CC BY
244Анатолий СТОЯНОВ Валерий АСЕССОРОВ, д. т. н.
Владимир КОЖЕВНИКОВ, к. т. н.
Александр ГЛУХОВ Сергей ГРИЩЕНКО Игорь СЕМЕЙКИН, к. т. н.
vesta@vmail.ru
Модули ВЧ
усилителей мощности
Модули ВЧ усилителей мощности являются важной элементной базой современной аппаратуры связи. До недавнего времени на российском рынке присутствовали исключительно модули зарубежного производства.
В данной публикации Воронежское ФГУП «НИИ электронной техники» ^ ww .niiet.vrn.r ^ объявляет о результатах своих разработок модулей ВЧ усилителей мощности и приглашает отечественных производителей радиоэлектронной аппаратуры к сотрудничеству.
Современные системы связи, передачи данных, теле- и радиовещания представляют собой совокупность блоков цифровой обработки сигналов и аналоговых трактов формирования ВЧ сигнала. Наиболее сложной и дорогостоящей частью аналогового тракта является ВЧ усилитель мощности (УМ).
В настоящее время существует два подхода к созданию усилителей мощности: на дискретных компонентах или на готовых конструктивно и функционально законченных модулях. Модульный принцип компоновки радиоаппаратуры в наибольшей степени отвечает современным требованиям и представляется наиболее перспективным. Практика показывает, что использование модулей УМ уменьшает ошибки при проектировании аппаратуры, сокращает сроки ее разработки и подготовки производства. Наибольший эффект от использования модулей УМ как законченных электронных компонентов достигается в условиях серийного производства аппаратуры благодаря отсутствию необходимости выполнять регулировки, что снижает трудоемкость. Использование модулей снижает также затраты на техническое обслуживание и ремонт аппаратуры в процессе ее эксплуатации. Как правило, модули имеют меньшие габаритные размеры и вес по сравнению с узлами на дискретных компонентах, что является существенным преимуществом, особенно при создании портативной аппаратуры связи.
Неслучайно такие ведущие мировые компании, как Mitsubishi Electric, Freescale Semiconductors, Philips, Tyco Electronics M/A-COM, специализирующиеся на производстве ВЧ и СВЧ транзисторов, выпускают также и готовые модули усилителей мощности.
Одним из основных направлений деятельности ФГУП «НИИЭТ» является разработка и производство мощных СВЧ биполярных [1, 2, 3] иполевых транзисторов [4], атакже гибридных микросхем [5]. В последние годы предприятие активно развивает направление разработки и производства современных
модулей ВЧ УМ для средств радиосвязи. При этом изначально была поставлена задача разработки и производства модулей по техническим требованиям заказчиков — отечественных производителей аппаратуры связи, а не воспроизводство зарубежных аналогов и попытки конкурировать с их производителями. Дело в том, что некоторые диапазоны частот, используемые в РФ (например, ниже 50 МГц) не перекрываются рабочими частотами ВЧ модулей усилителей мощности зарубежного производства. Ситуация на рынке электронных компонентов резко изменилась в 2003 году, когда фирма Mitsubishi Electric, основной поставщик ВЧ модулей усилителей мощности на российском рынке, перешла на производство нового поколения модулей [6]. После этого появились новые «бреши» в частотных диапазонах, например, в диапазоне частот 175-210 МГц, 270-330 МГц и др., что и стимулировало в последние годы резкое увеличение количества заявок на разработку и поставку модулей усилителей мощности для применения на указанных выше частотах.
За последние 10 лет в ФГУП «НИИЭТ» было разработано более 50 типов модулей, потребителями которых стали отечественные производители аппаратуры связи — от малых предприятий до крупных серийных радиозаводов.
В таблице приведены данные на основные электрические параметры модулей ВЧ усилителей мощности и их конструктивное исполнение.
Представленные данные показывают, что разработанные модули ВЧ усилителей мощности закрывают типовые ряды по напряжению источников питания Ип = 7,5, 9,6, 12,5 и 28 В. Это означает, что они максимально оптимизированы для применения в портативной, носимой, возимой, бортовой и стационарной радиоэлектронной аппаратуре соответственно. Модули УМ с выходной мощностью до 5 Вт главным образом ориентированы на применение в носимых радиостанциях. Модули с выходной мощностью
более 10 Вт применяются в подвижных и стационарных средствах связи. Их коэффициент полезного действия составляет 40-50%. Только для широкополосных модулей не удается обеспечить КПД более 35%. Представленный номенклатурный ряд закрывает частотный диапазон от 33 до 470 МГц, но каждый конкретный тип модуля обеспечивает ширину полосы порядка 6-40 МГц.
В настоящее время все большее распространение получают широкополосные системы радиосвязи, а также системы связи с использованием шумоподобных сигналов. Поэтому производителей аппаратуры связи могут заинтересовать новые разработки широкополосных модулей усилителей мощности типа УМ30180-5 и УМ100400-60, а также модулей УМ с повышенными требованиями к линейности передаточной характеристики — УМ120-2Б и УМ121-4А (см. табл.). Линейность выходной характеристики таких модулей УМ оценивается по коэффициенту сжатия (компрессии) Ксж как отношение коэффициента усиления при номинальной мощности усилителя к мощности, при которой достигается максимальное усиление.
Схемотехнически модули усилителей мощности в зависимости от частотного диапазона и выходной мощности содержат от одного до трех каскадов усиления. У каждого модуля предусмотрен вывод, на который подают напряжение для управления мощностью выходного сигнала. Благодаря использованию данного вывода может быть организовано оперативное управление уровнем выходной мощности. Модули УМ согласованы по входу и выходу с линиями передачи с волновым сопротивлением 50 Ом, КСВН по входу не хуже 1,5 в полосе рабочих частот. Модули работают без самовозбуждения при КСВН нагрузки до 10 при всех фазовых углах и выдерживают режимы КЗ нагрузки и холостого хода в течение не менее 30 с. Неравномерность коэффициента усиления по мощности (Кур) в полосе рабочих частот не более +1 дБ. Диапазон рабочих темпера-
Корпус типа K~1
3. Питание
4. Выход
5. Шина нулевого потенциала
Корпус типа К -2 ____________67±1
® ©
®®
R1,8±0,2
ж-і а
ЖП g гм
с ß &0,Л С 17’5±1) 1 10+1 ¿,5±1
12,5±1 (15±1)
55±2
-л
1. Вход
2. Управление
3. Питание
4. Питание
5. Выход
6. Шина нулевого потенциала
Корпус типа К-1А
Корпус типа К -2Б
1. Вход 1«
2. Управление
3. Питание
4. Питание
5. Выход
6. Шина нулевого потенциала
1. Вход
2. Управление
3. Питание
4. Выход
5. Шина нулевого потенциала
Рисунок. Корпуса модулей ВЧ усилителей
Таблица. Технические характеристики модулей ВЧ УМ
№ Тип Кор- пус РВЫХ, Вт f, МГц РВХ, мВт Um В КПД, %
УМ101-1 К-1 2,5 44-46,5 5 9,6 45
УМ102-2 К-1 146-162 10 7,5 40
УМ102-2А К-1 158-174 10 7,5 40
УМ103-2 К-1 146-162 10 12,5 40
УМ103-2А К-1 158-174 10 12,5 40
УМ104-2 К-2 16 146-162 50 12,5 40
УМ104-2А К-2 16 158-174 50 12,5 40
УМ104-2Б К-2 16 146-174 50 12,5 40
УМ105-3 К-2 16 300-308 50 12,5 40
10 УМ105-3А К-2 16 335-345 50 12,5 40
11 УМ106-4 К-2 16 400-440 50 12,5 40
12 УМ106-4А К-2 16 440-470 50 12,5 40
13 УМ107-2 К-1 1,5 165-195 5 15 50
14 УМ108-2 К-2 10 146-162 20 12,5 40
15 УМ108-2А К-2 10 158-174 20 12,5 40
16 УМ109-1 К-1 44-46,5 5 9,6 45
17 УМ109-1А К-1 33-39 5 9,6 45
18 УМ109-1Б К-1 39-45 5 9,6 45
19 УМ109-1В К-1 45-51 5 9,6 45
20 УМ109-1Г К-1 51-57,5 5 9,6 45
21 УМ110-1А К-2 25 88-108 5 12,5 40
22 УМ110-1Б К-2 25 66-74 5 12,5 40
23 УМ111-1 К-2 16 118-130 50 12,5 40
24 УМ112-1А К-2А 10 88-108 5 12,5 40
25 УМ112-1Б К-2А 10 66-74 5 12,5 40
26 УМ113-1А К-2А 13 33-39 10 12,5 40
27 УМ113-1Б К-2А 13 39-45 10 12,5 40
28 УМ113-1В К-2А 13 45-51 10 12,5 40
29 УМ113-1Г К-2А 13 51-57,5 10 12,5 40
30 УМ114-2А К-2 30 146-162 50 12,5 40
31 УМ114-2Б К-2 30 158-174 50 12,5 40
32 УМ115-1А К-2А 25 33-35 5 12,5 50
33 УМ115-1Б К-2А 25 35-37 5 12,5 50
34 УМ115-1В К-2А 25 37-39 5 12,5 50
35 УМ115-1Г К-2А 25 39-41 5 12,5 50
36 УМ115-1Д К-2А 25 41-43 5 12,5 50
37 УМ115-1Е К-2А 25 43-45 5 12,5 50
38 УМ115-1Ж К-2А 25 45-47 5 12,5 50
39 УМ115-1З К-2А 25 47-49 5 12,5 50
40 УМ115-1И К-2А 25 56-58 5 12,5 50
41 УМ116-2 К-1А 1,5 165-195 2 6,0 45
42 УМ117-3 К-2Б 16 300-308 20 12,5 40
43 УМ118-2 К-2Б 16 146-174 20 12,5 40
44 УМ119-1 К-1 118-138 10 28 40
45 УМ119-2 К-1 230-250 10 28 40
46 УМ119-3 К-1 370-390 10 28 40
47 УМ120-2Б К-2Б 12 146-174 10 12,5 35
48 УМ121-4А К-1 1,5 400-450 1 12,5 35
49 УМ122-3 К-1 2,0 300-350 5 12,5 40
"50" УМ30180-5 К2-Б 5 30-180 5 12,5 35
"5Т УМ100400-60 * 60 100-400 10000 28 35
Примечание:
Усилители УМ117-3 и УМ118-2 — функциональные аналоги модулей RA13H3340M и RA13H1317M производства Mitsubishi Electric.
* — корпус находится в разработке
тур от -40 до +85 °С, однако по требованию заказчика может быть расширен до диапазона от -60 до +125 °С.
Разработанные ФГУП «НИИЭТ» модули, как и большинство зарубежных, собраны в металлополимерных корпусах с однорядным расположением выводов. Используются две базовые конструкции корпусов: К-1 и К-2, отличающиеся габаритными размерами (рисунок). Корпуса с различным количеством и расположением выводов имеют соответствующие буквенные индексы, например К-1А, К-2Б. Корпус К-2А отличается от корпуса К-2 отсутствием вывода «3». Шаг выводов корпусов кратен 2,5 мм.
Конструктивно модули состоят из металлического основания — фланца, диэлектрической подложки с металлической разводкой
и смонтированных на ней электронных ком-
понентов, в том числе нескольких (по числу
каскадов усиления) мощных ВЧ транзисторов, проволочных внешних электрических
выводов и пластмассовой крышки, на которой нанесена маркировка. Фланец из никелированной меди с крепежными отверстиями
служит одновременно механическим основа-
нием, теплоотводящим элементом и общей земляной шиной. Подложкой служит стекло-
текстолитовая печатная плата, на которой ме-
тодом поверхностного монтажа установлены пассивные компоненты, а мощные транзисторы смонтированы непосредственно на теплоотводе — фланце. Исследования показали, что стеклотекстолитовая подложка модуля гораздо более устойчива к механическим нагрузкам, чем керамическая, которая, как правило, используется в зарубежных модулях.
В модулях УМ в качестве активных компонентов используются кремниевые биполярные или полевые ^-М08, LDMOS) мощные ВЧ транзисторы собственного или зарубежного производства. Транзисторы собственного производства имеют малогабарит-
ное исполнение на кристаллодержателе из бе-риллиевой керамики. Данные транзисторы собраны с использованием гибкого ленточного носителя в качестве внутренних и внешних выводов. Присоединение ленточных выводов транзисторов к печатной плате УМ осуществляется пайкой, а не сваркой, как в зарубежных модулях. Метод пайки обеспечивает более прочные и надежные соединения, а стабильность геометрических размеров и формы выводов позволяет получать и стабильные динамические характеристики транзисторов. Электронные компоненты, размещенные на печатной плате, защищены лаковым покрытием. Для механической защиты компонентов на плате и защиты от проникновения в корпус модуля влаги используется пластмассовая крышка. Места соединения крышки с фланцем, печатной платой и выводами залиты герметизирующим компаундом. Требования по герметичности соответствуют степени защиты IP68 по ГОСТ 14254-96.
При разработке модулей УМ применяются современные системы автоматического проектирования Microwave Office, T-CAD, P-CAD 2000. Применение современного аппаратно-программного комплекса позволяет
сократить до минимума время проектирования усилителей мощности. Тесное взаимодействие разработчиков транзисторов, схемотехников и технологов в рамках единого конструкторско-технологического подразделения позволяет не только быстро разрабатывать новые типы модулей, но и быстро организовывать их серийное производство. Время от получения технических требований заказчика до выпуска опытных образцов составляет 1-2 недели, а до выпуска серийных образцов — не более 2 месяцев, при этом этап разработки модулей заказчиком не оплачивается.
Производственная мощность технологической линии ФГУП «НИИЭТ» в настоящее время составляет порядка 10 тыс. модулей в год. Однако при необходимости объем выпуска модулей может быть увеличен. ■
Литература
1. Асессоров В. В., Кожевников В. А., Дикарев В. И., Асессоров А. В. Мощные СВЧ транзисторы для связной радиоаппаратуры // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 1999.
2. Кожевников В. А., Асессоров В. В., Асессоров А. В., Дикарев В. И. Мощные низковольтные СВЧ транзисторы для подвижных средств связи // Радио. 1999. № 10, 11.
3. Асессоров В. В., Кожевников В. А., Косой А. Я. Тенденция развития мощных СВЧ транзисторов // Радио. 1994. № 6.
4. Асессоров В., Кожевников В., Дикарев В., Цоцорин А. Мощные ВЧ и СВЧ полевые транзисторы для аппаратуры средств радиосвязи // Компоненты и технологии. 2006. № 5.
5. Асессоров В. В., Кожевников В. А., Асеев Ю. Н., Гаганов В. В. Модули ВЧ усилителей мощности для портативных средств связи // Электросвязь. 1997. № 7.
6. Хабаров А. Модульные ВЧ усилители мощности производства М^иЫзЫ // Электронные компоненты. 2006. № 2.
