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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
HB9EPU-141230 LPA300-LDMOS-PA von DC6NYmit adaptiver Vorverzerrung
# 2
Inhalt
● LPA300– Aufbau, Eigenschaften– Kühlung– Ausgangsfilter– Steuerung und -überwachung
● Linearisierung mittels digitaler Vorverzerrung– 1. Stufe: statische Vorverzerrung (Rampe)– 2. Stufe: adaptive Vorverzerrung
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# 3
LPA300: Aufbau, Eigenschaften
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# 4
Schaltung LPA300: sehr einfach
Doppelloch-Kern
BN43-202
Doppelloch-Kern
BN43-7051
Bifilardrossel
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# 5
Platine LPA300
10 cm
8 cm
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# 6
Unterseite LPA300
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# 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)
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# 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
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# 9
LPA300-Prototyp von DC6NY
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# 10
Messungen Prototyp
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# 11
PA-Kühlung
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# 12
LPA300 Unterbau: Kupferblock 8x62x80 mm3
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# 13
Alter CPU-Wasserkühler...
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# 14
...fertig montiert unter LPA300
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# 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
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# 16
PA-Ausgangsfilter
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# 17
Ausgangsfilter 1kW (1MHz-30MHz)
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# 18
Ausschnitt: Filterschaltung 40m
3xT130-2+ SMD-C
2xT50-6
50Ohm(24x1k2)
3 Relais pro Filtersind zu schalten
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# 19
Reflektion+Durchgang 40m
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# 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)
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# 21
PA-Steuerung und -überwachung
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# 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
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# 23
Steuerung LPA300: Arduino UNOBildschirm-darstellung:
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# 24
Digitale Vorverzerrung
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# 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
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# 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
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# 27
"verteilter" TransceiverHPSDRPennylaneMercuryMetis
RX-KoaxrelaisAnt/Richt-koppler
Filter
PA
50V/20AMeanwelllüfterlos
Antennen-KoaxrelaisRX/TX
Steuer-Arduino
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# 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
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# 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
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# 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
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# 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
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# 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)
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# 33
Praktische Resultate Vorverzerrung mit Rampe:Zweiton-Messung ZM1
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# 34
ZM1: Zweiton ohne Vorverzerrung...
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# 35
...Vorverzerrung mit Rampe
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# 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
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# 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
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# 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
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# 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
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# 40
Praktische Resultate adaptive Vorverzerrung:Zweiton-Messung ZM2
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# 41
ZM2: Zweiton ohne Vorverzerrung
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# 42
...mit adaptiver Vorverzerrung
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# 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
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# 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
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# 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
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# 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
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# 47
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
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