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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Lineare Mikrowellentransistoren für Leistungsverstärker. Vergleichsdaten
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Referenzmaterialien Der aktuelle Entwicklungsstand von REA und seiner elementaren Basis ermöglicht die Entwicklung vollständig festkörperbasierter UKW-UKW- und Fernsehsender mit einer Ausgangsleistung von bis zu 5 kW [1,2]. Verstärkungspfade auf Basis breitbandiger Transistorverstärker haben gegenüber Röhrenverstärkern eine Reihe von Vorteilen. Halbleitertransmitter sind zuverlässiger, elektrisch sicherer, bequemer zu verwenden und einfacher herzustellen. Bei einem blockmodularen Aufbau des Senders führt der Ausfall eines der Endverstärkerblöcke nicht zu einer Unterbrechung der On-Air-Übertragung, da die Übertragung bis zum Austausch des Blocks nur mit reduzierter Leistung fortgesetzt wird. Darüber hinaus erfordert der Breitbandpfad des Transistorverstärkers keine zusätzliche Abstimmung auf einen bestimmten Kanal innerhalb des Betriebsfrequenzbands [3]. Es ist allgemein anerkannt, dass die Zuverlässigkeit eines Senders in erster Linie von der Zuverlässigkeit der verwendeten aktiven Komponenten abhängt. Dank des Einsatzes moderner linearer Hochleistungs-Mikrowellentransistoren, deren Konstruktionsmerkmale und Fertigungstechnologie eine deutliche Verlängerung der Ausfallzeiten ermöglichen, wurde das Problem der Erhöhung der Zuverlässigkeit von Festkörpersendern grundlegend gelöst [4] . Wachsende Anforderungen an die technischen und wirtschaftlichen Indikatoren von UKW-FM- und Hochleistungsfernsehsendern sowie das erreichte Niveau der heimischen Technologie auf dem Gebiet der Herstellung von Hochleistungs-Silizium-Bipolartransistoren stimulierten die Entwicklung einer neuen Geräteklasse – hoch -Leistungslineare Mikrowellentransistoren. Das Forschungsinstitut für elektronische Technologie (Woronesch) hat eine breite Palette davon für den Einsatz im Meter- und Dezimeterwellenlängenbereich entwickelt und produziert. Transistoren sind speziell für den Einsatz in Hochleistungs-Fernseh- und Rundfunksendern, Repeatern, insbesondere in Fernseh-Repeatern mit gemeinsamer Verstärkung von Audio- und Bildsignalen, sowie in Mehrkanal-Signalverstärkern von Basisstationen eines Mobilfunkkommunikationssystems konzipiert [5 ]. Diese Transistoren erfüllen äußerst strenge Anforderungen an die Linearität der Übertragungskennlinie, haben einen Spielraum für die Verlustleistung und dadurch eine erhöhte Zuverlässigkeit. Strukturell werden solche Transistoren in Metallkeramikgehäusen hergestellt. Ihr Aussehen ist in Abb. dargestellt. 1 (Die Gehäuse nicht aller im Artikel erwähnten Transistoren werden gezeigt; die fehlenden sind in Artikel [6] zu sehen). Hohe lineare und Frequenzeigenschaften von Transistorstrukturen werden durch den Einsatz präziser isoplanarer Technologie realisiert. Diffusionsschichten haben einen Designstandard im Submikronbereich. Die Breite der Elemente der Emittertopologie beträgt etwa 1,5 Mikrometer mit einem extrem entwickelten Umfang.
Um Ausfälle durch sekundäre elektrische und thermische Durchschläge zu vermeiden, wird die Transistorstruktur auf einem Siliziumkristall mit einem doppelschichtigen Epitaxiekollektor und der Verwendung von Emitterstabilisierungswiderständen gebildet. Ihre langfristige Zuverlässigkeit verdanken die Transistoren auch der Verwendung einer mehrschichtigen Metallisierung auf Goldbasis. Lineartransistoren mit einer Verlustleistung von mehr als 50 W (mit Ausnahme von KT9116A, KT9116B, KT9133A) verfügen in der Regel über eine strukturell eingebaute LC-Eingangsanpassungsschaltung, die in Form einer Mikrobaugruppe auf Basis eines eingebauten in MIS-Kondensator und einem Drahtleitungssystem. Mit internen Anpassungsschaltungen können Sie das Betriebsfrequenzband erweitern, die Eingangs- und Ausgangsanpassung vereinfachen und außerdem die Leistungsverstärkung CUR im Frequenzband erhöhen. Gleichzeitig sind diese Transistoren „symmetrisch“, was bedeutet, dass auf einem Flansch zwei identische Transistorstrukturen vorhanden sind, die durch einen gemeinsamen Emitter verbunden sind. Dieses Design und diese technische Lösung ermöglichen eine Reduzierung der Induktivität des gemeinsamen Elektrodenausgangs und tragen außerdem dazu bei, das Frequenzband zu erweitern und die Anpassung zu vereinfachen. Wenn symmetrische Transistoren im Gegentakt geschaltet werden, ist das Potenzial ihres Mittelpunkts theoretisch gleich Null, was dem Zustand einer künstlichen „Erde“ entspricht. Diese Einbeziehung führt tatsächlich zu einer etwa vierfachen Erhöhung der komplexen Ausgangsimpedanz im Vergleich zu einer Single-Ended-Impedanz bei gleichem Ausgangssignalpegel und einer wirksamen Unterdrückung gerader harmonischer Komponenten im Spektrum des Nutzsignals. Es ist bekannt, dass die Qualität der Fernsehübertragung in erster Linie davon abhängt, wie linear die Übertragungscharakteristik des elektronischen Weges ist. Das Problem der Linearität ist beim Entwurf von Knoten zur gemeinsamen Verstärkung von Bild- und Tonsignalen aufgrund des Auftretens kombinatorischer Komponenten im Frequenzspektrum besonders akut. Daher wurde die von ausländischen Experten vorgeschlagene Drei-Ton-Methode zur Beurteilung der Linearität der Übertragungscharakteristik inländischer Transistoren basierend auf dem Unterdrückungsgrad der Kombinationskomponente dritter Ordnung übernommen. Das Verfahren basiert auf der Analyse eines realen Fernsehsignals mit einem Signalpegelverhältnis der Bildträgerfrequenz von -8 dB. Seitenfrequenz -16 dB und Trägerfrequenz -7 dB relativ zur Ausgangsleistung an der Spitze der Hüllkurve. Transistoren zur gemeinsamen Verstärkung müssen je nach Frequenz- und Leistungsreihe einen Wert für den Koeffizienten der Kombinationskomponenten des MS liefern, der in der Regel nicht mehr als -53...-60 dB beträgt. Die betrachtete Klasse von Mikrowellentransistoren mit strenger Regulierung der Unterdrückung kombinatorischer Komponenten wird im Ausland als superlineare Transistoren bezeichnet [7]. Es ist zu beachten, dass ein derart hohes Maß an Linearität normalerweise nur im Klasse-A-Modus erreicht wird, wo die maximale Moduslinearisierung der Übertragungscharakteristik durchgeführt werden kann.
Wie aus der Tabelle hervorgeht, gibt es im Zählerbereich eine Reihe von Transistoren, dargestellt durch die Geräte KT9116A, KT91166, KT9133A und KT9173A mit einer Spitzenausgangsleistung Pvmkh.pik von 5,15, 30 bzw. 50 W. Im Dezimeter-Wellenlängenbereich wird ein solcher Bereich durch die Geräte KT983A, KT983B, KT983V, KT9150A und POZ mit RVV1X, PIK gleich 0,5, 1,3,5, 8 und 25 W repräsentiert. Superlineare Transistoren werden üblicherweise in gemeinsamen Verstärkern (im Klasse-A-Modus) von Fernsehverstärkern und Leistungsverstärkermodulen von Sendern mit einer Leistung von bis zu 100 W eingesetzt. Allerdings erfordern die Ausgangsstufen von Hochleistungssendern leistungsstärkere Transistoren, die im vorteilhaften Energiemodus das erforderliche Niveau der Obergrenze des linearen Dynamikbereichs bereitstellen. Akzeptable nichtlineare Verzerrungen bei hohen Signalpegeln können durch die Verwendung einer separaten Verstärkung im Klasse-AB-Modus erzielt werden. Basierend auf einer Analyse der thermophysikalischen Betriebsbedingungen des Transistors und der Besonderheiten der Bildung der Linearität eines Einzeltonsignals wurde eine Reihe von Mikrowellentransistoren speziell für den Betriebsmodus in der AB-Klasse entwickelt. Die Linearität der Eigenschaften dieser Geräte nach fremden Methoden wird durch den Grad der Komprimierung (Kompression) des Verstärkungsfaktors basierend auf der Leistung eines Einzeltonsignals – dem Kompressionsfaktor Kszh oder auf andere Weise – der Ausgangsleistung bestimmt ein gewisser normalisierter Kszh. Für den Einsatz im Meter-Wellenlängenbereich im Class-AB-Modus gibt es nun KT9151A-Transistoren mit einer Ausgangsleistung von 200 W und KT9174A-Transistoren mit einer Ausgangsleistung von 300 W. Für den Dezimeterbereich wurden Transistoren 2T9155A, KT9142A, 2T9155B, KT9152A, 2T9155V, KT9182A mit Ausgangsleistungen von 15 bis 150 W entwickelt. NEC-Spezialisten demonstrierten erstmals die Möglichkeit, modulare Festkörpersender im Dezimeterbereich mit kombinierter Verstärkung von Bild- und Audiosignalen mit einer Leistung von 100 W zu erstellen [8]. Später wurden ähnliche Sender mit inländischen Hochleistungs-Mikrowellentransistoren erstellt 12, 9]. Insbesondere in [9] wird die Originalforschung zur Erweiterung des Einsatzbereichs der Hochleistungstransistoren KT9151A und KT9152A bei der Erstellung von 3-Watt-Verstärkermodulen im Klasse-A-Modus beschrieben. Es wird gezeigt, dass in diesem Modus eine Unterdrückung möglich ist kombinatorische Komponenten mit einer Unterauslastung ihrer Leistung um das 4- bis XNUMX-fache des Nennwerts im Klasse-AB-Modus. Spezialisten der Staatlichen Technischen Universität Nowosibirsk haben Untersuchungen zur Verwendung heimischer Hochleistungs-Mikrowellentransistoren in Fernsehleistungsverstärkermodulen mit separater Verstärkung durchgeführt. In Abb. Abbildung 2 zeigt ein Blockschaltbild eines Bildsignal-Leistungsverstärkers für die Fernsehkanäle 1 – 5 mit einer Spitzenausgangsleistung von 250 W. Der Verstärker ist nach der Schaltung der getrennten Verstärkung von Bild- und Tonsignalen ausgelegt. Für die Kanäle 6–12 ist der Verstärker nach einer ähnlichen Schaltung aufgebaut, wobei eine Zwischenstufe auf einem KT9116A-Transistor hinzugefügt wurde, der im Klasse-A-Modus arbeitet, um die erforderliche Verstärkung zu erhalten.
In der Ausgangsstufe arbeiten KT9151A-Transistoren in der Klasse AB. Der Aufbau erfolgt nach einer symmetrischen Gegentaktschaltung. Auf diese Weise können Sie mit relativ einfachen Anpassungsschaltungen die Nennausgangsleistung erreichen, ohne dass ein „Feeder-Echo“ auftritt und der Pegel gerader harmonischer Komponenten nicht mehr als -35 dB beträgt. Die Nichtlinearität der Amplitudencharakteristik des Verstärkers wird für ein kleines Signal durch Auswahl der Verschiebung des Arbeitspunkts in jeder Stufe sowie durch Anpassen der Nichtlinearität im Erreger-Videomodulator ermittelt. Das Blockschaltbild eines Leistungsverstärkers für die Fernsehkanäle 21 - 60 ist in Abb. dargestellt. 3. Die Ausgangsstufe des Verstärkers ist ebenfalls nach einer symmetrischen Gegentaktschaltung aufgebaut.
Um eine breitbandige Anpassung und den Übergang von asymmetrischen zu symmetrischen Lasten zu gewährleisten, wird in den Ausgangsstufen der Verstärker der Kanäle 6 – 12, 21 – 60 ein zweigliedriger Tiefpassfilter als Korrekturschaltung eingesetzt. Die Induktivität der ersten Verbindung der Anpassungsschaltung wird in Form von Abschnitten von Streifenmikroleitungen auf Elementen der allgemeinen Topologie der Leiterplatte implementiert. Die Spulen der zweiten Verbindung sind die Anschlüsse der Transistorbasis. Der Aufbau dieser Verstärker entspricht Abb. 2 und 3. Die Leistungsaufteilung am Eingang der Verstärkerstufen und deren Addition an deren Ausgang sowie die Anpassung von Ein- und Ausgängen an eine Standardlast erfolgt über Drei-dB-Richtkoppler. Strukturell besteht jeder Koppler aus bifilaren Wicklungen (Viertelwellenleitungen) auf einem Rahmen, der in einem Abschirmgehäuse untergebracht ist. So ermöglichen moderne lineare Mikrowellentransistoren für den Haushalt die Erstellung leistungsstarker Fernsehverstärkermodule mit bis zu 250 W. Mit den Batterien solcher Module ist es möglich, die dem Antennen-Speisepfad zugeführte Ausgangsleistung auf 2 kW zu erhöhen. Als Teil der Sender erfüllen die entwickelten Verstärker alle modernen Anforderungen an elektrische Eigenschaften und Zuverlässigkeit. Leistungsstarke lineare Mikrowellentransistoren werden seit kurzem häufig beim Bau von Leistungsverstärkern für Basisstationen eines Mobilfunkkommunikationssystems eingesetzt. Aufgrund ihres technischen Niveaus können die von NIIET entwickelten Hochleistungs-Mikrowellen-Lineartransistoren als elementare Basis für die Schaffung moderner Rundfunk-, Fernseh- und anderer nationaler Wirtschafts- und Amateurfunkgeräte dienen. Literatur
Autoren: A.Assessoren, V.Assessoren, V.Kozhevnikov, S.Matveev, Voronezh
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