Полупроводни­ковые твердотельные усилители мощности SSPA для спутниковой связи

Подобное устройство предназначено для повышения мощности сигнала. Представляет собой выходной усилительный каскад передатчика, где с целью усиления сигнала задействованы полупроводниковые элементы (транзисторы). Их мощности объединяются в свободном пространстве внутри волновода. Выходы всех транзисторов суммируются на единой ступени сложения, что обеспечивает синхронное усиление сигнала множеством элементов. Выходы последних эффективно суммируются в свободном пространстве.

Подобные устройства обладают рядом особенностей:

● Имеют герметичные корпуса, создающие условия для размещения вне помещений;

● Теплоотвод осуществляется через пассивные радиаторы;

● Схемы управления, стабилизации токов, согласующие цепи построены на основе гибридных ИС на поликоровых подложках;

● Система автоматической регулировки мощности производит стабилизацию параметров усилителя, предотвращает перегрузку транзисторов, выравнивает характеристику частот;

● Управляются микропроцессором;

● Снабжены опцией компенсации усиления за счет температуры;

● Автоматически отключаются при повышенном уровне отраженного сигнала или перегреве;

● Могут подключаться к блоку дистанционного управления или компьютеру через порт RS-485 для обмена командами управления или осуществления телеметрии.

Твердотельные SSPA-усилители делятся на три основных группы:

● Усилители малой мощности, составляющей до 15 Вт;

● Усилители большой мощности со значениями от 15 до 200 Вт;

● Резервированные системы.

SSPA-усилители обладают рядом преимуществ:

1. Не имеют изнашивающихся элементов (катодов);

2. Обладают высокой скоростью перехода из пассивного режима в рабочий;

3. Отличаются низким энергопотреблением;

4. Не требуют постоянного обслуживания;

5. Способны к синфазному сложению сигналов нескольких гальванически развязанных между собой одинаковых усилительных модулей;

6. Обеспечивают параллельное включение каскадов усиления, благодаря чему при выходе из строя одного из них деградация мощности будет плавной.

Производство подобных усилителей включает три основных варианта исполнения:

Функционируют на частотах миллиметровых волн с использованием единственного чипа выходного каскада. Устойчивы к большим нагрузкам, надежны, долговечны, экономичны, отличаются малой деградацией параметров, высокой выходной мощностью. Благодаря отсутствию лишней нагрузки на элементы внутри передатчика минимизируется размер источника питания. Применяются приложениями радиосвязи, передачи изображений, спутниковыми системами.

Эффективность данного типа усилителей обеспечивается единственной ступенью сложения в воздухе, а также использованием «стеллажа из плат». Такой подход делает Deck SSPA экономичными, обеспечивает их применение в широком диапазоне степеней входной мощности. При высоких скоростях передачи данных устройства остаются мобильными, что позволяет размещать их непосредственно на облучателе, получая легкий, компактный антенный терминал.

Усилители, построенные по данной технологии, обладают высокой устойчивостью к радиации, температурным воздействиям, ионизации. Отличаются увеличенным коэффициентом усиления, максимальными показателями выходной мощности, компактными размерами, легким весом, малым энергопотреблением. Обладают высокой линейностью при низких уровнях фазового шума, а также увеличенным КПД.

Резервирование обеспечивает повышение надежности SSPA и представлено двумя основными принципами:

Требует использования двух усилителей мощности — основного и резервного. Встроенный в каждое устройство контроллер может быть зарезервирован, а также отвечает за управление режимом резервирования. При возникновении неполадок он автоматически включает запасной комплект взамен неисправного. Для реализации данного режима необходим добавочный комплект оборудования (оконечные нагрузки, волноводные переключатели, волноводы, монтажная рама, соединительные кабели).

Обеспечивается тремя усилителями, два из которых осуществляют полезную нагрузку, а третий играет роль резервного. Последний включается автоматически, если один из двух основных усилителей выходит из строя. Подобная схема также требует дополнительного оборудования (сдвоенных волноводных переключателей, пары конечных нагрузок, монтажной рамы).

Возможно применение второго варианта схемы 1:2, когда резервный усилитель должен находиться в активном состоянии, а встроенный контроллер фиксирует в его памяти данные об уровне передаваемых сигналов, соответствующие каждому из активных каналов. Если в одном из них возникают неполадки, показатель мощности резервного усилителя автоматически становится такой же, как в отказавшем приборе.

Усилители, основанные на применении ламп бегущей волны (TWTA) обладают сложной внутренней структурой, процесс их изготовления длительный и трудоемкий. TWTA миниатюрны, компактны, отличаются малым напряжением питания, при массовом изготовлении — невысокой стоимостью. Однако теплопроводность подложки таких усилителей низкая, из-за чего на одной чип-сборке помещается схема максимум из восьми транзисторов.

Размеры SSPA значительно превышают таковые у TWTA, стоимость подобного типа усилителей выше, а также они потребляют в два раза больше энергии. Однако преимуществом SSPA выступает их амплитудная характеристика, снижающая количество помех, возникающих во время работы устройства.

Наземные спутниковые станции оснащены МШУ — малошумящим усилителем, который обеспечивает повышение чувствительности к сигналу на входе, имеет низкую шумовую температуру. Электропитание МШУ обеспечивается за счет источника, генерирующего постоянный ток, напряжение которого составляет 15−18 вольт или от сети, подающей переменный ток 90−265 вольт. Значения тока потребления могут изменяться от 120 мА (C-диапазон) до 200 мА (Ku-диапазон). Герметичный корпус малошумящего усилителя обеспечивает работу в широком температурном диапазоне: от -40 (-50) до +60ºC.

Повышающие SSPB-преобразователи частоты, функционирующие в диапазоне L, устанавливаются рядом с антенной. На другом конце линии располагается ответное устройство L-диапазона, осуществляющее прием/передачу. SSPB составляют генератор, оснащенный фазовой частотной автоподстройкой, блок питания, повышающий частотный преобразователь, SSPA-усилитель мощности. Приборы комплектуются внешним блоком управления, защищены от ухода частоты, теплового пробоя.

Подобные устройства широко используются в сетях мобильной, а также фиксированной спутниковой связи, телекоммуникационной сфере, вооруженных силах, выступают частью пунктов передвижной мобильной ведомственной, правительственной связи.