Jean-François FOURCADIER
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Montpellier  (France)

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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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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.

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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.

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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 !

 

 

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