Ein HF Verstärker von 100MHz bis 4400MHz aufgebaut

Ich habe einen breitbandigen HF Verstärker aufgebaut für den Frequenzbereich von 100 MHz bis 4,4 GHz.

Dazu habe ich ein ERA1-SM MMIC verwendet, wie in diesem Artikel.
Im HF 50Ohm Eingang und im Ausgang sind jeweils 10nF Kondensatoren in die Microstrip Leitung eingesetzt um die Gleichspannung nach außen abzublocken.

Auf der Rückseite ist ein Spannungsregler 7808 für 8V aufgelötet. Die zwei 100nF Kondensatoren für die Glättung und zum Verhindern von Schwingungen sind direkt an die Beine gelötet. Hier der Aufbau:

Die ERA1 MMIC Schaltung benötigt ca. 42mA über einen Vorwiderstand von 113 Ohm lt. Datenblatt bei 8V Spannung.

Ich habe einen 0805 SMD Widerstand mit 120 Ohm gewählt. Die Verlustleistung darüber beträgt 0,21W. Das ist grenzwertig, funktioniert auf Grund der Kupferflächen rundherum aber gut.

Die Gleichspannung wird über 2 SMD Kondensatoren 1nF und 100nF gegen Masse von der HF abgeblockt und dann über den 120 Ohm Widerstand zur HF Seite geleitet.

Da ergeben sich nun die Schwierigkeiten. Die 8V Gleichspannung soll durch kommen zur 50 Ohm Microstrip Leitung, die HF soll aber nicht zur Seite in den DC Zweig abfließen und in den Kondensatoren gegen Masse kurzgeschlossen werden. Der 120 Ohm Widerstand allein läßt zu viel HF abfließen.

Ein Induktivität die Gleichspannung durch läßt und die HF abblockt wäre gut, nur ist die nicht so breitbandig wie gewünscht.

Mehrere verschieden große Induktivitäten hintereinander geschaltet könnten helfen. Wenn ein kleine Induktivität die hohen Frequenzen abblockt, dahinter ein mittelgroße die mittleren Frequenzen und ein große die niedrigen Frequenzen. Das habe ich simuliert und mit den Eigenresonanzen der Spulen ergibt das mehrere Durchlass und Sperrstellen durch die verschiedenen L C Schwingkreise die jetzt entstehen. Mit Parallelwiderständen zu den Spulen im kOhm Bereich läßt sich das zum Teil beheben, ist aber eine gewagte Sache. Die Simulation reagiert hier sehr empfindlich auf Werteänderungen und meine SMD Induktivitäten sind nicht besonders gut spezifiziert. Die minimale Eigenresonanzfrequenz ist grob angegeben, aber ob das reicht?

Da bin ich lieber zu einer Entstörspule in einem Ferrit gewechselt, Diese hat einen hohen Durchgangswiderstand bis ca 2 GHz, wie im letzten Artikel vom Bias Tee beschrieben. Darüber wird sie niederohmiger. Hier der Auszug aus dem Datenblatt.

Ein erster Versuch mit einem Ferrit hat schon ganz ordentliche Ergebnisse gezeigt, fällt über 2 GHz aber deutlich unter die Angaben im Datenblatt des MMIC zurück. Zwei Ferrite in Reihe verbessern das und bei 3 Ferriten ist das Ergebnis gut.

Hier die 3 Verstärkungsmessungen mit den 1, 2 und 3 Ferriten (Beads) und die Idealwerte aus dem Datenblatt

Die gelbe Kurve mit 3 Ferriten ist gut. Sie könnte ggf. mit weiteren Ferriten verbessert werden und dichter an die grüne Idealwerte heran gehen, dazu ist auf meiner Platine aber kein Platz mehr.

Wenn ich bei meiner FR4 Platine ca. 0,2dB Durchgangsdämpfung pro GHz annehme, dann sind das bei 4GHz schon 0,8dB, bleiben hier also nur noch 1,3 dB Abstand zur Idealkurve des MMIC die verbessert werden könnten.
Dann ergeben sich folgende Differenzen zum idealen Datenblatt Wert über die Frequenzen.

Rot: Ideallinie um die 0,2dB pro GHz berichtigt für die Platinendurchgangsdämpfung
Blau: Messwerte meines Verstärkers
Gelb: die Differenz der beiden Kurven, wie weit ich also vom Optimum entfernt bin.

Gut zu sehen ist hier dass die Ferrite zu höheren Frequenzen an Wirkung verlieren, also niederohmiger werden und etwas HF abfließen lassen.

Die Messung für den fertigen Verstärker 2 mit dem NWT4000. Vor den Verstärker wurde ein 20dB Dämpfungsglied geschaltet damit der Eingang des NWT4000 nicht übersteuert wird. Die Meßkurve für S21 wurde in der WinNWT Software dann um 20dB angehoben (k1=+20dB) sodass die Messung wieder korrekt ausgegeben wird.

Hier der Aufbau der Platine von vorn.

Das ergibt mit einfachen Mitteln einen ganz ordentlichen GHz Verstärker und ist eine deutliche Verbesserung zur 1. Version des Verstärkers.
Die obere Frequenz wurde mit den 3 Ferriten auf gut 4 GHz angehoben. Es ist davon auszugehen dass die untere Grenzfrequenz auch weiter abgesenkt wurde, nun also deutlich unter 20MHz liegt. Das kann ich hier aber nicht messen.

Verwendet wurden:
Shelvin Platine V3
2 SMA Buchsen zum Anlöten
7808 Spannungsregler 8V
ERA1-SM Verstärker
3 Ferrit Spulen BLM15HD182SN1
120 Ohm Widerstand
6 Kondensatoren wie oben beschrieben 3 x 100nF, 2 x 10nF, 1 x 1nF
NWT4000-1
WinNWT4 Software

Ich habe noch Platinen von dieser Schaltung für eigene Projekte abzugeben.

von Matthias Busse

Ein Gedanke zu „Ein HF Verstärker von 100MHz bis 4400MHz aufgebaut

  1. Pingback: Platinen abzugeben aus meinen Projekten | Shelvin – Elektronik ausprobiert und erläutert

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