DEMONSTRATOR TECHNOLOGII WYSOKOSPRAWNEGO WZMACNIACZA DUŻEJ MOCY WYNIKI BADAŃ I OCENA MOŻLIWOŚCI WYKORZYSTANIA W SYSTEMACH WALKI ELEKTRONICZNEJ

Transkrypt

1 DEMONSTRATOR TECHNOLOGII WYSOKOSPRAWNEGO WZMACNIACZA DUŻEJ MOCY WYNIKI BADAŃ I OCENA MOŻLIWOŚCI WYKORZYSTANIA W SYSTEMACH WALKI ELEKTRONICZNEJ Andrzej LEWANDOWSKI*, kontakt@wavecube.pl Robert MATYSZKIEL**, r.matyszkiel@wil.waw.pl Paweł KANIEWSKI**, p.kaniewski@wil.waw.pl * WAVECUBE Sobików 28E Góra Kalwaria **WOJSKOWY INSTYTUT ŁĄCZNOŚCI ul. Warszawska 22 A, ZEGRZE ZAKŁAD RADIOKOMUNIKACJI I WALKI ELEKTRONICZNEJ Streszczenie: Gwałtowny rozwój technologii wytwarzania materiałów półprzewodnikowych i ferrytowych powoduje powstanie nowych możliwości w dziedzinie konstrukcji urządzeń, w których te elementy występują. Zastosowanie nowoczesnych rozwiązań technologicznych przyczynia się do złagodzenia szeregu problemów napotykanych dotychczas przy konstruowaniu urządzeń wytwarzających moc. Łatwiejsze staje się zapewnienie wyższej sprawności, efektywnego odprowadzania ciepła, mniejszych gabarytów i masy. 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 rozpoznawczozakłócającego. 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 elektronicznej, ale również we wszystkich systemach, gdzie potrzebne jest wytworzenie dużej mocy w tym również w urządzeniach łączności radiowej różnych zakresów (w tym troposferycznej). Otrzymane wyniki pomiarów opracowanego demonstratora potwierdziły celowość zastosowania innowacyjnych wysokonapięciowych tranzystorów mocy, w połączeniu z szerokopasmowymi materiałami ferrytowymi. Nowy wzmacniacz, w stosunku do stosowanego dotychczas, charakteryzuje się mniejszymi wymiarami i masą oraz znacznie mniejszym poborem mocy, co w konsekwencji umożliwiło korzystanie z zasilania jednofazowego i stosunkowo prostego systemu chłodzenia powietrzem. Dzięki zastosowaniu nowoczesnych technologii opracowany wzmacniacz jest mniej zawodny i tańszy w eksploatacji. 1. WPROWADZENIE Obecnie oferowane rozwiązania w dziedzinie wzmacniaczy mocy posiadają wiele parametrów nieodpowiednich w zastosowaniach wojskowych. Charakteryzują się wysoką obniżoną temperaturą

2 pracy, niską odpornością na wysoką wilgotność powietrza i problemami z zapewnieniem właściwego chłodzenia. Istniejące układy chłodzenia powietrzem charakteryzują się dużymi gabarytami i są bardzo głośne. Cieczowe układy chłodzenia mają złożoną budowę i trudno jest zagwarantować szczelność układu w całym okresie eksploatacji, w każdych warunkach pracy, transportu i przechowywania. Wzmacniacze takie w praktyce muszą pracować w klimatyzowanych obiektach (kontenerach, kabinach, itp.). Osiągnięcia ostatnich lat, szczególnie w technice półprzewodnikowej, doprowadziły do powstania tranzystorów węglowych dużej mocy. Wykorzystanie takich tranzystorów w nowo projektowanym szerokopasmowym wzmacniaczu mocy przy uwzględnieniu odpowiednich założeń konstrukcyjnych umożliwia wykonanie go w wersji o poszerzonym zakresie temperatur pracy i podwyższonej odporności na wilgotność, przez co jest możliwe zastosowanie małogabarytowych i cichych układów chłodzenia powietrzem. Wzmacniacz o takich właściwościach będzie bardziej przydatny do zastosowań wojskowych, gdyż umożliwi realizację obiektów łączności i walki elektronicznej, w których klimatyzowana kabina (kontener) wykorzystana będzie dla zagwarantowania odpowiednich warunków pracy załogi obiektu i zabudowy niezbędnych urządzeń wspierających ich pracę. Natomiast wzmacniacz mocy może stać się sterowanym zdalnie elementem wynośnym, pracującym w pobliżu pola antenowego. Rozwiązanie takie poprawi bezpieczeństwo pracy załogi, zwiększy mobilność obiektów poprzez skrócenie czasu przygotowania do pracy oraz zmniejszenie gabarytów i masy. Pierwszymi na świecie wzmacniaczami mocy były wzmacniacze lampowe, przeważnie były one wykonane w układzie klasycznym tj. posiadały lampę w stopniu końcowym mocy a obwody wyjściowe zbudowane były w układzie PI filtra. 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. Rys.1. Przykład konstrukcji wzmacniacza lamowego w zastosowaniu militarnym R&S 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. Koncepcyjnie konstrukcje wzmacniaczy niskonapięciowych i wysokonapięciowych niewiele się różnią. Niewątpliwą zaletą wzmacniaczy wysokonapięciowych w porównaniu z wzmacniaczami niskonapięciowymi przy zachowaniu tej samej mocy wyjściowej

3 jest mniejsza ilość modułów wzmacniających oraz możliwość wykorzystania zasilaczy o mniejszej mocy (zdecydowanie mniejsze wymagania na moc dostarczaną do wzmacniacza) W CW Σ (Balun) V DC WZM P1=300 W WZM P1=300 W WZM P1=300 W WZM P1=300 W V DC WZM P1=120 W Σ A (0-1), φ (0-30 ) WZM P1=120 W Σ A (0-1), φ (0-30 ) V DC WZM P1=1 W Σ A (0-3), φ (0-30 ) CW Modem DRIVER Rys.2 Schemat blokowy wzmacniacza mocy w układzie sumatora 4:1 dla mocy wyjściowej większej niż 1 KW. 2. BADANIA I WYNIKI BADAŃ Celem budowy wzmacniacza było praktyczne sprawdzenie sprawności wzmacniacza wykorzystującego wysokosprawne tranzystory. Dotychczas produkowane tranzystory oferują sprawność wynoszącą %, co w przypadku całego wzmacniacza daje sprawność %. W badanym przypadku zastosowane tranzystory posiadały sprawność %, a uzyskana sprawność wahała się w granicach od 25 do 38.6 %. Skonstruowany wzmacniacz jest prototypem doświadczalnym, w którym zastosowano innowacyjne materiały ferrytowe o bardzo szerokim paśmie przenoszenia. Podczas badań pracy ciągłej wzmacniacza (24-godzinna praca ciągła) dokonano bezkontaktowego pomiaru wartości temperatur na przedwzmacniaczu i tranzystorach mocy. Zmierzone wartości temperatur na tranzystorach mocy wahały się w przedziale C. Przyczyną wahań temperatury w funkcji częstotliwości była zmieniająca się sprawność tranzystorów. Dla niższych częstotliwości pracy wzmacniacza, sprawność oscylowała wokół wartości 27 %, dla wyższych częstotliwości sprawność wynosiła średnio 35 %. Niższa sprawność wzmacniacza powodowała większą wartość zmierzonej temperatury, z kolei wyższa sprawność powodowała niższą wartość zmierzonej temperatury. W celu uzyskania niższych wartości temperatur wzmacniacza wskazane jest uzyskiwanie wyższych sprawności wzmacniaczy, szczególnie we wzmacniaczach dużej mocy i pracujących w sposób ciągły (np. 1 kw CW).

4 Tab.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 do 50V do 250 V z tytułu niedopasowania Tolerancja niedopasowania WFS do 2:1 do 6:1 Sprawność wzmacniacza % % Tolerancja tranzystorów na 70 C na obudowie tranzystora do 100 C na obudowie tranzystora temperaturę pod względem MTBF Temperatura tranzystorów podczas pracy ciągłej. 60 C przy temperaturze otoczenia 25 C 47 C przy temperaturze otoczenia 25 C Układ chłodzenia Wymagany duży wydatek na Przepływ powietrza przepływu powietrza, zalecane chłodzenie płynami ( cold plate ) Poziomy IMD 18dbc 15dbc Masa wzmacniacza 80 kg <50 kg Rys.3 Demonstrator wzmacniacza mocy w technologii wysokonapięciowej Rys.4. Moc wyjściowa demonstracyjnego wzmacniacza Pomiary nieliniowości THD i THD+N opracowanego wzmacniacza mocy wykazały bardzo mały współczynnik zniekształceń nieliniowych podczas 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.

5 Rys.5. Rodzina charakterystyk mocy wyjściowej w funkcji wysterowania wzmacniacza na wejściu (przebiegi od lewej dla 2 MHz do prawej 30 MHz. Należy zaznaczyć, że wszystkie pomiary opracowanego wzmacniacza 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 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. Prezentowane rozwiązanie wzmacniacza ma istotną zaletę pod względem sposobu zasilania tranzystorów, które wykonane zostało przy zastosowaniu tranzystorów 48 V, co pozwala wytrzymać napięcia odkładające się na wyjściu wzmacniacza w przypadku chwilowych braków dopasowań podczas strojenia układu dopasowującego. Rys.6. Przykładowa charakterystyka określenia współczynnika IIP3 i OIP3 dla częstotliwości 15 MHz.

6 Rys.7. Charakterystyka poziomu harmonicznych wzmacniacza PAMP Stosowane wcześniej tranzystory bipolarne na napięcia 12 V lub 18 V posiadały tę wadę, że nie tolerowały wahań napięć pochodzących z niedopasowanego obwodu wyjściowego i łatwo ulegały uszkodzeniu. Opracowany wzmacniacz posiada tylko chłodzenie wymuszone powietrzem i podczas badań przy temperaturze otoczenia 25 C osiągnął temperaturę 48 C, co pozwala przypuszczać, że dla temperatur otoczenia +50 C osiągnie temperaturę +72 C. Przypuszczenie to pozwala na wyciągnięcie wniosku, że przy zastosowaniu obecnego systemu chłodzenia uzyskany zostanie zapas pozwalający na bezpieczną pracę wzmacniacza. Maksymalna temperatura pracy wzmacniacza zgodnie z danymi producenta wynosi 100 C, tak więc wzmacniacz posiada znaczny margines bezpieczeństwa około 28 C od temperatury maksymalnej przy obecnym prostym systemie chłodzenia. Przedstawiona analiza stabilności wzmocnienia, sprawności i temperatur przedstawiona na wykresach dowodzi sprawności układu chłodzenia. Pomiarów dokonywano z interwałem 2-godzinnym metodą przestrajania w dziedzinie częstotliwości. Rys.8 Rodzina charakterystyk temperatury pary komplementarnej tranzystorów mocy użytych we wzmacniaczu PAMP W celu wyeliminowania błędów wynikających z bezwładności układu tzn. wpływ wartości pomiaru temperatury z poprzedniego pomiaru w dziedzinie częstotliwości na aktualną mierzoną

7 wartość, pomiarów dokonywano z przerwami wynoszącymi od około 30 s do 1 min. Szacunkowy błąd statystyczny jaki mógł się pojawić można określić na poziomie 0.5 C. 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 wyposażył wzmacniacz w zabezpieczający tłumik wejściowy z regulacją co 1 db do 31 db. Komunikacja ze wzmacniaczem odbywała się poprzez interfejs UDP (ETH), zapewniając możliwość zdalnego sterowania wzmacniaczem. 3. PODSUMOWANIE I WNIOSKI W artykule przedstawiony został demonstrator nowoczesnego wzmacniacza mocy. 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 i stanowią naturalne wyzwanie rozwoju technologicznego. Opracowany demonstrator wzmacniacza mocy może z powodzeniem znaleźć zastosowanie nie tylko w systemach walki elektronicznej, ale również w systemach łączności, w szczególności w systemach wykorzystujących łączność KF i UKF (łączność morska, lotnicza i lądowa). 4. LITERATURA 1. Bieńkowski Z., Poradnik Ultra Krótko Falowca, Warszawa WKŁ Jarosław Szóstka; Fale i anteny, Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa 2001.

8 3. Jarosław Szóstka; Mikrofale układy i systemy, Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa Wojnar A., Systemy radiokomunikacji ruchomej lądowej, Warszawa WKŁ Edward Kolendowicz - Wzmacniacze mocy KF teoria i praktyka ISBN