В рубрику "Новые продукты" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
Сергей Пореш
Начальник отдела 'НПО СвязьПроект''
В системах спутниковой связи используются два конкурирующих типа усилителей мощности (УМ). Это вакуумные усилители на лампах бегущей волны (TWTA) и твердотельные усилители на полевых транзисторах из арсенида галлия (SSPA). Технологии изготовления активных элементов для этих усилителей во всем противоположны друг другу. Рассмотрим этот вопрос подробнее
Усилители TWTA - достоинства и недостатки
Лампа бегущей волны (ЛБВ) -штучный товар. Она имеет сложную внутреннюю структуру: фокусирующая система, замедляющая система, катод, коллектор и т.д. Каждый элемент рассчитывается и изготовляется отдельно. Затем ведется сборка, откачка, тренировка. Подбором параметров составляющих ЛБВ-элементов можно получить широкий спектр выходных характеристик и, в принципе, обеспечить все современные запросы промышленности. Например, можно добиться КПД в 70% или гарантированного срока службы более 100 000 часов. Такие ЛБВ, конечно, дороги, поэтому используются в спутниковых ретрансляторах и других специальных системах. Для наземных применений ищется компромисс между характеристиками и стоимостью ламп.
Полевой транзистор изготовляется большими партиями в едином технологическом цикле. Вместо сложной конструкции - миниатюрная пластинка полупроводника. После отбраковки из партии негодных экземпляров - длительный срок службы. Низкие напряжения питания и невысокая стоимость при массовом производстве. Его недостатки - это продолжение его достоинств: в миниатюрном устройстве текут большие токи смещения и выделяется много тепла. Теплопроводность подложки низкая. Из-за этого на одной чип-сборке удается разместить схему сложения максимум из восьми транзисторов.
Лучшие результаты, близкие к теоретическому пределу, составляют 30 Вт для диапазона 14 ГГц и 90 Вт для диапазона 6 ГГц. Промышленно выпускаемые образцы обычно имеют характеристики примерно в 1,5 раза ниже. Для достижения мощностей 100 Вт и более собираются схемы сложения из модулей на базе чип-сборок. Каждый из модулей обеспечивается своей системой отвода тепла, подачи питания и схем сложения сигналов. И здесь происходит удивительная трансформация - SSPA быстро обгоняет TWTA по весу, габаритам и стоимости усилителя (рис. 1, 2). Например, SSPA С-диапазона мощностью 400 Вт в 4 раза больше по размерам, потребляет в 2 раза больше энергии и стоит в 1,5 раза дороже, чем аналогичный TWTA. Таким образом, при необходимости использования мощностей более 200 Вт TWTA получают преимущества перед SSPA.
Единственное преимущество SSPA
Но одно преимущество остается за SSPA - это его амплитудная характеристика (зависимость мощности выходного сигнала от мощности входного). Дело в том, что усилители такой мощности используются для ретрансляции либо одного широкополосного сигнала, либо одновременно нескольких сигналов. Во втором случае ретранслируемые сигналы могут взаимодействовать друг с другом на нелинейности амплитудной характеристики, что приводит к возникновению в выходном сигнале усилителя сигналов интермодуляционных помех (IMR), которые препятствуют нормальной работе спутникового ретранслятора. Операторы спутниковой связи выдвигают жесткие требования к уровню этих помех. Например, по регламенту ФГУП "Космическая связь" уровень IMR должен составлять не более 26 дБ от уровня полезных сигналов. В результате на земной станции приходится снижать мощность усилителя до достижения линейного участка амплитудной характеристики. В этом отношении ЛБВ проигрывают транзисторам, у которых амплитудная характеристика достаточно линейна при отступлении на 1-2 дБ от номинальной мощности.
Работа по устранению недостатков
Улучшению линейности амплитудной характеристики TWTA уделено большое внимание. Разработано несколько схем ее линеаризации. Наибольшее распространение получила схема с линеаризатором с предыскажением: перед усилителем помещается устройство, имеющее амплитудную характеристику с нелинейностью, противоположной по амплитуде и фазе нелинейности самого усилителя.
В таблице 1 приведены типичные значения интермодуляционных искажений (IMR) усилителя на Л Б В с линеаризатором и без него, в зависимости от величины отступления от его номинальной мощности.
Как следует из таблицы, для обеспечения допустимого уровня продуктов интермодуляции для линеаризованного TWTA достаточно отступления от номинальной мощности на 2-3 дБ, что приближается к линейности SSPA.
Последние достижения
Последние технические разработки CPI Satcom были направлены на оптимизацию параметров самой ЛБВ с целью расширения диапазона линейности амплитудной характеристики. Результат был достигнут. На рис. 3 приведена амплитудная характеристика суперлинейного УМ С-диапазона CPI 2.25 kW SuperLiner TWTA. Характеристика демонстрирует возможность работы УМ в линейном режиме при выходной мощности 1000 Вт. Одновременно удалось существенно снизить потребляемую усилителем энергию, его вес и размеры. Сравнение мощности, потребляемой суперлинейным и стандартными усилителями, приведено на рис. 4 и 5.
Снижение размеров и веса суперлинейного усилителя составляет 30% по сравнению со стандартным. При этом полученный выигрыш не сопровождается ухудшением каких-либо других характеристик усилителя. В настоящее время суперлинейные усилители производятся для С- и Ка-диапазонов частот.
Опубликовано: Журнал "Broadcasting. Телевидение и радиовещание" #6, 2007
Посещений: 15058
Автор
| |||
В рубрику "Новые продукты" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
