Verstärker kennt doch jeder - Industrial Electronics GmbH
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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
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
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
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
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
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