert– Ober- mit Unterseite über Cu-Streifen verbunden

● Stromversorgung 50V (Drain) und 12V (Gate)


# 8

Umgebungsbedingungen LPA300

● Stromversorgung:– 50 Volt-Schaltnetzteil Meanwell 20 Ampère, lüfterlos– Ruhestrom 800mA bei aktiver PTT, 0mA bei RX

● VSWR am Transistor 65:1 zulässig– Fehlanpassungen kein Problem

● z.B. falsche Filterauswahl, falsche Einstellung Antennenkoppler

● Kritisch: -6V < Gatespannung < +10V– Eingangstrafo transformiert 3:2 gegen die Gates– Also 500mW@50Ohm Eingangsleistung kein Problem


# 9

LPA300-Prototyp von DC6NY


# 10

Messungen Prototyp


# 11

PA-Kühlung


# 12

LPA300 Unterbau: Kupferblock 8x62x80 mm3


# 13

Alter CPU-Wasserkühler...


# 14

...fertig montiert unter LPA300


# 15

Wasserkühlung

● Alte Eigenbau-Computerwasserkühlung● Mit 12/16mm-Wasserschläuchen● Eheim-Aquarienpumpe 5 Liter/Minute● Wasserreservoir

– 15 l Destwasser mit 3% Isopropylalkohol gegen Algen– mit Wärmetauscher von Scheco, ohne Lüfter

● Könnte mehrere Kilowatt kühlen● Geräuschlos


# 16

PA-Ausgangsfilter


# 17

Ausgangsfilter 1kW (1MHz-30MHz)


# 18

Ausschnitt: Filterschaltung 40m

3xT130-2+ SMD-C

2xT50-6

50Ohm(24x1k2)

3 Relais pro Filtersind zu schalten


# 19

Reflektion+Durchgang 40m


# 20

Ausgangsfiltereigenschaften

● 1kW max. auf allen 6 Bändern● Diplexfilter

● Tiefpässe Richtung Antenne● Hochpässe nach 50 Ohm

● Ausgezeichnete Messdaten– Eigene Messung mit VNWA

● Russische Fertigung (Viktor R3KR, Voronesh)


# 21

PA-Steuerung und -überwachung


# 22

Aufgaben Steuerung

● Selektion Ausgangsfilter – Schalten der 3 Relais (12Volt) pro Filter

● Messung der PA-Temperaturen und Drainstrom● Interface zum TRX-Programm via USB

– TRX-Programm steuert und überwacht

● Realisierung mit Arduino Uno– Eigenbau-"Shield" mit OpAmps und Transistorschaltern– "Shield" = standardisierte Erweiterung für Arduino


# 23

Steuerung LPA300: Arduino UNOBildschirm-darstellung:


# 24

Digitale Vorverzerrung


# 25

Grundidee Vorverzerrung

● a) Messen Verhalten der PA– Aufnahme der Amplitude und der Phase am Ausgang

der PA– Vergleich mit Eingangspegel und Eingangsphase– Erstellen einer Korrekturtabelle

● sog. LUT=Lookup Table für alle Eingangspegel

● b) Anwendung auf die Sendesignale:– Jedes Sendesample wird gemäss dieser LUT korrigiert

bezüglich Amplitude und Phase


# 26

Messanordnung RX-TX

RXMercury

TXPennylane

PA Filter

Antennenkoppler

AbschwächerRicht-koppler

HL+Dipol

Rot/Grün: Koaxialrelais TX/RX

tx

PTT

rx

rx50 Ohm-Bereich TX

RX und TX arbeiten gleichzeitig!

RX-Pfad

tx


# 27

"verteilter" TransceiverHPSDRPennylaneMercuryMetis

RX-KoaxrelaisAnt/Richt-koppler

Filter

PA

50V/20AMeanwelllüfterlos

Antennen-KoaxrelaisRX/TX

Steuer-Arduino


# 28

Prinzip Korrekturvorgang Amplitude

Rot: ideale PA-AmplitudeBlau: reale PA-Amplitude

Vorkorrekturwert

Eingangspegel

PA-Ausgangspegel

e

Sollwert

e=Korrektur des Sollwertes

Eingangspegel

somit LUT: Tabelle mit Einträgen Sollwert / Vorkorrekturwert


# 29

Erzeugung LUT (Lookup Table)

● Zwei Stufen:● Erste Stufe (Rampe):

– Durchlaufen einer Rampe mit CW-Signal von 0..gewählter Maximalpegel und Erzeugung der LUT

● Zweite Stufe (Adaptiv):– Dauernde Nachkorrektur der LUT während des Sendens

● durch Vergleich RX/TX-Samples● somit Änderung der Korrekturwerte in der LUT● ist also ein Regelkreis


# 30

Erste Stufe: Rampe

● Vorgehen:– CW-Pegel in Stufen von 0 bis wählbarem Maximalpegel

durchlaufen (derzeit 64 Samples/Stufe@48kHz)– in 256 Schritten, ca. 0.3 s total– Messung der Amplitude und Phase am Richtkoppler mit

der Mercury– Berechnung der Korrekturen aus den Messungen– Ablage der Daten in der LUT


# 31

Bsp. Amplitudenmesswerte Rampe

0 50 100 150 200 250 3000

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

amplitude

pegel

Empfangssignal vom Richtkoppler (blau), eingestellter Pegel (orange)

Rampe 256 Schritte


# 32

Bsp. Phasenmesswerte Rampe

0 50 100 150 200 250 3001.9

1.92

1.94

1.96

1.98

2

2.02

2.04

2.06

2.08

phase

Rampe 256 Schritte

Gemessene Phase vom Richtkoppler (radians), die Phasenlage der Sendesamples ist fix

(ca. 6 Grad Variation)


# 33

Praktische Resultate Vorverzerrung mit Rampe:Zweiton-Messung ZM1


# 34

ZM1: Zweiton ohne Vorverzerrung...


# 35

...Vorverzerrung mit Rampe


# 36

Vorverzerrung mit Rampe:ca. 12-15 dB Verbesserung

● Zweitontest mit Rampe:– LDMOS-Transistoren: deutliche IMD-Verbesserung

● 50Volt-Speisung

– Erfahrungen mit anderen PA-Typen (Tests DC6NY u.a.):● 13.8V-Speisung, Bipolar, Röhren-PA usw.

erreichbare Korrekturwerte nicht immer so gross!

● LPA300: – für die Praxis sind die IMD-Werte schon mit der fixen

Korrektur durch Rampenmessung ausreichend● ca. -40 dBc IMD3 bei ca. 200W


# 37

Zweite Stufe: Adaptiver Vorgang

● Ständiger Vergleich TX-Samples / RX-Samples für LUT-Korrektur

wie durchführen?● Folge von TX-Samples● Folge von RX-Samples vom Richtkoppler

– Welche gehören zusammen?– bei der Rampe kannten wir das Eingangssignal– jetzt müssen wir die Beziehung dynamisch ermitteln

● Beziehung TX/RX muss ständig sichergestellt sein


# 38

Zeitbeziehung TX zu RX● Messung Verzögerung:

– Rücksendung der unveränderten TX-Samples von der Hardware und Bestimmung der Zeitdifferenz Delta

– Bei jeder Umschaltung RX nach TX muss diese Messung erfolgen, um das schwankende Delta zu bestimmen (1000-3000 Samples)

Richtkoppler-Sample

RX-Samples

TX-Samples

Zeit

Delta

TX-Sample


# 39

LUT-Anpassung

● Veränderung der LUT-Einträge:– Wird pro Eintrag (d.h. TX-Pegel) durchgeführt

● 32678 Einträge in der LUT

– Mittelwertbildung von 20 gemessenen Samplewerten– Die Korrekturwerte in der LUT werden gemäss der Folge

der Mittelwerte geeignet verändert● Software-Experimente!

● Ziel: bessere Anpassung an die wechselnden physikalischen Bedingungen der PA


# 40

Praktische Resultate adaptive Vorverzerrung:Zweiton-Messung ZM2


# 41

ZM2: Zweiton ohne Vorverzerrung


# 42

...mit adaptiver Vorverzerrung


# 43

Vergleich ZM1 mit ZM2

ZM1 ZM1 ZM2 ZM2ohne Rampe ohne adaptivVorverzerrung Vorverzerrung

57-43= 14dB

total -39dBc71-42=29dB

total -53dBc

Carrier bei -18dBm entspricht 207W (ZM1) & 202W (ZM2)

10dB/Teil


# 44

Resultate adaptive Vorverzerrung

● Amplitudenkorrektur geht sehr gut● adaptive Phasenkorrektur

● der Regelkreis ist noch nicht ausreichend stabil: in Arbeit

● Messung ZM2 zeigt sehr gute Korrektur● Verbesserung bei Zweitonmessung kann auch kleiner ausfallen

– z.B. kann IMD5 nach gewisser Zeit wieder ansteigen● SSB-Korrekturen

● vor allem kleine Pegel wichtig: – 80% der Samples unter 20% Vollpegel

● reine Amplitudenkorrektur sehr stabil mit IMD>50dB


# 45

Zweiton-SSB: Amplitudenstatistik

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.20

20

40

60

80

100

120

Zweiton

SSB

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.20

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

80000

Pegel

Pro

zen

t Pegel

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.20

2000000

4000000

6000000

8000000

10000000

12000000

14000000

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.20

20

40

60

80

100

120

Amplitudenverteilung Prozentsatz Samples 0..Pegel

An

zah

l S

am

ple

s


# 46

Zusammenfassung

● LPA300 sehr einfach● äusserst stabil

● Ausgangsfehlanpassungen kein Problem● Vorverzerrung bringt sehr gute IMD-Werte

– Schon die Rampe bringt gute Werte● ca. 40 dBc für Praxis völlig genügend

– Adaptive Korrektur bringt weitere Verbesserung● > 50 dBc im optimalen Fall


# 47

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

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