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Catégorie : Amplificateurs
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Jacques Rambaud F6BKI

 

Couplage amplificateurs de puissance VHF

 

But

Coupler plusieurs amplificateurs VHF de puissance avec les objectifs suivants :

N° 1 : Faibles pertes, 0.1 dB à 0.2dB

N° 2 : Puissances élevées.

N° 3 : Bonne adaptation d’impédances sur tous les ports, RL < -25 dB.

N° 4 : Bonne isolation entre les amplificateurs, au moins 25 dB.

N° 5 : Possibilité de coupler 2, 3, 4 ou n  amplificateurs.

N° 6 : Réalisation la plus simple possible.

N° 7 : Possibilité de contrôler le bon fonctionnement du couplage.

N° 8 : Réalisation  non critique (bande passante large)

N° 9 : Modélisation  avec des outils simples tel que RFSim99

 

REMARQUES PRELIMINAIRES :

L’arrivée sur le marché de transistors de puissance très performants, très solides et à des prix raisonnables a motivé ce travail.

La majorité des amplificateurs utilisés à ce jour et à ces fréquences utilisent un seul tube, le problème de couplage ne se pose pas.

Les amplificateurs à tubes ont besoin d’une alimentation HT de plusieurs milliers de volts, les transistors 50 volts uniquement.

La disponibilité et le prix des tubes de puissance deviennent un problème pour les radioamateurs.

Pour atteindre la puissance souhaitée il est très courant de coupler plusieurs modules comprenant chacun un transistor, son circuit de polarisation et ses circuits d’adaptation d’entrée et de sortie à 50 Ohms.

Nous décrirons ici un coupleur de puissance à trois voies.

DIFFERENTS TYPE de COUPLEURS:

Il existe plusieurs types de coupleurs dans la littérature mais en considérant les objectifs à atteindre la solution qui semble la plus appropriée est le coupleur du type WILKINSON en particulier pour satisfaire les objectifs 5, 6, 8, 9.

DESCRIPTION du coupleur WILKINSON

 

 

 

 

AVANTAGES du COUPLEUR WILKINSON:

Il est assez facile à réaliser, par exemple avec du câble coaxial 75 Ohms pour deux PA, il est symétrique par construction, il peut être réalisé pour coupler 2, 3 ou n amplificateurs.

Impédance de Z3 =Z4 = (2 x  502)   = 71 Ohms

FONCTIONNEMENT du coupleur WILKINSON:

La ligne Z3 transforme l’impédance de 50 Ohms de sortie du PA au point A en une impédance de 100 Ohms au point  C, de même pour la ligne Z4.

L’impédance au point C est donc de 100 / 2 soit 50 Ohms.

Pour n voies  Zn = (n x  502), pour 3 voies Z =86 Ohms.

Au-delà de deux PA à coupler on utilisera plutôt des lignes à air.

En fonctionnement normal les signaux en A et B ont la même amplitude et la même phase, il n’y a pas de différence de potentiel aux bornes de la résistance de 100 Ohms, donc pas de dissipation. Au cas où un amplificateur est en panne et ne sort pas de puissance, la moitié de la puissance fournie par l’autre amplificateur est dissipée dans la résistance de 100 Ohms. Si cette résistance est bien dimensionnée elle permet à l’amplificateur qui fonctionne de voir une charge de 50 Ohms et de fonctionner normalement, la puissance à la sortie sera dans ce cas de l’ordre du quart de la puissance fournie en fonctionnement normal.

La résistance de 100 Ohms permet aussi d’obtenir l’isolation entre les deux PA, ce qui peut contribuer à améliorer la stabilité de l’ensemble.

En effet le signal qui arrive du PA vers A se divise en deux, une partie sans déphasage se retrouve en B via la résistance de 100 Ohms, l’autre partie arrive aussi en B via Z3 et Z4 mais avec un déphasage de 180° (2 x Lambda/4), les deux signaux s’annulent ainsi. Cette isolation est limitée par le déphase dans la résistance de 100 Ohms qui a une longueur non nulle. Elle diminue aussi dès que l’on s’éloigne de la fréquence centrale à cause des lignes Lambda/4.

INCONVENIENTS du coupleur WILKINSON

La résistance de 100 Ohms est le problème majeur, électriquement elle est ‘’flottante’’, elle doit avoir une self série et une capacité parasite faibles ce qui est difficilement compatible avec le fait qu’elle doit aussi être assez grosse pour encaisser de la puissance en cas de problèmes sur un des PA.

Il est très difficile de mesurer la puissance dissipée dans cette résistance afin de ‘’surveiller ‘’ le bon fonctionnement de l’ensemble.

Le problème se complique encore plus dans le cas d’un coupleur de WILKINSON à trois voies.

Pour ces raisons notre préférence s’est portée vers un autre type de coupleur : le coupleur de GYSEL.

COUPLEUR de GYSEL   (Sortie)

Ce coupleur est aussi un coupleur en phase proche du WILKINSON mais la résistance de 100 Ohms a été remplacée par deux charges ‘’conventionnelles’’ de 50 Ohms à la masse. Elles assurent les même fonctions, absorber les déséquilibres et permettre l’isolation entre les deux PA.

Ces charges 50 Ohms sont plus faciles à trouver et peuvent dissiper plus de puissance si nécessaire. Elles peuvent être situées à n’importe quelle distance du point C ou D, à un endroit où on peut par exemple les ventiler facilement.

Comme on le verra plus loin en fonctionnement normal il n’y a pas de puissance dans ces charges sauf si il y a un déséquilibre entre les PA ou bien si un PA a un problème.

En plaçant une détection sur chaque charge on va pouvoir ‘’monitorer’’ le fonctionnement du système.

Les tensions détectées pourront par exemple être utilisées lors de la mise au point initiale pour ajuster le gain et la phase de chaque PA. Un minimum de tension sera le signe d’un couplage optimum.

Ces tensions pourront aussi être utilisées pour générer une alarme si leur valeur dépasse un certain seuil et à l’extrême l’ampli pourra être arrêté si nécessaire.

Le prix à payer par rapport au coupleur WILKINSON est la présence de 4 coaxiaux 50 Ohms supplémentaires dans le cas ou l’on couple deux PA. Si l’on couple n PA  il faudra 2 x n  coaxiaux supplémentaires mais dont l’impédance sera toujours de 50 Ohms dans le but de simplifier la réalisation.

En fonctionnement normal la puissance est transportée par les lignes Z3 et Z4 qu’il faudra dimensionner correctement3. La puissance dans les coaxiaux supplémentaires (Z5, Z6, Z7, Z8) sera beaucoup plus faible donc ils pourront être de taille bien inférieure.

DESCRIPTION du COUPLEUR de GYSEL pour 2 PA

 

                                   

FONCTIONNEMENT  du COUPLEUR de GYSEL pour 2 PA

Les signaux à l’entrée des deux amplificateurs doivent être en phase.

En fonctionnement normal, comme pour le WILKINSON, la puissance qui sort des amplis arrive en A et B en phase et s’ajoute naturellement à la sortie.

Au point D la tension qui vient de A arrive déphasée de 90° via Z5.

Celle qui vient de B arrive déphasée de 270° via Z6, Z8 et Z7.

Ces deux tensions sont déphasées de 180° donc s’annulent.

Il en est de même si l’on regarde ce qui se passe en C.

De ce fait en fonctionnement normal il n’y a pas de puissance dissipée dans les deux charges 50 Ohms connectées en Cet D. Il n’y aura de la puissance dans ces deux charges qu’en cas de déséquilibre entre les deux PA c’est-à-dire si un PA ne fonctionne pas correctement.

Le coupleur de GYSEL permet également d’obtenir une bonne isolation entre les deux  PA. Par exemple au point  B sur PA2 on retrouve deux tensions qui viennent du point A de PA1, la première via Z3 et Z4 est déphasée de 180°, la deuxième via Z5, Z7, Z8 et Z6 est déphasée de 360°. Ces deux tensions étant déphasées de 180 ° s’annulent, idem pour les tensions au point A qui arrivent de l’ampli PA1.

DESCRIPTION du MONITORING:

DESCRIPTION du COUPLEUR de GYSEL pour 3 PA

 

 

FONCTIONNEMENT du Coupleur de GYSEL pour 3 PA

Une simulation réalisée avec RFSim99 permet de vérifier que le coupleur de GYSEL fonctionne très bien aussi avec 3 voies.

 

REALISATION d’un Coupleur de GYSEL pour 3 PA

REALISATION  F1TE

Réalisé en profilé alu carré de 30x30 mm externe soit 26 mm intérieur, les lignes font 88 Ohms. Le tube central est en cuivre ¼ de pouce (6.35 mm) utilisé en climatisation. Les lignes centrales sont maintenues en position par des carrés de téflon de 2 mm répartis sur la longueur et qui ont aussi la fonction d’abaisser l’impédance de 88 à 86 Ohms.

 


Les lignes sont recourbées pour un gain de place. Au point de jonction des trois lignes 86 Ohms, se raccorde un tronçon de ligne 50 Ohms réalisé en tube de cuivre de 12 mm. En bout de cette ligne est montée la fiche 7/16 de sortie et des lumières sont pratiqués pour les lignes ‘’pick-up’’ nécessaires à la réalisation d’un coupleur directif de sortie, indispensable pour la mesure du ROS et la protection des amplificateurs. Les deux lignes 86 Omhs extrèmes sont plus courtes de 3 cm pour tenir compte de leurs raccordement à la ligne centrale.

 

 

 

Les lignes secondaires vers les charges sont réalisées en câble coaxial semi-rigide téflon 50 Ohms de 3.6 mm. Du câble téflon RG142 peut être utilisé avec bénéfice pour ces lignes secondaires.

Pour coupler deux PA, les lignes de puissance doivent faire 71 Ohms et 100 Ohms pour un coupleur par 4. La difficulté réside dans le bon rapport des diamètres avec les profilés standards du commerce.

Pour une ligne de 100 Ohms, il faut du tube carré de 30x30 externe 26x26 intérieur, et une ligne centrale de 5 mm (103 Ohms). Un tube central en 8 mm donnera une impédance de 75 Ohms.

L’impédance peut être ramenée à la bonne valeur par l’adjonction de pièces de téflon. Cela agira aussi sur la longueur électrique de la ligne ¼ d’onde qu’il faudra alors la recalculer.

 

MESURES   d’un  Coupleur  de GYSEL pour 3  PA:

S12 Amplitude

 

S12 PHASE

 

 

S42 ISOLATION

 

 

Autres mesures

 

 

Amplitude

Phase

S12

-4.86 dB

108.5°

S13

-4.88 dB

107.2°

S14

-4.85 dB

108.1°

S42

-28.5 dB

 

S43

-29.6 dB

 

S32

-28.1 dB

 

 


DESSIN MECANIQUE

 



CONCLUSIONS, REMARQUES

En VHF le coupleur de GYSEL permet d’atteindre assez facilement les objectifs fixés.

La réalisation ne demande pas d’outils particuliers, ni pour la fabrication ni pour simulation.

Le coupleur de Gysel peut aussi être utilisé en hyperfréquences, c’est peut être la ou il a le plus de potentiel quand les semiconducteurs sont de plus faible puissance et qu’il faut donc en coupler davantage.

La première description de Ulrich H Gysel du Stanford Research Institute (années 1970 ??) portait sur un combiner de puissance 8 voies a 1.15 GHz.

Dans le cas où l’impédance présentée à la sortie du coupleur de GYSEL ( Antenne) n’est pas 50 Ohms la puissance réfléchie revient vers les amplificateurs avec les risques que cela peut comporter. Même si les modules amplificateurs couplés par le ‘’GYSEL’’ ont à la sortie des coupleurs 3dB 90° la puissance réfléchie va atteindre en premier les transistors et une partie sera réfléchie vers la charge poubelle du coupleur 3dB 90°.

Donc dans tous les cas il est important de faire suivre le coupleur de GYSEL d’un système de détection de la puissance incidente et réfléchie ( exemple chapitre 4.7 ) , Lucien F1TE a aussi décrit en détails sur son site la partie électronique correspondante qui permet d’agir sur les amplificateurs pour garantir leur survie en cas soit de TOS a la sortie ou de problèmes sur la partie couplage des amplificateurs .

 

Il peut apparaître quelques différences entre la réalisation et la simulation au niveau en particulier de l’isolation, il semble que cela soit dût à la façon dont les lignes sont connectées (connections RF plus ou moins longues) et aussi à la présence de capacités parasites associées à chaque charge. Malgré cela le design est assez tolérant et les valeurs mesurées sont très acceptables.