Możliwości wykorzystania nowoczesnych rozwiązań technologicznych przy opracowywaniu wysokosprawnych wzmacniaczy mocy.

Transkrypt

1 Możliwości wykorzystania nowoczesnych rozwiązań technologicznych przy opracowywaniu wysokosprawnych wzmacniaczy mocy. Streszczenie: mgr inż. Andrzej LEWANDOWSKI WAVECUBE Sobików 28E Góra Kalwaria dr inż. Robert MATYSZKIEL, Wojskowy Instytut Łączności im. prof. dr. hab. Janusza Groszkowskiego ul. Warszawska 22A, Zegrze Południowe W chwili obecnej gwałtowny rozwój w dziedzinie technologii wytwarzania materiałów półprzewodnikowych i ferrytowych powoduje, że konstrukcja urządzeń w których te elementy występują dostarczają nowych możliwości. Zastosowanie nowoczesnych rozwiązań technologicznych przyczynia się do rozwiązania szeregu problemów występujących w konstrukcji dotychczas eksploatowanych urządzeń radiokomunikacyjnych wytwarzających moc, takich jak efektywne odprowadzanie ciepła, większa sprawność, mniejsze gabaryty i masa. W chwili obecnej trendem światowym jest zwiększanie sprawności urządzeń, a tym samym zwiększenie ich użyteczności. W artykule przedstawiona zostanie koncepcja zastosowania ultra szerokopasmowych tranzystorów nowej technologii o większych sprawnościach potwierdzonych demonstratorem wzmacniacza opracowanym na potrzeby systemu rozpoznawczo - zakłócającego. W opracowanym wzmacniaczu zastosowane tranzystory posiadały sprawność %, a uzyskana sprawność całkowita wzmacniacza osiągnęła od 25 do prawie 39 %. Uniwersalność opracowanego demonstratora wzmacniacza powoduje, że może on być z powodzeniem zastosowany nie tylko w systemach walki elektronicznych ale również we wszystkich systemach gdzie potrzebne jest wytworzenie dużej mocy w tym również w systemach łączności (KF, UKF, VHF, łączność troposferyczna).otrzymane wyniki pomiarów opracowanego demonstratora potwierdziły celowość zastosowania innowacyjnych wysokonapięciowych tranzystorów mocy, w połączeniu z szerokopasmowymi materiałami ferrytowymi. Rozwiązanie takie pozwoliło na zmniejszenie rozmiarów wzmacniacza, zmniejszenie zapotrzebowania na moc dostarczaną (zasilanie jednofazowe) oraz efektywne chłodzenie powietrzem. Dzięki zastosowaniu nowoczesnych technologii opracowany wzmacniacz jest mniej zawodny, tańszy w eksploatacji oraz posiadający mniejsze gabaryty i masę od dotychczas eksploatowanych wzmacniaczy mocy. 1. Wstęp Pierwszymi na świecie wzmacniaczami mocy były wzmacniacze lampowe, przeważnie były one wykonane w układzie klasycznym tj. posiadają lampę w stopniu końcowym mocy a obwody wyjściowe zbudowane były w układzie PI filtra. Zakresy częstotliwości pracy filtrów wybierane były podaniem jedynki logicznej na złączu znajdującym się z tyłu wzmacniacza. Układ automatyki był tak zbudowany, że PA nie posiadało innych mierników, gdyż jest zabezpieczone przed przeciążeniami i przepięciami. PI filtr dostrajany był przełączaniem stałych kondensatorów oraz płynnie zmienianą indukcyjnością. Wzmacniacz lampowy dostrajał się automatycznie za pomocą układów automatyki znajdujących się w panelu wzmacniacza. Dostrajanie odbywało się w następujący sposób: wpierw podawany był podzakres częstotliwości, na którym będzie pracował wzmacniacz a następnie układ dyskryminatorów wypracowywał sygnały do dokładnego dostrojenia. Układy automatyki wzmacniaczy lampowych nie posiadały mikroprocesora. Układy chłodzenia, zasilania, obwodów wejściowych, żarzenia oraz obwodów siatkowych znajdowały się także w panelu wzmacniacza. Lampa w stopniu końcowym posiadała moc admisyjną 1,6 kw. Przykładowe rozwiązanie lampowego wzmacniacza mocy pokazane jest na przykładzie wzmacniacza R&S. Wzmacniacz ten jest od wielu lat eksploatowany w systemach łączności KF. Konstrukcja przedstawionego wzmacniacza mocy oprócz zalet posiada również szereg wad charakterystycznych dla wzmacniaczy lampowych, należą do nich m.in. zmienna charakterystyka lampy w czasie, starzenie się lampy, waga konstrukcji, skończony czas pracy wzmacniacza. Rys.1. Przykład konstrukcji wzmacniacza lamowego w zastosowaniu militarnym R&S.

2 Pojawienie się tranzystorów dużej mocy pozwoliło na wykorzystanie ich w procesie projektowania wzmacniaczy mocy. Wzmacniacze tranzystorowe ze względu na swoją modułowość i możliwość łączenia równoległego modułów mocy w jednej obudowie pozwalają na znacznie zmniejszenie gabarytów mechanicznych wzmacniacza. W chwili obecnej tranzystorowe wzmacniacze mocy można podzielić na dwie zasadnicze grupy: wzmacniacze niskonapięciowe i wzmacniacze wysokonapięciowe. Niewątpliwą zaletą wzmacniaczy wysokonapięciowych w porównaniu z wzmacniaczami niskonapięciowymi przy zachowaniu tej samej mocy wyjściowej jest mniejsza ilość modułów wzmacniających oraz możliwość wykorzystania zasilaczy o mniejszej mocy (zdecydowanie mniejsze wymagania na moc dostarczaną do wzmacniacza). Konstrukcje wzmacniaczy niskonapięciowych i wysokonapięciowych niewiele się różnią od siebie pod względem ideologicznym jednak dla zachowania mocy wyjściowej wzmacniacze nisko napięciowe wymagają prawie dwukrotnie większej ilości modułów wzmacniających jak również znacznie mocniejszych zasilaczy 2. Badania i wyniki badań. Celem budowy wzmacniacza było sprawdzenie sprawności nowoczesnych tranzystorów. Dotychczas produkowane tranzystory oferują sprawność wynoszącą % co w przypadku zabudowy wzmacniacza daje sprawność %. W badanym przypadku stosowane tranzystory posiadały sprawność % a uzyskana sprawność osiągnęła od 25 do 38.6 %. Skonstruowany wzmacniacz jest prototypem doświadczalnym w którym zastosowano innowacyjne materiały ferrytowe o bardzo szerokim paśmie przenoszenia. Tabela.1 Charakterystyka porównawcza najważniejszych parametrów wzmacniaczy wykonanych w technologii nisko i wysokonapięciowej. Parametr Tranzystory nisko napięciowe V Technologia FET Tranzystory wysoko napięciowe V Technologia TMOS Moc wyjściowa na wzmacniacz W W moduł (4U) Klasa wzmacniacza A-AB A-AB Wytrzymałość na przepięcia z do 50V do 250 V tytułu niedopasowania Tolerancja niedopasowania do 2:1 do 6:1 WFS Sprawność wzmacniacza % % Tolerancja tranzystorów na temperaturę pod względem MTBF 70 C na obudowie tranzystora do 100 C na obudowie tranzystora Temperatura tranzystorów podczas pracy ciągłej. 60 C przy temperaturze otoczenia 25 C Stosowane chłodzenie Wymagany duży wydatek na przepływu powietrza, zalecane chłodzenie płynami ( cold plate ) Poziomy IMD 18dbc 15dbc Waga wzmacniacza 80 kg <50 kg 47 C przy temperaturze otoczenia 25 C Przepływ powietrza Podczas badań długoterminowych przeprowadzono pomiary temperatur na przedwzmacniaczu i tranzystorach mocy. Temperatury na tranzystorach wahały się w przedziale C co wynikało ze zmieniającej się sprawności tranzystorów.

3 1200 W CW Σ (Balun) WZM P1=300 W WZM P1=300 W WZM P1=300 W WZM P1=300 W V V WZM P1=120 W Σ A (0-1), φ (0-30 ) WZM P1=120 W Σ A (0-1), φ (0-30 ) V WZM P1=1 W Σ A (0-3), φ (0-30 ) DRIVER CW Modem Rys.2 Schemat blokowy wzmacniacza mocy w układzie sumatora 4:1 dla mocy wyjściowej większej niż 1 KW Rys.3 Konstrukcja wzmacniacza PAMP w technologii wysokonapięciowej produkcji Wavecube. Dla niższych częstotliwości sprawność oscylowała wokół 27 % więc temperatura była wyższa, dla wyższych częstotliwości sprawność wynosiła średnio 35 % czego wynikiem była niższa temperatura. Wynika z tego, że warto jest uzyskiwać wyższe sprawności wzmacniaczy w celu utrzymywania niższych temperatur wzmacniacza, szczególnie gdy wymagana jest moc sygnału wzmacnianego w granicach 1 kw CW.

4 Rys.4. Moc wyjściowa wzmacniacza demonstracyjnego PAMP Pomiary nieliniowości THD i THD+N wykazały bardzo mały współczynnik zniekształceń nieliniowych przy wysterowaniu przy pełnej mocy wzmacniacza blisko punktu IIP1 co świadczy o bardzo dużej liniowości wzmacniacza. Pomiary punktów IIP3 i OIP3 potwierdzają potencjał wzmacniacza, jego wartości były powyżej 64 dbm. Rys.5. Rodzina charakterystyk mocy wyjściowej w funkcji wysterowania wzmacniacza na wejściu (Pwej, przebiegi od lewej dla 2 MHz do prawej 30 MHz. Należy zaznaczyć, że pomiary dokonano na obciążeniu stałym 50 Ω, tym samym były stworzone idealne warunki dla wzmocnienia sygnału podanego na wejście wzmacniacza. Jednak w realnych warunkach w paśmie 2-30 MHz i dostępnych antenach impedancja obciążenia zmienia się diametralnie od kilkunastu Ohmów do kilkuset Ohmów ze zmienną częścią urojoną. Impedancja obciążenia mając składową pojemnościową w przypadku anten np. magnetycznych jest skrajnie różna od anten typu long wire o charakterze indukcyjnym. Należy pamiętać, że istotnym elementem współpracującym ze wzmacniaczem pracującym w paśmie 2 30 MHz jest układ dopasowujący impedancję, a tym samym transformującym moc z 50 Ω do określonej impedancji w celu przekazania mocy i wypromieniowania jej przez określoną antenę. Rys.6. Przykładowa charakterystyka określenia współczynnika IIP3 i OIP3 dla częstotliwości 15 MHz.

5 Rozwiązanie prezentowanego wzmacniacza ma jeszcze istotną zaletę pod względem sposobu zasilania tranzystorów które producent wykonał pry zastosowaniu tranzystorów 48 V, co pozwala w przypadku chwilowych nie dopasowań podczas strojenia układu dopasowującego wytrzymać napięcia odkładające się na wyjściu wzmacniacza. Stosowane wcześniej tranzystory bipolarne na napięcia 12 V lub 18 V posiadały tą wadę, że nie tolerowały wahań napięć pochodzących z niedopasowanego obwodu wyjściowego i łatwo ulegały uszkodzeniu. Rys.7. Charakterystyka poziomu harmonicznych wzmacniacza PAMP Wzmacniacz posiadał tylko chłodzenie wymuszone powietrzem i przy temperaturze otoczenia 26 C w jakim był badany osiągnął temperaturę 48 C co pozwala na sugestię, że dla temperatur otoczenia +50 C osiągnie temperaturę +72 C, co według producenta posiada zapas do temperatury maksymalnej około 28 C przy obecnym systemie chłodzenia. Rys.8 Rodzina charakterystyk temperatury pary komplementarnej tranzystorów mocy użytych we wzmacniaczu PAMP Przedstawiona analiza stabilności wzmocnienia, sprawności i temperatur przedstawiona na wykresach dowodzi o sprawności układu chłodzenia, pomiarów dokonywano z interwałem 2 godzinnym metodą przestrajania w dziedzinie częstotliwości. Pomiar może być obarczony pewnym błędem wynikającym z bezwładności układu tzn. wartość temperatury z poprzedniego pomiaru w dziedzinie częstotliwości miał wpływ na aktualna wartość mierzoną. Aby zminimalizować błąd pomiarowy realizowano przerwę pomiędzy pomiarami od około 30 s do 1 min. Błąd statystyczny jaki mógł się pojawić można określić na 0.5 C.

6 Rys.9. Rodzina charakterystyk temperatur tranzystorów mocy wzmacniacza PAMP Podczas badań korzystano ze specjalistycznego oprogramowania firmowego do sterowania wzmacniaczem, zaimplementowane funkcjonalności zabezpieczały wzmacniacz przed przypadkowym przesterowaniem sygnałem wejściowym. Producent dołączył dodatkowo tłumik wejściowy z regulacją 31 db co 1dB co dodatkowo spełniało rolę zabezpieczenia wzmacniacza i podnosiło jego walory użytkowe. Oprogramowanie dokonywało pomiarów niezbędnych dla wzmacniacza lecz pomiary służyły jako wskaźnik istotnych parametrów, w przyszłości producent poprzez panel sterowania chciałby dokonywać identyfikacji ewentualnych uszkodzeń, identyfikację i kontrolę ustawień systemowych, w taki sposób aby niwelować do minimum błędy użytkownika. Komunikacja ze wzmacniaczem odbywała się poprzez interfejs UDP (ETH), zapewniając możliwość zdalnego sterowania wzmacniaczem. 3. Podsumowanie i wnioski Przedstawiony w artykule demonstrator wzmacniacza mocy spełnia przedstawione wymagania. Zastosowana innowacyjna technologia pozwala na uzyskanie wzmacniacza małogabarytowego o stosunkowo dużej mocy wyjściowej (do 64 dbm). Rozwój technologii w kierunku minimalizacji wymiarów i wagi tego typu wzmacniaczy otwiera drogę do zastosowań mobilnych umożliwiających szersze zastosowanie w systemach walki elektronicznej. Realizacja konstrukcji przenośnej umożliwia zabezpieczenie obsługi przed ewentualnym wykryciem i zniszczeniem stanowiska nadawczego. Należy zaznaczyć również, że konstrukcje mobilne stawiają nowe wymagania techniczne przed eksploatowanym sprzętem, ale jest to naturalna kolej rzeczy rozwoju technologicznego. Opracowany wzmacniacz może z powodzeniem znaleźć zastosowanie nie tylko w systemach walki elektronicznej ale również w systemach łączności, w szczególności w systemach wykorzystujących łączność KF, UKF (łączność morska, lotnicza i lądowa). Kolejnym etapem prac jest opracowanie sprzęgacza antenowego pozwalającego zapewnić optymalne warunki pracy wzmacniacza z rzeczywistymi systemami antenowymi.