Как усилитель мощности усиливает свч мощность
Перейти к содержимому

Как усилитель мощности усиливает свч мощность

  • автор:

Как усилитель мощности усиливает свч мощность

Мощные СВЧ-усилители (СВЧ — это сокращение от «сверхвысокочастотные») представляют собой электронные устройства, спроектированные для усиления радиочастотных сигналов с высоким уровнем мощности. Они обычно применяются в приложениях, где требуется увеличение мощности сигнала перед передачей, излучением, обработкой или детекцией. Эти устройства спроектированы для работы в диапазоне частот СВЧ, который находится выше уровня УКВ (ультравысокой частоты) и ниже частот миллиметрового диапазона.

Основные характеристики мощных СВЧ-усилителей включают следующие:

  • высокая мощность;
  • широкий диапазон частот;
  • низкая искаженность;
  • высокая эффективность;
  • устойчивость и надежность;
  • охлаждение;
  • защита.

Связь
В телекоммуникационных системах они могут использоваться для усиления сигналов перед передачей в микроволновых и СВЧ-линиях связи.

Радиолокация
В системах радиолокации они позволяют усилить сигналы перед их излучением и обработкой, что улучшает дальность обнаружения объектов.

Научные исследования
В экспериментах, требующих высокой мощности для генерации или усиления СВЧ-сигналов, мощные усилители используются в физике, астрономии и других областях.

Обработка сигналов
В системах обработки сигналов мощные СВЧ-усилители могут использоваться для увеличения амплитуды сигналов перед дальнейшей обработкой.

Медицинская техника
В некоторых медицинских приложениях, например, в нейростимуляторах, мощные СВЧ-усилители могут использоваться для генерации сигналов для стимуляции нервной системы.

Промышленность
В промышленности мощные СВЧ-усилители могут быть включены в системы нагрева, сушки, генерации плазмы и других процессов.

В целом, мощные СВЧ-усилители играют важную роль в различных приложениях, где требуется работа с высокими мощностями и радиочастотными сигналами в диапазоне СВЧ.

Стоимость мощных СВЧ-усилителей и цены на сопутствующие услуги

Компания ООО Мэтрикс вейв оказывает услуги по разработке, проектированию, созданию мощных СВЧ-усилителей, внедрению, модернизации.

Услуга;Цена

Консультация (кандидат технических наук, ведущий специалист);50 000 руб/час НИР (научно-исследовательские работы, разработка);от 1 700 руб/час ОКР (опытно-конструкторские работы, создание);от 1 900 руб/час НИОКР (научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы);от 3 100 руб/час Реверс-инжиниринг (обратная разработка, модернизация);от 2 900 руб/час Мощный СВЧ усилитель;по запросу Измерения;по запросу Испытания;по запросу

Российская компания

Наши решения соответствуют требованиям по импортозамещению и актуальным отечественным нормам, предъявляемым к устройствам.

Импортозамещение

Мы предлагаем качественные, надежные и безопасные российские решения в области радиотехники, спутниковой связи и телекоммуникаций.

Выгодные цены

Наши устройства в 2–2,5 раза дешевле зарубежных и продуктов, созданных на основе иностранных компонентов и комплектующих.

НИР, ОКР, НИОКР

Мы являемся научно-производственной компанией и выполняем полный цикл работ по разработке, проектированию и созданию устройств.

Точные решения

Устройства нашей компании успешно проходят тестирования, соответствуют заявленным характеристикам и уже внедряются в России.

Сложные задачи

Мы беремся за сложные задачи благодаря команде сотрудников, в том числе КТН, КФМН, и партнерам, ведущим научным и опытным площадкам.

Применение мощных СВЧ-усилителей

Мощные СВЧ-усилители (СВЧ — это сокращение от «сверхвысокочастотные») находят широкое применение в различных областях, где требуется усиление радиочастотных сигналов с высоким уровнем мощности. Вот некоторые из основных областей их применения.

Телекоммуникации
Мощные СВЧ-усилители используются в сетях связи для усиления радиочастотных сигналов перед передачей через микроволновые и СВЧ-линии связи. Они применяются в базовых станциях мобильных сетей (3G, 4G, 5G), беспроводных связях и спутниковой связи.

Радиолокация
В системах радиолокации мощные СВЧ-усилители используются для усиления сигналов, прежде чем они будут излучены в рамках радиолокационных импульсов. Это помогает увеличить дальность обнаружения объектов и повысить эффективность радиолокационных систем.

Медицинская диагностика
В медицинской технике мощные СВЧ-усилители могут использоваться в системах обработки сигналов, связанных с магнитно-резонансной томографией (МРТ), радиохирургией, радиотерапией и другими методами, где необходимо усиление и обработка радиочастотных сигналов.

Исследования и научные эксперименты
В научных исследованиях мощные СВЧ-усилители применяются в физических экспериментах, астрономии, плазменной физике и других областях, где требуется генерация и усиление высокочастотных сигналов для изучения физических процессов.

Промышленность
В промышленных приложениях мощные СВЧ-усилители используются для генерации мощных СВЧ-полей, используемых в процессах нагрева, сушки, стерилизации и сварки.

Аэрокосмическая промышленность
В космических и аэрокосмических системах мощные СВЧ-усилители применяются для усиления сигналов связи, радионавигации, радиолокации и других приложений.

Эксперименты с плазмой
В экспериментах с генерацией плазмы, таких как токамаки и стеллараторы, мощные СВЧ-усилители могут использоваться для нагрева и управления плазмой.

Тестирование и калибровка оборудования
В некоторых случаях мощные СВЧ-усилители применяются для тестирования и калибровки других радиочастотных устройств, таких как антенны, детекторы и другие.

Системы ждущего режима (standby)
Мощные СВЧ-усилители могут быть использованы в режиме ожидания для мгновенного усиления сигнала при необходимости, что полезно в приложениях, где требуется быстрая реакция.

Общая цель мощных СВЧ-усилителей состоит в том, чтобы предоставить усиление сигналов с высокой мощностью в различных технических и научных приложениях, где это критически важно для достижения определенных целей.

Усилитель мощности СВЧ на основе полевых LDMOS транзисторов нового поколения Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР / УСИЛИТЕЛЬ СВЕРХВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ / ДИСКРЕТНЫЙ ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ / ВЫХОДНАЯ МОЩНОСТЬ / СИММЕТРИРУЮЩИЙ ТРАНСФОРМАТОР / FIELD-EFFECT TRANSISTOR / MICROWAVE AMPLIFIER / THE DISCRETE PHASE SHIFTER / OUTPUT POWER / BALANCING TRANSFORMER

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Кириллов Иван Николаевич

В статье рассмотрены усилители сверхвысоких частот для различных применений. Исследованы структурные схемы построения усилителей на биполярных и полевых транзисторах . Дано описание схемы усилителя на мощных полевых транзисторах типов 2П998А и 2П980БС. Показано, что переход на полевые LDMOS транзисторы нового поколения обеспечивает повышение мощности на 30%, повышает фазовую стабильность и общую надёжность усилителя.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Кириллов Иван Николаевич

Конструирование и расчет широкополосного фазового манипулятора
МОДЕЛИРОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ В СРЕДЕ MICROWAVE OFFICE

Амплитудная манипуляция по цепям смещения и питания в полосовом усилителе мощности на полевых транзисторах

Мощные транзисторы для передатчиков бортовых радиолокационных систем

Построение и характеристики СВЧ-монолитных усилителей мощности на основе полупроводниковых материалов GaAs и GaN

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

The Microwave Frequency Power Amplifier on the Basis of New Generation Field-Effect LDMOS Transistors

A new generation of the power field-effect transistors produced by LDMOS technology possesses enhanced performance in comparison with the previous generation of field-effect transistors and is increasingly used in modern applications. Microwave amplifiers for different applications are considered in the paper. The construction patterns of amplifiers based on bipolar and field-effect transistors are studied. The generic description of an amplifier circuit on 2П998А and 2П980БС power field-effect transistors is given. The constructive implementation of an amplifier in the form of the hermetic enclosure performing functions of the heat sink with a cap and a microstrip board placed inside is presented. Power is supplied to the amplifier through pressurized passages. Microwave signals input and output are performed by means of sealed passages. The frame is supplied with the guides ensuring precise coincidence with mating connector. The signal reaches the input stage through the digital phase shifter ensuring change of geometrical length of a transmission line in case of phase shift spread correction. Input and output matching circuits of the first stage transistor are formed by the microstrip lines segments and variable capacitors. Balancing transformer is installed in the input of the second amplifier stage. The similar transformer provides matching of the amplifier output with a coaxial output connector. The final adjustment by the phase of the amplifier transfer ratio is performed by change of geometrical length of the input phase transformer transmission line. Performance comparison of the two alternatives of amplifiers are given. It is shown that application of field-effect LDMOS transistors of a new generation ensures power increase by 30 %, enhances phase stability and general reliability of the amplifier. Besides, technological waste of transistors is considerably reduced in production.

Текст научной работы на тему «Усилитель мощности СВЧ на основе полевых LDMOS транзисторов нового поколения»

Усилитель мощности СВЧ на основе полевых LDMOS транзисторов нового поколения Кириллов И.Н.

Аннотация: В статье рассмотрены усилители сверхвысоких частот для различных применений. Исследованы структурные схемы построения усилителей на биполярных и полевых транзисторах. Дано описание схемы усилителя на мощных полевых транзисторах типов 2П998А и 2П980БС. Показано, что переход на полевые LDMOS транзисторы нового поколения обеспечивает повышение мощности на 30%, повышает фазовую стабильность и общую надёжность усилителя.

Ключевые слова: полевой транзистор, усилитель сверхвысокой частоты, дискретный фазовращатель, выходная мощность, симметрирующий трансформатор.

Передающие устройства твердотельных радиолокационных систем, использующие зеркальные антенны, где выходная мощность достигается путем суммирования мощностей нескольких транзисторных модулей, предъявляют строгие требования к характеристикам используемых в этих модулях транзисторов.

Новое поколение мощных полевых транзисторов, выполненных по LDMOS технологии, обладает улучшенными характеристиками по сравнению с предыдущим поколением полевых транзисторов и находит все более широкое применение в современных разработках. Это позволяет сделать вывод о том, что LDMOS сегодня — достаточно надежная и отработанная технология, по многим параметрам не уступающая, а порой и превосходящая биполярную, и что ее проникновение в сферу авиационных, военных и коммуникационных технологий -лишь вопрос времени.

В отличие от биполярных транзисторов, которые уже широко используются, по меньшей мере 40 лет, LDMOS — достаточно молодая

технология. Благодаря высокому коэффициенту усиления, и самое главное — гораздо более высокой линейности, в последнее время LDMOS стала ведущей технологией на рынке устройств с высокой линейностью, полностью заменив биполярную [1].

Полевые транзисторы марки 2П980БС и 2П998А обладают следующими качествами:

• повышенная фазовая стабильность;

• высокий коэффициент усиления;

• устойчивая работа и низкий уровень паразитной генерации при рассогласовании нагрузки.

Усилители на биполярных и полевых транзисторах

Усилительный на биполярной технологии представляет собой модуль, состоящий из пяти транзисторов марки 2Т988А.

Как видно из рис. 1, усилитель на биполярных транзисторах имеет два каскада усиления. Первый каскад выполнен на одном транзисторе 2Т988А на несимметричной полосковой линии, на входе и выходе транзистора установлены согласующие цепи. Второй каскад усилителя выполнен на четырех параллельно включенных транзисторах, на входе (выходе) транзисторов второго каскада установлены развязанные делители (сумматоры) СВЧ сигнала и реактивные цепи согласования. На входе усилителя расположен дискретный фа-

зовращатель, позволяющим изменять геометрическую длину линии передачи путем подключения отрезков различной длины. Элементы схемы выполнены на несимметричной мик-рополосковой линии.

Биполярный транзистор 2Т988А имеет коэффициент усиления не менее 6 дБ и КПД порядка 45%; Рвых не менее 15 Вт при ипит=28 В;

Недостатками данного усилителя являются:

— небольшая выходная мощность, мощность суммируется с четырех параллельно включенных транзисторов;

— фазовая нестабильность при работе, поскольку усилительный модуль на биполярных транзисторах работает в режиме В (рабочая точка выбирается так, чтобы ток через усилительный элемент протекал только в течении половины периода входного сигнала, усилительный элемент работает с так называемой отсечкой), то входное сопротивление транзистора зависит от уровня входного сигнала и, как следствие, меняется вносимый фазовый сдвиг выходного сигнала. При изменении входного сигнала на 3 дБ, фаза выходного сигнала усилительного модуля меняется в пределах ±8°, этот разброс по фазовому сдвигу добавляется к разбросу по точности регулировки (±30°). Общий максимальный разброс фаз в случае суммирования сигнала может достигать ±38°, что приводит к снижению выходной мощности.

Усилительный модуль на полевых транзисторах, так же как и на биполярных, состоит из двух усилительных каскадов: первый — предварительный, выполнен на основе транзистора 2П998А; второй — выходной, реализован на балансном транзисторе 2П980БС.

Функциональная схема усилителя на полевых транзисторах приведена на рис. 2.

Усилительный модуль состоит из двух мощных СВЧ полевых LDMOS транзисторов,

включенных последовательно. На входе модуля так же установлен фазовращатель, выполненный из отрезков переключаемых линий различной электрической длины.

Полевой транзистор 2П998А имеет выходную мощность 35 Вт, коэффициент усиления 15 дБ. При Рвх=5 Вт транзистор 2П998А усиливает сигнал в диапазоне частот 800-900 МГц до 20-30 Вт. Выходная мощность транзистора 2П980БС, при Рвх= 15 Вт, составляет не менее 150 Вт при ишт=32 В [2].

Согласование низкоомных входного и выходного сопротивлений балансного полевого транзистора ведется с помощью симметричной распределенной линии связи с плавным изменением волнового сопротивления; используются переменные конденсаторы, выполненные в виде печатных плат из материала ФЛАН-16,0-1,0 мм со снятой с одной стороны фольгой.

Отличием усилителя мощности СВЧ на полевых транзисторах от наиболее близкого к нему прототипа на биполярных, является:

— замена в выходном каскаде четырех параллельно включенных транзисторов 2Т988А на балансный полевой транзистор 2П980БС, для обеспечения требуемой мощности;

— применение симметрирующего 50-омного коаксиального кабеля на входе и выходе транзистора 2П980БС и использование в качестве трансформатора для согласования выходного сопротивления 50-омного кабеля с низкоом-ным входным сопротивлением транзистора симметричной распределенной линии связи с плавным изменением волнового сопротивления, образованной микрополосковыми линиями, для уменьшения неравномерности коэффициента передачи;

— установка переменных конденсаторов в виде печатных плат из материала ФЛАН-16,0-1,0 мм со снятой с одной стороны фольгой. Платы (конструктивные переменные конденсаторы) кладутся на линии связи фольгой

Симметриру- s Симметриру-

2П998А -> ющий 2П980БС ющий

Рис. 2. Функциональная схема усилителя на полевых транзисторах

вверх, перекрывая две противоположные входные (выходные) распределенные линии связи одновременно. Меняя место установки печатной платы (конструктивного переменного конденсатора) вдоль распределенной линии связи и ее ориентацию, можно подбирать величину и место включения емкостей. Это позволяет обеспечить согласование низкоомных входного и выходного сопротивлений выходного балансного транзистора 2П980БС; скомпенсировать разброс параметров входных и выходных цепей балансного транзистора 2П980БС; произвести оптимальную настройку усилителя мощности СВЧ по амплитуде и фазе с минимальным разбросом в диапазоне рабочих частот от 800 до 900 МГц.

Практическая реализация усилителя

Усилитель мощности СВЧ на полевых транзисторах, также как и прототип на биполярных, представляет собой герметичный корпус-радиатор с крышкой и расположенной внутри микрополосковой платой из материала ФЛАН-2,8 -1,0 мм на которой собран двухкаскадный усилитель. Питание подводится к врубному НЧ соединителю. С него через герметичные переходы питающее напряжение подается на микрополосковую плату усилителя. Ввод и вывод СВЧ сигналов осуществляется с помощью герметизированных СВЧ переходов. Корпус снабжен направляющими, обеспечивающими точное совпадение с ответными ВЧ и НЧ соединителями (см. рис. 3).

Усилитель работает следующим образом.

Сигнал поступает на входной разъем 6, по коаксиальному кабелю 9 проходит через дискретный фазовращатель 10 и поступает на затвор входного транзистора 11 (2П998А).

Дискретный фазовращатель, позволяет изменять геометрическую длину линии передачи включением отрезков разной длины для коррекции разброса электрической длины усилителей относительно друг друга (разброса фазового сдвига).

Транзистор 10 работает в режиме АВ. Входная и выходная цепи согласования транзистора 10 образованы отрезками микрополосковых линий 12 и 13, регулируемыми (переменными) конденсаторами 14.

В аналогичном режиме работает выходной полевой транзистор 15 (2П980БС). Транзистор 15 имеет симметричные вход и выход. Переход от несимметричной полосковой линии с выхода транзистора 11 к симметричной линии на входе транзистора 15 осуществляется с помощью симметрирующего трансформатора 16. Аналогичный трансформатор 17 установлен на выходе усилителя для согласования симметричного выхода транзистора 15 с коаксиальным выходным разъемом 7.

Симметрирующие устройства 16 и 17 выполнены в виде отрезка коаксиального кабеля. С одной стороны кабель подключен к несимметричному выходу (входу): экран распаян на корпус, центральная жила — сигнальная; с другой стороны центральная жила и экран кабеля

£ 140 | 120 | 100 1 80 | 60

800 810 820 830 840 850 860 870 S80 S90 900

Частота, МГц — — Биполярный Полевой

Рис. 4. Сравнительные характеристики усилителей по выходной мощности при Рвх=5 Вт в диапазоне

частот 800-900 МГц

подсоединены к различным входам (выходам) симметричной линии.

Для согласования симметрирующих устройств в рабочей полосе частот от параллельно симметричному входу (выходу) подключены индуктивности, образуемые отрезками короткозамкнутых линий 18.

Согласование низкоомных входного и выходного сопротивлений транзистора 15 ведется с помощью распределенных трансформаторов, образованных линиями 19 на входе и 20 на выходе. Компенсация разброса параметров входных и выходных цепей и регулировка амплитуды и наклона фазы коэффициента передачи усилителя ведется конденсаторами 21 на входе и конденсаторами 22 на выходе. Окончательная настройка по фазе коэффициента передачи осуществляется изменением геометрической длины линии передачи входного фазовращателя.

На рис. 4 проведено сравнение характеристик усилителей, построенных на основе биполярной и полевой технологии.

Поступила 15 августа 2013 г.

В результате проведенной работы переход от использования биполярных СВЧ транзисторов типа 2Т988А к современным, полевым, позволил:

1. значительно сократить технологический отход транзисторов при производстве;

2. повысить надежность усилительных модулей;

3. на 30% повысить выходную мощность;

4. повысить фазовую стабильность.

Наряду с этим применение новых транзисторов дало возможность улучшить характеристики усилителя на соответствие требованиям электромагнитной совместимости и уменьшить неравномерность коэффициента передачи в рабочем диапазоне частот в пределах от 0,2 до 1,0 дБ.

1. Burger W., Brech H., Burdeaux D, Dragon C., Formicone G., Honan M., Pryor B., Ren X. «RFLD-MOS: A Device Technology for High Power RF Infrastructure Applications», 2004 IEEE Compound Semiconductor Integrated Circuit Symposium, October 2004, pp. 189-192.

2. Номенклатура мощных ВЧ и СВЧ DMOS транзисторов / ОАО «НИИЭТ». Изделия электронной техники. Режим доступа: http://www.niiet.ru/transistors

Кириллов Иван Николаевич — аспирант Муромского института (филиала) ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых».

Адрес: 602264, г. Муром, ул. Орловская, 23

The Microwave Frequency Power Amplifier on the Basis of New Generation Field-Effect LDMOS Transistors

Kirillov Ivan Nikolaevich — post-graduate student of the Murom institute (branch) «Vladimir state university named after Alexander and Nickolay Stoletovs».

Address: 602264 Murom, st. Orlovskaya, h. 23.

Abstract: A new generation of the power field-effect transistors produced by LDMOS technology possesses enhanced performance in comparison with the previous generation of field-effect transistors and is increasingly used in modern applications. Microwave amplifiers for different applications are considered in the paper. The construction patterns of amplifiers based on bipolar and field-effect transistors are studied. The generic description of an amplifier circuit on 2П998А and 2n980EC power field-effect transistors is given. The constructive implementation of an amplifier in the form of the hermetic enclosure performing functions of the heat sink with a cap and a microstrip board placed inside is presented. Power is supplied to the amplifier through pressurized passages. Microwave signals input and output are performed by means of sealed passages. The frame is supplied with the guides ensuring precise coincidence with mating connector. The signal reaches the input stage through the digital phase shifter ensuring change of geometrical length of a transmission line in case of phase shift spread correction. Input and output matching circuits of the first stage transistor are formed by the microstrip lines segments and variable capacitors. Balancing transformer is installed in the input of the second amplifier stage. The similar transformer provides matching of the amplifier output with a coaxial output connector. The final adjustment by the phase of the amplifier transfer ratio is performed by change of geometrical length of the input phase transformer transmission line. Performance comparison of the two alternatives of amplifiers are given. It is shown that application of field-effect LDMOS transistors of a new generation ensures power increase by 30 %, enhances phase stability and general reliability of the amplifier. Besides, technological waste of transistors is considerably reduced in production.

Key words: field-effect transistor, microwave amplifier, the discrete phase shifter, output power, balancing transformer.

1. Burger W., Brech H., Burdeaux D., Dragon C., Formicone G., Honan M., Pryor B., Ren X. «RFLDMOS: A Device Technology for High Power RF Infrastructure Applications», 2004 IEEE Compound Semiconductor Integrated Circuit Symposium, October 2004, pp. 189-192.

2. Nomenclature of Powerful High Frequency and Microwave DMOS Transistors / Open Society «NIIET». Items of electronics. The Access mode:

Широкополосный усилитель мощности S- диапазона с выходной мощностью 300 Вт в непрерывном режиме

Аннотация: В представляемой работе обобщаются результаты разработки и исследования параметров экспериментального образца усилителя мощности S-диапазона с октавной полосой частот и выходной мощностью 300-400 Вт в режиме усиления непрерывных колебаний. Усилитель построен по схеме 8-канального суммирования мощностей гибридно-интегральных усилительных модулей, выполненных на основе нитрид-галлиевых транзисторов в виде кристаллов. Каждый модуль имеет в нормальных климатических условиях выходную мощность 43-50 Вт при коэффициенте усиления 23 дБ и КПД по добавленной мощности 35-40%.

Ключевые слова: сверхвысокие частоты, транзисторный усилитель мощности, нитрид галлия, суммирование мощностей.

1. Введение

Освоение промышленного выпуска высоконадежных коммерчески-доступных GaN-транзисторов позволило повысить выходную мощность широкополосных усилителей мощности на порядок при разумной технической сложности изделия. Ниже рассматривается конструкция макета усилителя мощности диапазона 2-4 ГГц с октавной полосой частот и выходной мощностью 300-400 Вт в непрерывном режиме, построенного на основе схемы восьмиканального квадратурного суммирования и обсуждаются технические решения элементов его конструкции.

2. Схема и конструкция макета усилителя

На рисунке 1 показана структурная схема разработанного макета усилителя. Усилитель построен на основе восьми гибридно-интегральных усилительных модулей М2450Б, разработанных авторами для применения

в качестве базового элемента мощных усилителей диапазона 2-4 ГГц нового поколения. Каждый модуль содержит два балансных усилительных каскада на кристаллах GaN-транзисторов с длиной затвора 0,5 мкм и шириной затвора 2100 мкм (в первом каскаде) и 7000 мкм (во втором каскаде). Транзисторы работают при напряжении стока 27 В. В качестве квадратурных мостов применены свернутые 3-дБ направленные ответвители [1] на подложках из поликора толщиной 0,5 мм, изготовленных по тонкопленочной технологии с увеличенной толщиной металлизации (20 мкм). Транзисторы установлены непосредственно на медное основание модуля, керамические платы припаяны к основанию через металлические прокладки из псевдосплава медь-молибден.

Рис 1. Структурная схема усилителя мощности

Модули, установленные в макет, имели следующие основные параметры в рабочем диапазоне частот от 2 до 4 ГГц в непрерывном режиме:

Линейное усиление ……………….…. 29 – 31 дБ

Выходная мощность …………..……… 43 – 50 Вт

Рабочий ток стока …………………….. 4,3 – 4,9 А

Перегрев рабочей зоны кристалла

GaN-транзистора …………………..….. 110 – 130 градусов

(расчет при Rth=4,8 град/Вт)

Усилитель имеет два входа СВЧ сигнала (XW1, XW2) и два выхода (XW3, XW4) для исследования его параметров при коммутации сигнала в две независимые нагрузки (антенны).

Конструкция макета усилителя показана на рисунке 2 (экранирующие элементы сняты). Модули М2450Б установлены в отдельных экранированных отсеках алюминиевого корпуса и закреплены винтами. С обратной стороны корпуса закреплен радиатор жидкостного охлаждения.

Рис 2. Общий вид макета усилителя

Входной сигнал с уровнем 3-5 Вт делится на 8 каналов при помощи квадратурных 3 -дБ мостов, выполненных на основе секций с лицевой связью воздушной симметричной полосковой линии. Идея конструкции ответвителя заимствована из работы [2].

В качестве линии передачи была предложена и экспериментально отработана линия, конструкция которой показана на рисунке 3. Линия передачи формируется на двух сторонах диэлектрической подложки по стандартной печатной технологии с толщиной медной металлизации 70 мкм. Толщина диэлектрика (в сумме с двойной толщиной металлизации) выбирается равной зазору в секции лицевой связи квадратурного ответвителя, и задает величину зазора при монтаже пластин ответвителя. Металлизация с обеих сторон платы соединена металлизированными переходными отверстиями.

Рис 3. Разрез конструкции линии передачи мощного СВЧ сигнала

Плата зажимается между корпусом и экранирующей крышкой, образуя симметричную линию. Стабильность диэлектрической постоянной диэлектрика значения не имеет, электрическое поле в диэлектрике практически отсутствует . Предложенная конструкция технологична и обладает малыми вносимыми потерями (измеренные на макетах значения погонных потерь на частоте 4 ГГц составили 0,07 дБ на 10 см длины. Это важно, поскольку в выходном тракте распространяется сигнал с мощностью более 300 Вт. Для улучшения теплоотвода в выходном тракте между корпусом и нижней металлизацией дополнительно установлены 4 столбика из нитрида алюминия сечением 2 кв.мм. припаянные с двух сторон.

3. Параметры макета усилителя

Одним из важных параметров является «КПД суммирования» — отношение выходной мощности усилителя к арифметической сумме выходных мощностей суммируемых элементов. Основные факторы, снижающие КПД суммирования в широкой полосе частот:

— потери в выходном сумматоре (0,5 дБ);

— фазовая неидентичность модулей М2450Б (10-15 градусов);

— неидеальные КСВН входов сумматора.

Полученный на макете КПД суммирования в октавной полосе составил не менее 80%. Разница усредненных коэффициентов усиления в линейном режиме установленных модулей М2450Б и полученного коэффициента усиления усилителя составила в октавной полосе от 1,2 до 1,5 дБ.

Выходная мощность в режиме насыщения (компрессия усиления 8-9 дБ) составила 320 -420 Вт при напряжении питания 27 В, рабочий ток усилителя в режиме насыщения составил от 32 до 39 А, КПД усилителя в

режиме насыщения — от 30 до 38%. При компрессии усиления 4 дБ выходная мощность составляет около 120 Вт, рабочий ток 19-21 А, КПД от 20 до 24%. Коммутация входов XW1 и XW2 позволяет направить выходную мощность на выход XW4 или XW3, соответственно. При этом измеренные отклонения не превышают 3-4%. В изолированный выход проникает сигнал с уровнем от -17 до -35 дБ относительно мощности на рабочем выходе.

Перегрев в центральной зоне установки модулей при расходе жидкости 3 л/мин составил 8 градусов. В качестве термоинтерфейса между корпусом усилителя и радиатором применялась термопаста ARCTIC SILVER 5 с теплопроводностью 8,7 Вт/м*К. Перегрев линий передачи и пластин сумматора оценивался по характеру плавления и изменения цвета термокарандашей с различными точками плавления, которыми последовательно маркировались элементы. Максимальный перегрев в точке соединения выходного разъема составил около 75 градусов.

4. Заключение

В октавной полосе частот S-диапазона реализован гибридно-интегральный усилительный модуль с КПД 35-40% и выходной мощностью 43 – 50 Вт. Показана возможность 8-канального квадратурного суммирования с КПД суммирования более 80%, при этом КСВН входа и выхода усилителя не превышает 1,5, выходная мощность в непрерывном режиме составила 320-420 Вт, КПД 30-38%. При этих параметрах перегрев активной структуры кристалла GaN-транзистора составляет 110 – 130 градусов, что требует особого внимания к минимизации перегрева конструкции (жидкостное охлаждение, термоинтерфейс, медные основания модулей). Заметную роль играет нагрев элементов выходного тракта, что требует также внимания к его конструкции (элементы теплосъема, выходной соединитель, минимизация потерь в тракте).

Список литературы

[1] Кищинский А.А., Радченко В.В., Радченко А.В. Широкополосные квадратурные делители/сумматоры мощности для применения в усилителях СВЧ мощности // Материалы 19-й Международной Крымской конференции “CВЧ техника и телекоммуникационные технологии”. 2013. том 1. стр.6-10.

[2] I.Schmale. Synthesis of high-power broadside-coupled thick striplines including narrow lateral shielding // Proceedings of the 36th European Microwave Conference. 2006. р . р . 21-24.

Усилитель свч высокого уровня мощности

Устройство относится к радиоэлектронике и может быть использовано в радиопередающих устройствах сверхвысоких частот (СВЧ) для современных радиотехнических систем связи, радиолокации, радионавигации при разработке твердотельных усилителей СВЧ высокого уровня мощности (ВУМ), выполненных по схеме синфазного суммирования мощности N усилительных модулей.

Техническим результатом является улучшение эксплуатационных характеристик усилителя СВЧ ВУМ: снижение потерь на суммирование; повышение КПД, повышение надежности работы усилителя СВЧ ВУМ, снижение эксплуатационных расходов (за счет большего срока эксплуатации и меньшей стоимости изделия), а также обеспечение стабильности и повторяемости технических характеристик в рабочем диапазоне частот в условиях серийного производства.

Сущность полезной модели состоит в том, что в заявляемом усилителе СВЧ ВУМ усилительные модули на биполярных транзисторах, работающих в режиме В, заменены на усилительные модули, выполненные на мощных СВЧ LDMOS транзисторах нового поколения, работающих в режиме АВ. Для устранения взаимных влияний второго и третьего каскадов усиления на входе третьего усилительного каскада введен вентиль.

Особенностью усилительных модулей, выполненных на мощных СВЧ LDMOS транзисторах, работающих в режиме АВ, является то, что входное сопротивление транзисторов не меняется с изменением уровня входного сигнала и фаза выходного сигнала остается неизменной. Разброс фазового сдвига при регулировке составляет не более ±20°.

Замена усилительных модулей на биполярных транзисторах на усилители мощности СВЧ, выполненных на мощных СВЧ LDMOS транзисторах нового поколения, позволило снизить потери на суммирование в условиях серийного производства до 20-25% (в эту величину входят и диссипативные потери в линиях связи).

Изготовленный опытный образец передающего устройства на базе заявляемого четырехкаскадного усилителя СВЧ ВУМ в соответствии с ГОСТ РВ 15.307-2002 прошел типовые испытания в составе РЛС и внедрен в производство.

Полезная модель относится к радиоэлектронике и может быть использована в радиопередающих устройствах сверхвысоких частот (СВЧ) для современных радиотехнических систем связи, радиолокации, радионавигации.

Современное состояние радиопередающих устройств характеризуется переходом от использования мощных электровакуумных приборов к твердотельным передатчикам на базе транзисторных усилителей (усилительных модулей), в которых требуемый уровень мощности СВЧ достигается суммированием мощности большого числа усилительных модулей.

Общие принципы суммирования мощности усилителей СВЧ и разновидности возможных схем суммирования мощности приведены в книге «Устройства сложения и распределения мощностей высокочастотных колебаний». / Под редакцией З.И.Моделя, М.: «Советское радио», 1980 г.

В ходе практической реализации усилителя СВЧ высокого уровня мощности (ВУМ), выполненного на транзисторных усилительных модулях, основные потери мощности при суммировании происходят из-за разброса фазы и амплитуды выходных сигналов усилительных модулей, входящих в состав усилителя СВЧ ВУМ. Идентичность выходной амплитуды усилительных модулей зависит от типа примененных транзисторов, качества изготовления, и, как правило, удается обеспечить небольшой разброс амплитуд выходных сигналов усилительных модулей. Обеспечение же фазовой идентичности усилительных модулей является более сложной задачей. Ее решение позволяет существенно уменьшить потери при суммировании мощности усилительных модулей и, следовательно, повысить уровень выходной мощности усилителя с ВЧ ВУМ.

Известен твердотельный усилитель мощности Х-диапазона (патент на изобретение RU 234625), содержащий предварительный усилитель, подключенный к микрополосковому делителю мощности, N входов которого соединены с входами N СВЧ-усилителей, выходы СВЧ-усилителей подключены к N-канальному сумматору, выполненному в виде тем-мостов, соединенному с детекторной головкой. Микрополосковый делитель мощности содержит элементы коррекции фазы для каждого усилительного канала.

Недостатком такого усилителя является необходимость последовательной ступенчатой настройки фазы каждой пары СВЧ-усилителей в развязанных устройствах, а также негативное влияние уменьшения уровня входной мощности на уровень выходной мощности усилителей каналов. В частности, уменьшение мощности на входе предварительного усиления ведет к увеличению токов потребления в усилителях канала и дополнительному тепловыделению. Значительное уменьшение мощности на входе предварительного усилителя может привести к возникновению в отдельных усилителях канала паразитных генераций и искажению спектра выходных сигналов.

Аналогом заявляемого устройства является многокаскадное устройство суммирования мощности СВЧ-усилителей (патент RU 2339157), содержащее последовательно соединенные каскады усиления, при этом каждый каскад усиления содержит N-канальный делитель мощности, N — канальный сумматор мощности и N СВЧ-усилителей, где N=2 m . При этом каждый выход N-канального делителя мощности соединен через СВЧ-усилитель с соответствующим входом N — канального сумматора мощности. В каждом каскаде усиления, кроме выходного, к одному выходу в каждой паре выходов N-канального делителя мощности подключен фазовращатель.

Недостатком данного устройства является усложнение конструкции, сложная регулировка по фазе, низкая взаимозаменяемость усилительных модулей — невозможность оперативной замены отказавшего модуля без подстройки по фазе в составе стенда, что возможно только в заводских условиях, а также большие потери мощности при суммировании. Суммарные потери складываются из потерь в выходных фазовращателях, потерь из-за разброса уровней выходных мощностей усилителей и разброса фаз выходных сигналов (±30°).

Предлагаемой полезной моделью решается задача обеспечения уровня выходной мощности усилителя СВЧ ВУМ не менее 5 кВт улучшение его эксплуатационных характеристик: уменьшение потерь мощности при суммировании, уменьшения разброса фаз выходных сигналов усилительных модулей, обеспечение их взаимозаменяемости, повышение КПД усилителя СВЧ ВУМ, повышение надежности работы усилителя СВЧ ВУМ, снижение эксплуатационных расходов (за счет большего срока эксплуатации и меньшей стоимости изделия), а также обеспечение стабильности и повторяемости технических характеристик в рабочем диапазоне частот в условиях серийного производства.

Поставленная задача решается тем, что в заявляемом усилителе СВЧ ВУМ применены усилительные модули, выполненные на мощных СВЧ LDMOS транзисторах нового поколения, работающих в режиме АВ.

Усилительный модуль представляет собой герметичный корпус-радиатор с врубными герметичными переходами, для ввода и вывода СВЧ сигналов с низкочастотным соединителем для подачи питающего напряжения, внутри которого расположена микрополосковая печатная плата, на которой собран двухкаскадный усилитель мощности.

Первый каскад выполнен на транзисторе 2П998А АЕЯР.432150.541 ТУ, второй — на балансном полевом транзисторе 2П980БС АЕЯР.432140.316 ТУ (мощном СВЧ LDMOS транзисторе). Оба транзистора представляют собой мощные СВЧ LDMOS транзисторы, работают в режиме АВ. Элементы схемы выполнены на несимметричной микрополосковой линии.

Особенностью усилительных модулей, выполненных на мощных СВЧ LDMOS транзисторах, работающих в режиме АВ, является то, что входное сопротивление транзисторов практически не меняется с изменением уровня входного сигнала и фаза выходного сигнала остается неизменной.

Требование по разбросу фазового сдвига от образца к образцу для усилительных модулей — не более ±20°. Выполнение данного требования необходимо для синфазного сложения мощности включенных параллельно усилительных модулей в составе усилителя СВЧ ВУМ.

Для обеспечения требуемого фазового сдвига на входе каждого усилительного модуля установлены регулируемые дискретные фазовращатели. Дискретный фазовращатель выполнен в виде линии передачи с переключаемыми отрезками различной длины, что позволяет изменять геометрическую длину линии передачи включением отрезков разной длины для коррекции разброса электрической длины усилителей относительно друг друга (разброса фазового сдвига).

Компенсация разброса параметров входных и выходных плеч выходного транзистора 2П980БС АЕЯР.432140.316 ТУ и регулировка амплитуды и наклона фазы коэффициента передачи усилительного модуля ведется подстроечными конденсаторами на входе и выходе усилительного модуля. Окончательная настройка по фазе коэффициента передачи осуществляется изменением геометрической длины линии передачи входного фазовращателя.

Усилительный модуль обеспечивает выходную импульсную мощность не менее 110 Вт, неравномерность коэффициента усиления не более 1,0 дБ, разброс фазового сдвига не более ±20°.

Предлагаемый усилитель СВЧ ВУМ иллюстрируется чертежом, представленным на фиг.2.

Усилитель СВЧ ВУМ выполнен четырехкаскадным и состоит из: входного усилительного каскада 1; второго усилительного каскада 2; третьего усилительного каскада (на фиг.2 показан штрихпунктирной линией), состоящего из входного и выходного m-канального (m=2 к , где к=1, 2, 3 и т.д.) развязанного делителя/сумматора 4, с установленными на выходе сумматора 4 Y-циркулятором 6, m синфазных усилительных модулей 5, включенных между соответствующими выходами делителя и входами сумматора по параллельной схеме; четвертого усилительного каскада — N=2 к параллельно включенных каскадов усиления аналогичных третьему каскаду с синфазными усилительными модулями 8 (на фиг.2 четвертый каскад показан пунктирной линией). В качестве делителя мощности четвертого каскада используется N-канальный развязанный делитель 7, N-канальный выходной сумматор четвертого каскада 9. Для увеличения развязки на входе третьего усилительного каскада усиления введен вентиль 3.

Усилитель мощности СВЧ ВУМ работает следующим образом.

СВЧ сигнал с импульсной мощностью Рвх=0,1±0,02 Вт поступает на входной усилительный каскад 1, в котором СВЧ сигнал усиливается до уровня импульсной мощности не менее 4 Вт и передается на вход второго усилительного каскада — вход усилительного модуля 2, где усиливается до уровня (80±10) Вт, и далее, через вентиль 3, на третий усилительный каскад — m-канального делителя/сумматора 4, который обеспечивает равномерное деление поступающей на него мощности на m выходов. С m выходов делителя/сумматора 4 сигналы передаются на m усилительных модулей 5 включенных по параллельной схеме.

На фиг.1 приведена амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) коэффициента передачи между входами усилительных модулей 5 третьего каскада усиления, включенного без вентиля 3, на которой отмечены области искажения (излома) огибающей СВЧ сигнала. Рабочие частоты, на которых возникали искажения огибающей СВЧ сигнала, соответствуют наименьшей развязке между входами усилительных модулей (менее 20 дБ).

Для устранения взаимных влияний второго и третьего каскадов усиления между ними введен вентиль 3 (Y-циркулятор с балансной нагрузкой в третьем плече).

На фиг.3 приведена АЧХ коэффициента передачи между входами усилительных модулей 2 третьего каскада усиления после введения развязывающего устройства на входе третьего усилительного каскада — вентиля 3. Из приведенной АЧХ видно, что при введении вентиля 3 развязка между входами усилительных модулей 5 третьего усилительного каскада в диапазоне рабочих частот составляет более 25 дБ.

В каждом из усилительных модулей 5 происходит усиление СВЧ сигнала до уровня (80±10) Вт, при этом разброс фазового сдвига усилительных модулей 5 составляет не более ±20°. После суммирования СВЧ сигналов с m усилительных модулей 5 в делителе/сумматоре 4, сигнал через Y-циркулятор 6, уровнем не менее 500 Вт поступает на N-канальный развязанный делитель 7, обеспечивающий равномерное деление СВЧ сигнала на N каналов оконечного каскада усиления. Каждый из N каналов представляет из себя усилительный блок, аналогичный третьему каскаду усиления с усилительными модулями 8, имеющими выходную мощность не менее 110 Вт и разброс фазового сдвига между усилительными модулями не более ±20°. Усиленные в N каналах СВЧ сигналы суммируются в выходном N-канальном сумматоре 9 четвертого каскада и выходной сигнал с мощностью Рвых не менее 7 кВт передается на выход усилителя СВЧ ВУМ.

Положительный эффект от внедрения новых усилительных модулей вытекает из следующего. Величина потерь на суммирование двух сигналов равных по амплитуде и отличных по фазе определяется следующим соотношением:

где Р — мощность на выходе сумматора;

Р — мощность одного из сигналов, поступающих на вход сумматора;

— фазовый сдвиг между двумя равноамплитудными сигналами.

На Фиг.4 приведен график соотношения величины потерь на суммирование двух равноамплитудных сигналов от величины фазового сдвига между ними, полученного из данного выражения. Отмеченную закономерность можно использовать для оценки полученного выигрыша по мощности.

Замена усилительных модулей на биполярных транзисторах на усилители мощности СВЧ, выполненные на мощных СВЧ LDMOS транзисторах нового поколения и введение вентиля 3 между вторым и третьим усилительными каскадами позволило снизить потери на суммирование в условиях серийного производства до 20-25% (в эту величину входят и диссипативные потери в линиях связи). Это, наряду с увеличением выходной мощности, позволило увеличить КПД усилителя, повысить надежность его работы за счет уменьшения потерь на нагрев из-за потерь в балластных резисторах сумматоров мощности. Снижение эксплуатационных расходов происходит за счет увеличения срока эксплуатации и меньшей стоимости примененных усилительных модулей.

Изготовленный опытный образец передающего устройства на базе заявляемого четырехкаскадного усилителя СВЧ ВУМ в соответствии с ГОСТ РВ 15.307-2002 прошел типовые испытания в составе РЛС и внедрен в производство.

Серийные образцы передающего устройства на базе заявляемого четырехкаскадного усилителя СВЧ ВУМ, обеспечивают на выходе передающего устройства в рабочей полосе частот импульсную мощность не менее 7 кВт.

Усилитель СВЧ высокого уровня мощности, содержащий последовательно соединенные каскады усиления, при этом каждый каскад усиления содержит N-канальный делитель мощности, N-канальный сумматор мощности и N СВЧ-усилителей, где N=2 m (m=2 к , где к=1, 2, 3, и т.д.), при этом каждый выход N-канального делителя мощности соединен через СВЧ-усилитель с соответствующим входом N-канального сумматора мощности, отличающийся тем, что он выполнен четырехкаскадным, усилительные модули выполнены на мощных СВЧ LDMOS транзисторах нового поколения, работающих в режиме АВ, на входе третьего усилительного каскада для увеличения развязки введен вентиль, в усилительных каскадах на выходе m-канального развязанного делителя/сумматора установлены Y-циркуляторы, четвертый усилительный каскад содержит N=2 к параллельно включенных каскадов усиления, аналогичных третьему каскаду, N-канальный развязанный делитель и N-канальный выходной сумматор.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *