MODIFICA DI UN MODULO AMPLIFICATORE UMTS PER LA
BANDA AMATORIALE 2320 MHz
Il modulo è in grado di erogare una potenza di
oltre 150 W con una potenza in ingresso di 40 mW
Premessa
L’amplificatore (Foto n.1) era utilizzato nelle stazioni base UMTS per
traffico dati a larga banda. La sua frequenza di lavoro è compresa da 2110 MHz
a 2170 MHz, mentre la potenza di uscita si attesta a circa 50 W in classe
lineare su di una banda di circa 4 MHz, così come richiesto dalle specifiche di
funzionamento di questi dispositivi. Per poter garantire una perfetta linearità
in una banda così ampia, nel suddetto modulo sono utilizzati transistor LDMOS
appositamente progettati per questo specifico uso. Lo stadio finale comprende
un transistor dedicato agli amplificatori Doherty e contiene nella sua
struttura due LDMOS.
Il presente modulo non riporta nessuna marca e modello, quindi è impossibile reperire il suo schema elettrico. Ad ogni modo, attraverso un’accurata osservazione, non è difficile comprendere la sua architettura. Sulla base della disposizione dei componenti utilizzati (Foto n.2),
Descrizione
del modulo
E’ necessario sintonizzare in banda amatoriale di nostro interesse (2320 MHz) sia lo stadio driver che lo stadio finale del modulo amplificatore UMTS. Prima di procedere alla modifica è buona norma osservare lo stato di conservazione del modulo e successivamente procedere ad alimentarlo alla sua tensione di funzionamento di 28 V. Prima di procedere alla saldatura del cavo positivo di alimentazione sulla pista del circuito stampato, occorre individuare questo punto di alimentazione. Il cavo va saldato nel punto in cui la pista del circuito stampato si presenta ampia e spessa (Foto n.3).
Di seguito si dovrà saldare un altro cavetto più sottile, nel punto in cui si intravede un piccolo bollino sul circuito stampato a traccia più sottile, e questo cavetto andrà utilizzato per fornire l’alimentazione positiva (28 V) al bias dell’LDMOS finale (Foto n.4).
Descrizione
delle modifiche
Le modifiche
eseguite sul modulo fanno riferimento alle indicazioni fornite da due
radioamatori polacchi SP5XMU e SP8XXN, e sono descritte al seguente link:
Gli autori hanno
provveduto ad eliminare quattro condensatori SMD e a spostare di circa 8 mm la
posizione di un altro condensatore SMD lungo la linea dove era posizionato in
precedenza. Inoltre hanno aggiunto, in un preciso punto, un condensatore SMD da
1.8 pF. Questi interventi consentono di ottimizzare, alla frequenza di 2320
MHz, il funzionamento del modulo. Gli autori delle modifiche specificano di aver
utilizzato un VNA per la messa a punto dei circuiti di ingresso (Gate).
Aggiungono inoltre che Il metodo usato per la messa a punto è un pò grossolano
e pertanto non escludono che, con altre modalità di taratura, siano possibili
risultati migliori. Tali modifiche si possono eseguire senza avere a
disposizione una stazione di lavoro adatta per gli interventi sui circuiti a
microonde. Per dissaldare i condensatori
SMD io non ho usato nessuna stazione dissaldante ad aria calda onde evitare di
dissaldare, in alcuni punti, i componenti posizionati in prossimità dei punti
di intervento. Ho pertanto adoperato un comune un saldatore elettrico,
alimentato a 24 V, e provvisto di una particolare punta fatta in modo da poter
di rimuovere facilmente i condensatori SMD. Ho praticato sulla punta di
ricambio del saldatore una piccola una scanalatura con due piccole punte
laterali (Foto n.5).
Questa specie di “dima” va realizzata della
stessa misura, sia in larghezza sia in profondità, del componente SMD da
rimuovere. Per dissaldare il componente, la punta del saldatore deve essere ben
calda e posizionata sopra il componente da rimuovere. Questo, con il calore
delle due punte, si distacca facilmente dalle piste del circuito stampato.
Invece la procedura per saldare gli altri due componenti SMD può essere quella
solita dettata dalla propria esperienza.
Descrizione
del box per il modulo
A modifiche completate il modulo deve essere inserito all’interno di in un box auto-costruito delle dimensioni esterne di 120 mm x 115 mm x 35 mm (Foto n.6)
Per la copertura superiore del box ho utilizzato una lastra di alluminio di 2 mm di spessore. Il coperchio così realizzato deve essere fissato al box mediante sei viti di acciaio inox da 3 mm (Foto n.8).
La costruzione del box, oltre a proteggere meccanicamente il modulo, serve da schermatura per la radiofrequenza. Si raccomanda durante il funzionamento dell’amplificatore che il coperchio sia fissato al suo box. Questa precauzione evita che eventuali emissioni di radiofrequenza possano colpire gli occhi. Il lavoro sul box, per essere completato, necessita che siano praticati alcuni fori sulle due pareti laterali. Per primo si dovranno realizzare due fori in corrispondenza del punto di alimentazione e del PTT. All’interno di questi fori si dovranno avvitare due condensatori passanti (Foto n.9)
Sul foro di dimensioni maggiori, del diametro di 6.3 mm, si fisserà il condensatore passante sul quale andrà saldato il cavo per l’alimentazione positiva del modulo, mentre attraverso il foro del diametro di 4 mm si fisserà il condensatore passante più piccolo sul quale si salderà il cavo che servirà a comandare il PTT. Infine sul lato opposto si dovranno eseguire altri due fori in prossimità dei connettori di ingresso e di uscita della potenza del modulo (Foto n.10).
I fori dovranno essere di misura precisa per consentire il passaggio dei cavi coassiali. Il costruttore del modulo ha usato, in entrata e uscita dei connettori RF tipo p-smp. Questi connettori sono poco usati e di difficile reperibilità e quindi è consigliabile sostituirli con dei connettori N oppure SMA. Una possibile soluzione per evitare di perdere diversi watt di potenza nei cavi e vari connettori, che a 2320 MHz sono piuttosto rilevanti, è quella di saldare direttamente i cavi coassiali nei punti lasciati liberi, previa modifica dai connettori originali. Occorre pertanto, mediante un piccolo seghetto, tagliare a metà altezza i connettori originali in modo da poter saldare i direttamente i cavi coassiali nei punti di ancoraggio formati dopo l’eliminazione dei connettori. I cavi coassiali così saldati dovranno attraversare le pareti del box e terminare con dei propri connettori. Considerato la potenza di transito irrisoria e questioni meccaniche, il cavo coassiale in ingresso sarà un cavo di diametro approssimativo di 2 mm. Potrà essere usato un cavo con dielettrico in teflon flessibile tipo RG 316, oppure il semirigido UT086 intestato con connettore SMA maschio. Mentre per l’uscita, essendo la potenze oltre 150W, si dovrà usare un cavo isolato in teflon tipo RG 142 oppure UT141/RG400 intestato con un connettore N maschio.
Banco di
misura
Per sottoporre ad una precisa verifica il suddetto amplificatore di potenza, in seguito abbreviato in PA, mi sono recato nel laboratorio del caro amico Agostino IK4OMN. Agostino è un tecnico di provata esperienza professionale ed è sempre disponibile ad effettuare test specifici nel suo attrezzato laboratorio di misure in ambito R.F. Il banco di misura per testare il PA (foto n.11)
Verifica
del funzionamento
Per questa verifica il PA è stato alimentato con una tensione fissa di 27 V non avendo a disposizione un alimentatore specifico in grado di fornire i 28 V come richiesto dal progetto del modulo del PA. Per motivi precauzionali abbiamo iniziato partendo con una potenza di 1 mW e, nonostante l’esigua potenza, il PA era già in grado di erogare in uscita circa 15 W. Abbiamo proseguito nel test andando ad effettuare le successive misure per tre valori di potenza di pilotaggio. Con 20 mW in ingresso la potenza di uscita si attestava sul valore di 100 W, con 30 mW a 140 W ed infine (foto n.12)
Con 154 W di potenza, la corrente assorbita dal PA era di 20.5 A mentre la tensione misurata ai morsetti del PA era di 26 V a causa della caduta di tensione originata dai cavetti utilizzati perché di scarsa sezione e quindi non adeguati alla corrente assorbita dal PA. Ci siamo fermati alla potenza di 154 W sia perché era il nostro obiettivo di riferimento ma anche per motivi tecnici (cavi e ventilazione non adeguati). Nonostante tutto, nelle suddette condizioni, abbiamo riscontrato che il PA non andava in compressione e c’era ancora la possibilità di incrementare ulteriormente la potenza. Il calcolo energetico con alimentazione a 26 V ed una corrente assorbita di 20.5 A è pari a 533 W consumati corrispondenti ad un rendimento del 28.9%. L’elevato consumo dell’amplificatore fa sì che per l’alimentazione si devono usare dei cavi di adeguata sezione e provvedere ad un buon raffreddamento del modulo perché genera parecchio calore (circa 383 W se ne vanno in calore). Il PA è stato fissato su di un dissipatore di alluminio allettato dalle dimensioni di 200 mm x 200 mm x 50 mm, raffreddato da un lato per mezzo di due ventole assiali che spingono l’aria attraverso le alette. Dalla parte opposta del dissipatore, un'altra ventola assiale aspira l’aria calda generata (Foto n.14).
Ciascuna ventola funziona a 12 V e sono pertanto collegate in serie fra di loro. Ho previsto per le ventole un funzionano continuo indipendentemente dallo stato di ricezione o trasmissione del sistema. Alimentando le tre ventole in serie con 27 V, anzichè al valore di tensione nominale di 36 V, le pale delle ventole ruotano ad una velocità più bassa e di conseguenza rendono il sistema più silenzioso ma con minor dissipazione di calore. Questo è un aspetto importante nel caso che il PA sia ubicato in prossimità dell’operatore. Mentre, per evitare elevate perdite di potenza, l’amplificatore dovrà necessariamente essere posizionato in prossimità dell’antenna e conseguentemente il rumore generato dalle ventole non arrecherebbe alcun fastidio.
Cosiderazioni
finali
In previsione di
una installazione remota e ritenendo importare migliorare ultriormente la
dissipazione di calore del radiatore di alluminio provvederò ad aggiungere,
alle tre esitenti, un’altra ventola. Le quattro ventole saranno collegate in
modo che ogni gruppo di due sia in serie fra di loro ed in parallelo con
l’alimentazione del PA, in modo che ciascuna ventola possa essere alimentata
con la tensione nominale di funzionamento. Un’ulteriore ottimizzazione sarà
possibile utilizzando per l’alimentazione del PA cavi di adeguata sezione in
grado di minimizzare le cadute di tensione originate dalla elevata corrente
assorbita. Ringrazio Agostino IK4OMN per avermi messo a disposizione il suo
banco di misura e Giorgio IK3GHY per avermi fornito dei buoni consigli oltre al
suddetto modulo che ho modificato.
La presente descrizione è stata pubblicata su RadioKit Elettronica del mese di maggio 2023 a pag, 30
