Выбор усилителя мощности для передвижной спутниковой станции Ku- диапазона

Какой усилитель мощности выбрать для передвижной спутниковой станции Ku диапазона? Какая технология в данный момент позволяет достичь лучших результатов? Технология с использованием ЛБВ или полупроводниковая технология? Вопросов много, а выбор усилителей для спутниковых станций сейчас так широк, что в нем можно запутаться.

Хотел бы сразу отметить, что выбрать универсальное решение для всех целей не получится, типы и характеристики оборудования для больших и высокомощных земных станций зачастую диаметрально отличаются от малых или передвижных объектов связи, по этой причине выбор в каждом конкретном случае является сложным мероприятием основанном зачастую на теории, личном опыте и самом главном инструменте технического специалиста – тестировании оборудования.

Мы сравним две технологии на примере средне мощностных усилителей, массово используемых для подвижных репортажных станций, в сегменте спутниковой связи где идет самая активная борьба за соотношение рубль/МГц и где необходимы прогрессивные и гибкие решения. До недавнего времени на рынке DSNG главенствовали усилители, созданные с использованием ЛБВ не давая шансов устройствам, созданным по GaAs технологиям, имевшим достаточно большое количество минусов из-за несовершенства данной технологии. Во многом эти отрицательные элементы повлияли на восприятие нового поколения транзисторных усилителей, созданных уже по другой технологии, с использованием полупроводниковых элементов на базе нитрид-галлия — GaN. Хотелось бы сразу выделить тот факт, что если усилители с ЛБВ уже достигли своих физических пределов, то полупроводниковая технология регулярно совершает шаги по улучшению качественных и надежностных характеристик. Уже сейчас на смену усилителям созданным на базе 1-го поколения GaN и имевшим большой срок успешной эксплуатации в Российский условиях приходят усилители 2-го поколения GaN. И все же, какие факторы заставляют переходить со столь проверенной технологии как ЛБВ на полупроводниковую — GaN, в этом и постараемся разобраться.

Каждых пять лет в телевидении и телекоммуникационных технологиях происходят события, меняющие облик привычного нам телевидения и информационного пространства. Еще недавно почти все комплексы репортажных станций предназначенные для работ из мест актуальных событий зачастую поддерживали только один канал с видео контентом стандартной четкости SD, а сейчас практически нет комплексов не поддерживающих HD(1080i) или даже (1080p), и очень скоро развитие технологии вынудить всех перейти совсем в другой формат – 4К. Дополнительно, репортажные станции начинают переходить уже в другую, более сложную роль из-за увеличивающейся требуемой доли автоматизации производства контента, необходимости возможности работы в составе видео хабов для финансовой экономии или развитии корпоративных сетей, работы в многоязычных режимах в виду растущей аудитории. Появление нового поколения телекоммуникационных спутников, имеющих более высокую энергетику и позволяющие реализовать качественный скачек в объёме передаваемой информации на МГц ресурса. Все это заставляет задуматься технические службы, что сделать для передачи значительно больших объёмов данных и как не пойти по болезненному пути увеличения потребления спутникового ресурса.

Какие варианты решения данной проблемы сейчас существуют? Основные: совершенствование алгоритмов сжатия видео данных и работа на более высоких типах модуляций и кодирований — сложные системы, позволяющие увеличивать объём передаваемой информации вплотную приближаясь к пределу Шеннона. Все это позволяет сократить самые большие и постоянные расходы — расходы на спутниковый ресурс. Но приведенные технологии предъявляют и повышенные требования к техническим характеристикам оборудования, в том числе и усилителей мощности: их более высокую линейность и низкий уровень фазовых шумов при больших мощностях, показатели, которые раньше зачастую не были решающими. И если у стационарных объектов связи есть возможность маневра за счет использования больших апертур антенн для повышения энергетики канала и работы на линейном участке УМ, то, к сожалению, передвижные станции имеют ограничение в размерах апертур антенн, а значит большая нагрузка ложится на усилитель мощности. В таких условиях и проявляются преимущества GaN технологии.

В таблице №1 приведены основные заявленные характеристики доступных на рынке усилителей мощности с использованием ЛБВ 200Вт и семейства усилителей мощности созданных по полупроводниковой технологии GaN 1-го и 2-го поколения (далее ПП УМ).

Таблица №1. Сравнение технических характеристик современных УМ

Из таблицы видно, что усилители 200 Вт созданные по полупроводниковой технологии GaN при близкой номинальной мощности с усилителями на ЛБВ имеют больший вес, габариты и энергопотребление, но имеют значительно больший запас линейного участка работы усилителя. Характеристики УМ GaN (1-го поколения) сходны с характеристиками УМ с ЛБВ в случае установки на ЛБВ линеаризатора. Правда, приобретение линеаризатора существенно нивелирует плюсы ЛБВ резко возрастающей ценой решения. В любом случае, на данный момент есть возможность ввести в сравнение УМ GaN (2-го поколения) с номиналом в 150Вт, так как он уже полноценно конкурирует с 200 Вт усилителем на базе ЛБВ по всем характеристикам включая его стоимость.

Какие еще преимущества дает технология GaN, кроме высокой линейности? Высокая надежность при появлении отраженного сигнала в тракте, простота эксплуатации и возможность использования УМ меньших номиналов и соответственно меньшей цены, габаритов и весов при той же линейной мощности и уровне фазовых шумов. Работа в более сложных режимах, такие как холодный запуск и остановка УМ, большие перерывы в работе без разряда ПЗУ, более высокая стабильность за счет лучших значений генератора внутренней синхронизации.

Для понимания их реальных показателей нами была проведена проверка некоторых параметров усилителя производства GaN (SSPB) 200W 1-го поколения и сравнение этих параметров с параметрами усилителя на ЛБВ (TWTA) 200W.

  • Проведено измерение зависимости уровня сигнала на выходе (Pвых) в зависимости от уровня сигнала на входе Pвых =f Pвх (Рис. 1), и зависимости: G(дБ) =f Pвых.  (Рис. 2) 

Рис.1. Зависимость уровня сигнала на выходе от уровня сигнала на входе. /em>

Рис.2 Зависимость уровня усиления от уровня сигнала на выходе. /em>

  • Проведено измерение зависимости уровня интермодуляционных искажений (IMD- Intermodulation) в зависимости от уровня сигнала на выходе усилителей IMD = f P(вых). Произведен расчет уровня сигнала на выходе усилителей, при котором величина интермодуляционных искажений IMD не превышает значение 25дБ. Произведен расчет значения отступа сигнала (OBO-Output Back Off). OBO разница в дБ между номинальным значением сигнала на выходе блока и значением сигнала при котором уровень IMD равен -25 дБн. Рис.3

Рис.3 Уровень интермодуляционных искажений в зависимости от уровня сигнала на выходе усилителей./em>

  • Проведено сравнение зависимости уровня прироста спектра (SR -Spectral Regrowth) от уровня сигнала на выходе усилителей SR = f P(вых). Произведен расчет уровня сигнала на выходе усилителей, при котором величина прироста спектра SR не превышает значение 25дБ. Произведен расчет значения отступа сигнала (OBO-Output Back Off). OBO разница в дБ между номинальным значением сигнала на выходе блока и значением сигнала при котором уровень прироста спектра SR равен -25 дБн. Рис.4

Рис.4 Уровень прироста спектра в зависимости от уровня сигнала на выходе усилителей./em>

Опираясь на результаты проверки усилителей мощности можно сказать, что нелинейные характеристики несколько лучше у твердотельного усилителя SSPB, значение фазовых шумов также превосходят практически полученные значения усилителя с ЛБВ.

Для объективности в сравнении, отметим основные показатели, по которым ламповые решения имеют преимущества перед полупроводниковыми на данный момент. Это, в первую очередь, их широкополосность, что позволяет работать в более универсальных диапазонах. При выборе технологии многие специалисты разумно учитывают наличие огромного парка ламповых усилителей, находящихся в эксплуатации в России и по миру, а также универсальность архитектуры, при которой замена на существующей лампе блоков, позволяет менять их качественные характеристики без замены базовых элементов.

Еще один важный показатель — запас нелинейной мощности при работе в низких модуляциях, где влияние фазовых шумов не будет существенным (а в некоторых случаях это является решающим фактором).

На основании всего выше сказанного, можно сделать вывод, что в данный момент усилители, созданные на базе нитрид-галлиевой технологии, начинают все больше и больше вытеснять столь долго царившую в этом сегменте лампу бегущей волны. Возможно, что очень скоро поднимаясь по линейке мощностей и технически совершенствуясь, усилители, созданные по GaN технологии окончательно займут главенствующее место и на отечественном рынке, и потребители уже и не вспомнят, что когда-то полупроводниковые усилители ассоциировались исключительно с маломощными блоками UP конверторов.