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6-2018

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Titelstory

Titelstory Feldgeneratoren bis 40 GHz in Halbleitertechnik Bild 1: AA18G26-20 Bild 2: AA26G40-20 Traditionell erfolgt die Erzeugung von elektrischen Lowlevel-Feldern im Frequenzband von 18...40 GHz mit Wanderfeldröhren- Verstärkern (TWTA) Sie liefern aber meist viel mehr Energie, als zur Generierung der erforderlichen Feldstärken benötigt wurde. Daher ist die Verwendung von TWTAs eine teure Lösung, weil viel unnötige Energie erzeugt wird. AR rf/microwave Instrumentation bietet jetzt mit den felderzeugenden Systemen der Serie AA eine Lösung für dieses Problem, da sie Feldstärken von bis zu 50 V/m in den Bändern 18...26,5 GHz und 26,5...40 GHz liefern können. Ein AA-System besteht aus einem Halbleiter- Verstärker und einer Antenne, die in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht werden, das sich dann mit einer Rack-montierbaren Stromversorgung und einem HF-Router koppeln lässt. Grundlagen der AA-Serie Die Produkte der AA-Serie wurden als preisgünstige und hoch zuverlässige Lösung für das jahrzehntealte Problem entwickelt, teure und unzuverlässige TWT-Verstärker zur Generierung kleiner hochfrequenter Felder verwenden zu müssen. Üblicherweise wird im 18...26,5 GHz- (K-Band) sowie im 26,5...40 GHz-Bereich (Ka- Band) eine TWTA eingesetzt, die sich in Bezug auf die HF- Leistung mit etwa 40 Watt als kleinstmögliche Lösung für Feldstärken bis 200 V/m anbietet. Bis vor kurzer war dies die einzige Lösung zur Erzeugung elektrischer Felder in diesen Frequenzbändern. Bis zu diesem Zeitpunkt gab es für diesen Frequenzbereich keine Halbleiter- Verstärker mit entsprechenden HF-Ausgangsleistungen. Dies hat sich jedoch geändert, als AR begann, das Potential der neuesten technologischen Entwicklungen zu maximieren. Die Komponenten der AA-Serie können in den Bereichen von 18...26,5 GHz und 26,5...40 GHz in knapp einem Meter Abstand Feldstärken von bis zu 50 V/m generieren. Dabei liegen die Kosten für die neuen Low-Power TWTA bei nur knapp einem Drittel des bisherigen Preises! Man muss auch berücksichtigen, dass Störungen oder Defekte in den bisherigen TWTAs - bedingt durch die oft lange Reparaturzeit – zu monatelangen Ausfällen führten. Die neue Halbleiter- Lösung bietet dagegen eine deutlich höhere MTBF (Mean Time between Failures) und wesentlich kürzere Reparaturzeiten. Die Typen AA18G26 und AA26G40 bestehen je aus einer Antenne, die zusammen mit einem Halbleiter-Verstärker, einem ausreichend großen Kühlkörper und einer Übertemperatur-Fehlererkennung eine Einheit bilden. Durch den Anschluss der Antenne direkt am Verstärker, konnten AR rf/microwave Instrumentation: Application Note #75: AA- Series Field generating Systems www.arworld.us Modellnummer Frequenzbereich (GHz) Garantiert Feldstärke (V/m) Größe des Leuchtflecks (m) AA18G26-20 18...26 20 0,31 x 0,31 AA18G26-50 18...26 50 0,14 x 0,17 AA26G40-20 26...40 20 0,29 x 0,32 AA26G40-50 26...40 50 0,15 x 0,17 Tabelle 1: Optionen der AA-Serie 28 hf-praxis 6/2018

Titelstory Bild 3: AA 1000 Vorderseite die Kabel-Verluste eliminiert werden, so dass die maximale Verstärkerleistung an die Antenne geliefert werden kann. In jedem Frequenzband stehen zwei Optionen zur Verfügung: Die -20 und die -50 Optionen geben die garantierte minimale Feldstärke (20 V/m 50 V/m) an, die jede Einheit liefert. Um die Kosten zu minimieren, nutzt die AA-Serie vor allem den Antennengewinn, statt durch höhere Verstärkerausgangsleistungen die erforderlichen Feldstärken zu erreichen. Tabelle 1 zeigt im Überblick alle verfügbaren AA- Felderzeugungseinheiten mit ihren zugehörigen Frequenzbereichen, Feldstärken und Antennen-Spot-Größen. Als Schnittstelle zu den AA18G26 und AA26G40 Modellen steht das Interface AA1000 (Bild 3) zur Verfügung. Es leitet die HF zum Verstärker weiter, sorgt für die erforderliche Gleichspannungsversorgung und enthält die interne Kühlung für alle Modelle der Serie AA. HF empfängt der AA1000 von einer externen Signalquelle und verteilt das Signal über einen Schalter. Er führt auch eine automatische Abschaltung durch, wenn Störungen erkannt werden. Fehler werden durch Überwachung der DC-Endstufe und des Lüfters ermittelt. Die DC-Leistung wird durch interne Netzteile generiert und an die Einheit über Twinax- Kabel weitergeleitet. Sie wird entweder von der Frontplatte aus oder durch Fernbedienung über GPIB, RS232, Glasfaser, USB und Ethernet gesteuert. Eine System-Verriegelung ist ebenfalls vorhanden. Mit der AR EMC Software Suite, emcware, kommuniziert ein AA-System in der gleichen Weise wie ein AR-Verstärker. Damit ist die einfache Integration in die Testeinrichtung eines Labors möglich. Bei allen diesen beschriebenen Möglichkeiten ist die Implementaion mit Komponente der AA-Serie sehr einfach. Bild 4 zeigt ein einfaches Blockschaltbild des Setups. Alle orangefarbenen Geräte werden von AR angeboten. Wie bereits erwähnt, wurde die AA-Serie als zuverlässige, kostengünstige Lösung für Tests bei niedrigen Feldstärken in den Bereichen 18...26,5 GHz und 26,5...40 GHz entwickelt. Dies umfasst eine Vielzahl von Anwendungen. In erster Linie erfüllt die AA-Serie mehrere Anforderungen von RS103 nach MIL-STD-461, wobei besonders die folgenden Plattform- Testwerte erfüllt werden können: Bild 4: Blockschaltbild der Serie AA • Schiffe (Metall) (unter Deck) - 10 V/m • Schiffe (nichtmetallisch) (unter Deck) - 10 V/m • U-Boote (intern) 10 V/m • Landfahrzeuge & Komponenten - 50 V/m • Luft- & Raumfahrtausrüstung - 20 V/m Alle diese Anforderungen sind mit minimalen Änderungen am typischen Testaufbau für RS 103 zu erfüllen. Es sollte darauf hingewiesen werden, dass diese Änderungen, die sich aus Verwendung von Geräten der AA- Serie ergeben, akzeptabel sind gemäß MIL-STD-461. Bild 5 zeigt ein typisches RS103 Test- Setup unter Verwendung von Komponenten der AA-Serie. RS103 ist nicht die einzige Anwendung für die AA-Serie. Ein weiteres Beispiel ist 5G, von dem bekannt ist, dass es wegen der hohen Bandbreite im Ka-Band arbeiten wird. Andere Kommunikationsarten, wie Bild 5: MIL-STD-461RS103 Test Setup unter Verwendung von Modellen der AA-Serie die Satellitenkommunikation, bewegen sich bereits in die K- und Ka-Bänder, um die höhere Geschwindigkeit und die größere Bandbreite zu nutzen. Viele aktuelle und zukünftige Radar- Anwendungen gibt es auch in den K- und Ka-Bändern. Schlussfolgerung AR hat eine neue Lösung für Prüfung der Störfestigkeit von 18 bis 40 GHz entwickelt. Die felderzeugenden Systeme der AA-Serie können Feldstärken von bis zu 50 V/m in den Bereichen 18 ... 26,5 GHz und 26,5...40 GHz liefern. Produkte der AA-Serie verwenden, statt TWTAs, Verstärker in Halbleitertechnologie als zuverlässigere und kostengünstigere Option gegenüber traditionellen Lösungen. Darüber hinaus wird durch den Einsatz von AR emcware das gesamte System gesteuert und wie jeder andere AR-Verstärker überwacht, wodurch die gesamte Bedienung für den Testingenieur sehr einfach wird. ◄ hf-praxis 6/2018 29

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