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高頻低功率與微波高功率的合成技巧

No.32   1995 Sep.   p42~47,   by 林茂榮 Paul Lin, BV5OC,P.O. Box 575 Changhua



    在業餘無線電天地之中,有一類人對於低功率通訊特別感興趣,例如俗稱 QRPer 者,就是指對低功率通訊愛好者而言。在俗稱短波的高頻世界裡,當傳播狀況好的時候,約一瓦左右的功率,就可以通達三大洋五大洲,訊號順暢無阻,任你遨遊,盡情享受低功率的通訊樂趣。

    低功率通訊的優點在於器材架設操作方便;而因為功率低,許多通訊器材都可以自己組合製作;但也有某些人對於特殊的無線電通訊模式特別感興趣,例如月球表面反射通訊 (EME),像這類通訊通常需要有夠大的發射功率才行。

    不論 QRPer 或 EMEer,在業餘無線電領域中,因為沒有現成整套設備可買,必須親自安排器材。對於 QRPer 常碰到的問題,就是發射機輸出功率稍嫌不足,加個後級放大,往往會超出低功率的範疇 (各國定義稍異,美國為 5 瓦以下,日本寫 2 瓦以下),因此就面臨了「高」不行,「低」不通的窘境。

    下面所介紹的低功率平衡射極電晶體式射頻功率放大器試作,是一種實用的小功率合成技巧,可以讓你在 QRP 裡逍遙自在;面臨無大功率輸出的微波發射機時,則可以參考簡單的 1.2GHz 訊號拼合器,利用被動式的零件,把個別的功率放大器輸出拼和,這樣就可以達到所想要的輸出功率。我們先來探討小功率放大器的合成技巧。


低功率平衡射極電晶體式
射頻功率放大器試作


概述

    低功率愛好者總是習慣在訊號強度指針動也不動的情況下通訊 (QSO),不過要是碰到電波傳導狀況欠佳時,或是那一天心情來潮,希望能讓對方接收機的訊號強度指針偏移一下,把訊號報告提升一些,毫無疑問地,此時你就必須要把輸出功率稍微提升一些。有時也會碰到這種情況,那一天好不容易瞎貓碰到死耗子,千里尋它無覓處,眼前自己送上來珍貴電台,可惜釣是低功率工作,頻率上頭雜訊一大堆,此時真恨不得自己有再多一點點的輸出功率!而實際應用上,往往稍微加一些功率,對方的訊號報告可以從 R3 跳到 R5。

    因此,像一般電台一樣,平時一百來瓦,旁邊備個大砲 (線性放大器) 以備不時之需。低功率電台也一樣,若能備個射頻放大器,也有同樣的作用。當然,低功率者的本色不能丟,自製的精神不可拋。這裡我們打算介紹一種使用一般電晶體製作的射頻放大器,利用合成的技術,把小型電晶體組合成幾瓦的輸出,不但可學到放大器合成的知識,還有實際用途的好處。


小型訊號電晶體組成的功率放大器

    像是 2N2222A 這類小型電晶體,經過挑選匹配之後。可以並聯組合成射頻功率放大器。其實這種觀念老早就被一些製作電晶體的半導體廠商應用上了;他們把一些普通的矽晶片加工做在一塊,包裝變成一個功率放大器模組,這類的功率放大器有一種名稱,叫做平衡射極電晶體 (BET, Balanced-Emitter Transistor)。

    平衡射極電晶體是由多只小型訊號電晶體在射極串一低阻抗電阻組合而成的。以小型電晶體組合而成時,典型的電阻是 1 歐姆,這些小電阻也是以晶片製作技術,和電晶體一樣做在晶片上。在電晶體射極上的電阻是為了防止電晶體的熱跑脫 (THERMAL RUNAWAY) 現象,這是一種會發生在電晶體介面的自然現象,當此介面因熱而降低阻抗時,會出現一種惡性循環,直到燒毀介面為止。一般而言,過高的駐波比值,就會使功率電晶體內的介面溫度升高,因而使電晶體產生熱跑脫燒毀。這在組合在一起的電晶體也可能發生,因為每一只電晶體 的增益值不同,而較大增益的電晶體就有可能因為電流大,產生熱跑脫燒毀。當個別的電晶體射極加裝電阻後,就能使每一只電晶體的電流分配更均勻,以防止熱跑脫現象。

    我們也可以使用小型射頻訊號電晶體製作平衡射極電晶體。 [ 圖 1 ] 利用四只小型訊號電晶體 2N4400 組成的平衡射極電晶體,Q1-Q4 的基極和集極分別接在一起,而射極先各串接一只 1 歐姆電阻再接在一起。若組成 C 類放大器,每只電晶體的輸出功率是 0.5 瓦。2N4400 在 25℃時,額定功率是 1.5 瓦,截止頻率 Ft 是 200MHz,集極最高耐壓是 40V。每只 2N4400 電晶體的價格應在 10 元以內, [ 圖 1 ] 組成的 2 瓦射頻放大器,花費就很少。2N2222A 也很適合製作平衡射極電晶體,特性與 2N4400 類似。

    若要用平衡射極電晶體再拼湊成射頻放大器,那就不用再加射極電阻了。如 [ 圖 3 ] 所示,加一然納二極體,這可以防止放大器振盪及高駐波比的不良影響。如 [ 圖 4 ] 所示,若不是使用平衡射極電晶體,則電晶體一定要配對。

    挑選配對電晶體的線路如 [ 圖 2 ] 所示,它是一振盪器線路,以 10pF 電容耦合輸出,經由 D1 及 D2 檢波,可以由 M1 讀出振盪輸出功率。R1 是用來調整電錶的讀數,可以讓滿刻度時指針調回來,也可以使指針作較大的偏差,易於比較。Q1 應採用方便的插座以利操作,任何基頻式的石英晶體都可以。利用此線路從電晶體中選出相同讀數的電晶體做配對使用。如果以三用電錶測量電晶體 BETA 值,也可以挑選出配對的電晶體。

    在製作時,為能增加電晶體的消耗功率,採用銅箔線路板以增加散熱面積,我就只用美工刀把線路板加工完成,割成三條帶狀,中間焊射極,兩外緣分別焊基極與集極。

    [ 圖 1 ] 的線路與單電晶體 2N3866 射頻功率放大器的輸出功率額定值相當。自然以平衡射極電晶體方式製作的放大器,也沒有理由只裝 4 組,我試過以 10只 2N2222A 電晶體組成 3 瓦輸出的功率放大器,一點問題也沒有。

    [ 圖 3 ] 是以 [ 圖 1 ] 組成的平衡射極電晶體做推挽式的射頻放大器。如果不是使用平衡射極電晶體的話,D1 及 D2 一定要裝上。T1 及 T2 是磁環寬頻變壓器,FL1 則是低通濾波器,做為輸出級的濾波,可以濾掉諧波,以符合法規要求。當然濾波器的性能好壞與其複雜程度有關, [ 圖 4 ] 所列元件就是一個典型射頻輸出用低通濾波器。


自製 5 瓦射頻功率放大器

    也許 2 或 3 瓦的射頻功率有時是不夠用的,那就用單只電晶體做為射頻功率放大器,參看 [ 圖 4 ] ,Q1 是射頻功率電晶體 MRF475,當然也可以使用其他替代品,像是 2SC2092,不只特性與 MRF475 一樣,連接腳也一樣。其他像是 2SC1306 也可以代用。

    利用回饋網路 C3, L1, R2 及 R3,可以讓此射頻功率放大器在 1.8MHz 到 30MHz 之間都有一樣的放大倍數。但是此線路若工作頻率下降,增益還是會稍微提升;此現象也常是導致射頻功率放大器產生振盪的禍首。因此回饋線路不只使放大器增益保持固定,也要使射頻功率放大器能更穩定,不致產生振盪。

    C4 是用來抑制 VHF 的諧波,C4 針對高頻而言,阻抗大到可以防止高頻訊號的損失,而對 VHF 或 UHF 訊號的話,它會因為低阻抗而使射頻訊號往接地端流竄消失。

    FL1 是設計給 40 公尺波段使用的,當然此射頻功率放大器可以用在高頻的所有波段,但 FL1 要重新設計。每波段的最大輸出功率約 5 瓦左右。在 40 公尺波段內,Q1 的推動功率是 250 毫瓦的話,輸出功率是 5 瓦。但在 15, 10 公尺波段,因為線路的損失稍大,所以推動功率可能要大一些。Q1 是 C 類放大器,所以效率很高。


接收 / 發射切換線路

    假設你製作的低功率射頻放大器是要與接收機組成收發機,一定要有接收 / 發射切換線路。讓收發機於發射時,切離接收機並保持靜音。

    實際的接收 / 發射切換線路如 [ 圖 6 ] 。Q1 是 PNP 型電晶體開關,用來控制繼電器,當控制線短路,K1A 動作,把天線從接收機切到發射機位置,K1B 則是用來控制接收機的靜音, D2-D4 二極體是用來保護接收機線路免受射頻訊號侵襲。 [ 圖 6A ] 是接收機與發射機分開的情況。

    我使用 DIP 小型繼電器,一般繼電器對於 20wpm 速度的 CW 通訊都還能應付。不過一般接點式繼電器如果沒有做很好的隔離,會隨著射頻輸出訊號起舞,因此最好採用磁簧式單刀雙切開關 (SPDT) 繼電器,如果繼電器是單刀單切的話,就要使用兩只,增加線路的複雜性。而接收 / 發射切換線路一定要預防熱開關 (HOT SWITCHNG), [ 圖 6 ] 的控制線路一定要保證可以讓天線切到發射機線路,否則射頻功率放大器輸出端開路,會把射頻功率電晶體燒毀。


實際考量

    5 瓦放大器的線路板如 [ 圖 5 ] [ 圖 8 ] 是零件放置示意。像 [ 圖 4 ] 的線路以採用雙面板為佳。雙面的銅板有助於射頻功率放大器的穩定。

    所有的磁環變壓器都是垂直擺放。 [ 圖 4 ] 內的 Q1 要使用散熱片。所有發射機、接收機與接收 / 發射切換線路之間的接線,要用小型同軸電纜,RG-174 就很合適。

    要注意的是,這裡介紹的兩個低功率射頻功率放大器,也必須要有足夠的推動功率才能推出足額的輸出功率,太低的推動功率,輸出功率自然低。但是太大的推動功率也不行,會使 Q1 的功率額定值超過,這樣會使電晶體過熱,或是使電晶體的基極 - 射極電壓超過,兩者都容易使電晶體燒毀。因此推動輸出功率必須能夠調整,例如在其中一級的供電電壓以可變電阻調整來控制輸出功率,你可以一面調整推動級輸出功率,一面監視射頻功率放大器的輸出功率,以得知適當的推動功率該有多大。

    在調整推動功率時,有一點恰好是推動級輸出功率增加時,射頻功率放大器輸出功率不再增加,此點稱為飽合功率輸出 (SATURATED POWER OUTPUT),然後再把功率往回降,有一點剛好是輸出功率隨著降,那就是推動射頻功率放大器的最佳位置。你會發現在最佳推動功率時,很少發生失真情形。

    射頻功率放大器的輸出可以使用低功率駐波比錶、VTVM、裝有 RF 探棒的 FET VOM、或是頻寬較大的示波器。當然使用上述工具測量時,射頻功率放大器的輸出端一定要記得接上 50 歐姆假負載。


總結

    雖然上面討論的是 5 瓦以下的射頻功率放大器,因為這裡的主題是低功率射頻功率放大器,但是沒有理由不能加大功率,你可以依照上面討論的原則,設計製作更大功率的射頻功率放大器。或許你也有勇氣嘗試利用 2N2222A 去組一 25 瓦輸出的射頻功率放大器。祝你嘗試成功,下面我們要繼續探討微波範圍的大功率拼和技巧。


簡單的 1.2GHz 訊號拼合器


概述

    在某些特殊通訊情況下,例如月球表面反射通訊,通常需要很大的輸出功率才行,除了找輸出功率很大的真空管放大器外,還有另一種方法,可以得到大的輸出功率,就是利用功率拼合技巧。

    下面要介紹一種拼合器,可以把兩部單管水冷式的 2C39/7289 的 1.296GHz 放大器拼合輸出,可以產生約 400 瓦的輸出功率,這幾乎是與六管的 2C39 放大器相當。

    如果推動功率夠大的話,利用拼合器把單獨的放大器輸出拼合起來,也比單獨的放大器可以多出約 3dB 的增益。不過要實現這願望之前,你得要有耐大功率的拼合器,能把放大器的輸出拼合起來。一般拼合器的基本要求是「低的損失」及「良好的隔離」。

    這裡我們要介紹一種容易自製的圓環形高功率拼合器,不僅製作的材料容易拿得到,效果也不輸給其他類別的拼合器。這裡要介紹的拼合器稱為環形拼合器 (RING HYBRID) 或叫做 180 度 RAT- RACE 拼合器;實際上,所謂的拼合器就是把送給相同負載的訊號源彼此隔離開來,但卻能把從中送來的功率整合起來。


拼和器工作原理

    [ 圖 10 ] 所示是一般訊號的切割及拼合結構; [ 圖 11 ] 則是環型拼合器的平面剖析圖。為了要把兩部放大器的輸出功率組合起來,須要兩只環形拼合器,一只用來分配推動放大器的訊號,另一只則把放大器後的輸出功率組合起來。

    當有一訊號輸入如 [ 圖 10 ] 所示環形拼合器的 1 腳時,在 2,4 腳分別可以得到相位差 180 度的輸出訊號,通常 ISO 腳必須接 50 歐姆假負載,這是拼合器當做訊號切割的情況;當拼合器做為訊號拼合時, 2,4 腳為輸入端,1 腳成為輸出端,ISO 腳是兩輸入訊號差。

    環形拼合器的效率,與拼合器的兩輸出口上的訊號振幅與相位是否相等而息息相關,如果分別使用不同的放大器,為了要增加拼合器的輸出功率,就要調好放大器的輸出相位及振幅。如果兩只放大器的輸出振幅及相位不同,這差異所產生的功率將出現在 ISO 端。因此,為了要調好環形拼合器,必須使用兩只射頻功率計,一只用來監測拼合器的加總功率,另一只則用來指示拼合器的差異功率,這樣可以很方便地把環形拼合器調整到最佳狀態。我就會把四部輸出採用單管 2C39 的放大器,利用六組環形拼合器組合,功率高達 800 瓦。這對 業餘無線電很重要,因為不只代表技藝的成功,而且也是最經濟的方法 (業餘可以負擔得起的),才得以享受業餘無線電的樂趣。


製作

    參看 [ 圖 11 ] ,環形拼合器的主環是由 3/16 英吋的銅管製作,環形的內直徑是 4 又 1/2 英吋,這相當於三分之二波長。製作環形時,要盡可能地接近圓形,可以採用圓形木頭外加皮帶 (防止銅管受嚴重刮傷) 的模型來製作。纏繞時,恐怕得一次多繞幾圈,這樣銅管才會死性,免得放手後又變形,而這樣也一次可以製作好幾個銅環。

    現在可以把每個銅環切開 (至少要兩個以上的銅環才能工作),切開後的銅環要先刮乾淨,然後其中一端需要用拓管器撐開,好讓兩端可以銜接。先把兩端插入,然後再測直徑對不對,圓形有沒有變型,把銅環擺在平面上,是不是會緊密平躺,有沒有翹起來的地方,如果一切順利,就可以用焊錫封口了。


包裝

    所使用的外殼大小可以任意選用,只要能裝得下銅環即可,而且環邊能離外殼 1/2 英吋以上,所以,這樣的外殼就必須深 3/4 英吋以上了。我是選用鋁質的外殼。先把外殼英吋加工完成,然後就是安裝四只電纜接頭,先做記號,要很精確才行,好讓穿孔固定好的接頭,可以配合銅管,我選用的 N 型座的固定孔是 1/8 英吋的。

    讓銅管就位,先讓它貼在外殼的內側,對照一下 N 頭的插座中心孔是否對準銅管。確定對準之後,先打洞固定好 N 型座,然後四只 N 型座中心腳,應該都可以對上環形拼合器的銅管中心。做上記號後,在銅管上頭打上 1/8 英吋的孔,讓 N 座的中心腳可以插入,注意在銅管打孔時,別把銅管弄扁了,這樣就功虧一簍了。


組合

    一旦所有組件均準備就緒,要焊死之前,必須先校正,同時也要檢查各接頭是否有短路,因為銅管必需均勻地離外殼 1/16 英吋,如果無法順利調整的話,銅管與外殼間可能要安裝固定柱。先把接頭及銅管固定柱接妥,銅管放在接頭的中間插腳上,銅管與外殼接地面之間,暫時利用 1/16 英吋的墊子撐住,銅管與接頭問的位置確認無誤後,就可以把它焊妥。這樣把外殼蓋裝好,就可以進入測試程序。


測試與調整

    如果依序進行,裝製妥當的環形拼合器當不致有問題,不過還是要檢查是不是有短路情況,整只環形拼合器的銅管是否都與外殼等距 1/16 英吋。一切妥當的話,這只環形拼合器便進入備用狀態。

    要測試這環形拼合器,有兩種方法可供選用,其中一種是需要好的測試儀器設備,包括有掃頻儀 (SWEEP GENERATOR),動態範圍達 40dB 的對數檢波器,或是頻譜分析儀及三個 50 歐姆的假負載。另一種比較簡單的方式,只要 50 歐姆負載及發射機與兩部射頻功率錶。

    如果你使用第一種方式,就可以測得比較精密的數據,例如使用掃頻儀就可以測得環形拼合器上各接頭的隔離度,而環形拼合器最重要的數據之一也就是分離度,基本上,這環形拼合器上的訊號源之間的隔離度在中央頻率時大於 45dB,在頻寬最外圍也大於 35dB。這隔離度是從 ISO 及輸入腳之間或是兩輸出腳之間而言。測試時,未使用的接腳一定要接上負載。除了隔離度之外,也要測量兩訊號的振幅,兩者相差不能超過 0.1dB;再強調一次,測量時,未使用的接腳一定要接負載。

    如果沒有上述儀器可供運用,你也可以利用比較粗略的方式來測試,雖說粗略,但已足夠。找來 1 瓦左右的發射機,這發射機的後級一定要有輸出濾波器,或者輸出的混附一定要低於 -30dBc,因為不乾淨的發射機會讓你在測量時有很大的困擾,尤其是功率錶若使用像是 BIRD 43 之類選擇性差者 (這類功率錶把所有訊號都算進去),它們只要一不小心,測量的結果可以達到 3dB 的誤差。

    如果你有一部可以發射出乾淨訊號的發射機,可以把它接到環形拼合器。為了安全起見,發射訊號時,一定要把環形拼合器的外殼加好蓋;同時 ISO 腳要接假負載,而其中的一個輸出腳也要接假負載,然後在另一輸出腳測量輸出功率,這應該非常接近發射機輸出功率的一半。再把假負載與輸出測量端對調,測量另一輸出端的功率,這值也要接近發射機輸出功率的一半才算正常;另外,假負載要 50 歐姆才行,其他阻值量測出來的數值並不適用。

    環形拼合器校正妥當,放大器也已經調諧妥當,就可以把全部系統組合起來;當然,在組合時還要一些必須品,包括有放大器與環形拼台器之間及環形拼合器與環形拼合器之間的電纜線,這線要標明清楚,不能混用。

    輸入及輸出隔離用的假負載可以使用 RG-58 電纜線,50 英呎長的這種電纜線,可以做很好的負載,比如這樣一條線的 RETURN LOSS 優於 20dB,衰減也可以達到 12dB,而且可以在 100 瓦下工作幾秒鐘。

    以環形拼合器為中心,接好發射機、放大器、假負載、及功率錶,你就可以測試整個系統。剛開始時,應使用小功率,如果是採用真空管的放大器,要把陽極電壓放低 (約 400V~500V),慢慢調整兩放大器,讓差異功率錶的指示最低。

    當輸出功率錶的指示已經達到與一只放大器在相同陽極電壓下的輸出功率相同時,可以開始慢慢增加推動的功率及放大器的陽極供電電壓。在系統尚未進入幾乎完美狀況時,千萬則冒然以全功率輸出,應該小心一步一步來,千萬別猴急。如果你使用的是非真空管放大器,可以光靠推動功率慢慢上升;如果差動功率太大的話,也許要調整放大器的輸出匹配網路,使差動功率降低。

    總之,要永遠使加總功率最大,差動功率最小。而 2C39 是經不起 15 瓦以上的推動,所以千萬別放太大的推動功率。在做全功率負載之前,在放大器輸出 100 瓦時,再仔細觀察一下,差動功率有沒有過大的現象。

    如果在做月面反射通訊 (EME)、業餘衛星 (OSCAR) 或基地台通訊時,因為發射功率不夠而功虧一簣時,這環形拼合器是你的好幫手,很經濟地提升這方面的通訊。


結論

    雖然自製的傳統在業餘無線電領域內已經逐漸式微,但是在某些角落裡,依然有人為這良好的傳統而堅持奮鬥著;這是為維繫美好的傳統也好,或是為了滿足自己動手的慾望也罷,在某些特殊情況下,的確非自己動手不行。

    但願這裡所討論的高頻低功率及微波高功率的合成技巧,能對各位有所幫助。 END


主要參考資料:
1. Low-Cost QRP Power Boosters, by Doug DeMaw.
2. A Simple and Inexpensive 23/24- Centimeter Signal Combiner, by Chip Angle.


圖片連結
[ 圖 1 ] :以四只一般訊號電晶體組成的射頻功率放大器。
[ 圖 2 ] :挑選平衡射極電晶體用的線路。
[ 圖 3 ] :以平衡射極電晶體或其他單只電晶體組成的 C 類推挽式射頻功率放大器。
[ 圖 4 ] :輸出功率 5 瓦的射頻功率放大器例子。
[ 圖 5 ] :製作圖 4 線路 5 瓦射頻功率放大器用的線路板。
[ 圖 8 ] :圖 5 的零件擺放示意。
[ 圖 6 ] :接收 / 發射切換用的線路。
[ 圖 7 ] :製作圖 6 接收 / 發射切換線路用的線路板。
[ 圖 9 ] :圖 7 的零件擺放示意。
[ 圖 10 ] :拼合器的工作原理說明
[ 圖 11 ] : 1.2GHz 的拼合器結構尺寸示意圖。



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