Широкополосный усилитель для диапазона 2–4 ГГц с выходной мощностью 35 Вт

№ 1’2017
PDF версия
В статье обобщаются результаты разработки и измерения параметров универсального широкополосного усилительного модуля диапазона 2–4 ГГц с выходной мощностью 35–50 Вт в режиме усиления непрерывных колебаний при коэффициенте усиления 45 дБ. Применение GaN-транзисторов позволило в полтора–два раза улучшить все основные параметры усилителя по сравнению с характеристиками выпускавшегося ранее аналогичного прибора на GaAs транзисторах.

Введение

Освоение промышленного выпуска высоконадежных коммерчески доступных GaN-транзисторов позволило значительно улучшить комплекс параметров широкополосных усилителей мощности при уменьшении технической сложности и себестоимости изделий. В статье рассматривается разработанный авторами современный усилитель мощности диапазона 2–4 ГГц с выходной мощностью более 35 Вт в непрерывном режиме и приводится сравнение его параметров с параметрами разработанного ранее и серийно выпускаемого усилителя на основе GaAs-транзисторов.

 

Схема и конструкция усилителя

На рис. 1 показана структурная схема разработанного усилителя (УТМ35). Входной сигнал подается на цифровой управляемый пятиразрядный дискретный аттенюатор с минимальным разрядом 0,5 дБ.  Аттенюатор управляется от аппаратуры потребителя по параллельному ТТЛ/КМОП-интерфейсу. Аттенюатор может использоваться для управления коэффициентом усиления модуля, калибровки тракта передатчика или иных целей, необходимых пользователю.

Структурная схема усилителя мощности УТМ35

Рис. 1. Структурная схема усилителя мощности УТМ35

Далее сигнал усиливается двухкаскадным предварительным усилителем на интегральных схемах, между которыми включен толстопленочный термозависимый аттенюатор серии TVA, выпускаемый фирмой EMC-RF Labs. Вносимое затухание этого аттенюатора уменьшается с ростом температуры конструкции, обеспечивая частичную компенсацию температурного дрейфа коэффициента усиления усилительного тракта. Далее сигнал усиливается однокаскадным усилителем на GaAs полевом транзисторе с длиной и шириной затвора 0,5 и 2400 мкм соответственно, и подается на гибридно-интегральный усилительный модуль М2450Б, разработанный авторами для применения в качестве базового элемента мощных усилителей диапазона 2–4 ГГц нового поколения (выходной и предвыходной каскады).

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 26 В. В качестве квадратурных мостов применены свернутые 3‑дБ направленные ответвители [1].

Для контроля выходной мощности и калибровки тракта передатчика на выходе усилителя установлен направленный детектор, обеспечивающий уровень выходного напряжения 0,6–1,2 В при выходной мощности усилителя 35 Вт. Фронт и спад видеосигнала на нагрузке 1 кОм, подключенной к выходу детектора, не превышают 0,5 мкс.

Конструкция СВЧ-части усилителя показана на рис. 2. Описанные выше функциональные устройства реализованы в виде трех гибридно-интегральных узлов, установленных в отдельных экранированных отсеках алюминиевого корпуса и закрепленных винтами. Напряжения управления и питания подаются в СВЧ-отсек через герметичные вводы и фильтры помех.

Общий вид СВЧ-отсека усилителя

Рис. 2. Общий вид СВЧ-отсека усилителя

В отдельном отсеке корпуса (на рис. 2 не показан) размещены устройства питания и управления, необходимые для работы усилителя. К ним относятся (рис. 1):

  •  линейный стабилизатор силового питания GaN-транзисторов выходного каскада (26 В), защищающий усилитель от перепадов, нестабильностей и помех источника питания;
  •  импульсные неизолированные преобразователи напряжения, формирующие напряжения питания для усилительных каскадов на GaAs-транзисторах (7 В) и необходимые напряжения смещения (–6 и –3 В);
  •  модуляторы питания, управляемые высокоскоростным драйвером, которые используются для быстрого (фронт импульса 0,2 мкс; задержка импульса 0,3 мкс) включения и выключения силового питания СВЧ-транзисторов при использовании усилителя в импульсном режиме или бланкирования передатчика в режиме приема аппаратуры, при этом коэффициент передачи усилителя уменьшается на 80 дБ.

Общий вид разработанного усилителя показан на рис. 3. Там же для сравнения габаритов показан аналогичный усилитель мощности РМ24‑С8, более 10 лет выпускаемый АО «Микроволновые системы» и построенный на основе GaAs-транзисторов в выходном каскаде.

Сравнение габаритов усилителей на транзисторах GaN (вверху) и GaAs (внизу)

Рис. 3. Сравнение габаритов усилителей на транзисторах GaN (вверху) и GaAs (внизу)

 

Параметры усилителя

Одним из важных для аппаратуры параметров является «аппаратурный КПД» — отношение минимально гарантированной выходной мощности усилителя к максимально гарантированной мощности потребления в рабочем диапазоне частот, температур и динамическом диапазоне входных сигналов. В отличие от классического определения электронного КПД, который определяется на каждой частоте, температуре и входной мощности, «аппаратурный КПД» является интегральной оценкой, включающей много параметров и свойств усилителя (частотная неравномерность выходной мощности, рост тока при перегрузке входным сигналом и др.). Для широкополосных приборов эти два определения КПД могут существенно расходиться. Усилитель с лучшим электронным КПД может обладать худшим «аппаратурным КПД», и наоборот.

Основные параметры разработанного усилителя УТМ35, важные для его применения в аппаратуре, приведены в таблице.Там же, для сравнения, приведены аналогичные параметры серийного усилителя РМ24‑С8. Для обоих приборов характеристики взяты из технических условий и соответствуют гарантированным границам. Видно, что по всем основным показателям новый усилитель, построенный на GaN-транзисторах, опережает аналог, построенный на GaAs-транзисторах, в полтора–два раза.

Таблица. Сравнение параметров усилителей УТМ35 и РМ24-С8

Параметры

УТМ35

РМ24-С8

Максимальная мощность потребления, Вт

162

161,5

Минимальная выходная мощность в режиме насыщения, Вт

35

20

Электронный КПД в режиме насыщения, %

30–40

15–18

Аппаратурный КПД в режиме насыщения, %

21,6

12,4

Типовая мощность рассеяния в режиме насыщения, Вт

110

130

Объем корпуса, см3

203

372

Масса, кг

0,6

0,89

Себестоимость производства, тыс. руб.

182

278

В части параметров линейного режима — коэффициента усиления (43–47 дБ), неравномерности АЧХ (3 дБ), температурного дрейфа усиления (4 дБ), КСВН входа и выхода (менее 2,0) — усилители практически идентичны.

 

Заключение

Разработан широкополосный усилитель на GaN-транзисторах, в котором в октавной полосе частот реализован электронный КПД 30–40% и «аппаратурный КПД» более 21%, что вдвое превышает аналогичные показатели, достигнутые для усилительных модулей близкой мощности на GaAs-транзисторах.

Усилитель имеет необходимые для эксплуатации в аппаратуре сервисные функции, а именно: однополярное питание от сети 27 В; цифровое пятиразрядное управление коэффициентом усиления; встроенный быстродействующий (0,5 мкс) модулятор силового питания; схему термокомпенсации коэффициента усиления, детектор огибающей выходного сигнала. Благодаря существенному упрощению конструкции СВЧ-тракта, себестоимость производства прибора существенно уменьшилась.

Литература
  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.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.