И хотя переход от традиционных усилителей на лампах бегущей волны к полупроводниковым приборам занял достаточно продолжительное время, конец 80-х можно считать началом новой эры в технике спутниковой связи: на смену ламповым пришли твердотельные усилители мощности.
Первый усилитель этого типа — SSPA (Solid State Power Amplifier) — был создан компанией Advantech в 1993 г. Его мощность составляла всего 100 Вт, и он предназначался для работы в Ku-диапазоне. Сегодня Advantech выпускает не только усилители мощности, но и самое разнообразное оборудование для систем спутниковой связи. Однако полупроводниковые усилители мощности (ПУМ) — ее конек. Их номенклатура включает устройства мощностью от 1 до 3200 Вт для диапазонов частот от 1,6 до 15 ГГц (табл. 1) в виде отдельных усилительных модулей и «готовые к употреблению» со встроенным блоком питания и системой микропроцессорного управления.
Основным элементом передатчика, как известно, является мощный выходной усилительный каскад, характеристики которого определяются общим энергопотреблением приемопередающей аппаратуры, а также ее массой и габаритами. В спутниковых ретрансляторах и многоканальных земных станциях в качестве усилительного элемента до последнего времени широко использовались лампы бегущей волны (ЛБВ). Оснащенные ими СВЧ-приборы имеют широкую полосу пропускания (10—15% от несущей частоты), обладают достаточно большим коэффициентом усиления и обеспечивают необходимую мощность при сравнительно высоком кпд (60% для ЛБВ и свыше 40% для усилителя в целом).
Говоря о высоком кпд, не следует забывать, что эти значения характерны только для режима максимального излучения мощности (режима насыщения). Реально же усилители на ЛБВ работают при пониженной мощности, что необходимо для обеспечения приемлемых уровней интермодуляционных искажений в режиме передачи нескольких несущих. В результате кпд начинает падать по мере того, как динамическая характеристика ЛБВ выходит на линейный участок роста мощности. Величину этого снижения обычно оценивают как разницу между номинальной мощностью усилителя при передаче нескольких несущих и общим выходным уровнем в режиме насыщения.
Номинальная мощность полупроводниковых усилителей измеряется в момент снижения коэффициента усиления на 1 дБ. Это означает, что для достижения одинаковых с ПУМ рабочих характеристик усилителю на ЛБВ (при том же уровне заданной выходной мощности) необходимо превысить мощность ПУМ на 3—5 дБ (табл. 2).
Основное достоинство полупроводниковых усилителей мощности по сравнению с ламповыми состоит в отсутствии изнашивающихся элементов (катодов), поэтому они гораздо долговечнее — время наработки на отказ у них практически в 10 раз больше. Полупроводниковые усилители почти мгновенно готовы к работе, так как не имеют в своей схеме цепей, требующих предварительного прогрева. Для них время перехода из режима пассивного резервирования в рабочий занимает доли секунды, тогда как для ламповых усилителей на это уходит несколько минут.
При прочих равных условиях энергопотребление ПУМ также значительно меньше, прежде всего за счет более простой системы охлаждения, что, в свою очередь, упрощает их условия эксплуатации. Для питания полупроводниковых усилителей требуется напряжение питания не более нескольких десятков вольт. Для работы же усилителей на ЛБВ нужна целая сетка питающих напряжений с максимальным значением, достигающим нескольких киловольт даже при небольшой выходной мощности.
 |
| Рисунок 1. Полупроводниковый усилитель ARMA-C с выходной мощностью 250 Вт |
Усилители всех моделей (табл. 3) рассчитаны на долговременную работу в необслуживаемом режиме с автоматическим выключением при перегреве или высоком уровне отраженного сигнала. В каталоге компании около 50 различных модификаций ПУМ, различающихся не только моделью (серией) усилителя, но и номиналом выходной мощности. Диапазон предлагаемых номиналов мощности достаточно широк: 25—800 Вт для устройств С-диапазона, 25—600 Вт для X- и 10—300 Вт для Ku-диапазона.
Одним из важных достоинств полупроводниковых усилительных приборов является возможность синфазного сложения сигналов нескольких однотипных усилительных модулей, гальванически развязанных между собой. При этом можно получить максимальные суммарные значения выходной мощности более 1 кВт (см. табл. 1). Кроме того, благодаря параллельному включению усилительных каскадов легко обеспечить режим «мягкого отказа», т. е. плавную деградацию мощности при выходе из строя одного (или нескольких) усилительных каскадов.
Принципы резервирования
Повышение надежности в усилителях мощности, как известно, достигается за счет резервирования. Компания Advantech предлагает четыре способа автоматического резервирования: по схеме 1:1, по схеме 1:2 с двумя состояниями готовности (активным/пассивным и «горячим») и сложение мощностей с автоматическим выравниванием фаз.
 |
| Рисунок 2. Система с резервированием по схеме 1:1 серии AWMA-C |
Для обеспечения резервирования по схеме 1:2 (рис. 3) необходимы три усилителя, два из которых работают на полезную нагрузку, а третий находится в резерве. При возникновении неисправности в любом из двух работающих усилителей автоматически включается резервный. Реализация такой схемы тоже требует дополнительного комплекта оборудования: монтажной рамы, двух спаренных волноводных переключателей и двух оконечных нагрузок (рис. 3,а).
 |
| Рисунок 3. Система резервирования по схеме 1:2 а) активный/пассивный режим; б) «горячий» режим готовности Условные обозначения
|
При третьем варианте резервирования используется та же схема 1:2, но, в отличие от предыдущего, резервный усилитель в этом случае должен быть в «горячем» состоянии: на вход подается полезный сигнал, а к выходу подключена дополнительная нагрузка (рис. 3,б). Встроенный контроллер заносит в память резервного усилителя данные об уровне передаваемых сигналов в каждом из активных каналов. При возникновении неисправности в одном из них уровень мощности резервного усилителя автоматически устанавливается точно таким же, как и в отказавшем устройстве. Во избежание конфликтных ситуаций при выходе из строя одновременно двух усилителей используется схема управления с приоритетами, когда у одного из них приоритет по умолчанию выше (устанавливается на заводе-изготовителе). Его значение можно изменить с помощью специальной кодовой комбинации (набирается на клавиатуре передней панели) или ПО, установленного на ПК, который подключается к ПУМ через последовательный интерфейс.
Четвертый способ резервирования основан на повышении надежности системы за счет сложения мощностей с автоматическим согласованием фаз. Резервный усилитель при этом также включен, но работает в «спящем режиме», потребляя очень мало энергии и не выделяя тепла. Если система обнаруживает неполадки в работе любого из усилителей, то происходит автоматическая замена вышедшего из строя на резервный.
МШУ и преобразователи SSPB
В состав оборудования земных станций обычно входит малошумящий усилитель (МШУ) с низкой шумовой температурой, повышающий чувствительность к входному сигналу. Фирма Advantech выпускает несколько типов МШУ, предназначенных для работы во всех основных частотных диапазонах, используемых в спутниковой связи (L, С, X и Ku). В современных МШУ применяются транзисторы с высокой подвижностью электронов, созданные по так называемой технологии HEMP (High Eleсtron Mobility Transistor), которая основана на использовании арсенид-галлиевого (GaAs) гетероперехода n-типа с более высокой подвижностью электронов, чем в обычном полевом транзисторе с барьером Шотки.
Благодаря HEMP-приборам удается достичь очень низкого значения шумовой температуры приемников: 30—60 K в С-диапазоне и 65—100 K в Ku-диапазоне (табл. 4). Такие МШУ имеют коэффициент усиления 50—60 дБ с неравномерностью не более ?0,2 дБ/МГц в полосе шириной 40 МГц и ?0,5 дБ/МГц в полосе 500 МГц. Температурная зависимость коэффициента усиления составляет 0,03—0,04 дБ/?C, а групповое время запаздывания (ГВЗ) — 0,01 нс/МГц.
Электропитание МШУ осуществляется от источника постоянного тока с напряжением 15—18 В или от сети переменного тока 90—265 В. Ток потребления может составлять от 120 мА (для приборов С-диапазона) до 200 мА (для Ku-диапазона). МШУ выполняется в герметичном корпусе, обычно устанавливается непосредственно на антенне и рассчитан на работу в широком диапазоне температур: от -40 (-50) до +60?С. Это высоконадежный прибор, среднее время наработки на отказ которого измеряется десятками тысяч часов.
И наконец, хотелось бы отметить еще один тип оборудования Advantech для спутниковой связи: повышающие преобразователи частоты L-диапазона серии SSPB (Solid State Power Block up-converter). Они устанавливаются непосредственно у антенны и широко применяются во VSAT-станциях в качестве наружного блока ODU. На другом конце линии, т. е. непосредственно в помещении пользователя, находится ответный приемопередатчик L-диапазона или внутренний блок IDU, как его принято называть во VSAT-станциях.
SSPB состоит из блока питания, генератора с фазовой автоподстройкой частоты, повышающего преобразователя частоты и, конечно, усилителя мощности SSPA. Серия SSPB включает несколько типов преобразователей частоты диапазона L (950—1550 МГц) в диапазоны частот С, X и Ku (табл. 5).
Устройства поставляются с внешним блоком управления и снабжены защитой от теплового пробоя и ухода частоты. Заметим, что в их документации особо оговаривается способность работать со спутниками, принадлежащими Eutelsat и Intelsat.
Коротко о компании
Компания Advantech (Advanced Microwave Technologies) создана в 1988 г. С 1989 г. она выступает в роли разработчика и изготовителя полупроводниковых усилителей мощности (SSPA) и другого СВЧ-оборудования, работающего в диапазоне частот от 400 МГц до 15 ГГц, т. е. в системах спутниковой связи, сетях беспроводного доступа (WLL) и персональной связи (PCS).
Штаб-квартира Advantech находится в Монреале (пров. Квебек, Канада), а в ее штате всего 135 сотрудников, из которых около 40 занимаются разработкой оборудования. Компания владеет современным заводом площадью около 5600 кв. м., где и организован весь производственный цикл — от разработки до выпуска готовых изделий.
За годы своего существования Advantech сумела выйти в лидеры в области создания полупроводниковых усилителей мощности, главным образом благодаря своему «любимому» продукту — SSPA. Его последние модели, продемонстрированные на выставке CeBIT-2000, имеют мощности 800 Вт для С- и 300 Вт для Ku-диапазона.