Оборудование / Спутниковая связь / Усилители мощности

<< Назад в Спутниковую связь

Усилители мощности (HPA)  земных станций спутниковой связи

Полупроводниковая дилемма

Полупроводниковые приборы для усиления мощности, благодаря их высокой надежности, компактности и низкой цене, используются повсеместно – от сотовых телефонов до спутниковых терминалов. Изначально на рынке были доступны только монолитные микроволновые интегральные схемы (MMIC), использующие двойное сложение выходной мощности, и сегодня они достигли максимальной мощности – около 8 Вт в Ku-диапазоне и 4 Вт в Ka-диапазоне. Потребности в более высокой мощности привели к созданию полупроводниковых усилителей мощности (SSPA) с комбинированием выходов многих MMIC при помощи микрополосковых линий или волноводов. Но такие схемы сложения вносят потери, к тому же они громоздки, и в результате SSPA оказались дороги в производстве и слишком тяжелы для многих мобильных приложений. Однако вскоре американской компанией WaveStream был найден инновационный подход, при котором мощности полупроводниковых транзисторов складываются в свободном пространстве внутри волновода. Вместо многокаскадного сложения, увеличивающего потери и размеры с каждой ступенью сложения, выходы всех транзисторов суммируются на одной ступени, и множество усилительных элементов синхронно усиливают входной сигнал, а их выходы суммируются в свободном пространстве с очень высокой эффективностью.

 Новый подход

При разработке инновационных волноводных SSPA специалистами Wave-Stream были использованы два подхода к сложению мощностей: Grid- и Deck-усилители. Grid-усилитель, работающий на частотах миллиметровых волн, использует единственный чип выходного каскада, скомбинировав их в сетку или решетку транзисторных пар, а Deck-усилитель, работающий на сверхвысоких частотах, «штабелирует» платы, содержащие чипы традиционных MMIC-усилителей для пространственного сложения их выходных мощностей. Оба подхода обеспечивают высокую плотность мощности и эффективность.

Grid-усилители

Grid-усилители устойчивы к большим нагрузкам, имеют высокую надежность при малой деградации параметров и рассчитаны на длительный срок службы. При их использовании минимизируется размер источника питания благодаря отсутствию излишней нагрузки на элементы внутри передатчика с точки зрения температуры и мощности. Grid-усилители могут применяться в ряде приложений радиосвязи и передачи изображений, хорошо подходят для современных спутниковых систем связи, ведь их высокая выходная мощность при небольшой стоимости позволяет увеличить скорость передачи данных и существенно повысить надежность системы.

Deck-усилители

Два уникальных аспекта архитектуры Deck-усилителя обеспечивают значительные преимущества над традиционными SSPA, использующими микрополосковые линии или волноводы для сложения. Первый аспект – единственная ступень сложения в воздухе, что делает такие усилители весьма эффективными. Второй аспект – это гибкость подхода с использованием «стеллажа из плат», что напрямую влияет на стоимость усилителя и делает возможным его применение в широком диапазоне различных уровней выходной мощности. В Ku-диапазоне Deck-усилители могут обеспечить мощность 150 Вт. Deck-усилитель полностью удовлетворяет требованиям по обеспечению большей мобильности при высоких скоростях передачи данных, позволяя размещать SSPA прямо на облучателе. В результате получается менее дорогой, компактный и легкий антенный терминал.

Новые решения

В настоящее время создано современное передающее оборудование, мощность которого достигает 200 Вт в Ku-диапазоне и 50 Вт в Ka-диапазоне. Благодаря таким устройствам провайдеры спутниковых услуг могут существенно повысить надежность своих предложений, удовлетворив при этом требования заказчиков к мобильности. Основной сферой применения инновационного передающего оборудования является его использование на передвижных и переносных станциях спутниковой связи, а также в составе комплектов оборудования для обеспечения связи на подвижных объектах, где требуются небольшие габариты антенного оборудования и сниженное потребление энергии. Как правило, такие передатчики предназначены для наружного использования, могут устанавливаться на антенну и работать в любых условиях окружающей среды, включая их применение в авиационной промышленности с учетом жестких требований к соответствию оборудования суровым климатическим условиям с сильными перепадами температур, в которых находится воздушное судно.

GaN-технология как ключ к успеху

Как химическое соединение, кристалл GaN известен с середины 90-х гг. прошлого века, он получил широкое применение в оптоэлектронике в качестве подложки для лазеров и элементной базы фотодиодов солнечных батарей космических аппаратов. Благодаря своей кристаллической структуре GaN обладает высокой устойчивостью к температурным воздействиям, радиации и ионизации. Его качественные электрические показатели, такие как высокое напряжение пробоя (>100 В), большая ширина запрещенной зоны, позволили качественно увеличить коэффициент усиления и максимальную выходную мощность GaN-транзистора. Это привело к существенному уменьшению габаритов и массы усилителей по сравнению с GaAs-аналогами. Также существенно увеличился КПД и снизилось энергопотребление. В современных GaN-усилителях мощности до 80% габаритных размеров занимают блок питания и система теплоотвода, и только 20% – сам усилитель. Такая особенность привела к тому, что потребовалось полностью менять механический дизайн усилителей, разрабатывать новые блоки питания и существенно модифицировать системы теплоотвода. Это было одной из причин, почему многие производители отказались изначально от разработки GaN-усилителей.

GaN-усилители мощности компании Advantech Wireless обладают чрезвычайно высокой линейностью и низкими фазовыми шумами. При работе в одночастотном и многочастотном режимах они превосходят по линейности GaAs на 2 дБ. Объединение GaN-усилителей в системы фазового сложения позволило достигнуть выходных мощностей, которые были ранее принципиально недостижимы. Разработанные GaN-системы фазового сложения имеют возможность достигнуть и превысить выходные мощности клистронных усилителей, при этом гарантируя высокую линейность. Благодаря этому удалось коренным образом изменить дизайн головных станций DTH-вещания, позволив передавать большое количество транспондеров через единую антенную систему, что качественно снизило стоимость строительства таких станций. Сегодня Advantech Wireless по праву считается пионером и мировым лидером в разработке и производстве твердотельных GaN-усилителей мощности, доказательством чему служат не только непрерывно растущий спрос и объемы продаж, но и мнение экспертов индустрии.

<< Назад в Спутниковую связь