Utilisation d'un transistor bipolaire
de puissance GSM inconnu
pour réaliser un amplificateur
linéaire dans la bande 1,2 GHz
On trouve aujourd'hui à bas prix dans les brocantes
spécialisées des amplificateurs d'émission GSM
900 MHz ou 1800 MHz. Ces ensembles professionnels se composent habituellement
de plusieurs étages d'amplification RF et d'une alimentation
à découpage, le tout logé dans un boîtier
en fonte d'aluminium jouant le rôle de radiateur. Diverses modifications
ont été décrites ici et là pour adapter
ces ensembles à une utilisation dans les bandes amateur 1,2 GHz
ou 2,3 GHz. Il est généralement proposé de modifier
les lignes microstrip d'adaptation et de complèter le réglage
par des capacités ajustables judicieusement disposées.
Malheureusement, il n'existe pas de modifications décrites pour
tous les modèles d'amplificateurs GSM. De plus, la technologie
des transistors employés a évolué - passage du
bipolaire au MOS - et il devient difficile de trouver les feuilles de
caractéristiques de ces composants désormais obsolètes.
Le présent article décrit une démarche
"universelle", en ce sens qu'elle permet de réaliser,
avec des chances raisonnables de succès, une adaptation convenable
dans la bande 1,2 GHz de tout modèle de transistor bipolaire
de puissance d'origine GSM, à l'exception bien entendu des modèles
préadaptés.
Caractéristiques
types d'un transistor GSM bipolaire de puissance
Prenons par exemple le transistor de puissance Motorola
MRF6414, conçu pour délivrer 50 W à 960 MHz avec
une tension d'alimentation de 26 V. Son gain en puissance typique est
de 8,5 dB et son rendement meilleur que 50%. En amplification, la linéarité
est excellente si on limite la puissance de sortie à la moitié
de la puissance maximale.
A 960 MHz, son impédance d'entrée s'établit
à (5,4 + j 3,6) ohms et son impédance de sortie à
(3,7 + j 4,5) ohms. A 1250 MHz les impédances d'entrée et
de sortie ne sont pas spécifiées par le fabricant, mais
restent très basses, de l'ordre de quelques ohms.
Le transistor RF bipolaire MRF6414 présente des caractéristiques
typiques, rencontrées dans cette famille de composants, chez Motorola
et chez d'autres fabricants.
Rappels sur l'adaptation
d'impédance
Pour utiliser un transistor bipolaire de puissance dans
des conditions convenables, l'opération à réaliser
consiste pour l'essentiel :
- côté entrée dans la transformation d'une impédance
de 50 ohms en une impédance de quelques ohms,
- côté sortie dans la transformation d'une
impédance de quelques ohms en une impédance de 50 ohms.
Un des moyens les plus simples pour effectuer de telles
transformations est de recourir à une ligne quart d'onde d'impédance
caractéristique Zc convenable.
Si les impédances Zc et Zout sont réelles,
l'impédance Zin vue à l'entrée sera réelle
et égale à :
Zin = Zc ^ Zc / Zout
Par exemple si l'impédance caractéristique
Zc de la ligne quart d'onde est égale à 10 ohms et si
l'impédance Zout de la charge est égale à 2 ohms,
l'impédance Zin vue à l'entrée sera égale
à : Zin = 10 x 10 / 2, soit Zin = 50 ohms.
La partie réactive de la charge, positive ou négative,
peut facilement être éliminée en réalisant
la ligne légèrement plus courte que le quart d'onde et
en disposant un condensateur ajustable en parallèle sur l'entrée.
Le logiciel Smith, conçu par l'Université de Berne et
téléchargeable
gratuitement (rubrique "Downloads"), nous propose par exemple à 1250 MHz la solution
suivante:
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(cliquer pour agrandir)
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NB: Le coefficient de vélocité de la ligne
est pris égal à 0,7 (ligne en câble semi-rigide
isolé Teflon).
Réalisation pratique
de l'adaptation
Les lignes quart d'onde d'adaptation seront réalisées
en câble semi-rigide UT-85. Compte tenu du fait que les caractéristiques
précises du transistor employé sont inconnues, le rapport
de transformation du dispositif d'adaptation doit pouvoir être
ajusté. Pour cela, on joue sur l'impédance caractéristique
de la ligne quart d'onde. Il nous suffira de mettre en parallèle
un nombre croissant de sections de câble semi-rigide UT-85 d'impédance
caractéristique 50 ohms, jusquà obtention du rapport de
transformation optimal. Deux sections en parallèle forment une
ligne quart d'onde d'impédance caractéristique 25 ohms,
trois une ligne d'impédance caractéristique 16,6 ohms,
etc...
Les lignes mises en parallèle sont soudées "en fagot"
et interconnectées à leurs extrêmités.
Polarisation du transistor
et schéma de réalisation
Pour assurer un fonctionnement satisfaisant en régime
linéaire, le courant de base du transistor de puissance doit être
ajusté pour définir un courant collecteur de repos. Les
fabricants de transistors proposent souvent dans leurs fiches de caractéristiques
et leurs notes d'applications un montage adapté à cet usage.
On pourra utilement se référer par exemple aux sites Internet
de Motorola et de Philips.
A titre d'illustration, voici ci-après le montage
proposé par Motorola pour la polarisation de son transistor MRF6414
(50 W à 960 MHz, Vcc = 26 V):
Pour ce transistor, le courant de repos Icq est fixé à
200 mA.
Le schéma de notre réalisation s'inspirera directement
du schéma ci-dessus, en remplaçant simplement les dispositifs
d'adaptation par celui à base de lignes quart d'onde décrit
plus haut. Ne pas oublier les capacités de liaison de 100 pF
qui isolent l'entrée et la sortie du point de vue courant continu
(C1 et C3 dans le schéma). L'injection du courant de base et
du courant collecteur s'effectuera au moyen de petites inductances composées
de deux ou trois tours de fil émaillé, bobinés
sur un diamètre de 3 mm. Les capacités ajustables qui
permettent d'éliminer la composante réactive sont des
modèles céramique, de 6 pF de capacité maximale.
Attention aux accrochages ! Les transistors bipolaires d'émission
GSM ont un gain très élevé aux fréquences
basses. Sans précaution, il n'est pas rare de constater des oscillations
spontanées à des fréquences de quelques dizaines
ou quelques centaines de MHz. Il faut bien sûr combattre ces oscillations
parasites en jouant sur la localisation et les valeurs des capacités
de découplage et en disposant ici et là, sur les fils
d'alimentation, des perles ou tores de ferrite.
Exemple de réalisation
Le support des lignes d'adaptation sera réalisé
au moyen d'une mince tole étamée fixée sur le boîtier
en aluminium au moyen de vis. NB : La tole étamée provient
de blindages de capots de vieux ordinateurs ! On peut ainsi souder du
câble semi-rigide et réaliser les différentes mises
à la masse de composants.
Réglage et résultats
obtenus
La recherche de l'adaptation correcte s'effectue par approches
successives.
On commence par disposer, côté entrée
et côté sortie, trois lignes en parallèle. On règle
le courant de repos collecteur entre 100 et 200 mA. On injecte ensuite
une puissance comprise entre 500 mW et 1 W à l'entrée,
tout en mesurant au wattmètre la puissance de sortie. On cherche
le maximum en manoeuvrant les condensateurs ajustables de 6 pF. On note
la valeur obtenue. On ajoute ensuite progressivement des lignes en parallèle
côté entrée en notant à chaque fois la puissance
obtenue.
Bien entendu, lorsque le gain commence à décroître,
on déconnecte la ligne superflue. On effectue ensuite la même
opération pour optimiser le circuit de sortie. Dans la réalisation
pratique ci-dessus, le maximum de gain a été obtenu en
disposant cinq lignes en parallèle côté entrée,
et cinq lignes en parallèle côté sortie. L'essai
a été conduit avec l'émetteur numérique
QPSK à 2 Mbit/s décrit dans un article précédent.
Le gain en puissance s'établit à 9 dB, la puissance de
sortie obtenue est de 6,5 W pour une puissance d'entrée de 800
mW. L'excellente linéarité est appréciée
sommairement en disposant un atténuateur de 3 dB dans l'entrée:
la puissance délivrée en sortie chute exactement de la
même valeur. Une puissance bien plus importante pourrait bien
sûr être obtenue en augmentant la puissance présentée
à l'entrée.
Conclusion
Cette réalisation
montre qu'il est possible, sans grande difficulté, de réutiliser
les transistors bipolaires d'amplificateurs GSM pour réaliser des
amplificateurs de puissance utiles pour l'émission d'amateur. Plusieurs
étages peuvent être mis en cascade pour obtenir le gain et
la puissance de sortie souhaitée.
allumons nos fers à souder !
