Новые силовые ВЧ модули для применения в радарной технике L и S диапазонов в концепции plug-and-play

№ 9’2007
PDF версия
Отделение высокочастотных приборов PPGR компании Microsemi Corporation начало производство мощных СВЧ-модулей, так называемых паллет, для применения в радарах, работающих в диапазонах частот L (1200–1400 МГц) и S (2700–3100 МГц, 3100–3400 МГц). Такие СВЧ-модули позволяют получить в 2–3 раза большую выходную мощность по сравнению с одиночными транзисторами и имеют крайне простую концепцию работы plug-and-play, что позволяет интегрировать СВЧ-модуль в систему без настройки и согласования волновых сопротивлений. Все это существенно упрощает систему пользователя, значительно снижает время разработки, уменьшает размер усилителя более чем на 50% и значительно ускоряет процесс сборки и производства.

Отделение высокочастотных приборов PPG-R компании Microsemi Corporation начало производство мощных СВЧ-модулей, так называемых паллет, для применения в радарах, работающих в диапазонах частот L (1200–1400 МГц) и S (2700–3100 МГц, 3100–3400 МГц). Эти модули позволяют получить в 2–3 раза большую выходную мощность по сравнению с одиночными транзисторами и имеют крайне простую концепцию работы plug-and-play, что позволяет интегрировать модуль в систему без настройки и согласования волновых сопротивлений. Все это существенно упрощает систему пользователя, значительно снижает время разработки, уменьшает размер усилителя более чем на 50% и значительно ускоряет процесс сборки и производства.

Потребность пользователей — сверхмощные (1–2 кВт) СВЧ-модули

Для изготовления радаров, работающих в L и S диапазонах, широко используются дискретные мощные биполярные транзисторы класса С. Уровень выходной мощности таких транзисторов обычно составляет от 200 до 370 Вт выходной мощности для L и 100 Вт для S-диапазона. Однако обычно производителям радаров, разрабатывающим сверхмощные усилители, требуется существенно больший уровень выходной мощности, чем тот, который позволяет получить одиночный транзистор. Как правило они разрабатывают одно- или двух-киловаттные модули как основные блоки, из которых строится система, и затем объединяют их для получения требуемой выходной мощности.

Трудности, с которыми сталкивается разработчик при использовании одиночных транзисторов:

  1. Объединение 220 Вт транзисторов в систему 1-4-16 транзисторов приводит к увеличению размера системы и повышению сложности. Требуется время для подстройки цепей согласования, снижается КПД.
  2. Преобразование волнового сопротивления с 2 до 50 Ом.
  3. Подстройка, регулировка дискретных транзисторов как на этапе разработки, так и на этапе производства.

В качестве примера, в L-диапазоне одной из наиболее часто используемых конфигураций для 2-киловаттного модуля является применение 21 штуки 220-ваттных дискретных транзисторов, например транзисторов серии 1214-220М, и построение системы, состоящей из 1 разгоняющего, 4 разгоняющих и 16 транзисторов, как это показано на рис. 1. Полное сопротивление дискретного транзистора такого типа составляет 1–2 Ом, поэтому пользователю необходимо проектировать внешние входные и выходные цепи согласования таким образом, чтобы их низкое сопротивление поднялось до 50 Ом для согласования с другими высокочастотными компонентами в системе. Такие задачи требуют специальных знаний, навыков и опыта работы с СВЧ-элементами, а также значительных временных затрат. Когда дискретный транзистор согласовывают с системой с сопротивлением 50 Ом, пользователю нужно разрабатывать не только многовыходной делитель на входе, но и многовыходной сумматор на выходе, чтобы выполнить разгоняющие входы и объединяющие выходы— соответственно каскад из 4 и каскад из 16 параллельных транзисторов. Суммарный КПД такого модуля после создания большого числа стадий снижается с 50 до 35–40% из-за потерь в 16-ходовом сумматоре. Кроме того, размер модуля становится достаточно большим, цепи смещения и низкочастотная фильтрующая схема для 16 транзисторов увеличивает общий размер системы и временные затраты на сборку при производстве и настройке.

Традиционная модель усилителя мощностью 2 кВт на транзисторах
Рис. 1. Традиционная модель усилителя мощностью 2 кВт на транзисторах

Преимущества мощного СВЧ-модуля

Новая серия мощных СВЧ-модулей сконструирована таким образом, чтобы значительно уменьшить время разработки, размер и сложность системы. Наиболее важным фактором является то, что пользователи могут снизить денежные расходы как в процессе разработки, так и на стадиях производства такой системы, в то же время получая больший КПД, меньший размер и повышенную надежность системы в применениях, где это является определяющим фактором. Пользователи могут просто использовать модули мощностью 550, 700 или 800 Вт для замены до четырех 220-ваттных транзисторов, наиболее часто использующихся в параллельном включении на выходе усилителя, работающего в L-диапазоне. На рис. 2 представлен 2-киловаттный усилитель, разработанный с использованием модуля 1214-800Р.

Модель усилителя мощностью 2 кВт с использованием СВЧ-модулей
Рис. 2. Модель усилителя мощностью 2 кВт с использованием СВЧ-модулей

Семейство мощных СВЧ-модулей для L-диапазона включает в себя три паллеты: 1214-800Р, 1214-700Р1 и 1214-550Р. Они имеют на входе и выходе сопротивление 50 Ом, полностью согласованное в диапазоне 1200–1400 МГц. Эти модули класса С сконструированы таким образом, чтобы работать последовательно, пиковая выходная мощность значительно превышает 550, 700 и 800 Вт при КПД 50%, импульсе длительностью 300 мкс и скважности 10. Данные модули позволяют получить готовое согласованное решение plug-and-play, которое не требует дополнительной подстройки и сложного процесса согласования сопротивлений.

В семействе паллет производства Microsemi PPG используются кристаллы транзисторов, специально разработанные для этих модулей. Технические характеристики и топология этих транзисторов позволяют получить высокие выходную мощность, коэффициент усиления и КПД системы (табл. 1). Модули обладают высочайшим постоянством и повторяемостью параметров от серии к серии.

Таблица 1. Основные технические характеристики
Основные технические характеристики

Использование СВЧ-модулей дает следующие преимущества:

  • Простота использования — 50 Ом на входе и 50 Ом на выходе (функция Plug-and-Play).
  • Простота разработки — нет необходимости согласовывать волновые сопротивления.
  • Уменьшенный размер системы — СВЧ-модули имеют компактный размер.
  • Снижение сложности системы — нет необходимости согласовывать элементы.
  • Улучшенные параметры системы — высокая эффективность и надежность.
  • Отсутствует необходимость настройки дискретных транзисторов.
  • Уменьшен размер элементной базы.
  • Есть возможность разработки модуля под требования заказчика.

Особенности производства СВЧ-модулей

В СВЧ-модулях используется кремниевый биполярный NPN-транзистор, разработанный и производимый Microsemi PPG — RF. Транзистор имеет гребенчатую геометрию с очень узким эмиттером, что позволяет существенно увеличить размер базы по отношению к размеру эмиттера. Размер эмиттера и материал покрытия подбирались для обеспечения номинальной мощности 100 Вт на чип с напряжением смещения 50 В. Двойной слой позолоченной металлизации снижает выходную емкость и увеличивает время наработки на отказ прибора, используемого в L-диапазоне частот.

Для увеличения линейности характеристик используются балластные резисторы.

Кристаллы транзисторов установлены на металлизированную подложку из оксида бериллия (BeO) толщиной 0,04

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *