Methods to Achieve Competitive Methods to Achieve Competitive Solid State Replacement of ...

63 Pages·2011·3.04 MB·English

MMeetthhooddss ttoo AAcchhiieevvee CCoommppeettiittiivvee 
Solid State Replacement of Traveling 
Wave Tube Amplifier (TWTA) 
IImmpplleemmeennttaattiioonnss
Scott Behan
VVPP EEngiineeriing
CAP Wireless
1
The semiconductor industry continues to mature higher frequency 
andd hhiighher power ddeviice ttechhnollogiies andd geomettriies iintto MMMMIICCs 
with multi‐watt performance. Efficient, novel combination of these 
devices enables the promise of successfully high power, solid state 
ppower ampplifier ((SSSPA)) solutions that can supppplant travelingg wave 
tube amplifiers (TWTAs) in many applications.
This presentation discusses the merits and challenges, along with 
the disadvantages of replacing tubes with SSPAs.  Several 
archhiittecttures, iinclluddiing ttraddiittiionall priinttedd ciircuiitt bboardd, non 
traditional three dimensional circuit board, waveguide, and spatial 
combining are presented along with specific strengths and 
weaknesses of each apppproach.  
Performance results of several non‐traditional combining methods 
are presented.
2
VVaaccuuuumm EElleeccttrroonn DDeevviicceess ((VVEEDDss)) 
have defined high power 
microwave capability 
TWTAs and other vacuum devices have 
historically been used to provide high power 
microwave amplification 
Narrow and Broad Band
Watts to Megawatts
Frequencies to >100 GHz
3
TTuubbee AAddvvaannttaaggeess
HHiigghh PPoowweerr,, ffrreeqquueennccyy aanndd bbaannddwwiiddtthh
Limited alternatives
Higgh Efficiencyy
Compact power to volume ratio
Tolerant of higgh ambient tempperatures
Low Current – small wire diameters
EEffffeeccttiivvee PPuullssee – LLooww DDuuttyy FFaaccttoorr,, HHiigghh PPeeaakk 
Power 
Radiation resistant ((Sppace))
4
TTWWTTAA DDiissaaddvvaannttaaggeess
DDwwiinnddlliinngg ssuuppppllyy bbaassee
CPI
L3
Thales
E2V
TTeelleeddyynnee
Perceived Reliability and Robustness Issues
Degassing
Repair Costs
Single Point Failure
High Voltage Power Supplies
5
TTWWTTAA DDiissaaddvvaannttaaggeess
HHiigghh TThheerrmmaall NNooiissee OOuuttppuutt
Warm Up Time
PPoooorr iinnhheerreenntt lliinneeaarriittyy
AM‐AM and AM‐PM
PPoooorr SSttaabbiilliittyy oovveerr ttiimmee
Storage – Degassing issues
DDiiffffiiculltt tto RRepaiir
Poor Gain/Power Flatness vs Frequency
6
SSeeaarrcchh ffoorr AAlltteerrnnaattiivveess
Search for RF and microwave higgh ppower alternative 
technologies has existed since tubes were first used
IMPATT (IMPact ionization Avalanche Transit‐Time)diodes
BBiipollar JJuncttiion TTransiisttors ((BBJJTT))
LDMOS (Laterally diffused metal oxide semiconductor)
GGaaAAss FFETTSS ((GGaalllliiuumm AArrsseenniiddee FFiieelldd Effffeecctt TTrraannssiissttoorrss))
• MESFETS (metal semiconductor field effect transistor)
• PHEMT (pseudomorphic High electron mobility transistor)
GGaaNN FFEETTSS ((GGaalllliiuumm NNiittrriiddee FFEETTSS))
• PHEMT
7
AAlltteerrnnaattiivveess
Microwave Power Modules ((MPMs)) 
Single High Power Solid State devices
Combined Solid State Implementations
Circuit Combined
• Radial
• PPCCBBAA
– Planar
– 3 D
Sppatial Combined
• Free Space
• Rectangular Waveguide
• CCooaaxxiiaall
8
MMiiccrroowwaavvee PPoowweerr MMoodduulleess ((MMPPMMss)) 
CCoommbbiinneess ssoolliidd ssttaattee ddrriivveerr wwiitthh TTWWTTAA oouuttppuutt
Improves Noise and Stability, and linearity
•• SSttiillll IInncclluuddeess hhiigghh VVoollttaaggee PPoowweerr 
55::11 RReedduuccttiioonn iinn SSiizzee
supply with additional  5:1 Reduction in Weight
100:1 Reduction in Noise
complexity of low voltage supply
50% improvement in 
• 3333%% TTyp. EEffffiiciiency eeffffiicciieennccyy 
‐‐L3
• 20 dB Noise figure
High Power 20‐170W
Narrow Band S,C,X,Ku,Ka,Q
Wide Band
2‐8, 4.5‐18, 6‐18, 18‐40, 40‐46 
GHz
Small Size
100Watts in 770 cc, 1.75 kG
9
SSttaannddaalloonnee SSoolliidd SSttaattee ddeevviicceess
TTyyppiiccaallllyy NNaarrrrooww bbaanndd aanndd PPuullssee OOppeerraattiioonn
Very High Powers limited to 3.5 GHz and 
BBeellooww
Radar
Field Proven
Robust
MMRRFF66VVPP112211KKHH MMRRFF88PP2299330000HH
965-1215 MHz 2.7-2.9 GHz
1000 W 320 Watts Peak
50 V 100µS, 10% DF
56% Efficient
128µS, 10% DF
10