Praktyczne rozważania dotyczące rozszerzenia systemu do testów odporności w.cz. do 6 GHz

Podejście klasyczne

Rys. 1. Parametry najczęściej proponowanych wzmacniaczy i anten przy rozbudowie systemu 1-6 GHz

W zakresie wzmacniaczy w rozszerzanym nowym paśmie 1-6 GHz najczęściej proponowane są dwa wzmacniacze: pierwszy 1-4 GHz typu półprzewodnikowego oraz drugi 4-6 GHz typu półprzewodnikowego lub TWT (Travelling Wave Tube).

W zakresie anten rozszerzenie najczęściej polega na zastąpieniu starej anteny (80 MHz do 1 GHz) anteną szerokopasmową do 4 GHz. Kolejna antena pokrywa wyższy zakres częstotliwości od 4 do 6 GHz. Takie podzielenie pasma między dwie anteny, choć konieczne ze względów technicznych, niesie za sobą wiele problemów, które są opisane na rysunku 1.

Rysunek 1 przedstawia możliwości wzmacniaczy i anten dla narażeń o natężeniu pola 10 V/m z odległości 3 m. Pierwsza antena pokrywa pasmo 80 MHz-4 GHz. Dla tej anteny moc muszą dostarczać dwa wzmacniacze. Pierwszy wzmacniacz półprzewodnikowy, istniejący w uaktualnianym systemie (niezaznaczony na rys. 1), dostarcza moc w zakresie 80 MHz - 1 GHz, natomiast drugi dodatkowy wzmacniacz (zaznaczony) w zakresie 1-4 GHz.

Typowe dla anteny rożkowej (horn antenna) jest to, że potrzebuje ona największej mocy tylko w części zakresu 1-4 GHz. Krzywa na rysunku przedstawia wymaganą moc na przyłączu anteny rożkowej, aby wytworzyć pole o natężeniu 10 V/m z odległości 3 m z modulacją amplitudową i zapasem 3 dB. Zatem wadą takiej konfiguracji jest duża i niewykorzystana moc wzmacniacza powyżej 1,5-2 GHz.

Również wzmacniacz TWT pracujący w zakresie 4-8 GHz jest nieoptymalny z punktu widzenia mocy i częstotliwości. Tylko połowa pasma częstotliwości wzmacniacza jest wykorzystana. Ponadto zapas mocy jest o wiele za duży, niż wymaga tego kompensacja niskiej liniowości wzmacniacza TWT i jego nieodporności na duże wartości mocy odbitej.

Należy zwrócić uwagę, że 200-watowy wzmacniacz TWT powinien pracować przy połowie mocy, aby pracować w zakresie liniowym, i około ¼ mocy, aby poradzić sobie z dużymi niedopasowaniami. Alternatywnie do TWT można by zastosować 60-watowy wzmacniacz półprzewodnikowy 4-8 GHz, który będzie miał lepsze dopasowanie mocy, ale wciąż połowa pasma i znaczna część mocy będzie niewykorzystana.

Podejście alternatywne

Rys. 2. Zoptymalizowane parametry proponowanych wzmacniaczy i anten przy rozbudowie systemu 1–6 GHz

Rysunek 2 przedstawia alternatywne podejście do zagadnienia bazującego na fakcie, że zapotrzebowanie na moc dla anteny rożkowej znacząco spada powyżej 1-2,5 GHz, następnie nieznacznie spada w przedziale 2,5-6 GHz. Dlatego częstotliwość około 2,5 GHz wydaje się sensownym punktem podziału pasma częstotliwości.

Sensowne wydaje się z punktu widzenia ekonomicznego zastosowanie jednej nowej anteny rożkowej w paśmie 1-6 GHz, przy zachowaniu istniejącej anteny 80 MHz-1 GHz. Zakładając, że istnieje odpowiedni zapas mocy, aby spełnić nowe wymagania co do liniowości zawarte w trzeciej edycji normy, istniejący wzmacniacz 80 MHz-1 GHz może być wykorzystany do zasilania anteny. W przeciwnym wypadku wzmacniacz powinien być zastąpiony przez wersję o większej mocy. Zatem dwa wzmacniacze półprzewodnikowe pokrywające zakres 1-6 GHz zasilają tylko jedną antenę rożkową.

Można zauważyć na rysunku 2, że takie podejście jest bardziej optymalne z punktu widzenia dostarczenia mocy do anteny. Bazując na takim podejściu, Milmega opracowała wzmacniacz dwuzakresowy Dual-Band z wewnętrzną przełącznicą w.cz.

W przeciwieństwie do tradycyjnego podejścia, gdzie zastosowanie osobnych wzmacniaczy pociąga za sobą konieczność instalowania zewnętrznych przełącznic w.cz. i stosunkowo długich kabli, stosowanie wzmacniaczy Milmega typu Dual-Band ze zintegrowaną przełącznicą daje oszczędności finansowe oraz zmniejszenie strat mocy spowodowane brakiem konieczności stosowania zewnętrznych przełącznic i dodatkowych, często długich kabli połączeniowych.

Wszystkie moce znamionowe tych wzmacniaczy podawane są jako moc P1dB (tzw. moc jednodecybelowa). Przykładowo znamionowa moc wzmacniacza 75 W oznacza minimalną moc P1dB = 75 W w paśmie 0,8-2,5 GHz). Parametr P1dB jest ważnym parametrem przy projektowaniu systemu do odporności, gdyż gwarantuje, że wzmacniacz nigdy nie nasyci się więcej niż 2 dB.

Rozważaniom należy poddać również kable w.cz. łączące wzmacniacz i antenę. Źle dobrany kabel z uwagi na swoją długość (stratność) i zakres częstotliwości może zniweczyć pozytywne właściwości charakterystyk anten rożkowych. Podstawową zasadą jest minimalizacja długości tego kabla. Kable łączące generator i wzmacniacz nie są aż tak krytyczne, gdyż straty na kablu można zazwyczaj skompensować większym poziomem wyjściowym generatora.

Przełącznica w.cz. może być wymagana jedynie do przełączania między starym, istniejącym wzmacniaczem a nowym zoptymalizowanym wzmacniaczem. Zazwyczaj oprogramowanie pozwala na w pełni automatyczne przełączanie między wzmacniaczami podczas testów. Należy również dążyć do minimalizacji długości połączeń w.cz. między elementami systemu.

Zagadnienia związane z projektowaniem i rozbudową systemów do testów odporności na pola w.cz. są bardzo złożone. Konieczne jest uwzględnienie nie tylko technicznych możliwości aktualnie dostępnych anten i wzmacniaczy na rynku, ale również czynnika ekonomicznego.

mgr inż. Grzegorz Urbaniak
Astat sp. z o.o.
www.astat.com.pl/emc