ANGELIA 1K
De la carte SDR à un transceiver de 1 kW
Une réalisation personnelle autour d’ANGELIA, de quatre LDMOS MRF300 et du logiciel Thetis.
F6EHJ
Tout est parti d’une carte ANGELIA…
L’aventure a commencé avec l’acquisition d’une carte ANGELIA, provenant d’un transceiver ANAN-100D d’Apache Labs.
Déjà utilisateur de la technologie SDR avec un ANAN-10E, j’avais pu apprécier les performances du logiciel Thetis et, plus particulièrement, les possibilités offertes par PureSignal pour améliorer la linéarité des émissions.
Cette carte ANGELIA constituait une excellente occasion de développer un équipement entièrement personnalisé.
L’idée s’est rapidement imposée : pourquoi ne pas intégrer cette carte SDR dans un ensemble capable de délivrer directement une puissance de l’ordre de 1 kW ?
Le projet ANGELIA 1K était né.
La carte ANGELIA, point de départ du projet]
Une architecture entièrement intégrée
Je souhaitais éviter la solution classique consistant à utiliser un transceiver SDR suivi d’un amplificateur extérieur.
L’objectif était de réunir dans un même coffret tous les éléments nécessaires au fonctionnement de la station : carte SDR, amplification, filtrage, alimentation, refroidissement et supervision.
ANGELIA constitue naturellement le cœur de l’installation.
Elle est pilotée par Thetis, qui assure les fonctions habituelles d’un transceiver SDR : réception, émission, traitement audio, filtrage et gestion des différents paramètres radio.
La puissance HF disponible en sortie d’ANGELIA est de l’ordre de 0,5 W.
Pour atteindre 1 kW, il fallait donc lui associer une chaîne d’amplification adaptée.
J’ai utilisé un étage driver avec des RD15HHF1
Le choix des quatre LDMOS
Pour l’étage final, j’ai retenu une platine utilisant quatre transistors LDMOS équivalents aux MRF300.
Ces composants offrent un rapport performances/prix intéressant et permettent d’atteindre des puissances importantes sur les bandes décamétriques. Ils évitent surtout la douloureuse facture d’un claquage d’un unique LDMOS QRO.
L’amplificateur est alimenté sous 54 V.
Un étage driver d’une dizaine de watts assure l’excitation du PA. Des atténuateurs permettent d’adapter les niveaux entre ANGELIA, le driver et l’étage final.
Les premiers essais ont rapidement confirmé les possibilités de cette configuration.
Sur les bandes décamétriques, les puissances obtenues se situent généralement entre 1 000 et 1 200 W, avec environ 800 W sur 50 MHz.
Le rendement, voisin de 58 %, est satisfaisant pour ce type de réalisation.
Il entraîne toutefois une conséquence immédiate : plusieurs centaines de watts doivent être évacués sous forme de chaleur.
La platine amplificateur équipée de ses quatre LDMOS
On distingue le pack de filtre passe bas de sortie, le double détecteur de puissance directe et réfléchie et ke convertisseur 54/12V.
Le refroidissement : un projet dans le projet
La question du refroidissement a représenté une part importante de la réalisation.
J’ai choisi de fabriquer une semelle de refroidissement liquide en cuivre, plutôt que d’utiliser un radiateur conventionnel à air; l’intérêt : l’échange air/air est très inférieur à un échange eau/air, sans compter le besoin en ventilation qui peut alors atteindre des niveaux sonores très dérangeant.
Cette semelle mesure 200 × 100 mm, pour une épaisseur de 8 mm.
4 tubes de cuivre de 6 mm assurent la circulation du liquide.
La réalisation a nécessité plusieurs opérations d’usinage, de brasage à l’argent et de soudure.
Une pompe BARROW assure la circulation vers un radiateur de 240 mm équipé de deux ventilateurs Arctic PWM de 120mm particulièrement silencieux. Il n’y a pas de réservoir, le remplissage s’effectue par un simple T.
Usinage de la plaque de cuivre et réalisation du circuit hydraulique
La surveillance de la température est d’une importance capitale afin de ne pas entrer dans la zone critique des LDMOS.
L’acquisition des températures s’effectue au droit de chaque PA ainsi qu’en sortie du radiateur; 3 sonde blindées DS20 I2C sont utilisées à cet effet.
Les premiers essais thermiques ont été particulièrement instructifs.
En émission continue, la montée en température est naturellement importante.
En revanche, les conditions sont très différentes en trafic SSB.
Lors d’un essai sur 80 mètres à environ 800 W PEP, les deux sondes placées à proximité des zones chaudes ont atteint approximativement 49 à 50 °C.
Les températures redescendent rapidement pendant les périodes de réception.
Ces résultats montrent que le refroidissement est bien adapté au fonctionnement habituel en phonie, même si les émissions prolongées à forte puissance imposent davantage de précautions.
Un incident de circulation du liquide a également montré combien une surveillance efficace de la pompe et des températures était indispensable, l’eau s’étant mis en ébullition dans la semelle…!
Une électronique de commande spécifique
Un ensemble de cette puissance nécessite une supervision permanente.
J’ai donc développé une électronique de commande autour d’un Arduino Nano.
Le microcontrôleur reçoit les informations provenant des différents capteurs et assure notamment la surveillance des températures, des puissances directe et réfléchie et du ROS.
Il commande également les ventilateurs et participe à la gestion des sécurités.
Une carte d’interface spécifique assure les liaisons entre ANGELIA, les filtres RF et les différents circuits de commande.
L’un des objectifs était de conserver une architecture relativement simple, facilement dépannable et susceptible d’évoluer.
Carte interface et électronique Arduino
Un afficheur Nextion pour surveiller le PA
Pour l’affichage, j’ai retenu un écran tactile Nextion dont je suis familier pour l’utiliser depuis de nombreuses années.
Il permet de présenter de façon claire les principales informations de fonctionnement de l’amplificateur.
Puissance directe, puissance réfléchie, ROS, températures et états de fonctionnement sont ainsi regroupés sur un seul écran.
Cette interface est totalement indépendante du logiciel Thetis.
C’est un point auquel je tenais particulièrement : la surveillance du PA ne doit pas dépendre de l’ordinateur qui pilote le SDR.
PureSignal : la cerise sur le gâteau
L’un des principaux intérêts de cette réalisation est de pouvoir exploiter PureSignal sur l’ensemble de la chaîne d’amplification.
Le principe repose sur un prélèvement du signal HF en sortie du PA.
Ce signal est renvoyé vers ANGELIA, qui permet à Thetis de comparer le signal réellement émis au signal théorique.
Le logiciel calcule alors une prédistorsion destinée à compenser les non-linéarités de l’amplificateur.
Le résultat est particulièrement intéressant.
Les produits d’intermodulation, responsables notamment de l’élargissement du spectre en SSB, peuvent être considérablement réduits.
Les essais ont permis d’observer des valeurs d’IMD3 voisines de −55 dBc, et parfois meilleures selon les conditions.
Sampler pour le Pure Signal
Thetis mesure aussi l’intermodulation !
Une découverte récente mérite d’être signalée.
Les versions actuelles de Thetis disposent d’une fonction permettant de mesurer automatiquement les produits d’intermodulation lors d’un test deux tons.
Il suffit d’activer l’option Show 2Tone measurements dans PureSignal, de lancer le générateur deux tons et d’utiliser le mode DUP pour afficher le spectre d’émission.
Thetis fournit alors directement les valeurs IMD3 et IMD5, sans nécessiter un analyseur de spectre extérieur pour cette lecture.
Lors d’un essai, j’ai ainsi relevé :
IMD3 : −61,4 dBc
IMD5 : −55,75 dBc
Ces mesures demandent naturellement à être replacées dans leurs conditions de puissance et de correction, mais elles montrent tout l’intérêt de cette fonction pour la mise au point.
Capture Thetis avec affichage automatique des mesures IMD
Les filtres :
Un pack de 8 filtres passe-bande est utilisé en réception; une trappe Broadcast AM et FM sont insérées pour maximiser l’immunité aux signaux hors bande.
En émission, un pack de filtre passe-bas permet le filtrage des harmoniques des PA LDMOS.
Ces deux filtres sont commandés automatiquement par Thetis via l’Arduino Nano.
L’intégration dans le coffret
Réunir tous ces éléments dans un volume relativement réduit n’a pas été la partie la plus simple du projet !
Il a fallu organiser l’implantation des différentes cartes, prévoir les cheminements des coaxiaux, séparer autant que possible les circuits numériques des circuits de puissance et trouver une place pour le système de refroidissement.Les contraintes mécaniques ont parfois nécessité de revoir l’implantation initiale.
La circulation de l’air à travers le radiateur, notamment, a fait l’objet de plusieurs essais.
Il s’est rapidement avéré que l’ensemble des composants ne tiendrait pas dans le coffret 19 pouces 3U si on tentait de tout placer sur le fond et sur les côtés, aussi un second étage a été nécessaire pour recevoir la carte Apache, le driver, les filtres de réception etc..
L’étage supérieur reculé laissant voir la carte PA et les filtres
La face avant a été choisie très épaisse (10mm) et a nécessité un travail de mise en forme à la CNC afin de loger le TFT de 5″, les deux jacks 6,35 et l’interrupteur de mise en marche.
L’usinage de la face avant
La face avant terminée
Les premiers QSO
Après les essais sur charge fictive, il restait évidemment à utiliser ANGELIA 1K dans les conditions réelles du trafic.
Les premiers QSO ont permis de confirmer le bon fonctionnement de l’ensemble.
La souplesse de Thetis, les possibilités de réglage de la chaîne d’émission et la correction PureSignal rendent l’utilisation particulièrement agréable.
La surveillance permanente des températures et des paramètres du PA permet également de suivre son comportement pendant les émissions.
Le résultat est un équipement qui réunit les possibilités d’un SDR moderne et celles d’un amplificateur HF de forte puissance.
Conclusion
ANGELIA 1K est l’aboutissement d’un projet qui m’aura fait aborder de nombreux domaines : électronique numérique, amplification RF, filtrage, mécanique, refroidissement liquide et programmation.
Certaines étapes ont été relativement simples ; d’autres ont demandé de nombreux essais et quelques modifications.
C’est aussi ce qui fait tout l’intérêt de ce genre de réalisation.
Au-delà du kilowatt obtenu, la satisfaction vient surtout d’avoir construit un équipement personnalisé, dont je connais l’architecture et dont je peux faire évoluer les différentes fonctions.
Et avec ANGELIA, Thetis et PureSignal, les possibilités d’expérimentation sont encore nombreuses.
73 — F6EHJ
Votre commentaire