CC BY
84
параметра навантаження при використанш цих вузл1в в системах Лггература
1. Фуско В. СВЧ цепи. Анализ и автоматизированное проектирование: пер. с англ.-
М.; Радио и связь, 1990. - 288 с.
2. Черкесов Г.Н. Надежность аппаратно-программных комплексов. "Питер", СПб.:
2005, 479 с.
Костенко И.Н., Рубан ВН., Мирских Г. А. Методика обобщения влияния параметров нагрузок на характеристики СВЧ узлов.
Приведена методика обобщения влияния параметров нагрузок на характеристики СВЧ узлов, которая даёт возможность прогнозировать изменения указанных характеристик при включении СВЧ узлов в радиоелектронные системы.
Kostenko I.M.,Ruban V.M.,Miskykh G.O. Method of generalization of influence of the parameters of loadings on the characteristics of UHF units.
The method of generalization of influence of parameters of loadings on the characteristics of UHF units that enables to predict changes of the characteristics at inclusion of UHF units in the radioelectronics systems is given._
УДК 621.396.61
СУЧАСН1 ТВЕРДОТШЬШ НВЧ П1ДСИЛЮВАЧ1 ПОТУЖНОСТ1
Козачук О.В., Мрачковський О.Д., Кудтов С.В.
Показана можлив1сть створення твердотшьних тдсилювач1в 1з використанням су-часног технологи просторового складання потужност1. Наведет характеристики тдсилювача, побудованого за даною технолог1ею
Вступ. Постановка задачi
При проектуванш тдсилювача потужносл основною проблемою е за-безпечення заданого шдсилення у робочш смузi частот. 1снуе два шдходи до побудови схеми тдсилювача потужносл, в одному з яких використову-еться електровакуумний пристрш, а в другому - нашвпровщниковий еле-мент. В якосл електровакуумних активних елеменлв як правило викорис-товуються кшстрони [1], iнодi лампи бiжучоl хвиш (ЛБХ) [2]. Таю шдси-лювачi мають суш^ недолжи: наявшсть високо! напруги 1000В i вище; висок вимоги до стабшьносл ще! високо! напруги; малий термiн експлуа-тацн (200^250 годин безперервно! роботи); низька надшшсть; ексклюзивне виконання.
Методи вир1шення задачi
Останшм часом привертають увагу транзисторнi пiдсилювачi потужно-стi надвисоких частот (НВЧ)[3]. 1х структурна схема суттево вiдрiзняеться вщ шдсилювач1в, побудованих з використанням електровакуумних прибор1в. На даний момент не юнуе НВЧ напiвпровiдникових елеменлв, як на частотах понад 1ГГц дали б можливiсть отримати вихщну поту-жнiсть понад 45 Вт [4], але вiдома структурна схема паралельного включення транзисторних шдсилюва-чiв (рис.1). Пiсля блоку попереднього шдсилення, сигнал через подшьник
те,-
|1Ш
нп
-р- нп -►
LLJ1
ШТ
АФП
Рис. 1 .ГС-генератор сигналу; БПП-блок попереднього пщсилення; ПП, Е-подшьник, суматор потужносл, НП-пiдсилювач;
_д1дситовач
потужност^ подаеться на OKpeMi нашв- АФП-антенно-фщерний пристрш провiдниковi пiдсилювачi, потужшсть кожного з яких сягае 5...45 Вт. Максимальна кiлькiсть активних елеменпв у такiй конструкцп може досягати 64. Пщсилений сигнал складаеться i пiдводиться до антени. До переваг ще1 схеми вiдносять: шдвищеш надiйнiсть (вихiд з ладу одного з пiдсилювачiв не призводить до виходу з ладу всього пристрою) та коефщент корисно! дп (ККД - до 57...70%), напруга живлення - в межах 10...20 В [3]. Але ця схема мае i недолжи - необхщшсть щентичност параметрiв складових, значнi втрати при подш та складаннi потужностi, як за звичай здшсню-ються за схемою рис. 2. Ефектившсть складання потужностi становить 20...40%, що робить практично неможливим отримати вихiдну потужшсть кшька сот ватт.
Значний прогрес в области просторо-вого складання потужност1 нашвпровь дникових шдсилювач1в був здшснений зусиллями компашй Defense Advanced ] Research Projects Agency i Department of Defense Multidisciplinary University Research Initiative. Ix увага була зосере-джена на дослщженш та розробщ прос-торових широкосмугових суматорiв по- Рис.2
тужностi, розташованих у хвилеводi. Була побудована система у Х- та К-дiапазонах на розташованих у хвилеводi мжросмужках з вихiдною потуж-нiстю 120 Вт [5]. В цш структурi використанi монолiтнi iнтегральнi актив-m модулi (Monolith Microwave Integrated Circuits - MMICs), здатнi генеру-вати потужшсть до сотень ватт в смузi частот С-, Х- та на нижшх частотах К^апазону. Використання MMICs е економiчно вигiдним; результати проведених робгт показують, що таю модул в майбутньому можуть повш-стю замшити електровакуумш прилади.
Метод просторового складання потужност використовуе безпроводовий розподш та складання електромагштно1 енергп в при-строях. На сьогодш це единий метод, здатний з високою ефективнiстю об'еднати велику ю-лькiсть силових пристро1в. Спрощена модель просторового складання показана на рис. 3. 1с нуе два варiанти реалiзацil даного методу: Рис.3
метод "секщР та метод "шдкладинки". При використанш методу "секци" хвиля проходить перпендикулярно через площину активних елеменпв (рис.4а). Така схема легко реалiзуеться при монолiтному проектуваннi. Але смуга частот обмежена, проблематичне й охолодження дано1 конструкцп. При побудовi просторового суматора за методом "шдкладинки", вш мае
широкосмугов1 властивоеп, досить просто тдвести живлення до кожного тдсилювача; вщвщ тепла також просто реапизуеться.
а б
Рис.4
Лаборатор1я University of California Santa Barbara запропонувала техшчне ршення по розмщенню просторових суматор1в в хвилевод1 з використан-ням велико! кшькосп приймальних антен - рис.5. Хвилевщ обмежуе енер-пю, що розповсюджуеться для збшь-шення ефективност вхщного та вихь дного зв'язку, i забезпечуе зручний cnoci6 вщводу тепла вщ тдкладинок з активними елементами. Рис. 5
Перевагою методу просторового складання е те, що елементи масиву можуть бути щшьно розташоваш. Ц елементи мають електричну довжину вздовж напрямку поширення хвиш, що використовуеться для вiдведення тепла та розмщення габаритних елементiв.
Системи, основаш на використаннi хвилеводiв та широкосмугових шд-кладинок з антенною структурою, розташованих у хвилеводi, працюють переважно на хвилях типу ТЕ. Кожна з таких антен, по суп, е лшею пере-дачi мiж звичайним хвилеводом i активним елементом. Антени можна розташувати дуже щшьно, забезпечивши збiльшення густини потоку. Контроль температурного режиму конструкцп спрощений, завдяки модульнiй ар-хiтектурi пiдкладинки та металевим стшкам
хвилеводу, якi забезпечують вiдвiд тепла. Рис. 6
Розроблена структурна схема сумматора розрахована на 6 тдкладинок, на кожнш з яких розташовуеться по 4 активних елементи, тобто всього 24
активних пристро! (рис. 6). Це вимагае апертури хвилеводу, приблизно в 3 рази бшьшо! в порiвняннi з апертурою стандатрного хвилеводу К-дiапазону. У випадку симетричного збудження на робочш частотi можуть розповсюджуватись хвиш типiв ТЕ10 i ТЕ20. Але при не симетричному збу-дженш, хвилi типу ТЕ20 не розповсюджуються. Оскiльки на входi та виходi системи маемо лише один тип хвилi - ТЕю, задача розподшу енерги та 11 складання спрощуеться, пiдвищуеться ефективнiсть використання смуги частот [5]. Структура дае високу ефектившсть складання потужност^ ни-зький рiвень фазових шумiв, велику надiйнiсть, яка пов'язана з викорис-танням монол^них iнтегральних модулiв та високою точшстю виготов-лення конструкци. Все це робить привабливим таю пiдсилювачi для використання у надчутливих системах радюлокаци.
Результати дослiдження
Була запропонована [6] конструкщя просторового суматора з вико-ристанням коаксiального хвилеводу зi збiльшеними розмiрами (рис. 7).
Рис.7
Ця конструкщя може бути використана для суттевого збшьшення смуги частот та кшькосп активних елеменпв. Використання структури, яка пра-цюе на хвилях типу ТЕМ означае вщсутшсть гранично! частоти роботи приладу, що i розширюе смугу частот. К^м того, поле в областi збудження бшьш рiвномiрне, що дозволяе збшьшити ККД складання потужностi до 70%. Симетрiя вздовж осi обертання значно спрощуе моделювання, оскь льки анашз вЫе! структури зводиться до анашзу лише одте! пiдкладинки. Дослiдження шдсилювача розташованого у граничному коаксiальному хвилеводi були спрямованi на дослiдження широкосмугових властивостей i ефективностi складання потужность Визначення максимально можливо! потужностi на виходi пiдсилювача потребують додаткових дослщжень Результати моделювання практично зб^аються з результатами вимiрювання (рис. 8,9). Як показали дослщження система працюе у дiапазонi 4...18ГГц, мае низький рiвень фазових шумiв та високий ККД.
■ Measurement
■ HFSS Simulation
0 -5 -10 -15
-20 -25 -30
Return Loss
4
3.5 3 2.5 2 1.5
£ , Ш 1
1 ID CL
0.5 0
\ SDM 1
ч
I Ss
; ' Г " ~
;HFSS
0 2 4 6 8 10 12 14 16 Frequency [GHz]
0.2 0.4 0.6 0.8
Normalized slot
Рис. 8
16 Tray Coaxial Combiner's Reflection Coefficient
Gain of Lhe 16 Tray Combiner ana MMIC
0
20
m
15
ь* Ш С
Е ю
Ui
Ç1
M
1 1 1 f 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 .| -SZ1_Com hirer [ri В] | |--821 JIMIO [d В]|
~~ ™ —»
. . . V . . . ■ ■ ■ .................
20
« " -Ю 5 -15
4 G 8 10 12 Frequency [GHz]
M 16
0
-10
-15
-20
5 10
Frequency [GHz]
Рис. 9
Автори висловлюють подяку ст.викладачу кафедри радютехшчних пристро'1'в i систем НТУУ "КП1" М. Омельяненку за консультативну допомогу. Л1тература
1. Вамберский М.В., Казанцев В.И., Шелухин С.А. Передающие устройства СВЧ, М.; Высшая школа, 1984.
2. Трошанов Н.А., Радиоаппаратура на лампах бегущей волны. Л.; Судпромгиз, 1961.
3. Крыжановский В.Г. Транзисторные усилители с высоким КПД. Донецк, 2004г.
4. http://www.us.eudyna.com
5. Vicki Chen, PengCheng Jia, Robert A. York "K-band Spatial Power Combiner Using Active Array Modules" PA Workshop, San Diego 2002.
6. Pengcheng J., Jane J., Robert A. Coaxia Waveguide Power Combiner UCSB 2006.
Козачук О.В., Мрачковский О. Д., Кудинов Е.В., Современные твердотельные СВЧ усилители мощности Показана возможность создания твердотельных усилителей с использованием технологии пространственного сложения мощностей Приведены характеристики усилителя, пост-роеного по даной технологии. Kozatchuk O.V., Mratchkovsky O.D., Kudinov E.V. Modern solid-state microwave power amplifiers The opportunity of creation of solid-state amplifiers with use of modern technology of spatial addition of capacities is shown. The characteristics of the amplifier, building on this technology are given.
0
