Elektronik karşı önlem sisteminde, katı hal amplifikatörü ve hareketli dalga tüpü amplifikatörü "savaş" mı?
Elektronik bir karşı önlem sistemi (ECM) genellikle bir alıcı, bir işlemci, bir ekran ve bir sinyal bozucu vericiden oluşur. Şimdiye kadar, katı hal amplifikatörleri, elektronik karşı önlem sistemi vericilerinin güç, bant genişliği ve performans gereksinimlerine henüz ulaşmamışlardır.
Galyum nitrür katı hal amplifikatör teknolojisi giderek daha olgun hale geliyor.Elektronik karşı önlem sistemlerinin güç, bant genişliği ve verimlilik gereksinimlerini karşılamak için entegre, düşük kayıplı ve büyük bant genişliği teknolojilerini birleştiriyor. Galyum arsenit ve diğer katı hal yarı iletken malzemelerle karşılaştırıldığında, galyum nitrür teknolojisinin kullanımı transistörlerin güç yoğunluğunu artırabilir ve yüksek empedanslı cihazlar eşleşen ağ tasarımını basitleştirebilir.
Geçmişte, elektronik karşı önlem vericileri için mikrodalga gücü sağlamak için hareketli dalga tüpleri ve diğer vakum tüpleri kullanılmıştır. 1950'lerden beri insanlar, elektronik karşı önlem vericilerinin gerektirdiği geniş bant ve yüksek güçlü mikrodalgaları gerçekleştirmek için vakum tüp teknolojisini (özellikle hareketli dalga tüpü amplifikatör teknolojisi) benimsiyorlar.
Elektronik karşı önlem bozucu vericiler genellikle birden fazla frekans çarpımında yüzlerce watt mikrodalga gücü üretmeye ihtiyaç duyar. Amplifikatörün verimliliği, havada taşınan platformun sınırlı güç çıkışına uyum sağlayabilecek ve sistem tarafından üretilen ısıyı hızlı bir şekilde dağıtabilecek kadar yüksek olmalıdır .. Gezici dalga tüplü amplifikatör teknolojisi, bu temel gereksinimleri karşılayabilen tek teknolojidir.
Katı hal cihazları vs vakum tüpleri
Uzun bir süredir katı hal cihazları vakum cihazlarından üstündür. Vakum tüpünün uyarlandığı yüksek voltaj genellikle birkaç kV civarındadır ve güvenilirliği, düşük voltaj kullanan katı hal cihazlarından daha düşüktür (örneğin, 50V'den az). Vakum tüplerinin hem üreticileri hem de kullanıcıları güç kaynağı ve malzeme sıkıntısı ile karşı karşıyadır.
Vakum tüpleriyle karşılaştırıldığında, katı hal cihazları düşük gürültüye ve iyi doğrusallığa sahiptir. Örneğin, "bekleme modunda" bir katı hal cihazı, RF sinyal girişi olmadan bir DC ön gerilim uygulayarak tüm spektrumda üretilen gürültü gücünü büyük ölçüde azaltabilir.
Orta güçte hareket eden bir dalga tüpünün gürültü rakamı yaklaşık 30 desibele ulaşabilirken, bir galyum nitrür katı hal entegre amplifikatörünün gürültü rakamı sadece yaklaşık 10 desibeldir. Bu, elektronik karşı önlem sisteminin performansı üzerinde büyük bir etkiye sahip olacaktır, çünkü daha düşük gürültü rakamı, iletim yapmadığında vericinin çıkışını bekleme durumunda tutabilir. Ana DC güç kaynağını sık sık değiştirmeye gerek olmadığından, toplam dönüştürme süresi azaltılabilir.
Katı hal vericilerinin bir başka avantajı, çıkış sinyalindeki harmonikleri azaltabilmeleridir. Genel olarak konuşursak, çift frekans veya daha geniş bant genişliğinde çalışan bir katı hal amplifikatörü, doymuş bir çıktının temel gücünden yaklaşık 8dB daha düşük bir minimum harmonik güç çıkışına sahiptir. Aynı çalışma koşulları altında, vakum tüpünün harmonikleri temelden yalnızca 2dB daha düşüktür. Bu yüksek dereceli harmonikler, iletim için filtreleme gereksinimlerini daha sıkı hale getirerek, tüm elektronik karşı önlem sistemi için daha büyük ve daha pahalı bileşenlere ihtiyaç duyulmasına neden olur.
GaN cihazları gücü artırır
Diğer heterojonksiyon yarı iletken teknolojileriyle karşılaştırıldığında, GaN cihazları güç yoğunluğunu, performansını ve bant genişliğini önemli ölçüde iyileştirmiştir, ancak tek bir cihaz veya entegre devre çoğu elektronik karşı önlem sistemi vericisini desteklemek için yeterli değildir. 2-7,5 GHz frekansı arasında, 100 W veya daha fazla çıkışa ihtiyaç duyulması normaldir.
Şekil 1, tek bir Qorvo-tipi GaN monolitik mikrodalga entegre devresinin güç çıkışını göstermektedir. Teorik olarak, 1-8 GHz frekans aralığında, bu paketlenmiş monolitik mikrodalga entegre devrenin çıkış gücü 10 W'tır, ancak 85 ° C'de çıkış gücü 8 W'a düşer. Bir elektronik karşı ölçüm sisteminde, frekans aralığında ve sıcaklık aralığında 100 W güç çıkışı için 10'dan fazla bu tür monolitik mikrodalga entegre devresi gereklidir.
Bir katı hal güç amplifikatörü uygulamak için sentez cihazına güç sağlamak için kullanılabilecek birçok yöntem vardır. Elektronik karşı önlem sistemi vericisi için, yöntemin düşük kayıp ve geniş bant genişliği özelliklerine sahip olması gerekir. Çoğu zaman, çift bağlantı noktalı ikili sentezleyiciler (Wilkinson güç bölücüler veya sihirli tees güç bölücüler gibi) kullanılır.
Her iki monolitik mikrodalga entegre devre, çift bağlantı noktalı bir sentezleyici gerektirir, dört monolitik mikrodalga entegre devre üç sentezleyici gerektirir ve 16 kanalı sentezlemek için 15 sentezleyici gerekir. Sihirli tees güç bölücü kaybı nispeten düşüktür, ancak genellikle çalışırken bant genişliğinin% 10'unu kaplarlar, çift mahya sihirli tees güç bölücü ise çalışırken yalnızca çarpan bir bant genişliğini kaplar, bu da elektronik karşı önlem sistemlerinin 2-7.5 GHz bant genişliğini karşılamaz. İddia.
İki yönlü sentezde, beklenen güce ulaşmak için dört kez sentez gerekir. Tipik bir çift mahya sihirli tees güç bölücü, bu frekanslarda 0,3 dB'lik bir kayba sahiptir, bu nedenle sentezleyicinin toplam kaybı 1,2 dB'dir. Şekil 1'de gösterildiği gibi, monolitik mikrodalga entegre devre sentez verimliliği, sentez için 16 kanallı sihirli tees güç bölücü aracılığıyla% 30 GaN güç amplifikatörüdür, karışık çıkış verimliliği 6 GHz, 85 ° C'de yaklaşık% 23'tür. Koşullar altında, güç çıkışı yaklaşık 95 W'tır. Bununla birlikte, tipik bir çift mahya sihirli tees güç bölücü ağı yalnızca bir frekans çarpanı dahilinde çalışabilir (örneğin, 2-4 GHz'den itibaren).
Uzay Sentez Teknolojisi
Uzay sentezi teknolojisi, devre tabanlı teknolojiden daha düşük kayıplara sahiptir. Spatium, Qorvo'nun koaksiyel uzay gücü sentezi yönteminin bir patenti (Şekil 2'de gösterildiği gibi). Koaksiyel mod verici anten olarak geniş bantlı bir antipolar kanat hattı anteni kullanır, birden fazla mikrodalga iletim devresine bölünür ve tek çipli bir mikrodalga entegre devre ile güçlendirilir. Ardından devre gücünü birleştirin.
Bant genişliği, çok sayıda monolitik mikrodalga entegre devreleri verimli ve kompakt bir şekilde sentezlemek için sentez ortamı olarak boş alan kullanarak nispeten benzersizdir. Tipik bir Spatium, 16 cihazı tek adımda sentezleyebilir ve toplam kayıp yalnızca 0,5 dB'dir.
Şekil 1'de gösterildiği gibi, 16 monolitik mikrodalga entegre devre kullanan katı hal amplifikatörünün verimliliği% 27'dir ve her monolitik mikrodalga entegre devresinin verimliliği% 30'dur. Magic tees power splitter ile elde edilen% 23 ile karşılaştırıldığında, veri farkı önemli. Sentez verimliliğindeki artış, daha yüksek çıkış gücü ve daha düşük ısı dağılımı sağlayabilir.
Spatium amplifikatörde, radyal kanatlarda 16 Qorvo GaN katı hal entegre amplifikatör sentezlenir. Şekil 3, ölçülen çıkış gücü ile kelepçe yüzey sıcaklığı arasındaki ilişkiyi gösterir; alt tabaka sıcaklığı, monolitik mikrodalga entegre devresinden daha düşük ve kelepçe yüzey sıcaklığından 12 ° C daha yüksektir, bu nedenle maksimum alt tabaka sıcaklığı 85 ° C'dir. 2-7,5 GHz arasında, cihazın ortalama verimliliği% 25'tir ve bu 100W çıkış gücüne ulaşabilir veya bu gücü aşabilir.
Termal tasarım
Elektronik karşı önlem vericilerinde katı hal amplifikatörleri kullanırken, termal yönetim tasarım zorluklarından biridir. Tipik bir uygulamada, Spatium katı hal güç amplifikatörü etrafındaki kelepçe yüzeyinin bir veya daha fazla kenarı iletimle soğutulabilir (Şekil 4'te gösterildiği gibi). Bazı sistemler sıvı soğutucu kullanabilir, diğer sistemler fanlı radyatörler kullanabilir.
Kelepçe yüzeyi, havanın soğuk plakaya veya radyatöre giden iletken bir yol oluşturması için tüm kanatlarla tam olarak temas etmesi için tasarlanmıştır. Spatium'un kanatları ve çene yüzeyleri farklı metallerden (alüminyum ve bakır gibi) yapılabilir. Boyut, ağırlık ve güç, belirli bir uygulama için malzeme kombinasyonunu belirler.
Monolitik mikrodalga entegre devresinin arkasından montaj panosuna kadar olan termal direncin hesaplanmasıyla, monolitik mikrodalga entegre devresinin arka tarafının sıcaklığı türetilebilir. Monolitik mikrodalga entegre devresinin ve paketin ısıl direncine göre, monolitik mikrodalga entegre devresinin bağlantı sıcaklığı, katı hal amplifikatörünün güvenilirliğini tahmin etmek için hesaplanabilir.
Şekil 5, Şekil 4'te gösterilen katı hal amplifikatörünün bir termal simülasyonudur. Çıkış gücü doygun olduğunda ve verimlilik en düşük olduğunda, monolitik mikrodalga entegre devre, frekans bandında en kötü verime sahiptir (her bir monolitik mikrodalga entegre devresinin kaybı 25W'tır). Termal model, 6.56 ° C / W'lik bir termal direnç varsayıldığında, sıcaklığın, kelepçe yüzeyinin en soğuk noktasından paketlenmiş monolitik mikrodalga entegre devresinin arkasına yaklaşık 12 ° C yükseldiğini ve paketin arkasından çıkış transistörünün birleşim noktasına kadar yeniden yükseldiğini göstermektedir. 164 ° C.
Monolitik mikrodalga entegre devresinin bağlantı sıcaklığı 247 ve sandviç yüzey sıcaklığı 71 'de tutulur. 247 ° C bağlantı sıcaklığında, monolitik bir mikrodalga entegre devrenin arızaları arasındaki ortalama süre yaklaşık 1,2 milyon saattir.
Tüm uzay modülünün arızaları arasındaki ortalama süre, tek bir monolitik mikrodalga entegre devresinin arızaları arasındaki ortalama sürenin 75.000 saat olan monolitik mikrodalga entegre devrelerin sayısına bölünmesiyle elde edilir. Bu hesaplama formülünde, en kötü varsayım, tek bir monolitik mikrodalga entegre devresinin başarısızlığının tüm amplifikatörün arızası olmasıdır, ancak Spatium amplifikatörünün performansı, tek bir monolitik mikrodalga entegre devresinin arızalanmasıyla kademeli olarak azalır. (Yani, her bir monolitik mikrodalga entegre devresi iletilemediğinde, çıkış gücü yaklaşık 0,7 dB azalır).
Hareketli dalga tüpleri için Tablo 2MIL-HDBK-217F, zemin ortamındaki arızalar arasındaki ortalama süreyi hesaplamak için aşağıdaki formülleri listeler:
P, 1mW ile 40kW arasında değişen nominal güç (W) olduğunda; F, 100mHz ile 18GHz arasında değişen çalışma frekansıdır (GHz). Bu formül sayesinde 7.5 GHz frekansında, 150 W çıkış gücüne sahip hareket eden bir dalga tüpünün arızaları arasındaki ortalama süre 29609 saattir. Benzer çevresel koşullar altında, bu, benzer katı hal Spatium güç amplifikatörü modüllerinden 2,5 kat daha düşüktür.
sonuç olarak
GaN katı hal entegre amplifikatörleri ve Spatium gibi geniş bant uzay sentez teknolojileri, elektronik karşı önlem sistemi tasarımcılarının hareketli dalga tüplü amplifikatörlerin yerini alacak güvenilir katı hal amplifikatörlerini kullanmasına olanak tanır. Sistemin güvenilir bir şekilde çalışmasını sağlamak için platformun güç aralığında ısı dağılımını korurken, geniş bir frekans bandı üzerinden yüzlerce watt güç iletebilir ve katı hal elektronik karşı önlem verici sistemleri için yeni fırsatlar sunar.
Tablo 1, üç yeni Spatium amplifikatörünün frekansını, gücünü ve verimliliğini listeler. Bu katı hal güç amplifikatörlerinin boyutu ve ağırlığı, karşılık gelen hareketli dalga tüplü amplifikatörlerden daha küçüktür.
