Redirect= Усилитель СВЧ-мощности диапазона 5–18 ГГц

Усилитель СВЧ-мощности диапазона 5–18 ГГц с выходной мощностью более 10 Вт

№ 1’2019
PDF версия
В статье описана конструкция и приведены характеристики сверхширокополосного твердотельного усилителя СВЧ-мощности на основе современных монолитных интегральных схем, обеспечивающего в рабочем диапазоне частот 5–18 ГГц выходную мощность более 12–16 Вт и КПД 17–24%.

Необходимость уменьшения массогабаритных характеристик, снижения потребляемой мощности широкополосных радиопередающих устройств вынуждает разработчиков модулей СВЧ обращаться к применению в выходных каскадах усилителей мощности современных интегральных компонентов на основе технологии нитрида галлия [1]. Такой вариант значительно упрощает конструкцию усилителя по сравнению с решениями на основе дискретных GaAs-транзисторов [2] при одновременном улучшении основных параметров усилителя.

 

Конструкция усилителя

На рис. 1 показана структурная схема разработанного усилителя мощности.

Структурная схема усилителя

Рис. 1. Структурная схема усилителя

Она содержит:

  • входной малошумящий усилительный каскад (МШУ);
  • цифровой пятиразрядный аттенюатор (АТ);
  • цепь управления уровнем усиления входного МШУ для плавной компенсации температурного дрейфа коэффициента усиления в диапазоне температур –40…+75 °C;
  • предварительный усилитель мощности, корректор АЧХ и ФЧХ усилительного тракта (ПУМ);
  • делитель и сумматор (Д518 и С518);
  • два интегральных усилительных модуля, выполненных в металлокерамическом корпусе, которые содержат входной балансный монолитный GaAs-усилительный каскад собственной разработки, коммерчески доступный GaN-монолитный усилитель с распределенным усилением (УРУ) с выходной мощностью 7–10 Вт и направленный детектор выходной мощности;
  • стабилизаторы питания, быстродействующий модулятор питания; буферные ТТЛ-логические элементы управления цифровым аттенюатором, схему управления аттенюатором термокомпенсации, датчик температуры, устройство защиты (устройство питания и управления).

На рис. 2 представлена фотография внутренней конструкции разработанного усилителя, а на рис. 3 — его внешний вид. Корпус усилителя герметичный, элементы устройства питания и управления размещены с нижней стороны корпуса. Габаритные размеры усилителя составляют 64,2×117×20 мм, масса 300 г.

Конструкция усилителя

Рис. 2. Конструкция усилителя

Внешний вид усилителя УМ1710Б

Рис. 3. Внешний вид усилителя УМ1710Б

На рис. 4 дана фотография выходного интегрального усилительного модуля М04С, который выполнен в герметичном металлокерамическом микрокорпусе и разработан совместно с компанией Kyocera [3]. Габаритные размеры корпуса составляют 10,8×26×2,6 мм, а масса менее 5 г.

Конструкция интегрального усилительного модуля

Рис. 4. Конструкция интегрального усилительного модуля

Модуль обеспечивает в полосе рабочих частот 5–18 ГГц выходную мощность более 7 Вт при КПД 21–27%, малосигнальное усиление 18–20 дБ и КСВН входа и выхода не более 1,8. Были проведены испытания трех вариантов построения данного модуля:

  1. GaAs-микросхема МС120 собственной разработки и выходной УРУ GaN (как показано на рис. 4).
  2. 2‑Вт GaAs-микросхема УБВ и выходной УРУ GaN.
  3. 2‑Вт GaN-микросхема УБВ и выходной УРУ GaN.

Исследования показали преимущество первого варианта построения. На рис. 5 изображен график КПД по добавленной мощности всех трех вариантов, из которого видно, что вариант с микросхемой МС120 не имеет провала по КПД в районе 13 ГГц, а также в среднем КПД выше на 2–3%. Модуль М04 С может применяться отдельно как самостоятельное изделие, например, в многоканальных усилительных трактах.

КПД по добавленной мощности трех вариантов исполнения модуля М03С

Рис. 5. КПД по добавленной мощности трех вариантов исполнения модуля М03С

Для суммирования мощностей двух интегральных модулей разработан квадратурный сумматор с тремя областями связи (общий вид показан на рис. 2). Расчетные параметры сумматора приведены на рис. 6.

Расчетные параметры квадратурного сумматора, примененные в разработанном усилителе

Рис. 6. Расчетные параметры квадратурного сумматора, примененные в разработанном усилителе

Сильную связь обеспечивает центральная секция в виде моста Ланге с зазором между проводниками 13 мкм, а слабую связь создают широкие подводящие линии. Такая конструкция позволяет эффективно использовать его длину и увеличить широкополосность за счет применения областей с разным коэффициентом связи.

 

Основные характеристики усилителя

На рис. 7–9 приведены типовые характеристики пяти образцов разработанного усилителя мощности. Коэффициент передачи в малосигнальном режиме составляет 44–48 дБ при неравномерности около 3 дБ (рис. 7), КСВН входа и выхода усилителя не более 2,5.

Малосигнальный коэффициент усиления серии усилителей (НКУ)

Рис. 7. Малосигнальный коэффициент усиления серии усилителей (НКУ)

Усилитель содержит цепь управления уровнем усиления для плавной компенсации температурного дрейфа коэффициента усиления в диапазоне температур –40…+75 °C, которая обеспечивает дрейф амплитудно-частотной характеристики не более чем на 2 дБ.

Токи потребления по цепям питания и КПД усилителя представлены на рис. 8. В нормальных климатических условиях (НКУ) КПД составляет 17–24%, а при росте температуры до +75 °C не падает ниже 15%.

Токи потребления по цепям питания в режиме насыщения (НКУ)

Рис. 8. Токи потребления по цепям питания в режиме насыщения (НКУ)

Усилитель обеспечивает выходную мощность 12–16 Вт (рис. 9) при входной мощности 2 мВт (компрессия усиления около 7 дБ) при эффективном охлаждении корпуса. В диапазоне температур –40…+75 °C усилитель поддерживает выходную мощность более 10 Вт.

Типовая номинальная выходная мощность (при Рвх = 2 мВт) в НКУ (сплошные линии) и при температуре +75 °С на корпусе

Рис. 9. Типовая номинальная выходная мощность (при Рвх = 2 мВт) в НКУ (сплошные линии) и при температуре +75 °С на корпусе

 

Заключение

В работе приведены результаты разработки усилителя с выходной мощностью не менее 10 Вт, действующего в диапазоне частот 5–18 ГГц, который может применяться в качестве оконечного усилителя мощности в АФАР непрерывного режима. По удельным параметрам (масса на единицу выходной мощности, аппаратурный КПД [1], стоимость ватта выходной мощности) он имеет на 30–45% лучшие показатели, чем разработанный ранее GaAs-усилитель сравнимой полосы частот [2].

Литература
  1. Кищинский А. А. Сверхширокополосные твердотельные усилители мощности СВЧ-диапазона: схемотехника, конструкции, технологии. Электроника и микроэлектроника СВЧ. Сборник статей VII Всероссийской конференции. СПб., Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2018.
  2. Радченко А. В. Сверхширокополосный транзисторный усилитель диапазона 6–18 ГГц с выходной мощностью 6 Вт. Материалы 21‑й Международной Крымской конференции «CВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2011.
  3. Маркинов Е. Г., Радченко А. В. Сверхшироко­полосные интегральные усилители мощности в корпусах поверхностного монтажа. Материалы 26‑й Международной Крымской конференции «CВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2016.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *