Verstärker kennt doch jeder - Industrial Electronics GmbH

Die Seite wird erstellt Jens Roth
 
WEITER LESEN
Verstärker kennt doch jeder - Industrial Electronics GmbH
Verstärker

HF- und Mikrowellen-Leistungsverstärker – die Hochleistungsantriebe im Signalpfad

Verstärker kennt doch jeder…

                                                                         Familie AM5: Breitband-50-W-Multifunktionsverstärker

                                                                         Auswahl möglicher Aufgaben-          • Harmonics
                                                                         lösungen einen „Entscheidungs-       • Einfügedämpfung
                                                                         baum“ aufzustellen und diesen        • sonstige elektrische Spezifi-
                                                                         systematisch abzuarbeiten. Für          kationen für die Anwendung
                                                                         welche Arbeitsbedingungen
                                                                         muss mein Verstärker ausge-          HF-Sicherheitseigen-
                                                                         legt sein? Schauen wir uns den       schaften:
Familie AM4: UHF/VHF-Multifunktionsverstärker
                                                                         Baumstamm und seine Äste an:         • B eschädigungsfreiheit bei
                                                                                                                 Open- und Short-Circuit-
       In diesem Artikel             Kleinsignal- und Leistungs-         Signalarten:                            Betrieb, bedingungslose Sta-
     möchten wir keine               verstärker sind in vielfältigsten
                                                                         • CW                                   bilität
                                     Ausführungen im Markt zu fin-
   neuen Verstärker mit              den. Wir betrachten hier vorran-    • moduliert                         • Gleichspannung am Eingang
 technisch interessanten             gig gehäuste Verstärker höherer     • Pulsapplikationen mit Duty
                                     Leistungen mit Schraub- oder           Cycle x%                          Anschlusstechnik:
           Eigenschaften
                                     Hohlwellenleiter-Anschlüssen                                             • HF-Anschlusstyp
     vorstellen, sondern             – Verstärker in modularer Bau-
                                                                         Frequenz:
                                                                                                              • DC-Anschlüsse
          grundsätzliche             weise oder in 19-Zoll-Rack-         • Frequenzbereich                   • Netzanschluss
            Kriterien bei            Gehäusen, wie sie in vielfäl-       • Bandbreite
                                     tigsten Anwendung zu finden                                              Spannungsversorgung:
        der Auswahl des              sind, etwa in Einrichtungen der     Leistung, Verstärkung und
                                                                                                              • Netz/Spannungstoleranz
 Verstärkers für „meine              Kommunikationstechnik, in           mehr:
                                                                                                              • interne Versorgung (Batterie/
    Anwendung“ näher                 Systemen der Forschung und          • Ausgangsleistung                     Akku)
                                     Entwicklung, in zivilen und mili-   • Verstärkung
             betrachten.             tärischen Radaranwendungen,
                                                                                                              • externe DC-Versorgung (Buch-
                                                                         • Noise                                sentyp)
                                     der Luftfahrt, Partikelbeschleu-
                                     nigern... die Liste könnte weiter
                                     fortgeschrieben werden.
                                     Für zahlreiche Anwendungen
                                     genügen „Standardverstärker“,
                                     Produkte, die einmal entwickelt
                                     wurden und fortan als „Katalog-
                                     ware“ für Jedermann verfügbar
                                     sind. Für höhere Anforderungen
                                     jedoch, welche die Spezifika-
                                     tionen eines Standardprodukts
                                     nicht mehr abdecken, werden
                                     sehr komplexe kundenspezi-
                                     fische Verstärker-Designs ent-
                                     wickelt, die manchmal an die
                                     gerade geltenden Grenzen des
                                     physikalisch Machbaren gehen.

                                     Ich benötige einen
                         Autor:      Verstärker – wie finde
               Wolfgang Uhlig
         Industrial Electronics/     ich den richtigen?
          Microwave Amplifiers       Analytisch erfahrene Anwender Familie AM43: modularer Verstärker für SchmalbandaAnwendungen im
              w.uhlig@ie4u.de        haben sich angewöhnt, bei der Frequenzbereich 3...15 GHz

HF-Einkaufsführer 2020/2021                                                                                                                25
Verstärker kennt doch jeder - Industrial Electronics GmbH
Verstärker

Familie AM61: 1,4-kW-X-Band-Treiberverstärker                            Familie AM75: Videoüberwachungs-Transmitter-Verstärker im
                                                                         Luftfahrteinsatz

                                                                         • MIL-Standards                     • S tandard-Designs „off-the-
                                                                                                                 shelf“ sowohl in schmal- wie
                                                                         • Raumfahrt-Qualifizierung
                                                                                                                 auch breitbandigen Ausfüh-
                                                                         Vorgenannte Punkte sind grund-          rungen
                                                                         sätzliche Kriterien für die Ent-
                                                                         scheidung, welcher Verstärker        Bei diesen Verstärkern stößt man
                                                                         für mein Projekt in Frage kommt.     bei der Auswahl jedoch auf Lei-
                                                                         Eine nachfolgende detailliertere     stungsgrenzen, wenn Werte von
Familie AM61: 800-W-X-Band-Klystron-Treiberverstärker                    Spezifikation ist für eine Ent-      mehreren 100 W gefordert sind.
                                                                         scheidung meistens zusätzlich        In der Regel handelt es sich um
Mechanische                           • Kühlkonzept: natürliche Kon-    nötig oder sinnvoll.                 Verstärker, die nicht auf spezielle
Spezifikationen:                         vektion, Luft- oder Flüssig-                                         Anwendungen hin entwickelt
                                         keitskühlung                                                         wurden. Das Preisniveau liegt
• Gewicht                                                               Was bietet der Markt?
• Abmessungen                                                                                                üblicherweise im Durchschnitt
                                      Besondere
• Robustheit                                                            Schaut man nun auf das große         und im „unteren Bereich“.
                                      Umweltspezifikationen:
• Modulbauweise mit oder ohne                                           Marktangebot im Bereich der
                                      • Umgebungstemperatur             Leistungsverstärker, hat man         • hochspezialisierte kundenspe-
   Kühlkörper
                                      • Luftfeuchte                     die Auswahl zwischen:                   zifische Designs, exakt auf die
• 1 9-Zoll-Rack-Version inkl.        • Flughöhe
   Stromversorgung/Netzteil zum
   Einbau in Elektronikschränke       Besondere
                                      Gehäusespezifikationen:
Kühlkonzept und
thermisches Management:               • IP-Anforderungen
                                      • Druckstabilität
• Welche Maßnahmen für gutes
  Thermo-Management muss ich          Besondere Testerfordernisse/
  vorsehen?                           Zulassungskriterien:

Familie AM76: SAR-Transmitter-Verstärker zum Einsatz im erdnahen Orbit   Familie AM81: IMD-Testsystemverstärker für mobile Kommunikation

26                                                                                                          HF-Einkaufsführer 2020/2021
Verstärker kennt doch jeder - Industrial Electronics GmbH
Verstärker

Familie AM85: L-Band-1-kW-Pulsverstärker

 spezifischen Anforderungen      Baugröße, Anschlusstechnik Familie AM87: Wassergekühlter 500-W-CW-S-Band-Leistungsverstärker
 hin entwickelt                  etc. Diese Sonderanfertigungen
                                 sind naturgemäß hochpreisig von 400 bis 20.000 MHz ab bei Die Verstärkerfamilien
Diese erfüllen alle für die spe- angesiedelt.                     Leistungen von 2 bis 20.000 W.
zifische Anwendung gefor-                                                                          Seit Firmengründung wurden
derten Bedingungen hinsichtlich Welche Alternativen               Der Gedanke war: Der Kunde kontinuierlich neue Verstärker-
Signalart, Verstärkung, Leistung                                  soll „seinen Verstärker“ erhal- plattformen, initiiert durch Kun-
                                 gibt es?                         ten, ein technisch hochwertiges denanforderungen, entwickelt.
mit den damit verbundenen elek-
trischen Parametern, Bauform, Gibt es den „genau passenden“ Produkt und dies zu einem Preis Derzeit stehen 30 Hauptfami-
                                 Verstärker zum erschwing- der nicht durch hohe, immer wie- lien mit diversen Unterfamilien,
                                 lichen Preis? Hier steigen wir derkehrende Basisentwicklungs- speziell ausgerichtet auf die spe-
                                 etwas weiter in das Konzept der kosten belastet wird.             zifische Signalart (CW, Pulse,
                                 Design-Familien ein. Microwave                                    mixed signal) oder Leistungs-
                                 Amplifiers Ltd. in Bristol, U.K. Mit dem „Familienmodell“ lässt
                                 begann bereits vor 25 Jahren das sich das Durchlaufen des gesam-
                                 Konzept der „Design-Familien“ ten Entwicklungszyklus´ elegant
                                 zu entwickeln mit der Idee, vermeiden. Die „Familien“ sind
                                 weder auf Flexibilität im tech- die Basis, die technischen Anfor-
                                 nischen Angebot durch die Fest- derungen definieren das „Fami-
                                 legung auf „Standardprodukte“ lienmitglied“. Das ausgewählte
                                 verzichten zu müssen noch bei „Familienmitglied“ wird bei der
                                 neuen Kundenanforderungen Herstellung mit den speziellen
                                 jedesmal ein Design von Grund Eigenschaften versehen. Vor
                                 auf neu beginnen zu müssen.      allem bei der Anfertigung eines
                                                                  kundenspezifischen Einzelstücks
                                 Derzeit decken die Verstärker- wirkt sich dies auf die Kosten
                                 familien einen Frequenzbereich (NRE) positiv aus.

Familie AM96: Holographischer                                                                              Familie AM96: Holographischer
Radar-Transmitter-Verstärker                                                                               Radar-Transmitter-Verstärker zum
(rückseitige Ansicht)                Familie AM51: modularer 100-W-Verstärker für allgemeine Anwendungen   Schrankeinbau

HF-Einkaufsführer 2020/2021                                                                                                               27
Verstärker kennt doch jeder - Industrial Electronics GmbH
Verstärker

                                                                        Blick ins Innere des Instrumentenchassis´

Familie AM61: 12-GHz-Module, eingebaut in 19-Zoll-Instrumentenchassis   sprechenden Iterationsschritten tiver Komponenten im Labor
                                                                        entsteht ein belastbares Design. unterzogen. Es folgen mit den
klasse für die exakte Anpassung       • Formfaktor der Neuentwick-                                       Prototypen Stresstests unter ver-
                                                                        Kritische Einzelkomponenten schiedensten Kriterien.
an die Kundenanforderungen im            lung
                                                                        werden nach klassischem Ver-
Portfolio.
                                      • thermische Belastungsgrenzen fahren auf Evaluationboards Das Ziel ist eine Familienplatt-
Aus diesen skalierbaren Design-          bei variablen Bauformen        aufgebaut und einzeln vermes- form von höchster Robustheit
Plattformen (Familien) entstan-                                         sen und getestet.                 und Zuverlässigkeit für die
den im Laufe der Jahre mehrere        • und diverse sonstige Kriterien                                   zukünftige Gestaltung vielfa-
tausend völlig individuelle kun-                                        Die ersten, teils konkurrierenden cher und anspruchsvoller kun-
denspezifische Verstärkermo-          Im nachfolgenden Schritt wer- Basicboard-Designs werden rea- denspezifischer Varianten. Der
delle. Doch nicht nur das: Her-       den State-of-the-Art-Designtools lisiert, hardware-technisch aus- Einsatz der jeweils modernsten
vorgerufen durch interessante         für die Simulation des Design- gerüstet und ausführlichen Tests Design- und Simulationssoft-
Kundenwünsche, entstanden in          Konzepts eingesetzt. Nach ent- unter Einsatz diverser alterna- ware sowie ein entsprechender
den letzten Jahren neue Design-
Plattformen für hohe Leistungs-
bereiche bis in den kW-Bereich
wie auch für Applikationen, die
hohe Leistung bei hohen Fre-
quenzen verlangen.

Entwicklungsschritte
von Familien-Design-
Plattformen
Jeder Entwicklung einer neuen
Plattform gehen Grundsatzüber-
legungen voraus mit Abwägung
der möglichen Verstärkermodifi-
kationsmöglichkeiten unter den
Aspekten:
• aktuellste Bauteile mit höchster
  Energiedichte
• Einsatz der optimalen FET-
  Technologie für die neue Platt-
  form: GaN, GaAs, LDMOS...
• verfügbares Bauteilspektrum in
  Frequenz und Leistung
• Roadmap
• D esign-Variationsmöglich-
  keiten für verschiedene Signal-
  arten
• Effizienz                        Familie AM89: Blockdiagramm einer 5,7-GHz/500-W-Struktur

28                                                                                                           HF-Einkaufsführer 2020/2021
Verstärker kennt doch jeder - Industrial Electronics GmbH
Verstärker

moderner Messgerätepark für         Vorteile auf den Punkt                 „kundenspezifischen“ Verstär-       • Versorgungsspannungen
die Tests sind dabei selbstver-     gebracht                               kers die hohe Individualisierbar-   • Bauformen/Verpackungen
ständlich.                                                                 keit des Plattformmodells aus:      Weitere Vorteile bietet die modu-
                                    Welche Vorteile ergeben sich
                                    für den Anwender von Design-           Skalierung der elektrischen         lare Struktur, wenn in Kunden-
Multifunktionalität                                                        Eigenschaften auf:                  systemen Gruppen von Ver-
durch Flexibilität im               Plattform-Verstärkerfamilien?
                                                                           • exakte Arbeitsfrequenz –         stärkern für unterschiedliche
Basicdesign –                    Der Vorteil liegt in der Vielfalt                                             Aufgaben jedoch mit gleichem
                                 von modularen, skalierbaren                  schmal- oder breitbandig
ein Beispiel                                                               • Leistung
                                                                                                               Formfaktor und Abmessungen
                                 Typfamilien. Der Anwender                                                     verbaut sind.
Wir möchten einen Verstärker kann schnell aus einer Matrix-                • Verstärkung
der Familie AM96 als extremes darstellung der verschiedenen                • Signalverhalten                  Ändern sich plötzlich beim
Beispiel für die Modifizierbar- Verstärkerfamilien grob den Typ            • sowie alle sonstigen gewünsch-   Anwender technische Anfor-
keit des Basis-Designs in zwei „eingrenzen“/abschätzen, der                   ten beeinflussbaren Parameter    derungen in Systemen, brau-
völlig unterschiedlichen Anwen- seine Bedürfnisse erfüllen kann.                                               chen mit diesem Konzept nur
                                                                           Integration der modularen           die Verstärker ausgetauscht zu
dungen betrachten:                                                         mechanischen Optionen wie:
                                 Nach Beistellen der Spezifi-                                                  werden, die für die neue Anwen-
1. Verstärker in CW-Ausfüh- kation seiner speziellen tech-                 • Kühltechnik                      dung geforderten abweichenden
rung für die Prüfung von HF- nischen Anforderungen wirkt                   • Anschluss-/                      Eigenschaften besitzen müs-
Strukturen                       sich dann für die Herstellung des           Verbindungstechnik                sen. ◄
Dieser Klasse-AB-Verstärker
ist auf dauerhafte Bereitstel-
lung von hoher Leistung bis 1
kW bei 3,9 GHz ausgelegt. Er
kann jedoch auch als Pulsver-
stärker dienen. Hierbei werden
die Spezifikationen/technischen
Grenzen für das Pulsverhalten
durch die bei diesem Aufbau
verwendeten diskreten Bauele-
mente und deren Belastbarkeit
bestimmt. Das Kühlkonzept ist
selbstverständlich auf die hohen
Leistungen ausgelegt – sowohl
Luft wie auch Flüssigkeitsküh-
lung sind möglich. Die Span-
nungsversorgung erfolgt nach
Kundenvorgabe.
2. Ausführung als reiner Puls-
verstärker für den Betrieb bei
einem sehr geringen Duty-Cycle
bei 3,9 GHz
Für diesen Verstärker wurden
extreme Anforderungen an die
Pulseigenschaften verlangt.
Durch Modifikation des Grund-
Designs mit anderen Kompo-
nenten und mit einer speziellen
Ansteuerungstechnik für die
Pulsvoreinstellungen werden ein
Puls mit steilen Anstiegsflanken,
ein flacher Pulsverlauf über die
Pulsdauer sowie ein scharfer
Abfall erreicht. Eine weitere
Besonderheit: Aus fünf dieser
Module entstand nach Kombi-
nation der Ausgänge ein 5-kW-
Pulsverstärker.
Dies ist nur ein Beispiel der
vielfältigen Möglichkeiten, wie
skalierbare modulare Verstärker-
plattformen für sehr unterschied-
liche Einsatzbereiche modifiziert
werden können.                      Beispiele zu Poweramplifier-Familien

HF-Einkaufsführer 2020/2021                                                                                                                  29
Verstärker kennt doch jeder - Industrial Electronics GmbH Verstärker kennt doch jeder - Industrial Electronics GmbH Verstärker kennt doch jeder - Industrial Electronics GmbH Verstärker kennt doch jeder - Industrial Electronics GmbH Verstärker kennt doch jeder - Industrial Electronics GmbH
Sie können auch lesen