СВЧ-преобразователи частоты.
Часть 4. Подсистемы преобразования частот

Все статьи цикла

В разных вариантах и под разными названиями преобразователи частот реализуются как функционально законченные подсистемы для переноса входящих сигналов СВЧ в разные частотные диапазоны для дальнейшей их обработки с помощью широко распространенного или стандартного РЧ-оборудования.

Перенос сигналов вниз по частоте производится для того, чтобы их можно было обработать или проанализировать с помощью широко распространенного оборудования, работающего на частотах много меньших исходных.

Перенос частот вверх осуществляется, в основном, чтобы перенести в заданный рабочий диапазон сигналы, сформированные на более низких частотах опять-таки с помощью имеющегося в распоряжении или стандартного РЧ-оборудования. В системах измерения и тестирования производится расширение вверх по частоте рабочего диапазона имеющихся в наличии высококачественных измерительных или гетеродинных опорных генераторов. Подсистемы преобразователей частот с повышением частоты и понижением входной частоты выпускаются в разных конфигурациях и конструктивном исполнении (форм-факторах), которые определяются запросами потребителей и номиналом рабочих частот. В этом случае преобразователи выполняются в виде отдельных конструктивных блоков, имеющих разъемы для подачи РЧ-сигналов и сигналов управления. Чаще всего используются варианты реализации подсистем ПрЧ в виде автономных (Stand Alone) устройств для настольной или напольной установки в полном корпусе или шкафу, монтируемых в стойку (Rack Mount), приборных или настольных (Desktop) устройств.

В соответствии со сложившейся на рынке СВЧ-компонентов практикой рассматриваемые преобразователи можно отнести к разным классам по основному направлению их применения. Заметим, что это деление достаточно условно и определяется самой компанией-производителем.

Блоки преобразования сигналов BUC/BDC

Большое число производителей компонентов использует для обозначения подсистем преобразования частот разного назначения и конструктивного исполнения устойчивые аббревиатуры BUC (Block UpConverter) и BDC (Block DownConverter) — блоки повышения и понижения частоты (табл. 1). В эту группу входят компоненты самого разного назначения и конструктивного исполнения [6].

По данным поисковой системы РЧ- и микроволновых компонентов everything RF, рынок основных производителей блоков BUC представляют 780 изделий от 22 производителей, среди которых: Actox (220 моделей), New Japan Radio (131 модель), Agilis (80 моделей), Belcom Microwaves (64 модели), L‑3 Narda-MITEQ (52 модели), Norsat (49 моделей), Communications & Power Industries (28 моделей).

Блоки преобразования систем спутниковой связи

В особую группу можно выделить блоки преобразования вверх по частоте систем спутниковой связи (BUC). В одном блоке, применяемом для передачи сигналов на спутник, совместно используется преобразователь частоты с повышением и выходной усилитель мощности [7]. В отечественной практике нет установившегося названия устройств данного класса. Названием, отражающим функциональную суть устройства, является «преобразователь по частоте с выходным усилителем мощности» (ПрЧУМ).

Это устройство выполняет две функции: преобразование частоты в необходимый диапазон частот C, X, Ku или Ka и последующее усиление мощности радиосигнала. Передача таких частот на антенну по коаксиальному кабелю приводит к большим потерям из-за затухания в нем сигнала, а использование длинных волноводов резко усложняет и удорожает систему. По этой причине ПрЧ с выходным усилителем мощности (BUC) устанавливается в непосредственной близости от антенны — на волноводном фланце облучателя антенны, а сигнал на него передается по коаксиальному кабелю на более низких ПЧ, находящихся, как правило, в L‑диапазоне 1–2 ГГц. Все другое необходимое оборудование спутниковой связи располагается на некотором удалении от антенны. Блок преобразования осуществляет перенос сигнала на рабочую частоту и его последующее усиление до необходимого уровня.

Конструкция этих преобразователей, предназначенных для установки непосредственно на антенне, должна иметь герметичное всепогодное исполнение. Корпус таких ПрЧ, как правило, имеет радиаторы для отвода выделяющегося при работе тепла. Внутри корпусов устанавливаются вентиляторы принудительного охлаждения. Выход ПрЧУМ выполнен в виде стандартного волноводного фланца, который подключается непосредственно к облучателю антенны или соединяется с волноводом. На входном порте ПЧ-сигнала устанавливается высокочастотный коаксиальный соединитель.

В основной массе ПрЧ с выходным усилителем мощности используются твердотельные усилители. В этом случае для их обозначения используется аббревиатура SSPB (Solid State Power Block UpConverter). В последние годы в блоках стала использоваться полупроводниковая технология на основе нитрида галлия (GaN), позволяющая увеличить КПД. В устройствах большой мощности с высоким КПД применяются лампы бегущей волны (ЛБВ) (TWTA).

Спутниковые преобразователи с малошумящим усилителем LNB

Для обозначения блоков преобразователей сигналов с понижением (BDC) систем спутниковой связи, на входе которых устанавливается малошумящий усилитель, ряд производителей в англоязычной терминологии используют обозначение LNB (Low Noise Block downconverter). У российских специалистов такие преобразователи сигнала вниз по частоте (рис. 1) имеют краткое обозначение «спутниковый конвертер».

Рис. 1. Обобщенная структура малошумящего понижающего ПрЧ с малошумящим усилителем LNB

По данным поисковой системы everything RF, на рынке блоков LNB представлены 236 моделей от основных 12 производителей. Наиболее активными компаниями являются: New Japan Radio (88 моделей), L‑3 Narda-MITEQ (60 моделей), Norsat (58 моделей), Orbital Research (17 моделей). Краткие сведения о номенклатуре спутниковых конвертеров LNB представлены в табл. 2, а на рис. 2–3 показано конструктивное исполнение разных блоков.

Рис. 2.
а) Конструктивное исполнение спутниковых конвертеров моделей С и Ku-диапазонов компании New Japan Radio;
б) влагозащищенный корпус конвертера К диапазона компании Agilis

Рис. 3. Спутниковые конвертеры LNA компании Norsat:
а) Ku-диапазона;
б) С-диапазона;
в) модель 9000ХН Ка-диапазона

Основу систем преобразования частоты с понижением LNB компании Advantech Wireless серии AWLA составляет линейка высоконадежных малошумящих усилителей, ранее разработанных этой компанией. На рынке предлагаются модели С‑, Ku- и X‑диапазонов с шумовой температурой, удовлетворяющей самым современным требованиям. Эти конвертеры предназначены для использования в системах с резервированием по схеме 1:1 или 1:2. Автоматическое переключение на резерв осуществляется контроллером внешнего исполнения, установленным на монтажную пластину вместе с блоками МШУ и коаксиально-волноводными переключателями (рис. 4).

Рис. 4. Блок преобразования частоты LNB с понижением серии AWLA компании Advantech Wireless в конструктивном варианте с резервированием

Системы резервированных блоков конвертеров позволяют минимизировать время вынужденного простоя системы в случае отказа основного блока, обеспечивая горячее резервирование с помощью средств автоматического переключения на резерв. Для контроля и управления системой используется установленный на монтажную пластину компактный контроллер с интерфейсами RS‑485 и RS‑232. Кроме того, система может поставляться с дистанционной панелью контроля и управления стоечного исполнения. В устройстве используются высококачественные коаксиально-волноводные переключатели; опционально ПрЧ может иметь тестовые порты на входе и выходе системы. В преобразователе осуществляется контроль тока, потребляемого блоками LNB, для обнаружения аварий. При выходе основного LNB из строя происходит автоматическое переключение на резервный.

Блоки преобразования большой мощности (SSPB, BUC/SSPA)

Для работы в системах спутниковой связи, радиолокационных системах и ряде других приложений необходимы сигналы значительной мощности. Как уже упоминалось, при работе в диапазоне СВЧ применяются повышающие ПрЧ с усилителями мощности на выходе, зачастую устанавливаемые в непосредственной близости от антенны. Эти устройства принято делить в соответствии с величиной выходной мощности на три группы: малой мощности — до 3 Вт; средней мощности — до 10 Вт и большой мощности — выходная РЧ-мощность превышает 10 Вт. Для их обозначения производители используют аббревиатуру SSPB (Solid State Power Block UpConverter) или более расширенную: BUC/SSPA. Заметим, что преобразователи данного класса отличаются большим разнообразием конструктивного исполнения (рис. 5). Основные сведения о наиболее активных производителях ПрЧПов приведены в табл. 3. Подавляющее число этих преобразователей содержат выходной УМ, т. е. относятся к классу SSPB.

Рис. 5.
а) Преобразователь SSPB модели ABD50X/ABD50XF мощностью 50 Вт X диапазона компании Actox;
б) выпускаемый компанией Agilis двухдиапазонный преобразователь SSPB серии ALB KU/KA для частот 13,75–14,8 ГГц (Ku-диапазон) и 29–31 ГГц (Ka-диапазон) мощностью 300 Вт

Преобразователи серии SSPBg‑210C, выпускаемые одним из наиболее активных производителей компонентов данного класса — компанией Advantech, представляют собой выполненные по нитрид-галлиевой (GaN) технологии преобразователи частоты «вверх» (BUC) наружного исполнения со встроенным усилителем мощности. Они предназначены для работы в C‑диапазоне и выпускаются в очень компактном корпусе (рис. 6).

Рис. 6. Очень компактный преобразователь GaN BUC/SSPA/SSPB C диапазона с выходной мощностью 16/20/25 Вт от компании Advantech

Усилители-преобразователи оснащены блоком питания, гетеродином с ФАПЧ (фазовой автоподстройкой частоты), смесителем, фильтром и системой охлаждения. В преобразователях используется защита от ухода параметров при изменении температуры и сбоя синхронизации гетеродина. Влагозащищенный корпус модели SSPBg‑210С эффективно отводит тепло за счет продуманной конструкции. Безаварийная работа достигается за счет высокого КПД блока питания и особой конструкции. Высокий КПД и низкое энергопотребление, малый вес и компактные размеры делают данные SSPB особенно привлекательными для использования в составе переносных спутниковых терминалов или для монтажа прямо на облучателе антенны.

Устройства имеют выходную мощность 16, 20 или 25 Вт и работают в диапазонах: стандартный CS: 5,85–6,425 ГГц, расширенный CX: 5,85–6,725 ГГц и нижний CRL: 5,725–6,525 ГГц. По информации компании, характеристики устройства превосходят требования стандарта IESS 308/309 по фазовому шуму более чем на 3 дБ.

Помимо наиболее популярных конфигураций SSPB — усилителей со встроенным преобразователем с повышением из L‑диапазона, компания Advantech разработала множество других решений. Производитель предлагает законченные системы для приема и передачи сигналов со встроенными преобразователями из ПЧ любых диапазонов в спутниковые частоты под разные задачи заказчиков.

Наибольшую выходную мощность в этом классе преобразователей имеет BUC/SSPB-модель ARMUg-X 7000 серии SapphireBlu, выпускаемая компанией Advantech (рис. 7). Преобразователь, выполненный по GaN-технологии для использования в Х‑диапазоне, имеет выходные рабочие частоты 7,9–8,4 ГГц; входная частота ПрЧ: 950–1450 МГц (L‑диапа-зон). Выполненное в одиночном стоечном варианте, это устройство обеспечивает выходную мощность 6,6 или 3,3 кВт при резервировании 1:1. В 2014 г. ассоциация World Teleport удостоила устройство диплома Teleport Tech-nology («Технология телепорта») и назвала его самым инновационным изделием 2013 г.

Рис. 7. Преобразователь BUC/SSPB модели ARMUg-X 7000 серии SapphireBlu от Advantech

Интересным решением на рынке СВЧ-преобразователей является блок-преобразователь с повышением (BUC) Ka-диапазона с интегрированным ПЧ-линеаризатором TSA‑214144. Производимый компанией Teledyne Microwave Solutions (TMS) компонент предназначен для создания преобразователей с мощными каскадами усиления на выходе. Выходные частоты тракта: 29–30 или 30–31 ГГц при использовании ПЧ в полосе 1–2 ГГц.

Для линеаризации тракта используется обратная связь по РЧ (рис. 8). Интерфейс RS‑422 также позволяет получать информацию о входной мощности для смесителя, внутренней температуре и синхронизации гетеродина (LO). Благодаря расширенным функциональным возможностям преобразователя компания имеет возможность предложить потребителям стандартный продукт, который работает с большинством современных систем спутниковой связи SATCOM. Конструктивно ПрЧ выполняется в модульном варианте с коаксиальными соединителями.

Рис. 8.
а) Блок-преобразователь с повышением (BUC) Ka-диапазона с интегрированным ПЧ-линеаризатором TSA 214144;
б) структура двухдиапазонного тракта передачи с его использованием

Из графиков, приведенных на рис. 9, видно, что даже несложная схемотехнически линеаризация позволяет увеличить диапазон линейной работы тракта усиления на частотах до 30 ГГц. Линеаризация тракта осуществлялась на частотах 29,25 и 75 ГГц.

Рис. 9. Пример улучшения линейности тракта передачи с линеаризатором TSA 214144 при использовании модуляции QPSK

Двунаправленные преобразователи частот (Up/Down Converters)

Подсистемы двунаправленного преобразования частот ДвПрЧ (Up/Down Converters), иногда называемые приемо-передающими модулями с переносом частоты, представляют собой объединенные в одном конструктивном элементе (корпусе) блоки полнодуплексного преобразования сигналов, в состав которых входят каналы с преобразователями с понижением и повышением частоты.

Научно-производственное предприятие «Салют» (Нижний Новгород) предлагает модули преобразователей частоты М55321, М55322 для диапазонов рабочих частот C, X, Ku. Приемо-передающие модули с переносом частоты, в состав которых входят прямой и обратный каналы преобразования частоты, имеют общий гетеродин (рис. 10). Рабочий диапазон перекрывается изделиями с 12 литерами. Все элементы модулей выполнены на герметичных основаниях, входы и выходы СВЧ-сигналов — розетка, тип IX, ГОСТ 20265-83. Диапазон рабочей температуры преобразователей составляет –60…+70 °C.

Рис. 10. Модули двунаправленных преобразователей частоты М55321, М55322, выпускаемые НПП «Салют»

Преобразователи имеют следующие основные характеристики:

• коэффициент передачи прямого канала при Рвх-равной –60 дБВт: не менее 29 дБ;
• коэффициент передачи обратного канала при Рвх-равной –50 дБВт: не менее 20 дБ;
• развязка между входом прямого канала и выходом обратного канала: не менее 45 дБ;
• развязка между входом обратного канала и выходом прямого канала: не менее 55 дБ;
• коэффициент шума прямого канала: не более 11 дБ;
• нестабильность частоты гетеродина, не более: долговременная: 5×10^–4; кратковременная: 10^–7;
• напряжение питания: 8,7–9,3 В при потребляемой мощности не более 4 Вт;
• масса: не более 300 г;
• габаритные размеры: 78×66×40 мм.

На рис. 11 представлены производимые компанией Narda SATCOM приемопередатчики и устройства двунаправленного преобразования частот серий 80000 и 85000 [8].

Рис. 11. Серия 80000 и 85000 преобразователей SATCOM компании Narda

Производимые компанией Narda преобразователи/приемопередатчики SATCOM серии 80000 предназначены для диапазонов Ku, X и Ka. Эти изделия используют конечную модульную технологию SMT IMA компании Narda для реализации компактных трансиверов высокой производительности. Компания предлагает три модели, охватывающие диапазоны X, Ku и Ka. Каждый приемопередатчик содержит блоки BDC и BUC, твердотельный УМ, микропроцессор и все необходимые функции управления.

Производимый компанией SATCOM преобразователь/приемопередатчик серии 85000 предназначен для диапазонов Ku, X и Ka. Три модели подсистемы двунаправленного преобразования частот, охватывающие диапазоны X, Ku и Ka, предлагаются для тех применений, в которых предпочтение отдается использованию внешнего усилителя мощности SSPA. Они содержат все компоненты серии 80000, кроме УМ, и выпускаются в корпусе меньшего размера и веса.

Заключение

В статье представлен обзор состояния и развития российского и зарубежного рынков преобразователей частот СВЧ-диапазона.

По данным поисковой системы everything RF, на рынке основных производителей преобразователей частот представлено более тысячи изделий разного назначения и конструктивного исполнения от 32 производителей. Основными производителями являются Miteq, Mini Circuits, SAGE Millimeter, MACOM, Marki Microwave, API Technologies, Analog Devices.

Наиболее высокочастотные преобразователи с верхними граничными частотами 35–45 ГГц в разных вариантах корпусирования предлагает целый ряд этих компаний-производителей. Компания Analog Devices выпускает ряд моделей преобразователей (HMC8119, HMC7587, HMC8119 и др.) с повышением и понижением для работы на частотах до 86 ГГц. И, наконец, отметим компанию SAGE Millimeter, которая выпускает ряд преобразователей разного назначения, конструктивного исполнения и топологии для диапазона 90–170 ГГц.

На отечественном рынке активно работает ОАО «ФНПЦ «ННИПИ «Кварц» им. А. П. Горшкова». Стробоскопические волноводные преобразователи мм-диапазона разработаны этой компанией для преобразования сигналов диапазона 26,5–170 ГГц в диапазон относительно низких промежуточных частот 0–1 ГГц. В этой связи можно упомянуть АО НПП «АМЭ», АО «Микро-ВИС», ООО «Радис», НПО «Салют».

В настоящее время компании-производители предлагают значительное количество преобразователей частоты разных диапазонов, выполняемых не только в интегральном и модульном вариантах, но и в волноводном исполнении. Таким образом, у потребителей имеется широкий выбор преобразователей для конкретных применений.

Заметим, что еще разнообразнее номенклатура смесителей частот, которые при необходимости можно использовать для реализации ПрЧ с уникальными характеристиками. На рынке в настоящее время представлены 2949 изделий от 72 производителей.