References

creexp

Crede Experto: транспорт, общество, образование, язык

Crede Experto: transport, society, education, language

2312-1327

Иркутский филиал ФГБОУ ВО «МГТУ ГА»

10.51955/2312-1327_2025_1_46

creexp-159

Research Article

СИСТЕМЫ АВИАЦИОННОЙ РАДИОСВЯЗИ, РАДИОЛОКАЦИИ, РАДИОНАВИГАЦИИ И МЕТОДЫ ИХ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Управление транзисторными ключами в усилителях радиостанций АЗН-В режима 4

Transistor switches driving in ADS-B / mode 4 amplifiers

https://orcid.org/0009-0007-0929-6011

Степанов

Ф. М.

Stepanov

F. M.

Федор Михайлович Степанов,соискательул. Пилотов, 38, Санкт-Петербург, 196210, Россия

Fedor M. Stepanov, applicant38, Pilotov Street, Saint Petersburg, 196210, Russia

stepanovfm@yandex.ru

Санкт-Петербургский государственный университет гражданской авиации имени Главного маршала авиации А.А. НовиковаРоссияSt. Petersburg State University of Civil Aviation named after Air Chief Marshal A.A. NovikovRussian Federation

2025

30112025

014663

2025

Степанов Ф.М.

Stepanov F.M.

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.

https://ce.if-mstuca.ru/jour/article/view/159

Построение высокоэффективных средств связи, наблюдения и навигации с применением ключевых усилителей мощности (КУМ) требует пересмотра традиционных подходов к схемотехнике радиопередающих устройств. Параметры физического уровня систем автоматического зависимого наблюдения-вещания (АЗН-В) с использованием линий передачи данных режима 4 (ЛПД режима 4) теоретически позволяют использовать КУМ в составе своих передатчиков. Особенно важную роль подобное улучшение играет в связи с процессами интеграции беспилотных воздушных судов (БВС), на борту которых ограничены запасы энергии, в общее воздушное пространство.Одной из важных задач в рамках конструирования таких средств радиотехнического обеспечения полётов, работающих в ОВЧ диапазоне (в первую очередь бортовых, но также и наземных), является определение подходов в управлении транзисторными ключами усилителя мощности, исходя из критериев эффективности, стабильности и возможности обеспечения различных режимов работы ключевого усилителя. Выработаны требования к устройству управления с учётом стандарта для физического уровня ЛПД режима 4. Даётся заключение об оптимальных решениях, пригодных к построению передатчика VDL-4 с ключевым усилителем мощности, открывая перспективы увеличения коэффициента полезного действия (КПД) более 90% по сравнению с сегодняшними значениями, не превышающими 46%.

Design process of highly efficient means of communication, surveillance and navigation using switch-mode amplifiers requires a revision of traditional approaches to the circuitry of radio transmitting devices. The parameters of the physical layer of ADS-B systems using VHF datalink mode 4 (VDL-4) theoretically allow the use of switch-mode amplifiers as part of their transmitters. Such an improvement plays a particularly important role in the context of integrating unmanned aerial vehicles (UAV) with limited energy reserves on board into the general airspace.One of the important tasks in the design of such radio technical support for flights operating in the VHF range (primarily onboard, but also ground-based) is to determine approaches to control transistor switches of a power amplifier based on the criteria of efficiency, stability and the ability to provide different operation modes of the switch-mode amplifier. Requirements for the control device have been developed taking into account the standard for the physical layer of VHF datalink mode 4. A conclusion is given on the optimal solutions suitable for building a VDL-4 transmitter with a switch-mode power amplifier, opening up prospects for increasing the efficiency of more than 90%, compared to today’s not exceeding 46%.

ЛПД ОВЧ режима 4ключевой усилитель мощностирежимы (DDEE)устройство управленияинтегральная микросхема

VHF mode 4 LPDswitch-mode power amplifiermodes (DDEE)control deviceintegrated circuit

References1

Алипов A. C. Новая классификация транзисторных усилителей мощности / A. C. Алипов, В. Б. Козырев // Труды LX научной сессии, посвященной Дню радио. М.: Изд. журнала «Радиотехника», 2005. Т. 2. С. 101-104.

Ahmadi M. A., Ghandi S. (2018). A Class-E Power Amplifier With Wideband FSK Modulation for Inductive Power and Data Transmission to Medical Implants. IEEE Sensors Journal. (99): 1-1. DOI 10.1109/JSEN.2018.2851605.

Алипов А. С. Исследование и разработка ключевых усилителей мощности для высокоэффективного СЧ передатчика цифрового радиовещания: специальность 05.12.13 «Системы, сети и устройства телекоммуникаций»: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Алипов Антон Сергеевич. Москва, 2006. 203 с. EDN NOJXUP.

Alipov A. C., Kozyrev V. B. (2005). A new classification of transistor power amplifiers. Proceedings of the LX Scientific Session dedicated to Radio Day. Moscow: Journal «Radiotechnika» Publishing, 2005. 2: 101-104. (in Russian)

Варламов О. В. Разработка коротковолнового ключевого усилителя мощности с раздельным усилением составляющих однополосного сигнала / О. В. Варламов, В. Н. Громорушкин, В. Г. Лаврушенков // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2011. Т. 5, № 9. С. 42-44. EDN OPIESZ.

Alipov A. S. Research and development of key power amplifiers for high-efficiency MF digital broadcasting transmitter: specialty 05.12.13 "Systems, networks and telecommunications devices": dissertation for the degree of Candidate of Technical Sciences / Anton Sergeevich Alipov. Moscow, 2006. 203 p. EDN NOJXUP. (in Russian)

Дьяконов В. П. Сверхскоростная твердотельная радиоэлектроника. Т. 1: Приборы общего назначения. М.: ДМК Пресс, 2013. 601 с.

Analog Devices. ADF7020-1 High Performance FSK/ASK Transceiver IC: Data Sheet. Rev. A. (2018). Available at: https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/datasheets/ADF7020-1.pdf. (accessed 12 June 2024).

Зудов Р. И. Расширение полосы перестройки частоты ключевых усилителей мощности класса DE, предназначенных для радиопередающих устройств диапазона ВЧ : специальность 05.12.04 «Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения» : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Зудов Роман Игоревич, 2019. 149 с. EDN HHHMRW.

Calculation of Power Loss (Synchronous). (2016). Available at: https://fscdn.rohm.com/en/products/databook/applinote/ic/power/switching_regulator/power_loss_appli-e.pdf (accessed 24 October 2024).

Иванюшкин Р. Ю. Компьютерное моделирование ключевых усилителей мощности классов D и DE для передатчиков цифрового радиовещания диапазона ОВЧ / Р. Ю. Иванюшкин, М. Н. Терешин // Радиоэлектронные устройства и системы для инфокоммуникационных технологий - РЭУС-2020, Москва, 27–29 мая 2020 года. М.: Российское научно-техническое общество радиотехники, электроники и связи им. А.С. Попова, 2020. С. 122-126. EDN DXSCBL.

Dyakonov V. P. (2013). Ultra-high-speed solid-state electronics. Vol. 1: General-purpose devices. Moscow: DMK Press, 2013. 601 p. (in Russian)

Кириллов В. В. Широкополосный усилитель мощности X-диапазона на транзисторах AlGaN/GaN / В. В. Кириллов, П. А. Туральчук // Электроника и микроэлектроника СВЧ. 2018. Т. 1. С. 371-375. EDN XUGJDF.

Ivayushkin R. Y., Tereshin M. N. (2020). Computer simulation of key power amplifiers of classes D and DE for transmitters of digital broadcasting in the UHF range. Electronic Devices and Systems for Infocommunication Technologies - REDS-2020. Moscow: Russian Scientific and Technical Society of Radio Engineering, Electronics and Communications named after A.S. Popov. 122-126. EDN DXSCBL. (in Russian)

Кищинский А. А. Сверхширокополосные твердотельные усилители мощности СВЧ диапазона: схемотехника, конструкции, технологии // Электроника и микроэлектроника СВЧ. 2018. Т. 1. С. 4-13. EDN XUGIFN.

Kirillov V. V., Turalchuk P. A. (2018). Broadband power amplifier of the X-band on AlGaN/GaN transistors. Electronics and Microwave Microelectronics. 1: 371-375. EDN XUGJDF. (in Russian)

Красько А. С. Компараторы // Схемотехника аналоговых электронных устройств. Томск: Издво «В-Спектр», 2006. С. 149-151.

Kishchinsky A. A. (2018). Ultra-wideband solid-state power amplifiers of the microwave range: circuitry, constructions, technologies. Electronics and Microwave Microelectronics: Proceedings of the VII All-Russian Conference. SPb.: Publishing house of SPbGETU "LETI", 2018. 4-13. (in Russian)

Нгуен Д. К. Имитационная модель для исследования работы ключевых ВЧ-усилителей мощности с раздельным усилением составляющих на узкополосную нагрузку / Д. К. Нгуен, О. В. Варламов // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2022. Т. 14, № 2. С. 10-18. DOI 10.36724/2409-5419-2022-14-2-10-18. EDN CAFGOC.

Kras'ko A. S. (2006). Comparators. Semiconductor Circuit Engineering. Tomsk: V-Spectr Publishing, 2006. 149-151. (in Russian)

Степанов Ф. М. Анализ вариантов улучшения эффективности оконечных каскадов передатчика VDL-4 // Вестник Санкт-Петербургского государственного университета гражданской авиации. 2024. № 2(43). С. 123-131. EDN HVQDQR.

Nguyen D. K., Varlamov O. V. (2022). A simulation model for studying the operation of key RF power amplifiers with separate amplification of components on a narrowband load. High-Tech Technologies in Space Research of the Earth. 14(2). 10-18. DOI 10.36724/2409-5419-2022-14-2-10-18. EDN CAFGOC. (in Russian)

Степанов Ф. М. Конструкторские задачи по построению эффективного передатчика VDL-4 / Ф. М. Степанов // Состояние и основные тенденции развития гражданской авиации : Сборник материалов II Международной молодежной научно-практической конференции, СанктПетербург, 25–26 апреля 2024 года. Санкт-Петербург: Санкт-Петербургский государственный университет гражданской авиации им. главного маршала авиации А.А. Новикова, 2024. С. 86-91. EDN OJWPWW.

Silicon Laboratories Inc. Si446x - High-Performance, Low-Current Transceiver: Data Sheet. Rev (2020). Available at: https://www.silabs.com/documents/public/data-sheets/Si446x.pdf. (accessed 12 June 2024).

Титце У. Полевой транзистор в качестве управляемого резистора / У. Титце, К. Шенк // Полупроводниковая схемотехника. 12-е изд. Том I: Пер. с нем. М.: ДМК Пресс, 2008. С. 209-213.

Stepanov F. M. (2024). Analysis of options for improving the efficiency of final stages of the VDL4 transmitter. Bulletin of Saint Petersburg State University of Civil Aviation. 2(43): 123-131. EDN HVQDQR. (in Russian)

Треймут Н. А. Энергетические и спектральные характеристики усилителя мощности класса Е в режиме модуляции // [Электронный ресурс]. – 2023. URL: https://elib.spbstu.ru/dl/3/2023/vr/vr23-5777.pdf (дата обращения: 06.05.2024).

Stepanov F. M. (2024). Design tasks for building an efficient VDL-4 transmitter. Proceedings of the II International Youth Scientific and Practical Conference on the State and Main Trends in the Development of Civil Aviation. Saint Petersburg: Saint Petersburg State University of Civil Aviation named after Chief Marshal of Aviation A.A. Novikov, 2024. Pp. 86-91. EDN OJWPWW. (in Russian)

Ahmadi M. A. A Class-E Power Amplifier With Wideband FSK Modulation for Inductive Power and Data Transmission to Medical Implants / M. A. Ahmadi, S. Ghandi // IEEE Sensors Journal. 2018. № 99. pp. 1-1. DOI 10.1109/JSEN.2018.2851605.

Texas Instruments. LMH7220 Ultra Low Power, 1.8V, 115 MHz Rail-to-Rail Output Comparator: Data Sheet. Rev. (2013). Available at: https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lmh7220.pdf. (accessed 20 June 2024).

Analog Devices. ADF7020-1 High Performance FSK/ASK Transceiver IC: Data Sheet. Rev. A. // [Электронный ресурс]. – 2018. URL: https://www.analog.com/media/en/technicaldocumentation/data-sheets/ADF7020-1.pdf. (дата обращения: 12.06.2024).

Tietze U., Schenk K. (2008). The Field Transistor as a Controllable Resistor. Semiconductor Circuit Technology. 12th ed. Vol. I: Trans. from German. Moscow: DMK Press, 2008. Pp. 209-213. (in Russian)

Calculation of Power Loss (Synchronous). // ROHM Co., Ltd. // [Электронный ресурс]. – 2016. URL: https://fscdn.rohm.com/en/products/databook/applinote/ic/power/switching_regulator/power_loss_appli-e.pdf (дата обращения: 24.10.2024).

Tong R., Bengtsson O., Olsson J. (2021). Kilowatt Power Amplifier With Improved Power Back-Off Efficiency for Cyclotron Application. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 69(12): 5483-5491. DOI 10.1109/TMTT.2021.3134957.

Silicon Laboratories Inc. Si446x - High-Performance, Low-Current Transceiver: Data Sheet. Rev // [Электронный ресурс]. – 2020. URL: https://www.silabs.com/documents/public/datasheets/Si446x.pdf. (дата обращения: 12.06.2024).

Treimut N. A. (2023). Energy and spectral characteristics of class E power amplifier in modulation mode. Available at: https://elib.spbstu.ru/dl/3/2023/vr/vr23-5777.pdf (accessed 06 May 2024). (in Russian)

Texas Instruments. LMH7220 Ultra Low Power, 1.8V, 115 MHz Rail-to-Rail Output Comparator: Data Sheet. Rev. // [Электронный ресурс]. – 2013. URL: https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lmh7220.pdf. Дата обращения: 20.06.2024.

Varlamov O. V., Gromorushkin V. N., Lavrushenkov V. G. (2011). Development of an HF keying power amplifier with separate amplification of single sideband signal components. T-Comm: Telecommunications and Transport. 5(9): 42-44. EDN OPIESZ. (in Russian)

Tong R. Kilowatt Power Amplifier With Improved Power Back-Off Efficiency for Cyclotron Application / R. Tong, O. Bengtsson, J. Olsson // IEEE Transactions on Microwave Theory and Technique. 2021. vol. 69, no. 12, pp. 5483-5491. DOI 10.1109/TMTT.2021.3134957.

VHF air-ground and air-air Digital Link (VDL) Mode 4 radio equipment; Technical characteristics and methods of measurement for aeronautical mobile (airborne) equipment; Part 1: Physical layer. ESTI EN 302 842-1. 2015. 21 p.

Zudov R. I. Expansion of the frequency tuning range of class DE power amplifiers designed for HF radio transmitting devices: specialty 05.12.14 «Radio engineering, including television systems and devices»: dissertation for the degree of Candidate of Technical Sciences / Zudov Roman Igorevich. Saint Petersburg, 2019. 149 p. (in Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.