eng
Выпуск #7/2007
И.Викулов, Н.Кичаева.
Мощные СВЧ-модули. Гибрид вакуумной и твердотельной электроники
Мощные СВЧ-модули. Гибрид вакуумной и твердотельной электроники
Просмотры: 3003
Уровни СВЧ-мощности от десятков до ста и более ватт в средней части сантиметрового диапазона являются пограничными между мощностями твердотельных и электровакуумных усилительных приборов [1, 2]. Между тем, малогабаритные эффективные передатчики с такой мощностью необходимы для ряда применений, особенно в аппаратуре авиационно-космического назначения. Опыт показывает, что ни твердотельная, ни вакуумная технологии в отдельности не способны обеспечить оптимальную конструкцию передатчика по совокупности таких параметров, как масса, габариты, КПД, потребляемая мощность, шумы и др. Сравнительно недавно за рубежом сформировалось направление новых оптимизированных приборов, объединивших обе технологии и получивших название "мощные СВЧ-модули" (Microwave Power Modules, МРМ). Эти модули заняли промежуточную по мощности область между твердотельными и вакуумными приборами и при этом заимствовали лучшие качества и тех, и других.
Состав и особенности мощных СВЧ-модулей
Концепция мощных СВЧ-модулей была изложена в 1988 году в специальном докладе Министерства обороны США по вакуумным СВЧ-приборам. В 1989 году на совместном совещании представителей правительства с экспертами по системам и компонентам были сформулированы целевые параметры этих приборов с учетом требований разрабатываемых и перспективных систем (рис.1) [1]:
* Частота 6–18 ГГц
* Выходная СВЧ-мощность 50–100 Вт
* Коэффициент усиления 50 дБ
* Коэффициент заполнения импульса 0–100%
* Коэффициент полезного действия 33%
* Спектральная плотность мощности шума -45 дБ/МГц
* Коэффициент шума 10 дБ
* Объем 123 см3
* Толщина 0,79 см
В разработках, начавшихся в 1991 году, участвовало пять групп фирм:
* Hughes EDD (теперь Boeing EDD);
* Lockheed Sanders/Teledyne Electronic Systems (ныне – BAE Systems North America/Teledyne MEC/ Teledyne Wireless);
* Northrop (теперь Northrop Grumman);
* Raytheon (группа мощных ламп, теперь отделение L-3 Communications EDD);
* Westinghouse/Varian (теперь Northrop Grumman/CPI).
В 1990-е годы большинство целевых параметров было достигнуто, и на рынке появился новый электронный СВЧ-усилитель – мощный СВЧ-модуль в легком компактном корпусе (рис.2, 3). В него вошли миниатюрная ЛБВ, твердотельный предусилитель (ТТУ) и интегральный источник питания.
Твердотельные усилители в составе МРМ – это стандартные приборы, выпускаемые многими фирмами. Обычно они выполняются на GaAs PHEMT-транзисторах. Их назначение – усиление входного СВЧ-сигнала до уровня, достаточного для насыщения ЛБВ.
Лампа бегущей волны в МРМ представляет собой спиральную мини-ЛБВ с многоступенчатым понижением потенциала коллектора (рис.4).
Равномерное распределение усиления между предварительным твердотельным и мощным выходным вакуумным усилителями позволяет оптимизировать параметры усилительной цепочки в целом, а именно [3]:
* уменьшить размеры и массу за счет уменьшения коэффициента усиления и сокращения длины ЛБВ;
* увеличить широкополосность за счет уменьшения усиления ЛБВ;
* максимально повысить КПД благодаря использованию в ЛБВ многоступенчатого коллектора;
* достичь приемлемого коэффициента шума (≤10 дБ) благодаря применению твердотельного усилителя;
* ввести в ТТУ схемы выравнивания частотной характеристики усиления, схемы температурной компенсации и линеаризации;
* повысить надежность за счет снижения высоких напряжений в ЛБВ с уменьшенным коэффициентом усиления.
Источник питания модуля преобразует исходное напряжение, вырабатывает напряжение питания для ТТУ и ЛБВ. Модуль состоит из двух секций – низковольтной (логические и преобразовательные схемы) и высоковольтной (трансформатор, модулятор и высоковольтные схемы). Применение электронных компонентов в корпусах для поверхностного монтажа, новых плоских трансформаторов и методов высокочастотной коммутации позволили создать миниатюрные источники питания (рис.5), которые обеспечивают работу МРМ от постоянного напряжения 270 В или 28 В либо от переменного трехфазного напряжения 115 В, 400 Гц.
Согласно оценке специалистов компании L-3 Communications [1, 2], мощный модуль Ku-диапазона (12–18 ГГц) с выходной мощностью 100 Вт в целом в пять раз меньше по объему и массе своего вакуумного аналога (с учетом питания и охлаждения) и в восемь раз меньше соответствующего полупроводникового устройства (рис.6). Таким образом, мощные СВЧ-модули способны обеспечить в единице объема максимальную мощность по сравнению как с вакуумными, так и с полупроводниковыми приборами [3].
Параметры МРМ
В настоящее время МРМ серийно выпускает ряд фирм, включая L-3 Communications EDD (см. таблицу), Triton, Northrop и CPI (США), Thales (Франция) и NEC (Япония). Модули полностью перекрывают диапазон частот от 2 до 40 ГГц.
К примеру, модуль марки М1221 имеет специальное аэрокосмическое назначение и способен работать в интервале температур -54…85°С на высоте более 20 км. Его размеры 19,9×16,5×2,5 см, а масса 1,8 кг [4].
На рис.7 показана частотная характеристика широкополосного модуля М1220.
Применение
Одно из направлений развития военной авиационной техники – беспилотные летательные аппараты (БЛА), применяемые для разведки, сбора данных, целеуказания и др. Наряду с электрооптическими и инфракрасными системами БЛА комплектуются аппаратурой спутниковых линий связи диапазона 12–18 ГГц, в передатчиках которых используются МРМ. При выходной мощности 50–100 Вт один прибор перекрывает широкий диапазон частот и может работать как в однополосном, так и в многополосном режиме. Такие модули установлены в связных передатчиках американских БЛА Predator и Global Hawk [1, 2].
Для обеспечения работы в любых погодных условиях в состав БЛА стали также включать компактные легкие РЛС с синтезированной апертурой. Обычно в них используют МРМ Х-диапазона (8–12 ГГц) с выходной мощностью ~100 Вт и коэффициентом заполнения импульса ~25%. В отличие от связной аппаратуры, в радиолокационных системах к импульсным характеристикам МРМ предъявляются дополнительные требования. Чтобы их удовлетворить, в источник питания включают дополнительные схемы управления, с помощью которых выполняется регулировка рабочих напряжений ЛБВ в течение импульса и синхронизация режима источника питания с частотой следования импульсов. В результате в течение импульса обеспечивается ровная характеристика рабочего напряжения ЛБВ (девиация напряжения катода <0,1%) и минимизируются шумы в паузе между импульсами.
Малогабаритные РЛС с синтезированной апертурой TESAR на основе МРМ работают в составе БЛА Predator [1, 2]. Для установки на БЛА радиолокаторов большой дальности создаются МРМ с импульсной мощностью 1 кВт при средней до 100 Вт (рис.8). Вместо мини-ЛБВ в них используются специальные импульсные ЛБВ спирального типа. По последним данным, МРМ Х-диапазона серии М1270 с такой импульсной мощностью уже выпускаются фирмой L-3 Communications для авиационных РЛС [5].
Приводятся следующие их характеристики:
* Частота Х-диапазон
* Рабочая полоса частот 2 ГГц
* Выходная импульсная СВЧ-мощность 1 кВт
* Коэффициент усиления
в режиме малого сигнала 55 дБ
* Коэффициент заполнения импульса 5%
* Длительность импульса 0,1–80 мкс
* Уровень гармоник относительно несущей -10 дБ
* Рабочее напряжение 28 В
* Диапазон рабочих температур -40…85°С
* Масса 4 кг
* Габариты 28×15,2×5 см
Совокупность параметров позволяет широко использовать МРМ в системах радиоэлектронной борьбы, включая аппаратуру электронного подавления и создания ложных целей. Они могут также применяться в мобильной спутниковой связи военного и гражданского назначения. Сегодня МРМ остаются одним из приоритетных направлений разработок в зарубежной СВЧ-электронике.
Литература
1. Ninnis T. Microwave Power Modules – Miniature Microwave Amplifiers for UAVs. – www.l-3com.com, 2007.
2. Ninnis T. Microwave Power Modules (MPMs) – Miniature Microwave Amplifiers for Radars. www.l-3com.com, 2007.
3. Abrams R.H. et al. Vacuum Electronics for the 21st Century. –
IEEE Microwave Magazine, September 2001, p.61–72.
4. Press release, 22 May 2006. – www.linkmicrotek.com
5. L-3 Electron Devices Introduces New 1 kW Pulse Microwave PowerAmplifier. June 25, 2007 – www.l-3com.com
Концепция мощных СВЧ-модулей была изложена в 1988 году в специальном докладе Министерства обороны США по вакуумным СВЧ-приборам. В 1989 году на совместном совещании представителей правительства с экспертами по системам и компонентам были сформулированы целевые параметры этих приборов с учетом требований разрабатываемых и перспективных систем (рис.1) [1]:
* Частота 6–18 ГГц
* Выходная СВЧ-мощность 50–100 Вт
* Коэффициент усиления 50 дБ
* Коэффициент заполнения импульса 0–100%
* Коэффициент полезного действия 33%
* Спектральная плотность мощности шума -45 дБ/МГц
* Коэффициент шума 10 дБ
* Объем 123 см3
* Толщина 0,79 см
В разработках, начавшихся в 1991 году, участвовало пять групп фирм:
* Hughes EDD (теперь Boeing EDD);
* Lockheed Sanders/Teledyne Electronic Systems (ныне – BAE Systems North America/Teledyne MEC/ Teledyne Wireless);
* Northrop (теперь Northrop Grumman);
* Raytheon (группа мощных ламп, теперь отделение L-3 Communications EDD);
* Westinghouse/Varian (теперь Northrop Grumman/CPI).
В 1990-е годы большинство целевых параметров было достигнуто, и на рынке появился новый электронный СВЧ-усилитель – мощный СВЧ-модуль в легком компактном корпусе (рис.2, 3). В него вошли миниатюрная ЛБВ, твердотельный предусилитель (ТТУ) и интегральный источник питания.
Твердотельные усилители в составе МРМ – это стандартные приборы, выпускаемые многими фирмами. Обычно они выполняются на GaAs PHEMT-транзисторах. Их назначение – усиление входного СВЧ-сигнала до уровня, достаточного для насыщения ЛБВ.
Лампа бегущей волны в МРМ представляет собой спиральную мини-ЛБВ с многоступенчатым понижением потенциала коллектора (рис.4).
Равномерное распределение усиления между предварительным твердотельным и мощным выходным вакуумным усилителями позволяет оптимизировать параметры усилительной цепочки в целом, а именно [3]:
* уменьшить размеры и массу за счет уменьшения коэффициента усиления и сокращения длины ЛБВ;
* увеличить широкополосность за счет уменьшения усиления ЛБВ;
* максимально повысить КПД благодаря использованию в ЛБВ многоступенчатого коллектора;
* достичь приемлемого коэффициента шума (≤10 дБ) благодаря применению твердотельного усилителя;
* ввести в ТТУ схемы выравнивания частотной характеристики усиления, схемы температурной компенсации и линеаризации;
* повысить надежность за счет снижения высоких напряжений в ЛБВ с уменьшенным коэффициентом усиления.
Источник питания модуля преобразует исходное напряжение, вырабатывает напряжение питания для ТТУ и ЛБВ. Модуль состоит из двух секций – низковольтной (логические и преобразовательные схемы) и высоковольтной (трансформатор, модулятор и высоковольтные схемы). Применение электронных компонентов в корпусах для поверхностного монтажа, новых плоских трансформаторов и методов высокочастотной коммутации позволили создать миниатюрные источники питания (рис.5), которые обеспечивают работу МРМ от постоянного напряжения 270 В или 28 В либо от переменного трехфазного напряжения 115 В, 400 Гц.
Согласно оценке специалистов компании L-3 Communications [1, 2], мощный модуль Ku-диапазона (12–18 ГГц) с выходной мощностью 100 Вт в целом в пять раз меньше по объему и массе своего вакуумного аналога (с учетом питания и охлаждения) и в восемь раз меньше соответствующего полупроводникового устройства (рис.6). Таким образом, мощные СВЧ-модули способны обеспечить в единице объема максимальную мощность по сравнению как с вакуумными, так и с полупроводниковыми приборами [3].
Параметры МРМ
В настоящее время МРМ серийно выпускает ряд фирм, включая L-3 Communications EDD (см. таблицу), Triton, Northrop и CPI (США), Thales (Франция) и NEC (Япония). Модули полностью перекрывают диапазон частот от 2 до 40 ГГц.
К примеру, модуль марки М1221 имеет специальное аэрокосмическое назначение и способен работать в интервале температур -54…85°С на высоте более 20 км. Его размеры 19,9×16,5×2,5 см, а масса 1,8 кг [4].
На рис.7 показана частотная характеристика широкополосного модуля М1220.
Применение
Одно из направлений развития военной авиационной техники – беспилотные летательные аппараты (БЛА), применяемые для разведки, сбора данных, целеуказания и др. Наряду с электрооптическими и инфракрасными системами БЛА комплектуются аппаратурой спутниковых линий связи диапазона 12–18 ГГц, в передатчиках которых используются МРМ. При выходной мощности 50–100 Вт один прибор перекрывает широкий диапазон частот и может работать как в однополосном, так и в многополосном режиме. Такие модули установлены в связных передатчиках американских БЛА Predator и Global Hawk [1, 2].
Для обеспечения работы в любых погодных условиях в состав БЛА стали также включать компактные легкие РЛС с синтезированной апертурой. Обычно в них используют МРМ Х-диапазона (8–12 ГГц) с выходной мощностью ~100 Вт и коэффициентом заполнения импульса ~25%. В отличие от связной аппаратуры, в радиолокационных системах к импульсным характеристикам МРМ предъявляются дополнительные требования. Чтобы их удовлетворить, в источник питания включают дополнительные схемы управления, с помощью которых выполняется регулировка рабочих напряжений ЛБВ в течение импульса и синхронизация режима источника питания с частотой следования импульсов. В результате в течение импульса обеспечивается ровная характеристика рабочего напряжения ЛБВ (девиация напряжения катода <0,1%) и минимизируются шумы в паузе между импульсами.
Малогабаритные РЛС с синтезированной апертурой TESAR на основе МРМ работают в составе БЛА Predator [1, 2]. Для установки на БЛА радиолокаторов большой дальности создаются МРМ с импульсной мощностью 1 кВт при средней до 100 Вт (рис.8). Вместо мини-ЛБВ в них используются специальные импульсные ЛБВ спирального типа. По последним данным, МРМ Х-диапазона серии М1270 с такой импульсной мощностью уже выпускаются фирмой L-3 Communications для авиационных РЛС [5].
Приводятся следующие их характеристики:
* Частота Х-диапазон
* Рабочая полоса частот 2 ГГц
* Выходная импульсная СВЧ-мощность 1 кВт
* Коэффициент усиления
в режиме малого сигнала 55 дБ
* Коэффициент заполнения импульса 5%
* Длительность импульса 0,1–80 мкс
* Уровень гармоник относительно несущей -10 дБ
* Рабочее напряжение 28 В
* Диапазон рабочих температур -40…85°С
* Масса 4 кг
* Габариты 28×15,2×5 см
Совокупность параметров позволяет широко использовать МРМ в системах радиоэлектронной борьбы, включая аппаратуру электронного подавления и создания ложных целей. Они могут также применяться в мобильной спутниковой связи военного и гражданского назначения. Сегодня МРМ остаются одним из приоритетных направлений разработок в зарубежной СВЧ-электронике.
Литература
1. Ninnis T. Microwave Power Modules – Miniature Microwave Amplifiers for UAVs. – www.l-3com.com, 2007.
2. Ninnis T. Microwave Power Modules (MPMs) – Miniature Microwave Amplifiers for Radars. www.l-3com.com, 2007.
3. Abrams R.H. et al. Vacuum Electronics for the 21st Century. –
IEEE Microwave Magazine, September 2001, p.61–72.
4. Press release, 22 May 2006. – www.linkmicrotek.com
5. L-3 Electron Devices Introduces New 1 kW Pulse Microwave PowerAmplifier. June 25, 2007 – www.l-3com.com
Отзывы читателей
