Модули ВЧ усилителей мощности

Современные системы связи, передачи данных, теле- и радиовещания представляют собой совокупность блоков цифровой обработки сигналов и аналоговых трактов формирования ВЧ сигнала. Наиболее сложной и дорогостоящей частью аналогового тракта является ВЧ усилитель мощности (УМ).

В настоящее время существует два подхода к созданию усилителей мощности: на дискретных компонентах или на готовых конструктивно и функционально законченных модулях. Модульный принцип компоновки радиоаппаратуры в наибольшей степени отвечает современным требованиям и представляется наиболее перспективным. Практика показывает, что использование модулей УМ уменьшает ошибки при проектировании аппаратуры, сокращает сроки ее разработки и подготовки производства. Наибольший эффект от использования модулей УМ как законченных электронных компонентов достигается в условиях серийного производства аппаратуры благодаря отсутствию необходимости выполнять регулировки, что снижает трудоемкость. Использование модулей снижает также затраты на техническое обслуживание и ремонт аппаратуры в процессе ее эксплуатации. Как правило, модули имеют меньшие габаритные размеры и вес по сравнению с узлами на дискретных компонентах, что является существенным преимуществом, особенно при создании портативной аппаратуры связи.

Неслучайно такие ведущие мировые компании, как Mitsubishi Electric, Freescale Semiconductors, Philips, Tyco Electronics M/A-COM, специализирующиеся на производстве ВЧ и СВЧ транзисторов, выпускают также и готовые модули усилителей мощности.

Одним из основных направлений деятельности ФГУП «НИИЭТ» является разработка и производство мощных СВЧ биполярных [1, 2, 3] и полевых транзисторов [4], а также гибридных микросхем [5]. В последние годы предприятие активно развивает направление разработки и производства современных модулей ВЧ УМ для средств радиосвязи. При этом изначально была поставлена задача разработки и производства модулей по техническим требованиям заказчиков — отечественных производителей аппаратуры связи, а не воспроизводство зарубежных аналогов и попытки конкурировать с их производителями. Дело в том, что некоторые диапазоны частот, используемые в РФ (например, ниже 50 МГц) не перекрываются рабочими частотами ВЧ модулей усилителей мощности зарубежного производства. Ситуация на рынке электронных компонентов резко изменилась в 2003 году, когда фирма Mitsubishi Electric, основной поставщик ВЧ модулей усилителей мощности на российском рынке, перешла на производство нового поколения модулей [6]. После этого появились новые «бреши» в частотных диапазонах, например, в диапазоне частот 175–210 МГц, 270–330 МГц и др., что и стимулировало в последние годы резкое увеличение количества заявок на разработку и поставку модулей усилителей мощности для применения на указанных выше частотах.

За последние 10 лет в ФГУП «НИИЭТ» было разработано более 50 типов модулей, потребителями которых стали отечественные производители аппаратуры связи — от малых предприятий до крупных серийных радиозаводов.

В таблице приведены данные на основные электрические параметры модулей ВЧ усилителей мощности и их конструктивное исполнение.

Представленные данные показывают, что разработанные модули ВЧ усилителей мощности закрывают типовые ряды по напряжению источников питания Uп = 7,5, 9,6, 12,5 и 28 В. Это означает, что они максимально оптимизированы для применения в портативной, носимой, возимой, бортовой и стационарной радиоэлектронной аппаратуре соответственно. Модули УМ с выходной мощностью до 5 Вт главным образом ориентированы на применение в носимых радиостанциях. Модули с выходной мощностью более 10 Вт применяются в подвижных и стационарных средствах связи. Их коэффициент полезного действия составляет 40–50%. Только для широкополосных модулей не удается обеспечить КПД более 35%. Представленный номенклатурный ряд закрывает частотный диапазон от 33 до 470 МГц, но каждый конкретный тип модуля обеспечивает ширину полосы порядка 6–40 МГц.

В настоящее время все большее распространение получают широкополосные системы радиосвязи, а также системы связи с использованием шумоподобных сигналов. Поэтому производителей аппаратуры связи могут заинтересовать новые разработки широкополосных модулей усилителей мощности типа УМ30180-5 и УМ100400-60, а также модулей УМ с повышенными требованиями к линейности передаточной характеристики — УМ120-2Б и УМ121-4А (см. табл.). Линейность выходной характеристики таких модулей УМ оценивается по коэффициенту сжатия (компрессии) К_сж как отношение коэффициента усиления при номинальной мощности усилителя к мощности, при которой достигается максимальное усиление.

Схемотехнически модули усилителей мощности в зависимости от частотного диапазона и выходной мощности содержат от одного до трех каскадов усиления. У каждого модуля предусмотрен вывод, на который подают напряжение для управления мощностью выходного сигнала. Благодаря использованию данного вывода может быть организовано оперативное управление уровнем выходной мощности. Модули УМ согласованы по входу и выходу с линиями передачи с волновым сопротивлением 50 Ом, КСВН по входу не хуже 1,5 в полосе рабочих частот. Модули работают без самовозбуждения при КСВН нагрузки до 10 при всех фазовых углах и выдерживают режимы КЗ нагрузки и холостого хода в течение не менее 30 с. Неравномерность коэффициента усиления по мощности (КУР) в полосе рабочих частот не более +1 дБ. Диапазон рабочих темпетур от –40 до +85 °С, однако по требованию заказчика может быть расширен до диапазона от –60 до +125 °С.

Разработанные ФГУП «НИИЭТ» модули, как и большинство зарубежных, собраны в металлополимерных корпусах с однорядным расположением выводов. Используются две базовые конструкции корпусов: К-1 и К-2, отличающиеся габаритными размерами (рисунок). Корпуса с различным количеством и расположением выводов имеют соответствующие буквенные индексы, например К-1А, К-2Б. Корпус К-2А отличается от корпуса К-2 отсутствием вывода «3». Шаг выводов корпусов кратен 2,5 мм.

Рисунок. Корпуса модулей ВЧ усилителей

Конструктивно модули состоят из металлического основания — фланца, диэлектрической подложки с металлической разводкой и смонтированных на ней электронных компонентов, в том числе нескольких (по числу каскадов усиления) мощных ВЧ транзисторов, проволочных внешних электрических выводов и пластмассовой крышки, на которой нанесена маркировка. Фланец из никелированной меди с крепежными отверстиями служит одновременно механическим основанием, теплоотводящим элементом и общей земляной шиной. Подложкой служит стеклотекстолитовая печатная плата, на которой методом поверхностного монтажа установлены пассивные компоненты, а мощные транзисторы смонтированы непосредственно на теплоотводе — фланце. Исследования показали, что стеклотекстолитовая подложка модуля гораздо более устойчива к механическим нагрузкам, чем керамическая, которая, как правило, используется в зарубежных модулях.

В модулях УМ в качестве активных компонентов используются кремниевые биполярные или полевые (D-MOS, LDMOS) мощные ВЧ транзисторы собственного или зарубежного производства. Транзисторы собственного производства имеют малогабаритное исполнение на кристаллодержателе из бериллиевой керамики. Данные транзисторы собраны с использованием гибкого ленточного носителя в качестве внутренних и внешних выводов. Присоединение ленточных выводов транзисторов к печатной плате УМ осуществляется пайкой, а не сваркой, как в зарубежных модулях. Метод пайки обеспечивает более прочные и надежные соединения, а стабильность геометрических размеров и формы выводов позволяет получать и стабильные динамические характеристики транзисторов. Электронные компоненты, размещенные на печатной плате, защищены лаковым покрытием. Для механической защиты компонентов на плате и защиты от проникновения в корпус модуля влаги используется пластмассовая крышка. Места соединения крышки с фланцем, печатной платой и выводами залиты герметизирующим компаундом. Требования по герметичности соответствуют степени защиты IP68 по ГОСТ 14254-96.

При разработке модулей УМ применяются современные системы автоматического проектирования Microwave Office, T-CAD, P-CAD 2000. Применение современного аппаратно-программного комплекса позволяет сократить до минимума время проектирования усилителей мощности. Тесное взаимодействие разработчиков транзисторов, схемотехников и технологов в рамках единого конструкторско-технологического подразделения позволяет не только быстро разрабатывать новые типы модулей, но и быстро организовывать их серийное производство. Время от получения технических требований заказчика до выпуска опытных образцов составляет 1–2 недели, а до выпуска серийных образцов — не более 2 месяцев, при этом этап разработки модулей заказчиком не оплачивается.