61 848 88 71
info@astat.plCzy można sobie wyobrazić świat bez urządzeń elektronicznych? Dzisiejsze elektroniczne gadżety, maszyny i urządzenia stały się integralną częścią naszego życia. Jest to najbardziej widoczne w przypadku ostatnich osiągnięć technologicznych, takich jak drony, mobilny Internet, urządzenia medyczne, Internet rzeczy (IoT) i pojazdy autonomiczne. Wynikiem tego jest zwiększony poziom szkodliwych zakłóceń elektromagnetycznych. Zakłócenia te powodują bardzo różne skutki, zaczynając od niewielkich uciążliwości, a kończąc na całkowitej awarii produktów lub systemów.
Dawniej dobór wzmacniacza do badań kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) był oparty głównie na doświadczeniach inżynierów oraz na informacjach rozproszonych wśród członków branży EMC. Trzeba pamiętać, że prawidłowy dobór wzmacniacza EMC jest ważnym krokiem w osiągnięciu wymaganych poziomów RF. Należy także uwzględnić, że jakość i wsparcie są równie ważne, jak parametry urządzenia przy wyborze wzmacniacza. Przestoje spowodowane awariami sprzętu często oznaczają spowolnienie pracy laboratorium testowego, co wpływa na jego rentowność i harmonogramy pracy klientów, których skutki są wymierne i możliwe do policzenia. Ważne jest, aby właściwie zrozumieć poniższe kwestie i podjąć właściwą decyzję biorąc pod uwagę poniższe aspekty:
- wspólne standardy testowania EMC,
- definicje specyfikowanych parametrów wzmacniaczy,
- rodzaje wzmacniaczy,
- inne kwestie.
Normy badań EMC
EMC można zdefiniować jako zdolność systemu lub sprzętu do działania w przewidzianym środowisku pracy bez doznania niedopuszczalnego i niezamierzonego obniżenia, lub zmiany funkcjonalności urządzenia z powodu zaburzeń elektromagnetycznych. Zagrożenia dla systemu mogą być zarówno naturalne, jak i spowodowane przez człowieka oraz mogą być podzielone na cztery główne rodzaje testów:
- odporność na zaburzenia promieniowane (Radiated Immunity),
- emisja zaburzeń promieniowanych (Radiated Emissions),
- odporność na zaburzenia przewodzone (Conducted Immunity),
- emisja zaburzeń przewodzonych (Conducted Emissions).
Limity i poziomy stosowane w tych testach są zdefiniowane w różnych normach i przyjęte przez różne organizacje. Produkty muszą spełniać wymagania określone w tych normach, ponieważ bezpieczeństwo użytkowników urządzeń zależy także od tego, czy produkty będą działać zgodnie z przeznaczeniem.
W wielu przypadkach wybór wzmacniacza jest podyktowany wymaganiami normy. Dodatkowo użytkownik końcowy często będzie miał swoje specyficzne i wyjątkowe wymagania, które mogą być równie ważne jak normy przemysłowe. Poniżej przedstawiono standardy powszechnie stosowane w takich sektorach jak: wojsko, lotnictwo, motoryzacja i komercyjny:
Odporność na zaburzenia promieniowanie
IEC 61000-4-3: Komercyjne
MIL-STD-461, RS103: Komponenty wojskowe
MIL-STD-464: Systemy wojskowe
DO-160, sekcja 20: Lotnictwo
ISO 11451, ISO 11452-2: Przemysł samochodowy
Emisja zaburzeń promieniowanych
CISPR 11, 22, 25, 32: Komercyjne
MIL-STD-461, RE102: Komponenty wojskowe
DO-160, sekcja 21: Lotnictwo
FCC część 15
Odporność na zaburzenia przewodzone
IEC 61000-4-6: Komercyjne
MIL-STD-461, CS114: Komponenty wojskowe
DO-160, sekcja 20: Lotnictwo
ISO 11452-4: Automotive
Emisje zaburzeń przewodzonych
CISPR 11, 22, 25, 32: Komercyjne
MIL-STD-461, CE101, CE102: Komponenty wojskowe
DO-160, sekcja 21: Lotnictwo
Definicje specyfikacji wzmacniaczy
Wybór wzmacniacza jest podyktowany również wymaganiami standardu. Dodatkowe wymagania stawia użytkownik końcowy systemu, które także muszą być uwzględnione i spełnione w zakresie doboru sprzętu. Poniżej przedstawiono standardy powszechnie stosowane w takich sektorach jak: wojskowy, lotniczy, motoryzacyjny i konsumencki:
| Parametr | Definicja | Znaczenie |
|---|---|---|
| Charakterystyka częstotliwościowa | Zakres częstotliwości pracy | Wzmacniacze są przeznaczone do pracy tylko w tym określonym paśmie częstotliwości. Niektóre wzmacniacze półprzewodnikowe mogą pracować poza tym pasmem ze znaczną redukcją mocy (rysunek 1). Inaczej jest w przypadku wzmacniaczy lampowych TWT, które mają bardziej stromą krzywą częstotliwości podcięcia (rysunek 2). |
Rysunek 1: Przykład poziomu mocy wyjściowej wzmacniacza półprzewodnikowego w funkcji częstotliwości |
||
Rysunek 2: Przykład poziomu mocy wyjściowej wzmacniacza TWT w funkcji częstotliwości |
||
| Parametr | Definicja | Znaczenie |
| Znamionowa moc wyjściowa | Definicja pojęcia "moc znamionowa" różni się w zależności od producenta. Niektórzy producenci definiują ją jako moc wyjściową dla danej mocy wejściowej w całym paśmie pracy, inni definiują ją jako moc nasycenia wzmacniacza. Istnieją również inne definicje, których używają producenci. Kluczową kwestią jest zapoznanie się z definicją stosowaną przez danego producenta. | Ważne jest, aby zwracać uwagę na definicję producenta, ponieważ jego definicja mocy znamionowej może nie spełniać wymagań użytkownika. Na przykład, jeśli wymagana jest moc liniowa, a producent podaje inną wartość niż P1dB, należy dobrać wzmacniacz zgodnie ze specyfikacją P1dB, a nie mocy znamionowej. Z drugiej strony, niektórzy producenci mogą określać moc znamionową na poziomie P1dB, pozostawiając dodatkową moc dostępną dla zastosowań, w których liniowość nie jest krytyczna. |
| Moc wyjściowa P1dB | Moc generowana przez wzmacniacz w 1dB punkcie kompresji | Ważna wartość znamionowa mocy dla aplikacji, w których istnieją surowe wymagania dotyczące liniowości (IEC / EN). Może być uważana za górną maksymalną granicę mocy liniowej. Nasycenie wzmacniacza wzrasta po przekroczeniu P1dB. |
Rysunek 3: Przykład poziomów P1dB i P3dB dla 50U1000 |
||
| Poziom harmonicznych | Stosunek mocy wyższej harmonicznej do mocy częstotliwości podstawowej | Wiele specyfikacji testowych wymaga co najmniej -6 dBc. Ważne jest, aby wybrany wzmacniacz nie wnosił zniekształceń harmonicznych większych niż wymagane przez normę. Standardem dla wzmacniaczy półprzewodnikowych jest poziom mniejszy niż -20 dBc. |
Rysunek 4: Przykład harmonicznych wzmacniacza |
||
| Parametr | Definicja | Znaczenie |
| Wzmocnienie | Współczynnik wzmocnienia, zwany również wzmocnieniem, to wartość opisująca, w jakim stopniu wzmacniacz analogowy zwiększa siłę sygnału. Współczynniki wzmocnienia są zwykle wyrażane w kategoriach mocy. | Wiele czynników wpływających na wzmocnienie wzmacniacza to m.in. moc wyjściowa, rozmiar oraz moc wymagana do pracy wzmacniacza. Wzmocnienie jest nazywane S21 w terminologii parametrów S |
| Płaskość wzmocnienia | Określa, jak bardzo może zmieniać się wzmocnienie wzmacniacza w określonym zakresie częstotliwości. | Wahania płaskości wzmocnienia wzmacniacza mogą powodować zniekształcenia sygnałów przechodzących przez wzmacniacz. |
| Wydajność | Stosunek mocy wyjściowej do całkowitego poboru mocy | Chociaż wzmacniacze klasy A są z natury mniej wydajne niż wzmacniacze innych klas, techniki projektowania mogą poprawić wydajność wzmacniacza. Wzmacniacze o wysokiej sprawności są mniejsze i wymagają mniejszej mocy wejściowej niż inne wzmacniacze o równoważnej znamionowej mocy wyjściowej, lecz o niższej sprawności. |
| Zdolności do pracy impulsowej | Ograniczenia dotyczące szerokości impulsu, częstotliwości impulsów i cyklu pracy | Wzmacniacze impulsowe SSPA i TWT wytwarzają wyższą moc szczytową niż moc CW. |
| Modulacja (AM, FM, PM) | Okresowa zmienność właściwości sygnału. | Podczas gdy istnieje wiele rodzajów modulacji RF stosowanych w dzisiejszym świecie, istnieje kilka konkretnych modulacji stosowanych przez normy testowe EMC w celu przybliżenia rzeczywistych zagrożeń, takich jak modulacja impulsowa (PM) i modulacja amplitudowa (AM). Konieczne jest, aby wzmacniacz używany w testach był w stanie wiernie odtworzyć wymaganą modulację bez zmiany lub dodania zniekształceń zewnętrznych. |
| Tolerancja niedopasowania | Zdolność wzmacniacza do pracy w stanie niedopasowanymi obciążeniami, a tym samym z różnym poziomem mocy odbitej | W zastosowaniach EMC, szczególnie przy niższych częstotliwościach, przetworniki (anteny / zaciski / itp.) mogą być bardzo słabe dopasowane (mieć inną impendancję niż 50 Ohm). Podczas testów, ważne jest, aby wzmacniacz niezależnie od niedopasowania dostarczał moc do obciążenia i chronił się przed uszkodzeniem przez moc odbitą. |
Wymagania dotyczące wejść i wyjść wzmacniacza
Wzmacniacze RF osiągają swoją maksymalną moc wyjściową najczęściej przy podaniu mocy wejściowej sygnału 1 mili W (poziom 0 dBm). Nie jest to jednak regułą w przypadku różnych producentów dla tego należy sprawdzić ten parametr.
Głównym zadaniem wzmacniacza RF jest zwiększenie mocy sygnału bez jego zniekształcenia. Inaczej mówiąc, największy wpływ na poziom wyjściowy mocy wzmacniacza ma moc sygnału wejściowego. Zbyt wysoka moc sygnału podana na wejście wzmacniacza może spowodować nasycenie wzmacniacza, którego efektem będzie skompresowanie sygnału wyjściowego. Dla sygnałów wejściowych małej mocy wzmacniacz pracuje w liniowym zakresie pracy i nie generuje zniekształceń. Praca wzmacniacza w nieliniowym zakresie powoduje zniekształcenia sygnału. W punkcie 1dB kompresji (P1dB) może wystąpić lekkie spłaszczenie sygnału sinusoidalnego na górze i na dole. W miarę jak wzmacniacz jest dalej wprowadzany większe nasycenie, pojawiają się dodatkowe zniekształcenia i ostatecznie sygnał wyjściowy przybiera kształt bardzie przypominjący prostokąt (patrz rysunek 5). Punkty kompresji 1 dB (P1dB) i 3 dB (P3dB) są pokazane na rysunku 6.
Sinusoidalny sygnał wejściowy o dużej mocy
Skompresowany i zniekształocny sygnał wyjściowy
Rysunek 5: Przykład nasycenia wzmacniacza
Rysunek 6: Charakterystyka wzmacniacza (zależność sygnału wyjściowego od wejściowego)
Zniekształcenia powodują powstawanie nowych niepożądanych sygnałów o częstotliwościach nieobecnych w sygnale podanym na wejście wzmacniacza. Te dodatkowe sygnały można zaobserwować za pomocą analizatora widma, który pozwala na pomiary sygnałów w dziedzinie częstotliwości. Rysunek 7 przedstawia efekt doprowadzenia wzmacniacza TWT do stanu nasycenia. Na rysunku tym widać, że wyższa harmoniczna ma tylko nieznacznie mniejszą amplitudę w porównaniu z sygnałem podstawowym. Sytuacja ta powoduje problemy dla inżyniera przeprowadzającego badanie polegające na narażaniu urządzenia sygnałem probierczym (napięciem, prądem zaburzeń, lub polem elektrycznym) . Przy takim scenariuszu, jeśli EUT zakłuci się podczas badania odporności inżynier nie będzie wiedział, czy przyczyną awarii był sygnał podstawowy, czy jego wyższa harmoniczna. Wzmacniacz w stanie nasycenia będzie generował wiele wyższych harmonicznych, które mogą zakłócać badane urządzenie, a to praktycznie uniemożliwia określenie, która częstotliwość była przyczyną zakłócenia. Najczęściej stosowane mierniki mocy i sondy pola są szerokopasmowymi urządzeniami pomiarowymi, które wyświetlają wartość zarejestrowaną w całym paśmie częstotliwości pracy. Na wartość zmierzoną będą wpływać: harmoniczna podstawową, wyższe harmoniczne i zakłócenia. Może to sprawić, że pomiar mocy wyjściowej wzmacniacza lub generowanego pola elektrycznego będzie dodatkowym wyzwaniem.
Rysunek 7: Obraz sygnału podstawowego i harmonicznych
Rodzaje wzmacniaczy EMC
Wzmacniacze EMC możemy podzielić na grupy takiej jak: półprzewodnikowe (Solid State), lampowe z falą bieżącą (TWT), przeznaczone do pracy z mocą ciągłą (CW), do pracy z sygnałami impulsowymi (Puls) oraz ze względu na klasę - Klasa A i Klasa AB.
Wzmacniacze klasy A i klasy AB
Wzmacniacze pracujące w klasie A i klasie AB mają swoje mocne i słabe strony. Wzmacniacze klasy A są najbardziej wytrzymałe. Zapewniają najwyższy poziom tolerancji niedopasowania obciążenia, a to zjawisko często się zdarza przy testach EMC z użyciem anten lub sprzęgów sygnałów RF jak np. sieci CDN. W sytuacji niedopasowania obciążenia dochodzi do odbić znacznej ilości mocy RF, na które musi być przygotowany wzmacniacz mocy RF. Wzmacniacze klasy A odznaczają się lepszą liniowością i mniejszymi zniekształceniami harmonicznymi w porównaniu do innych klas wzmacniaczy.
Wzmacniacze klasy AB posiadają także swoje zalety. Koszt wzmacniacza jest niższy niż wzmacniaczy klasy A. Wzmacniacze klasy AB jest również na ogół mniejszy i lżejszy. Wzmacniacze te znacznie lepiej nadają się do aplikacji z dopasowanymi obciążeniami.
W poniższej tabeli przedstawiono zestawienie różnic pomiędzy wzmacniaczami klasy A i klasy AB.
| Charakterystyka | Wzmacniacz klasy A | Wzmacniacz klasy AB |
|---|---|---|
| Zniekształcenia wyjściowe | Niskie zniekształcenia, najwyższa liniowość | Wyższe zniekształcenia, słaba liniowość |
| Koszt | Wzmacniacz będzie bezpiecznie pracował bez uszkodzeń bez względu na niedopasowanie obciążenia | Do ochrony wzmacniacza przed zniszczeniem na skutek niedopasowania obciążenia stosuje się ograniczniki mocy wyjściowej. Powyżej określonego poziomu niedopasowania ogranicznik obniża moc wyjściową wzmacniacza. |
| Rozmiar/Waga | Większe/ cięższe | Mniejszy/Lżejszy |
| Budowa | Potrzeba więcej komponentów do odprowadzenia ciepła. | Mniej komponentów chłodzących |
| Współczynnik mocy AC do mocy RF | Mniej wydajny | Bardziej wydajny |
Wzmacniacze TWT
Przez wiele lat, podczas realizacji systemów mikrofalowych badań odporności promieniowanej w zakresie kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) wzmacniacze lampowe z falą bieżącą (wzmacniacze TWT lub TWTA) były jedynym wyborem zapewniającym odpowiednio szeroki zakres częstotliwości i mocy wyjściowej. TWT są w większości przypadków tańszym rozwiązaniem w porównaniu do wzmacniaczy półprzewodnikowych. Ich unikalne właściwości pozwalają na stosowanie ich w trybie impulsowym, co może obniżyć całkowitą wymaganą moc średnią i zmaksymalizować moc szczytową, a tym samym jeszcze bardziej obniżyć koszty. Wzmacniacze TWT mają też swoje wady. Wytwarzają one wysokie harmoniczne, mają wyższy poziom szumu bazowego, dłuższy czas realizacji zakupu, dłuższy czas naprawy i niższą niezawodność niż wzmacniacze półprzewodnikowe. Niektóre zaawansowane TWT łączą wiele lamp razem, aby zmniejszyć zawartość harmonicznych i zwiększyć całkowitą moc. Innym rozwiązaniem pozwalającym na redukcję harmonicznych jest zastosowanie filtrów na wyjściu wzmacniacza. Należy pamiętać, że użycie filtrów zawsze powoduje straty, które muszą być brane pod uwagę przy doborze mocy wzmacniacza. Filtry także trzeba przełączać podczas pracy wzmacniacza, jeżeli chcemy korzystać z całego dostępnego zakresu pracy. Kolejną kwestią jest współczynnik VSWR związany z filtrami, który może powodować zadziałanie układu ograniczającego moc wyjściową przy dużych odbiciach.
Wzmacniacz impulsowy półprzewodnikowy
Niedogodności związane z użytkowaniem impulsowych wzmacniaczy TWT mogą być złagodzone poprzez użycie półprzewodnikowych wzmacniacze impulsowe. Oferują one wysokie poziomy mocy RF, które mogą konkurować z poziomami osiąganymi przez wzmacniacze wykonane w technologii TWT. Aby sprostać wielu standardom i wymaganiom użytkowników nowoczesne półprzewodnikowe wzmacniacze impulsowe posiadają różne zakresy częstotliwości pracy i poziomy mocy wyjściowej. Te półprzewodnikowe wzmacniacze impulsowe oferują wyższą niezawodność, lepszą odporność na niedopasowania, znacznie mniejsze zniekształcenia harmoniczne i są bardziej trwałe (mają lepszy MTBF - Mean Time Between Failure) niż wzmacniacze TWT.
Wzmacniacze dwuzakresowe
Jeśli wzmacniacz jednopasmowy nie jest dostępny w pożądanym paśmie częstotliwości, atrakcyjnym rozwiązaniem może być wzmacniacz dwuzakresowy. Wzmacniacz dwuzakresowy składa się z dwóch wzmacniaczy połączonych w jedną obudowę z pojedynczym interfejsem sterującym, wejściem i wyjściem RF oraz dwoma szerokościami pasma pracy pokrywającymi w sposób ciągły cały wymagany zakres częstotliwości. Takie podejście pozornie upraszcza konfigurację testu.
Podczas gdy na pierwszy rzut oka systemy ze wzmacniaczami dwuzakresowymi wydają się uproszczaniem, bliższe przyjrzenie się takiemu rozwiązaniu daje już mniej optymistycznie wnioski. Dwa moduły we wzmacniaczu dwupasmowym mogą mieć wspólne zasilanie, reszta systemu jest skomplikowana, ponieważ składa się nie z jednego, ale z dwóch złożonych modułów wzmacniacza.
Co więcej, wymagane są dodatkowe przełączniki RF, okablowanie i złącza, które będą niekorzystnie wpływały na wyjścia obu modułów wzmacniaczy RF. Te dodatkowe elementy zwiększają tłumienność wtrąceniową toru mocy i mogą nie stanowić problemu przy niższych częstotliwościach, ale będą dawały o sobie znać przy wyższych częstotliwościach poprzez zwiększenie strat i obniżenie wydajności. Ponadto jednoczesne generowanie sygnału w całym paśmie jest niemożliwe ze względu na wymagane przełączanie z jednego pasma częstotliwości na drugie.
Rysunek 10 i rysunek 11 przedstawiają odpowiednio schematy blokowe wzmacniaczy jedno- i dwuzakresowych.
Rysunek 10: Podstawowy schemat wzmacniacza jednozakresowego
Rysunek 11: Podstawowy schemat wzmacniacza dwuzakresowego
Tranzystory
Tranzystory użyte we wzmacniaczu są jego głównym elementem. Mogą one dostarczyć wskazówek na temat konstrukcji i powinny stanowić jeden z aspektów przy wyborze wzmacniacza RF. Przez lata stosowano różne technologie tranzystorowe, w tym LDMOS, GaAs i GaN i wiele innych. Podczas gdy każda z tych technologii ma swoje wady i zalety, technologia GaN stała się bardziej powszechna na rynku. Zaletą GaN jest większa gęstość mocy niż w przypadku innych technologii, co przekłada się na większą moc wzmacniaczy i mniejsze gabaryty w porównaniu do wzmacniaczy o podobnej mocy wykonanych z tranzystorów w innej technologii. Duża moc jest jednym z głównych parametrów decydujących o powodzeniu w wykonywaniu narażeń w badaniach EMC.
Zgodność wzmacniacza z przepisami
Prawie zawsze zapomina się o tym, jak ważna jest zgodność produktu z przepisami prawnymi. Niezwykle ważne jest, aby wzmacniacze przechodziły testy bezpieczeństwa, EMC i substancji niebezpiecznych. Nie wszyscy producenci wzmacniaczy zobowiązali się do zachowania zgodności z przepisami obowiązującymi na całym świecie. Z tego powodu, niektórzy producenci nie są w stanie dystrybuować swoich produktów do niektórych regionach świata. Nawet w regionach, które nie wymagają takiej zgodności, ważne jest, aby spełnić te wymagania dla wszystkich produktów w celu zmniejszenia potencjalnych szkód dla użytkowników i środowiska. Sprzęty są testowane przez niezależne zewnętrzne laboratoria w zakresie oceny produktów pod kątem międzynarodowych standardów bezpieczeństwa i EMC, więc nie ma wątpliwości, co daję większą wiarygodność spełnienia wymagań w porównaniu z producentami, którzy decydują się na przeprowadzanie ocen wewnętrznych.
Zastosowania wielosygnałowe/wielotonowe
W przypadku planowania użycia wielu sygnałów/tonów lub złożonych przebiegów w celu przyspieszenia testów i lepszego odwzorowania rzeczywistych zagrożeń najbardziej odpowiednim wyborem jest pojedynczy wzmacniacz szerokopasmowy, a nie wzmacniacz wielozakresowy lub zestaw wielu wzmacniaczy. Wzmacniacz szerokopasmowy może wzmacniać wszystkie sygnały jednocześnie, podczas gdy wzmacniacz wielozakresowy może wymagać wielu wejść i wyjść. Aby dowiedzieć się więcej na temat testów Multi-Tone, zapoznaj się z materiałami na stronie
Podsumowanie
Istnieje wiele czynników, które należy rozważyć przy wyborze wzmacniacza. Głównymi wytycznymi są aktualnie obowiązujące wymagania i przyszłe zmiany wprowadzane w zakresie norm wojskowych, lotniczych, samochodowych, urządzeń medycznych i wielu innych. Po określeniu standardu zgodnie z którym urządzenie musi być testowane, ważne jest, aby rozważyć też inne czynniki podczas procesu wyboru wzmacniacza takie jak: klasa pracy wzmacniacza, która jest nierozerwalna z jakością sygnały wyjściowego oraz niezawodnością sprzętów.