Компоновка блочного каркаса для усилительных модулей

Радиочастотные (РЧ) источники высокой мощности используются для решения многих прикладных задач: радио- и телевещание, связь, радары, а также в физике и медицине в качестве системы питания ускорителей заряженных частиц. Одним из важных элементов радиочастотного источника является усилитель мощности. Усилители, основанные на технологии твердотельных транзисторов, характеризуются меньшими размерами, повышенной надежностью и более высокой эффективностью по сравнению с радиочастотными источниками, основанными на вакуумных лампах, таких как клистроны, тетроды и клистроды. В настоящее время верхняя граница допустимой мощности радиочастотных транзисторов находится в области 1-1.8 кВт. Это относительно низкое значение по сравнению с клистронами, мощность которых составляет несколько мегаватт. Твердотельные усилители высокой мощности, основанные на радиочастотных транзисторах, обычно состоят из большого числа независимых усилительных модулей с несколькими радиочастотными транзисторами. Например, чтобы получить 1.5 МВт радиочастотной мощности, требуется около 1000 транзисторов на 1.5 кВт. Выходная мощность от модулей объединяется в радиочастотном объединителе мощности. Каждому усилительному модулю для работы требуется источник питания постоянного тока, входной радиочастотный сигнал, охлаждение и управление, чтобы контролировать состояние модуля и обеспечивать связь с системой управления всего усилителя. Чтобы это обеспечить, требуется множество различных кабелей, проводов, шин, шлангов и т.п.
В настоящее время у производителей теле- и радиовещательного оборудования наблюдается тенденция к унификации архитектуры усилителей. Главным образом, унификация имеет место в пределах определенного ряда усилителей, например, нескольких моделей для одного и того же частотного диапазона, в которых необходимая выходная РЧ мощность достигается с помощью определенного количества усилительных модулей. Такие усилители встречаются в продукции Nautel, Tomco Technologies и др.
Известен патент US 8189338, в котором описан твердотельный усилитель, собранный в 19'' стойке.
Другие патенты (например, ЕР 2797232 или US 9214909) описывают масштабируемую архитектуру усилителя, состоящую из большого количества модулей, системы электроснабжения, объединителя мощности и системы управления. Главный акцент вышеприведенных патентов - общее описание усилителя, при этом масштабируемость показана в общих чертах, и нет описания, как большая усилительная система может быть механически собрана с соединением множества кабелей и проводов.
Для усилителей с выходной РЧ мощностью порядка нескольких сотен ватт используется другой тип модульного и масштабируемого дизайна усилителя. Одна из таких разработок описана в патенте US 7252664. Усилитель имеет соединительную печатную плату, к которой подключаются усилительные модули и система управления. Система управления, также как и модуль, имеют модульный дизайн. Все собирается на основе стандартных блочных каркасов. Использование соединительной платы упрощает соединение компонентов системы, поскольку почти все соединения могут быть реализованы в виде дорожек на плате. При этом использование печатной платы в качестве соединительной ограничивает выходную РЧ мощность усилителя уровнем в один киловатт или менее.
Также известны патенты US 4493010A,US5131859A, US 7408775 B2, в которых используются быстроразъемные соединения для подключения блоков суперкомпьютера (US 5131859 A), водяного охлаждения электронных (US 4493010 A) и электрических (US 7408775 B2) блоков. В отличие от них данное техническое решение предназначено для использования в твердотельных РЧ усилителях большого уровня выходной мощности и включает в себя быстроразъемное соединение для выходного РЧ сигнала высокой мощности.
Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в 1) унификации блочного каркаса, его интерфейсов и блоков твердотельного усилителя большого уровня РЧ мощности (около 10 кВт и более); 2) высокой масштабируемости твердотельного усилителя и возможности усовершенствования уже поставленных усилителей; 3) возможности без изменения компоновки каркаса, стойки и конфигурации интерфейсов создавать модули специального назначения. Технический результат достигается благодаря: 1) упрощению коммуникаций между системой управления, системой жидкостного охлаждения, системой питания и усилительными модулями за счет организации коммуникации с блочным каркасом, включающем в себя несколько модулей, а не с каждым отдельным модулем; 2) использованию стандартных блочных каркасов различной высоты и глубины без необходимости вносить изменения в коммуникации с модулями.
Предлагаемая полезная модель описывает компоновку блочного каркаса, совместимого со стандартами МЭК 297 и МЭК 917, позволяющую уменьшить сложность разводки соединительных кабелей, проводов и т.п., повысить надежность и сделать более легким обслуживание усилителя за счет использования модульной и хорошо масштабируемой архитектуры.
Упрощенная схема усилителя показана на фиг. 1. Система управления 1 подает радиочастотный сигнал низкого уровня и управляющие сигналы по кабелям и проводам 7 к блочным каркасам 2. Количество блочных каркасов в усилителе зависит от выходной мощности усилительного модуля, количества модулей в блочном каркасе и требуемой мощности усилителя. Радиочастотный сигнал усиливается в усилительных модулях внутри блочных каркасов 2 и выводится в объединитель РЧ мощности 3 через РЧ кабели 6. Объединитель РЧ мощности 3 может быть одноступенчатым или многоступенчатым. Жидкостная система охлаждения 4 используется, чтобы подавать охлаждающую жидкость в блочные каркасы 2 через входные/выходные шланги или трубы 8. Система питания 5 подает питание постоянного тока в блочные каркасы 2 по токоведущей шине или проводам 9.
Вариант 1. Фронтальный вид блочного каркаса с вставленными в него усилительными модулями схематически изображен на фиг. 2. Блочный каркас 2 имеет корпус 11 высотой 4U или 6U, отвечающий стандартам МЭК 297 и/или МЭК 917, в который вставляются до восьми усилительных модулей 10. Использование корпусов другой высоты также возможно. Блочные каркасы стандартов МЭК 297 и МЭК 917 доступны от многих изготовителей, например, Rittal или Schroff. Каждый усилительный модуль 10 может задвигаться в корпус 11 и выдвигаться из него независимо от остальных по верхним и нижним направляющим (для простоты не показаны). Вид сзади блочного каркаса схематически показан на фиг. 3. Все соединительные разъемы 23, 24, 25, 26, 27, 28 размещены на задней панели 22 корпуса 11. В качестве задней панели 11 используется стандартная алюминиевая пластина, отвечающая стандарту МЭК 297 или МЭК 917, с прорезями для размещения соединительных разъемов. Применение в качестве материала пластины других материалов с достаточной механической прочностью такжевозможно. РЧ сигнал низкой мощности и управляющие сигналы от системы управления 1 поступают в соединения 26 и 27, соответственно. Это могут быть два физически отдельных соединения или одно комбинированное. Охлаждающая жидкость от системы жидкостного охлаждения 4 подается на входное соединение 24 и отводится от выходного соединения 25. Силовое питание подается от системы питания 5 на разъем или клеммы 28. Таким образом, все внешние соединения подводятся только к блочному каркасу 2, а не к каждому отдельному усилительному модулю 10. Такая компоновка позволяет минимизировать и упростить интерфейсные связи в усилителе. Усиленные РЧ сигналы от соединений 23 подаются в объединитель РЧ мощности 3 через РЧ кабели 6. Местоположение соединительных разъемов 23, 24, 25, 26, 27, 28, показанных на фиг. 3, может меняться в зависимости от конкретного дизайна усилителя.
Соединения внутри корпуса 11 блочного каркаса 2 с усилительным модулем 10 показаны на виде сбоку на фиг. 4. Внутри корпуса 11 размещена внутренняя панель 13, на которой расположены быстроразъемные соединения 14, 15, 16, 17, 18, 19 которые обеспечивают соединение с усилительными модулями 10. Штекерные части быстроразъемных соединений 14, 15, 16, 17, 18, 19 располагаются на внутренней панели 13, а гнездовые части на усилительных модулях 10. В качестве внутренней панели 13 используется стандартная алюминиевая пластина, отвечающая стандарту МЭК 297 или МЭК 917, с прорезями для размещения соединительных разъемов. Применение в качестве материала пластины других материалов с достаточной механической прочностью также возможно. Внутренняя 13 и задняя 22 панели закреплены в корпусе 11 с помощью стандартных горизонтальных рельсов 21. Расстояние между внутренней 13 и задней 22 панелями фиксированное для различных дизайнов усилителя, для унификации сборки и изготовления блочного каркаса 2.
Схематичное изображение внутренней панели 13 показано на фиг. 5. РЧ сигнал низкого уровня от соединения 26 подается на распределительную плату 20, либо непосредственно, если соединение установлено на плате, либо по РЧ кабелю 32. Распределительная плата 20 разделяет РЧ сигнал и подает его в усилительные модули 10 через быстроразъемные соединители 17. Внутри усилительных модулей 10 РЧ сигнал усиливается и выходит через быстроразъемные соединители высокой мощности 14, например, Diconex 4.5-15. Быстроразъемные соединители 14 соединены с помощью кабеля или адаптера 29 с РЧ разъемами 23, например, типа 7-16 или N, расположенными на задней панели.
Управляющие сигналы от соединения 27 подаются на распределительную плату 35, либо непосредственно, если соединение установлено на плате, либо по кабелю 33. Распределительная плата 35 разделяет управляющие сигналы и подает его в усилительные модули 10 через быстроразъемные соединители 18. Охлаждающая жидкость от входного соединения 24 подается через трубу или шланг 30 к коллектору 41, в котором она распределяется и подается в усилительные модули 10 через быстроразъемные соединения с самозапиранием 15. Нагретая жидкость от усилительных модулей 10 через быстроразъемные соединения с самозапиранием 16 отводится в коллектор 40, из которого она выводится через трубу или шланг 31 к соединению 25. Силовое питание от соединения 28 подается на распределительную плату 36, либо непосредственно, если соединение установлено на плате, либо по проводам 34. Распределительная плата 36 разделяет силовое питание и подает его в усилительные модули 10 через быстроразъемные соединители 19.
Местоположение соединительных разъемов, показанных на фиг. 5, может меняться в зависимости от конкретного дизайна усилителя. Вместо одиночных быстроразъемных соединений 15, 16, 17, 18, 19 для каждого усилительного модуля 10 возможно использование составного модульного разъема, например, производства Staubli или ODU. Вариант 2. В случае необходимости использования в составе усилителя усилительных модулей, которые имеют большие габариты, возможна модификация конструкции блочного каркаса 2 без изменения внутренней компоновки. Блочный каркас 2 имеет корпус 38, при этом габаритные размеры корпуса по высоте такие, которые необходимы для размещения усилительного модуля больших габаритов по высоте 37 (см. фиг. 6). Внутри корпуса 38 сохраняются расположение и компоновка соединений на внутренней 13 и задней панелях 22, которые крепятся с помощью стандартных горизонтальных рельсов 21, а также элементов, позволяющих распределить между усилительными модулями подводимые/отводимые входные радиочастотные сигналы, выходные радиочастотные сигналы, силовое питание, управляющие сигналы, охлаждающую жидкость. Для заполнения открытого пространства по высоте используются дополнительные пластины 39, закрепленные на горизонтальных рельсах 21.
Вариант 3. Еще одна компоновка блочного каркаса 2 используется при наличии в составе усилителя усилительных модулей большего габарита по ширине (см. фиг. 7). В этом случае внутри корпуса 11 блочного каркаса 2 устанавливается четыре усилительных модуля 12 при сохранении расположения и компоновки соединений на внутренней и задней панелях, а также элементов, позволяющих распределить между усилительными модулями подводимые/отводимые входные радиочастотные сигналы, выходные радиочастотные сигналы, силовое питание, управляющие сигналы, охлаждающую жидкость. При этом четыре неиспользуемых быстроразъемных соединения и связанные с ними элементы распределения либо не используются, либо не смонтированы.