CC BY
138
РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
УДК 621.375.4 DOI: https://doi.org/10.34680/2076-8052.2020.2(118).72-75
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ СВЧ-УСИЛИТЕЛЕЙ А.С.Ивлев, С.С.Покотилов PROSPECTS FOR THE DEVELOPMENT OF MICROWAVE AMPLIFIERS
A.S.Ivliev, S.S.Pokotilov
Саратовский государственный технический университет имени Ю.А.Гагарина, ivlev_sgtu@bk.ru
Анализируются преимущества и недостатки СВЧ-приборов для создания СВЧ-усилителей. Рассматриваются лучевые приборы (ЛБВ, клистрон), приборы М-типа, СВЧ-транзисторы. Распространение летательных аппаратов, увеличение скорости их перемещения предъявляют на сегодняшний день новые требования к радиолокационным системам. Для решения задач сопровождения, управления, обнаружения таких летательных аппаратов необходимо применять сложные сигналы, а именно сигналы с линейной частотной модуляцией, фазоманипулированные сигналы, что накладывает особые требования на применяемые СВЧ-усилители в передающей аппаратуре. Использование таких сигналов приводит к необходимости существенного увеличения средней мощности и энергии в импульсе за счет увеличения мощности и длительности импульса передающей аппаратуры. Таким образом, задача по увеличению средней мощности при обеспечении широкой полосы частот и фазовой стабильности является актуальной. Вместе с тем актуальной задачей становится увеличение КПД. В статье приведен анализ имеющихся на сегодняшний день СВЧ-приборов для радиолокационных станций, рассмотрен вариант создания усилителей с двумя СВЧ-устройствами.
Ключевые слова: радиолокационная станция, амплитрон, лампа бегущей волны, транзистор, СВЧ-устройства
This article discusses the advantages and disadvantages of microwave devices for creating microwave amplifiers. Beam devices (LBV, klystron), m-type devices, microwave transistors are considered. The multiple increase in aircraft, the increase in the speed of their movement makes today new requirements for radar systems. To solve the problems of tracking, control, detection of such aircraft, it is necessary to use complex signals, namely signals with linear frequency modulation, phase-manipulated signals, which imposes special requirements on the microwave amplifiers used in the transmitting equipment. The use of such signals leads to the need for a significant increase in the average power and energy in the pulse by increasing the power and pulse duration of the transmitting equipment. Thus, the task of increasing the average power while ensuring a wide frequency band and phase stability is relevant. Along with the increase in power, the actual task is to increase efficiency. The publication provides an analysis of the currently available microwave devices for radar stations, considered the option of creating amplifiers with two microwave devices. Keywords: radar station, amplitron, traveling wave lamp, transistor, microwave devices
Введение
СВЧ-электроника сегодня является одним из основных векторов развития всей индустрии электроники. Это глобальный тренд, охватывающий все возможные области электроники — от технологий производства материалов, приборных структур, электронных компонентов до радиоэлектронной аппаратуры, конечных изделий, а также систем и комплексов на их основе [1].
Важную роль передающие устройства СВЧ играют в развитии космической техники. С помощью телеметрических систем со спутников и космических кораблей передают на Землю информацию об интересующих параметрах, телевизионные сигналы и т.д.
Одно из важных мест среди всех типов СВЧ-приборов принадлежит электровакуумным приборам благодаря их высоким техническим и экономическим характеристикам. Представителями вакуумных приборов СВЧ являются лампа бегущей волны (ЛБВ), клистрон, магнетрон, гиротрон, усилители М-типа и др [2,3].
Чтобы применение СВЧ-энергии было экономически оправдано, необходимо выбирать такие СВЧ-приборы, которые имели бы в сочетании следующие характеристики: высокий КПД преобразования энергии промышленной частоты в СВЧ-энергию (не менее 50%, а лучше 70-90%); высокий уровень выходной мощности в непрерывном режиме (около 1 кВт и более); простые и дешевые источники питания (желательно питать СВЧ-прибор, непосредственно подключая его к вторичной обмотке силового трансформатора промышленной электросети без выпрямителей и фильтров); простота конструкции, надежность, большой срок службы (не менее 2-5 тысяч часов); возможность эффективной работы при переменной нагрузке.
Рассмотрим, применение какой элементной базы позволяет наиболее эффективно решать эти задачи.
СВЧ усилитель на твердотельной элементной базе
В настоящее время в СВЧ-технике наибольшее распространение получили транзисторные усилители на биполярных и полевых СВЧ транзисторах.
Основные преимущества, которые позволили транзисторам заменить своих предшественников (вакуумные лампы) в большинстве электронных устройств [4]:
— малые размеры и небольшой вес, что способствует развитию миниатюрных электронных устройств;
— высокая степень автоматизации и групповой характер многих этапов технологического процесса изготовления, что ведёт к снижению удельной стоимости;
— низкие рабочие напряжения, что позволяет использовать транзисторы в небольших, с питанием от малогабаритных электрохимических источников тока, электронных устройствах;
— не требуется дополнительного времени на разогрев катода после включения устройства, что позволяет моментально включаться прибору;
— высокая надёжность и большая физическая прочность;
— продолжительный срок службы — некоторые транзисторные устройства находились в эксплуатации более 50 лет.
При всех положительных качествах транзисторов они имеют и свои недостатки, а именно ограничения по мощности, связанные с тем, что на одном современном транзисторе в сантиметровом диапазоне длин волн можно получить мощность не более 200— 300 Вт (импульсную) при коэффициенте заполнения 10. Также недостатком транзисторов является ограничение по рабочим температурам. Средняя мощность с увеличением температуры уменьшается [5].
Для получения большей мощности приходится использовать несколько транзисторов, что отражается на надежности устройства. Увеличение транзисторов в схеме также приводит к увеличению стоимости, габаритов такого каскада, и возникает проблема их согласования в схеме.
Современные транзисторы работают в качестве усилителей радиочастоты (биполярные — до 10 ГГц, полевые — до 30 ГГц) и обеспечивают усиление 7— 20 дБ при коэффициенте шума 1,5—3.
Для получения мощности с транзисторов порядка 2,5-3 кВт необходимо включить параллельно 16 транзисторов мощностью 300 Вт и коэффициентом усиления 10 дБ (см. рис.).
Стоимость комплектующих для изготовления такого усилительного устройства превысит 3-3,5 млн руб. При этом оно будет иметь очень большие габариты, что накладывает ограничение на его применение.
Создание мощного усилителя с применением большого количества транзисторов приводит к применению дополнительных схемотехнических мер подавления отраженных волн. При согласовании в широкой полосе частот невозможно получить низкий уровень отраженной от входа транзистора волны с использованием реактивных согласующих цепей, поэтому применяют схемные «излишества» в виде циркуляторов или ферритовых вентилей, уменьшающих усиление каскада, а также дополнительные обратные связи, ухудшающие усиление, выходную мощность и КПД [7].
На основе вышеизложенного можно сделать вывод, что коэффициент полезного действия такого усилителя не превысит 15-20%.
СВЧ-усилитель на базе лучевых приборов
Основными лучевыми СВЧ-приборами являются ЛБВ и клистроны.
Импульсные ЛБВ работают на разных частотах в разных диапазонах. Они способны обеспечивать нужную мощность и стабильную работу прибора в широкой полосе частот. Такие приборы имеют высокий коэффициент усиления в пределах 30-50 дБ [8].
Одним из главных параметров ЛБВ является его устойчивость.
Схема усилительного каскада на базе транзисторов [6]. Тр1 — транзисторы мощностью 300 Вт; Тр2 — транзисторы мощностью 80 Вт; Тр3 — транзисторы мощностью 20 Вт; черные точки — тройники с потерями 0,5 дБ
Любой усилитель может стать неустойчивым, превратится в генератор. Вместо усиления сигнала, имеющего заданные параметры (частоту, спектр и пр.), он начинает воспроизводить свой сигнал со своей собственной частотой и совершенно другими параметрами. Усиление основного сигнала, поступающего на вход усилителя, при этом прекращается.
Причиной усилителя воспроизводить собственный сигнал является наличие обратной связи. Часть сигнала с выхода усилителя попадает на его вход, и усилитель начинает усиливать его вместо входного сигнала. Та частота, на которой условия самовозбуждения численно выполняются в наибольшей мере, является частотой самовозбуждения. При наличии обратной связи характеристики усилителя ухудшаются задолго до порога самовозбуждения. Коэффициент усиления на одних частотах растет, а на других падает. Чем выше коэффициент усиления усилителя, тем опаснее обратная связь.
Цепью связи, по которой сигнал с выхода двигается на вход усилителя, в ЛБВ является сама замедляющая система. На ее концах всегда будут происходить отражения сигнала. Чтобы этого не происходило, необходимо ее идеально согласовать с участками цепи, но сделать это не представляется возможным в силу сложности конструкции на входе и выходе усилителя.
Отсюда следует вывод, что главным препятствием к получению высоких коэффициентов усиления в ЛБВ является ее неустойчивость. Для разрыва обратной связи вводится поглотитель или создаются секционные замедляющие системы. Но такие способы имеют свои недостатки, а именно при введении поглотителя осуществляется ослабление не только отраженной волны, но и усиливаемой. При секционировании возникает вопрос о возможности усиления основного сигнала из-за наличия разрыва в замедляющей системе. Все это приводит к усложнению создания конструкции ЛБВ и к увеличению габаритов прибора.
Применение ЛБВ как мощного широкополосного прибора в системах связи имеет ряд недостатков по сравнению с другими приборами СВЧ. Лампа бегущей волны представляет собой диод, имеющий отрицательный потенциал на катоде и положительный на аноде.
Во-первых, в таких приборах необходимо получить электронный поток с катода за счет термоэмиссии. Следовательно, в таких приборах есть катодный узел пушки. Это дополнительно 2 электрода в схеме — накальный электрод и фокусирующий электрод.
Для большинства электродов в приборах ЛБВ необходим дополнительный источник питания, что делает такую систему весьма большой и сложной. Из-за таких дополнительных электронных устройств цена всей системы, построенной на ЛБВ, уступает ряду других СВЧ-приборов. Такие приборы разумно использовать во входных каскадах, не требующих большой мощности.
Помимо большого анодного напряжения к недостатку ЛБВ следует отнести низкий коэффициент
полезного действия, вследствие того, что в таких лампах используют условие синхронизма. Получение высокого КПД предполагает торможение электронного потока до малой, почти нулевой скорости, отбор от него большей части кинетической энергии, полученной в области пушки. Сделать это в ЛБВ не представляется возможным.
СВЧ-усилитель на базе приборов М-типа
Выбор СВЧ-прибора следует производить исходя из его соответствия условиям работы. Очень часто при выборе наиболее подходящего типа прибора какое-либо одно требование, предъявляемое системой, в которой будет работать усилитель, является основным, и все остальные соображения во внимание не принимаются. Усилитель М-типа характеризуется низкими или умеренными значениями коэффициента усиления, умеренными значениями полосы пропускания, высоким КПД, рабочим режимом в области насыщения, малыми габаритами и весом и высоким первеансом. Улучшение какой-либо из перечисленных характеристик прибора неизменно влечет за собой ухудшение другой, что нарушает соответствие требованиям по общей совокупности параметров. Поэтому применение усилителей М-типа дает наиболее успешные результаты в тех случаях, когда их свойства в полной мере отвечают назначению системы [9].
С позиций применения усилитель М-типа следовало бы рассматривать как дополнение к другим классам приборов, а не как их замену. Наиболее широкое применение он находит в оконченных каскадах когерентных усилительных цепочек, где требуются высокие КПД и разнообразие рабочих режимов. В предконечных каскадах, имеющих более низкий уровень мощности, лучше использовать приборы пониженных мощностей с более высокими коэффициентами усиления, например приборы с линейным пучком.
Заключение
Выбор конкретного типа усилителей со скрещенными полями производится исходя из аналогичных соображений. Некоторые из них обладают характерными особенностями, каждая из которых может оказаться решающей при окончательном выборе. Усилитель с инжектированным потоком более пригоден для работы при низкой импульсной мощности и широкой полосе. В режиме высокой импульсной и средней мощности при средних значениях полосы, например в импульсных РЛС, предпочтительнее применять усилитель с эмиттирующим отрицательным электродом [10].
До настоящего времени комплексированные устройства СВЧ преимущественно создавались на базе электровакуумных приборов в связи с малыми мощностями твердотельных устройств. Появление новых мощных СВЧ-транзисторов позволило по-новому взглянуть на проектирование комплексиро-ванных СВЧ-устройств и использовать полупроводниковую элементную базу в качестве предусилителя.
Широко применялись «гибридные» устройства на основе ЛБВ и усилителя М-типа. Эти приборы
хорошо дополняют друг друга. У приборов М-типа очень высокий КПД, а ЛБВ имеют большой коэффициент усиления, все это при большой полосе рабочих частот у обоих приборов. Таким образом, можно получить комплексированное устройство из двух вакуумных ламп с высокими параметрами.
С применением твердотельных предусилите-лей возможно получить более компактное комплек-сированное устройство с мгновенным включением, так как ЛБВ необходимо разогреться и прогреть катод (катодную пушку), а приборы М-типа могут включаться без предварительного разогрева катода.
Все электровакуумные приборы имеют свои недостатки, однако на фоне остальных амплитрон, имея преимущества по КПД, мощности, широкой полосы рабочих частот, обладает однимн существенным недостатком — коэффициентом усиления. Этот недостаток сегодня легко устраняется за счет применения в совокупности с амплитроном твердотельного предуси-лителя. Также большой коэффициент усиления имеют ЛБВ и клистроны, но они уступают транзисторам в компактности, на них надо подавать свое высокое напряжение, а это дополнительный источник питания.
Таким образом, наиболее перспективным направлением по созданию эффективных СВЧ-усилителей для современных РЛС является создание твердотельно-вакуумных усилителей на базе мощных СВЧ-транзисторов и приборов М-типа, которые позволяют в сантиметровом диапазоне длин волн в одном усилителе сочетать коэффициент усиления 30-40 дБ, КПД 35-40%, ширину рабочей полосы частот до 10-12%, скважность следования импульсов 510 при длительности импульса свыше 100 мкс и выходную импульсную мощность свыше 1кВт.
1. Белоус А.И., Мерданов М.К., Шведов С.В. СВЧ-электроника в системах адиолокации и связи. Техническая энциклопедия. В 2-х кн. Кн.2. М.а: Техносфера, 2016. 728 с.
2. Викулов И. Гетерогенная интеграция — новый этап развития интегральной СВЧ-электроники// Электроника: Наука, технология, бизнес. 2016. №1 (151). С.104-113.
3. Ворожцов А.Л. Развитие отечественной технологии производства электронных компонентов СВЧ диапазона // Россия молодая: передовые технологии — в промышленность! 2019. №1. С. 117-120.
4. Kistchinsky A. Ultra-wideband GaN power amplifiers - from Innovative technology to standard products // Ultra Wideband Communications: Novel Trends — System, Architecture and Implementation. InTech Open, 2011. P.213-232.
5. Pengelly R.S. et al. A review of GaN on SiC high electron-mobility power transistors and MMICs // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques., 2012 Vol.60, Issue 6. P.1764-1783.
6. Кищинский А.А. Твердотельные СВЧ-усилители мощности на нитриде галлия - состояние и перспективы развития // Мат. 19-й Крымской междунар. конф. «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии». Севастополь, Вебер, 2009. С.12-16.
7. Маркинов Е.Г., Радченко А.В. Сверхширокополосный усилитель диапазона 2-8 ГГц с выходной мощностью 14
Вт // Мат. 23-й Крымской междунар. конф. «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии». Севастополь, Вебер, 2013. С.96-97.
8. Муштаков А.В. Генерация и усиление широкополосных хаотических колебаний СВЧ-диапазона в гибридной системе «Лампа бегущей волны с коллектором-генератором» // Известия Вузов. ПНД. 2007. Т.15. №6. С.28-37.
9. Еремин В.П., Трушин А.Н., Федоренко Е.А. Усилители прямой волны М-типа разработки и производства ОАО «ТАНТАЛ» // Электронная техника. Сер.1: СВЧ-техника. 2013. №3 (518). С.147-149.
10. Титов А. А. Сверхширокополосные усилители мощности: эффективность автоматической регулировки режима класса А // Электроника: наука, технология, бизнес. 2003. №4. С.32-35.
References
1. Belous A.I., Merdanov M.K., Shvedov S.V. SVCh-elektronika v sistemakh adiolokatsii i svyazi. Tekhnicheskaya entsiklopediya [Microwave electronics in air-location and communication systems. Technical Encyclopedia]. In 2 books. Book 2. Moscow: Tekhnosfera Publ., 2016. 728 p.
2. Vikulov I. Geterogennaya integratsiya — novyy etap raz-vitiya integral'noy SVCh-elektroniki [Heterogeneous integration - a new stage in the development of integrated microwave electronics]. Electronics: Science, Technology, Business, 2016, no.1(151), pp.104-113.
3. Vorozhtsov A.L. Razvitie otechestvennoy tekhnologii proiz-vodstva elektronnykh komponentov SVCh diapazona [The development of domestic technology for the production of electronic components of the microwave range]. Coll. of papers 'Rossiya molodaya: peredovye tekhnologii — v pro-myshlennost'!', 2019, no.1, pp. 117-120.
4. Kistchinsky A. Ultra-wideband GaN power amplifiers - from Innovative technology to standard products. In: Ultra Wideband Communications: Novel Trends - System, Architecture and Implementation. InTech Open, 2011, pp.213-232.
5. Pengelly R. S., et al. A review of GaN on SiC high electron-mobility power transistors and MMICs. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 60, iss. 6, June 2012, pp.1764-1783.
6. Kishchinskiy A.A. Tverdotel'nye SVCh-usiliteli moshchnosti na nitride galliya - sostoyanie i perspektivy razvitiya [Solid state microwave power amplifiers based on gallium nitride -state and development prospects]. Proc. 19th Crimean international conference "Microwave equipment and telecommunication technologies". Sevastopol, Weber, 2009, pp.12 -16.
7. Markinov E.G., Radchenko A.V. Sverkhshirokopolosnyy usilitel' diapazona 2-8 GGts s vykhodnoy moshchnost'yu 14 Vt [Ultra-wide band amplifier 2-8 GHz with an output power of 14 watts]. Proc. the 23rd Crimean int. conference "Microwave equipment and telecommunication technologies". Sevastopol, Weber, 2013, pp. 96-97.
8. Mushtakov A.V. Generatsiya i usilenie shirokopolosnykh khaoticheskikh kolebaniy SVCh-diapazona v gibridnoy sisteme 'Lampa begushchey volny s kollektorom-generatorom' [Generation and amplification of broadband chaotic oscillations of the microwave range in the hybrid system 'traveling wave lamp with a collector-generator']. Izvestia Vuzov. PND, 2007, no.6, pp.28-37.
9. Eremin V.P., Trushin A.N., Fedorenko E.A. Usiliteli prya-moy volny M-tipa razrabotki i proizvodstva OAO TANTAL [Amplifiers of direct wave M-type development and production of OJSC TANTAL]. Electronic equipment. Series 1: microwave technology, 2013, no.3 (518), pp. 147-149.
10. Titov A. A. Sverkhshirokopolosnye usiliteli moshchnosti: ef-fektivnost' avtomaticheskoy regulirovki rezhima klassa A [Ultrawideband power amplifiers: the efficiency of automatic adjustment of class A]. Elektronika: nauka, tekhnologiya, biznes, 2003, no.4, pp.32-35.
