Владимир Осипенко, osipenko290352@list.ru; Владимир Строков, Антон Шершнев. НТЦ «Альтаир» ПАО «НПО» Алмаз»
.
Источник питания от ООО «АЕДОН» для СВЧ-электроники.
Применение импульсных источников электропитания радиоприемных и радиопередающих устройств как альтернатива линейным стабилизаторам напряжения за счет значительного увеличения частоты преобразования.
Дан сравнительный анализ существующих источников электропитания (ИП) радиопередающей и радиоприемной аппаратуры. Предложен и рассмотрен ИП, созданный на базе импульсных преобразователей с значительно увеличенной частотой преобразования. Приведены результаты испытаний системы, состоящей из ИП и твердотельного усилителя сигнала СВЧ, а также ИП и приемного устройства СВЧ сигнала.
Введение
При проектировании радиоприемных и радиопередающих устройств, работающих в СВЧ диапазоне, особое значение уделяется источникам электропитания. Традиционным и общепринятым решением в этом случае является применение линейных источников, которые обладают малым уровнем шума [1]. В данном случае авторы столкнулись с невозможностью применения линейных стабилизаторов по причине жестких требований к масса-габаритным параметрам и к тепловыделению.
1 Постановка задачи
В целях обеспечения требований по шумовым характеристикам (амплитудным и фазовым) выходного СВЧ и ВЧ сигнала радиопередающих и радиоприемных устройств, с шириной полосы полезного сигнала не менее ±200 кГц от центральной частоты, необходимо было разработать такой источник электропитания, который позволяет полноценно заменить линейный стабилизатор напряжения.
Данный источник должен обеспечивать выполнение следующих требований:
- минимальные габаритные размеры;
- минимальная масса;
- высокое значение КПД;
- применение воздушного охлаждения;
- несколько значений питающих напряжений;
- низкий уровень пульсаций и шумов.
2 Решение поставленной задачи
До недавнего времени частота преобразования импульсных источников электропитания была от 50 до 100 кГц. Соответственно, для фильтрации указанных частот необходимо во входных и выходных цепях устанавливать фильтры. Сложность применяемых фильтров напрямую зависит от полосы излучаемого радиопередатчиком или принимаемого радиоприемником сигнала, поскольку частоты преобразования импульсного источника электропитания после переноса их в СВЧ или ВЧ диапазон могут оказаться в полосе частот полезного сигнала. Идея заключается в том, чтобы уйти далеко вправо от диапазона частот полезного сигнала приемо-передающей системы за счет значительного увеличения частоты преобразования импульсного преобразователя.
В последнее время ООО «АЕДОН» выпускает преобразователи с повышенной частотой преобразования. Учитывая вышеизложенное, для обеспечения заданных требований был разработан источник питания, на базе DC-DC преобразователей ООО «АЕДОН» с одним мощным преобразователем 340 Вт с номинальной частотой преобразования 430 кГц, и несколькими маломощными преобразователями 15 Вт с частотой преобразования 800 кГц и различными значениями выходного напряжения. Следует отметить, что двойное преобразование обычно не приветствуется, однако в данном случае, схема обладает большей гибкостью, поскольку позволяет осуществить питание мощной части потребителей от мощного преобразователя по сети =28В, а также обеспечить питание маломощных потребителей от ряда маломощных преобразователей с повышенной частотой преобразования различными значениями напряжения питания.
На рисунке 1 приведена структурная схема предлагаемого источника питания.
Рисунок 1. Структурная схема
Были проведены испытания созданного источника электропитания при его работе на реальную нагрузку, а именно, твердотельный усилитель мощности СВЧ сигнала на базе GaN транзисторов.
В процессе испытаний осуществлялся контроль шумовых характеристики (амплитудных и фазовых) выходного сигнала усилителя, а также контроль спектральных составляющих, обусловленных работой
DC-DC преобразователей.
Аналогичная схема электропитания была использована во время испытаний радиоприемного устройства с тем отличием, что перед каждым низковольтным DC-DC преобразователем был дополнительно установлен фильтр.
3 Результаты испытаний
На рисунке 2 приведены графики с шумовыми характеристиками задающего генератора СВЧ сигнала, используемого при проведении эксперимента с твердотельным усилителем.
Рис 2. Шумовые характеристики задающего генератора
Измеренные шумовые характеристики выходного сигнала усилителя приведены на рисунке 3.
Рис 3. Графики фазового и амплитудного шумов СВЧ сигнала на выходе усилителя
На графиках, приведенных на рисунках 2 и 3, видно, что на частотах до половины частоты преобразования DC-DC преобразователя (215 кГц) составляющие амплитудных шумов находятся ниже минус 140 dBc/Hz.
После половины частоты преобразования наблюдаются отклики, обусловленные работой DC-DC преобразователя, отмеченные маркером D3 на рисунке 4. Однако следует отметить, что эти отклики не превышают амплитудных и фазовых шумов уровня минус 110 dBc/Hz.
Рис 4. Спектральные характеристики выходного СВЧ сигнала усилителя, SPAN 500 кГц
Для сравнения качества выходного СВЧ сигнала усилителя дополнительно был проведен эксперимент по замене импульсного источника электропитания на линейный лабораторный, иностранного производства, показанные на рисунках 5 и 6.
Рис 5. Спектральные характеристики выходного СВЧ сигнала усилителя при электропитании от импульсных источников
Рис 6. Спектральные характеристики выходного СВЧ сигнала усилителя при электропитании от лабораторного источника
Как видно из рисунков 5, 6 спектральные характеристики линейного лабораторного источника электропитания при отстройках до 120 кГц от несущей хуже чем у импульсного источника электропитания. Следует отметить, что при использовании импульсного источника электропитания в спектре присутствуют спектральные составляющие, обусловленные его работой, однако разность значений уровня несущей и спектральной составляющей при этом приблизительно составляет 100 дБ.
На рисунке 7 приведены спектральные характеристики выходных сигналов приемного устройства (4 сигнала, изображены разным цветом) при отсутствии на входе сигнала, с нормальным распределением, при осуществлении электропитания от лабораторных линейных источников электропитания MATRIX MPS-3010.
На рисунке 8 приведены спектральные характеристики выходных сигналов приемного устройства при осуществлении электропитания от импульсных преобразователей с повышенной частотой преобразования ООО «АЕДОН». На оси ординат указаны относительные значения амплитуды шума.
Рис 7. Спектр выходного сигнала приемного устройства при электропитании от линейных источников MATRIX MPS-3010
Рис 8. Спектр выходного сигнала приемного устройства при электропитании от источников ООО «АЕДОН»
При сравнении рисунков 7 и 8 видно, что спектральные характеристики выходных сигналов приемного устройства как при питании от лабораторных линейных источников питания, так и при питании от импульсных преобразователей ООО «АЕДОН» имеют одинаковый характер по уровню выбросов в спектрах шумов.
4 Выводы
По результатам проведенных испытаний можно сделать вывод, что, при определенной полосе полезного сигнала, источник питания, построенный на импульсных источниках с повышенной частотой преобразования, может заменить линейный стабилизатор напряжения в приемных и в передающих устройствах.
При расширении полосы приемо-передающего устройства следует обратить внимание на наличие в спектре выходного сигнала откликов, равных половине частоты преобразования DC-DC преобразователя.
Литература
- ЭЛЕКТРОПИТАНИЕ УСТРОЙСТВ СВЯЗИ О.А. Доморацкий, А.С. Жерненко, А.Д. Кратиров и др. М.: Радио и связь, 1981.
- А.А Бас, В.П. Миловзоров, А.К. Мусолин «Источники вторичного электропитания с бестрансформаторным входом», Москва, «Радио и связь», 1987.
- В.Н. Осипенко, В.А. Строков «Двухкаскадный импульсно-линейный источник питания устройства формирования зондирующего сигнала РЛС». Приборы и системы. Журнал №9/2013 ООО «НАУЧТЕХЛИТИЗДАТ».
- Александр Гончаров «Особенности построения матричных систем распределенного электропитания для АФАР», Компоненты и технологии, Журнал № 12/2016 ООО «Издательство Файнстрит»
