Кратко рассмотрим назначение и виды твердотельных усилителей мощности (Solid State Power Amplifier) в рамках цикла статей, разъясняющих принцип работы отдельных узлов и оборудования в системах спутниковой связи. Итак, начнем, SSPA -это...
Усилитель мощности или Power Amplifier предназначен для усиления слабых сигналов. Усилители широко применяются в системах спутниковой связи (CCC) и спутниковых радиолиниях (СРЛ) в передающих и приемных трактах для усиления слабых сигналов до необходимой амплитуды(мощности), необходимой для радиосвязи на больших расстояниях. В передающем тракте сигналы усиливаются до того, как они излучаются антенной, а в приемном- после приема их антенно-фидерной системой.
Каждый усилитель мощности может эффективно работать только в определенном диапазоне частот (frequency range, MHz). При уходе за этот диапазон усилительные свойства резко ухудшаются и повышаются паразитные составляющие спектра, которые приводят к невозможности или резкому ухудшению обработки сигналов. Показателем усилителя является выходная мощность (Output Power, dB). Это отношение амплитуд входного и выходного сигналов. Как и все относительные величины, коэффициент усиления удобно измерять в децибелах.
Мощность насыщения (Psat) –фактически это самая большая мощность, на которую способен усилитель. Многие производители в маркетинговых целях указывают именно эту мощность в своих рекламных брошюрах, но нужно понимать, что работа усилителя ведется на линейных участках его амплитудной характеристики, при которой мощность будет другой.
Точка компрессии (P1dB) – точка, в которой происходит резкое ухудшение параметров работы усилителя и его переход на нелинейные участки амплитудной характеристики. В общем виде точкой компрессии принято считать переход на АЧХ, где еще амплитуда усиленного сигнала отличается не более чем на 1dB от Psat.
Усиление основано на использовании усилительных элементов, которые могут быть выполнены на твердотельных полупроводниковых элементах – транзисторах, тогда такой усилитель мощности называют твердотельным усилителем мощности или Solid State Power Amplifier (SSPA), либо на лампах бегущей волны ЛБВ, тогда такой усилитель мощности называют Travelling Wave Tube Amplifier (TWTA). Рассмотрение принципов работы самих усилительных элементов не входит в рамки данной статьи и относится к теме электроники, а не радиосвязи. Отметим лишь, что уже более 60 лет идет непрекращающийся спор между сторонниками одних и противниками других о том, что лучше -твердотельные или ламповые усилители.
Технологии изготовления самих полупроводниковых элементов (транзисторов) могут быть разными. Так широкое распространение получила арсенид-галлиевая технология (GaAs), но примерно с 2010 г ее стала замещать другая технология построения твердотельного усилительного элемента, а именно -нитрид-галлиевая (GaN), которая позволяет добиться более лучших показателей работы усилителя, но при этом само производство линейных GaN усилителей несравнимо труднее, чем GaAs.
По мере развития технологии производителям удалось добиться производства высоко линейных усилителей на GaN c равномерной амплитудной характеристикой. Это позволило получить хорошие результаты по уровню внеполосных излучений. Уровень внеполосных излучений не должен превышать -25dBc при отстройке от частоты несущей на величину символьной скорости, т.к. более высокий их уровень приводит к невозможности передавать сигнально-кодовые конструкции (modcod) высокого порядка (8PSK, 16APSK и выше).
Приведем пример, каким образом нелинейность АЧХ усилителя влияет на возможность использования модуляций и сигнально-кодовых конструкций. Так, например, твердотельный усилитель на технологии GaAs с Psat=250 Вт можно использовать только на мощности 100Вт при применении модуляций высокого порядка (16 APSK), а при превышении будет расти уровень ошибок в модуляции сигналов, при этом GaN усилитель с аналогичной Psat= 250Вт можно использовать уже на мощности 200Вт без деградации качества спутниковой радиолинии, что в конечном итоге влияет на стоимость Земных станций спутниковой связи (ЗССС), т.к. усилитель это самый дорогой элемент в них.
Усилители мощности могут работать в односигнальном или многосигнальных режимах, когда происходит усиление и поднятие сразу нескольких несущих. В многосигнальном режиме несущие разнесены друг от друга на некоторый частотный диапазон. Важно, чтобы при работе усилителя в этом диапазоне не появлялись интермодуляционные побочные составляющие, то есть паразитные частоты, которые усиливаются самим усилителем из-за нелинейности его АЧХ. Если усилитель линеен, то требуемый отступ разнесения несущих можно снижать в результате чего количество несущих в диапазоне усиления можно увеличивать.
Еще до недавнего времени считалось, что выбор усилителя достаточно производить по мощности, соответственно, чем мощнее, тем лучше, но и соответственно дороже, но тогда это было боле менее пропорциональная зависимость. Сейчас же в связи с появлением новых технологий нужен более интегральный подход. Так как количество трафика, передаваемого через системы спутниковой связи, увеличивается, это ведет к необходимости повышения скорости передачи в единицу времени, что в свою очередь повышает требования к порядкам сигнально-кодовых конструкций, определяемых в стандарте DVB-S2. Как мы уже отмечали выше, возможность работы с сигнально-кодовыми конструкциями высоких порядков обусловлено характеристиками бюджета спутниковой радиолинии, на которую напрямую влияют свойства усилителя и его линейность. Поэтому теперь надо обращать внимание не только на такие показатели как Psat и P1dB, но и уровень внеполосных излучений, линейность АЧХ, проводить анализ энергетического бюджета спутниковой радиолиниии тд.
Форм-факторы усилителей мощности могут быть самыми различными. Так, например широкое распространение получили усилители в виде эргономичных блоков уличного исполнения, которые устанавливаются прямо на антенну или рядом с ней. Высокопроизводительные усилители выпускаются в виде стоечного исполнения от одного до нескольких юнитов, оснащенных системой мониторинга и управления.
На мировом рынке усилители мощности широко представлены такими производителями, как Actox, Terrasat, Comtech, Advantech Wireless и др. Со многими компаниями у нас установлены партнерские отношения.
Компания Navtelsat осуществила поставки большого количества различных усилителей мощности и имеет богатый опыт подбора, поставок и консультирования по данному типу активных радиочастотных компонентов.
