Два разных усилителя
Слово «усилитель» в СВЧ-технике скрывает два противоположных по задаче прибора. Малошумящий усилитель (МШУ) стоит на входе приёмника и усиливает очень слабый сигнал, добавляя к нему как можно меньше собственного шума. Усилитель мощности стоит на выходе передатчика и выдаёт как можно больше мощности без искажений. У первого главный параметр — коэффициент шума, у второго — выходная мощность и линейность.
| Параметр | Малошумящий усилитель | Усилитель мощности |
|---|---|---|
| место в тракте | вход приёмника, у антенны | выход передатчика |
| главный параметр | коэффициент шума, дБ | P1dB и Pнас, дБм |
| типичное усиление | 15–50 дБ | 20–60 дБ |
| выходная мощность | милливатты | от долей до сотен ватт |
| что портит работу | потери перед усилителем, перегрузка помехой | перегрузка, нагрев, плохое согласование нагрузки |
В каталоге KADAMM усилители разделены так же: малошумящие — 141 моделей в модулях и 89 в блоках с питанием, усилители мощности — 151 модулей и 23 систем, от долей мегагерца до сотен гигагерц.
Коэффициент шума и формула Фрииса
Любой каскад добавляет к сигналу свой шум. Коэффициент шума показывает, во сколько раз ухудшается отношение сигнал/шум после каскада, в децибелах. Для цепочки каскадов действует формула Фрииса: F = F1 + (F2 − 1)/G1 + (F3 − 1)/(G1·G2) + … Шум второго и следующих каскадов делится на усиление всех предыдущих. Поэтому шум системы почти целиком определяет первый каскад — если у него есть усиление.
Пассивные потери перед приёмником — кабель, фильтр, разъёмы — это «каскад» с коэффициентом шума, равным его потерям, и отрицательным усилением. Посчитаем три схемы: приёмник с коэффициентом шума 8 дБ, кабель с потерями 5 дБ и МШУ с коэффициентом шума 1,2 дБ и усилением 23 дБ.
МШУ у антенны, до кабеля, даёт систему почти с его собственным шумом; тот же МШУ после кабеля не спасает от потерь кабеля.
Разница между первой и третьей схемой — около 11,5 дБ. На столько же увеличивается чувствительность: приёмник слышит сигнал, слабее в 14 раз. Именно поэтому МШУ ставят у антенны — в мачтовых усилителях базовых станций, в активных антеннах ГНСС, в облучателях спутниковых антенн.
Шум в числах: чувствительность
Тепловой шум на входе любого приёмника при комнатной температуре — −174 дБм на каждый герц полосы. Для полосы B шум равен −174 + 10·lg B, к нему прибавляется коэффициент шума системы, и получается минимальный уровень, который приёмник отличит от шума. Для канала LTE шириной 5 МГц:
| Схема | Шум системы | Порог при отношении сигнал/шум 0 дБ |
|---|---|---|
| кабель → приёмник | 13,0 дБ | -94,0 дБм |
| кабель → МШУ → приёмник | 6,3 дБ | -100,7 дБм |
| МШУ → кабель → приёмник | 1,5 дБ | -105,5 дБм |
Каждый децибел коэффициента шума — это децибел чувствительности, то есть дальности и надёжности связи на краю зоны. Для систем, где сигнал слаб по природе — спутниковый приём, радиоастрономия, радиолокация, — борются за десятые доли децибела, охлаждая МШУ и сокращая потери перед ним до сантиметров.
Шум, частота и полоса
На шум усилителя влияют две вещи: частота и ширина полосы. На миллиметровых волнах у транзисторов падает усиление и растут потери в цепях согласования, поэтому тихий усилитель сделать труднее. А широкая полоса заставляет жертвовать шумом ради равномерности на всех частотах. Лучший коэффициент шума малошумящих модулей KADAMM по верхней частоте рабочей полосы —
| Верхняя частота полосы | Моделей в каталоге | Лучший коэффициент шума |
|---|---|---|
| до 3 ГГц | 22 | 1,2 дБ |
| 3–18 ГГц | 66 | 0,8 дБ |
| 18–40 ГГц | 39 | 2,0 дБ |
| выше 40 ГГц | 14 | 3,0 дБ |
В группе «до 3 ГГц» много сверхширокополосных моделей, работающих от долей мегагерца, поэтому лучший результат там — 1,2 дБ, а узкополосные модели сантиметрового диапазона доходят до 0,8 дБ. Выше 18 ГГц шум растёт заметно: от 2 дБ и больше. Поэтому для миллиметрового диапазона особенно важно ставить МШУ прямо у антенны или облучателя — каждый сантиметр кабеля перед ним добавляет к шуму больше, чем на низких частотах. И если широкая полоса не нужна, узкополосный МШУ даст шум ниже.
Как выбрать МШУ
- Полоса — с запасом на все рабочие частоты; широкополосный МШУ обычно чуть шумнее узкополосного.
- Коэффициент шума — чем меньше, тем лучше; смотрите значение на верхней частоте полосы.
- Усиление — такое, чтобы перекрыть потери следующих каскадов, но не перегрузить приёмник.
- P1dB — запас по уровню входных сигналов, особенно если рядом мощные передатчики.
- Защита входа — ограничитель, если на антенну может прийти мощный сигнал.
Перегрузка хуже шума. Рядом с базовой станцией или радаром сильный сигнал вне полосы загоняет МШУ в насыщение, и чувствительность пропадает целиком. Перед МШУ в таких местах ставят фильтр или выбирают усилитель с высокой P1dB.
Усилитель мощности: P1dB и насыщение
На малых уровнях выход усилителя мощности растёт вместе со входом — на каждый децибел входа децибел выхода. С ростом мощности транзисторы подходят к пределу, усиление начинает падать, и характеристика загибается. Точка, где усиление упало на 1 дБ от линейного, — P1dB, точка насыщения, дальше которой выход почти не растёт, — Pнас. Работать у насыщения можно для сигналов с постоянной огибающей; для сигналов с меняющейся амплитудой (LTE, 5G, многочастотные) нужен запас от P1dB на несколько децибел.
Модель усилителя с усилением 30 дБ и насыщением около 40 дБм: P1dB — там, где кривая отходит от прямой на 1 дБ.
В паспортах усилителей мощности KADAMM указана одна из двух величин: P1dB — у линейных модулей, Pнас — у мощных систем для работы в насыщении. Сравнивая модели, сравнивайте одинаковые величины: Pнас обычно на 1–3 дБ выше P1dB.
Сколько мощности нужно на самом деле
Выходную мощность выбирают от потребности на антенне назад по тракту: мощность на антенне плюс потери кабеля и фильтров — это нужная мощность на выходе усилителя. Добавьте запас на отступ от P1dB для модулированного сигнала и на старение. Брать усилитель «с большим запасом» на порядок не стоит: он дороже в питании и охлаждении, а работать будет в режиме, где КПД низкий.
Линейность и интермодуляция
Когда через усилитель идут несколько несущих, его нелинейность рождает интермодуляционные продукты на частотах 2f1 − f2 и 2f2 − f1 — рядом с полезными сигналами. Их уровень описывает точка пересечения третьего порядка (OIP3): чем она выше, тем чище спектр. Для многоканальных передатчиков выбирают усилители с высокой OIP3 и работают с отступом от P1dB.
Питание, нагрев и нагрузка
Усилитель мощности превращает в тепло значительную часть потребляемой энергии, поэтому модуль ставят на радиатор, а система имеет встроенное охлаждение. Выход нельзя оставлять без нагрузки или с плохо согласованной нагрузкой: отражённая мощность возвращается на транзисторы. Для защиты на выходе ставят ферритовый вентиль или циркулятор с нагрузкой.
Усилитель для испытаний на ЭМС
На испытаниях на устойчивость к излучаемым помехам нужно создать у изделия поле заданной напряжённости — например, 10 В/м. Мощность усилителя оценивают по формуле E = √(30·P·G) / d, где P — мощность на входе антенны в ваттах, G — коэффициент усиления антенны в разах, d — расстояние в метрах. Для 10 В/м на расстоянии 3 м с антенной на 10 дБи нужно около 3 Вт, для 30 В/м — около 27 Вт; с учётом потерь кабеля, неравномерности и модуляции берут усилитель в несколько раз мощнее.
Для таких задач подходят готовые системы усилителей мощности: широкая полоса, защита от рассогласования и работа на антенну с меняющимся КСВН.
Защита входа и устойчивость
Вход МШУ — самое уязвимое место приёмника: мощный импульс от своего передатчика или соседнего радара выжигает транзистор. Поэтому в радиолокаторах и приёмопередатчиках перед МШУ ставят ограничитель мощности, а на общей антенне — циркулятор или переключатель приём/передача. У усилителей мощности своя опасность — самовозбуждение: при плохом согласовании на входе или выходе усилитель может генерировать. Качественные модули безусловно устойчивы при любом КСВН нагрузки, но проверять это лучше по паспорту.
Модуль или система
Модуль — плата в корпусе, её встраивают в изделие, обеспечив питание, теплоотвод и защиту. Система — готовый блок с блоком питания, охлаждением, индикацией и разъёмами; её подключают к генератору и нагрузке и работают. Модуль выбирают для серийного изделия, систему — для испытательного стенда, ЭМС-лаборатории и измерений.
Типовые ошибки
- МШУ поставили у приёмника после длинного кабеля — шум системы определяется кабелем.
- Два МШУ подряд с большим усилением — перегрузка следующих каскадов.
- Усилитель мощности без вентиля на рассогласованной антенне — выход из строя транзисторов.
- Сравнили P1dB одного усилителя с Pнас другого.
- Работа LTE-передатчика у насыщения — спектр расползается на соседние каналы.
Что уточнить перед выбором
- Частоты и полосу.
- Для МШУ — требуемый коэффициент шума и уровень мешающих сигналов.
- Для усилителя мощности — нужную выходную мощность, тип сигнала и требования к линейности.
- Питание, охлаждение и габариты: модуль или готовая система.
- Разъёмы входа и выхода.
Модели KADAMM
Все серии — в разделе «Усилители СВЧ и малошумящие усилители» каталога KADAMM.
| Частоты | 9 кГц – 260 ГГц |
| Моделей | 141 |
| Частоты | 10 кГц – 67 ГГц |
| Моделей | 89 |
| Частоты | 100 кГц – 230 ГГц |
| Моделей | 151 |
| Частоты | 20 МГц – 43 ГГц |
| Моделей | 23 |