БАЛАНСНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ СВЧ Российский патент 1997 года по МПК H03F3/60 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при создании усилителей мощности СВЧ на электронных лампах, транзисторах, других активных элементах.

Известны балансные усилители СВЧ, содержащие квадратурные мосты в качестве делителя и сумматора мощности и идентичные усилительные каскады, каждый из которых включен между соответствующими выходами делителя и входом сумматора. В подобных усилителях, называемых также мостовыми, осуществляется деление мощности входного сигнала как минимум на два канала, усиление в каждом канале усилительным каскадом и сложение мощности в общей нагрузке при необходимой развязке между каналами (см. Радиопередающие устройства. Под ред. Благовещенского М. В. и Уткина Г.М. Изд. "Радио и связь", М. 1982, с. 109 116, рис. 6.4, 6.13, 6.14). Коэффициент усиления таких усилителей не превышает коэффициента усиления отдельно взятого усилительного каскада.

Известен также балансный усилитель СВЧ (авт. св. СССР N1270952), в котором достигается увеличение коэффициента усиления за счет двукратной передачи сигнала через усилительные каскады. Этот усилитель содержит два квадратурных моста-восьмиполюсника, используемых как делитель и сумматор, два идентичных усилительных каскада и три треплечих циркулятора. Включение циркуляторов таково, что обеспечивает двукратное прохождение сигнала через усилительные каскады и необходимую развязку между выходом и входом усилителя, способствующую сохранению устойчивости. Однако циркуляторы усложняют устройство и ограничивают возможность его реализации в широком диапазоне частот и уровней мощности.

В качестве прототипа взят балансный усилитель СВЧ, содержащий два квадратурных моста-восьмиполюсника, один из которых является делителем, а второй сумматором мощности, и два идентичных усилительных каскада (см. Каганов В.И. СВЧ полупроводниковые радиопередатчики. Изд. "Радио и связь", М. 1981, с. 252, рис. 8,24). Входы усилительных каскадов в устройстве-прототипе присоединены к первому и второму выходам делителя, а выходы к соответствующим входам сумматора. Первый вход делителя является входом устройства, второй вход делителя нагружен на согласованный балластный резистор. Первый выход сумматора является выходом устройства, второй выход сумматора нагружен на согласованный балластный резистор. Благодаря квадратурным свойствам мостов делитель обеспечивает возбуждение усилительных каскадов со сдвигом по фазе на угол 90^o, а сумматор синфазное сложение усиленных колебаний на первом выходе сумматора и противофазное на его втором выходе. Коэффициент передачи усилителя-прототипа близок по модулю к коэффициенту передачи каждого из усилительных каскадов.

Особенностью усилителя-прототипа является его согласование (по критерию минимума коэффициента отражения) как со стороны входа, так и со стороны выхода. Последнее означает, что при подаче сигнала на вход усилителя, например, в виде волны, отраженной от несогласованной нагрузки, не возникает вторичного отражения. Двустороннее согласование прототипа практически не зависит от качества согласования на входе и со стороны выхода самих усилительных каскадов и обусловлено поглощением волн, отраженных от входов или выходов усилительных каскадов, упомянутыми балластными резисторами.

Недостатком усилителя прототипа является низкий коэффициент усиления, величина которого не превышает коэффициента усиления отдельно взятого усилительного каскада.

Анализ приведенного уровня техники свидетельствует о целесообразности создания балансного усилителя СВЧ с увеличенным коэффициентом усиления при сохранении устойчивости усилителя.

Это достигается тем, что в балансный усилитель СВЧ, содержащий делитель и сумматор мощности, выполненные каждый в виде квадратурного моста-восьмиполюсника, и два идентичных усилителя мощности, входы которых присоединены к первому и второму выходам делителя, а выходы соответственно к первому и второму входам сумматора, причем первым выходом сумматора является тот его выход, коэффициент передачи к которому от первого входа делителя, являющегося входом балансного усилителя СВЧ, близок по модулю к коэффициенту передачи каждого из усилителей мощности, введен полосовой фильтр, который включен между упомянутым первым выходом сумматора и вторым входом делителя. При этом второй выход сумматора является выходом балансного усилителя СВЧ, а каждый усилительный каскад в пределах полосы пропускания полосового фильтра согласован как со стороны своего входа, так и со стороны своего выхода.

На чертеже показана структурная схема балансного усилителя СВЧ.

Усилитель содержит делитель мощности 1, сумматор мощности 2, идентичные усилители мощности 3 и 4 и полосовой фильтр 5. Делитель 1 и сумматор 2 выполнены в виде квадратурного моста-восьмиполюсника на связанных линиях. Делитель 1 имеет первый и второй входы 6 и 7, причем первый вход 6 является входом усилителя, и первый и второй выходы 8 и 9, а сумматор 2 первый и второй входы 10 и 11 и первый и второй выходы 12 и 13, причем второй выход 13 является выходом усилителя.

Входы усилителей мощности 3 и 4 присоединены соответственно к выходам 8 и 9 делителя 1, а выходы каскадов 3 и 4 к входам 10 и 11 сумматора 2. Полосовой фильтр 5 включен между первым выходом 12 сумматора 2 и вторым входом 7 делителя 1.

Каждый из усилителей мощности 3 и 4 согласован как со стороны своего входа, так и со стороны своего выхода и, следовательно, в соответствии с изложенным выше может быть выполнен в виде балансного усилителя, имеющего согласованные балластные резисторы. Кроме того, каждый из каскадов 3 и 4 может быть выполнен в виде полосового усилителя с распределенным усилением, имеющего однородные входную и выходную линии (см. Заенцев В.В. Широкополосное усиление. Изд. Воронежского Государственного университета, Воронеж, 1969, с. 27 28, рис. 17, 18). Двустроннее согласование подобного усилителя обусловлено включением согласованных резисторов на конце входной и выходной линий. Наконец, в качестве усилителей мощности 3 и 4 может быть использована лампа бегущей волны (ЛБВ), которая, как известно, благодаря локальному или распределенному поглотителю, также обладает двухсторонним согласованием.

Балансный усилитель СВЧ работает следующим образом.

Мощность входного сигнала, имеющего амплитуду падающей волны напряжения U, приблизительно поровну распределяется между выходами 8 и 9 делителя 1, образуя на согласованных входах усилителей мощностей 3 и 4 первичные напряжения возбуждения с комплексными амплитудами

где j мнимая единица. К входам 10 и 11 сумматора 2 подводятся однократно усилительные колебания с комплексными амплитудами

где K комплексный коэффициент передачи каждого из усилительных каскадов 3 и 4. При передаче к второму выходу 13 сумматора 2 эти колебания становятся противофазными и взаимно уничтожаются:

и, следовательно, однократно усиленные колебания на выход 13 усилителя не поступают. Напротив, на первом выходе 12 сумматора 2 происходит синфазное сложение однократно усиленных колебаний:

Мощность однократно усиленного сигнала через полосовой фильтр 5 подводится к второму входу 7 делителя 1 и распределяется приблизительно поровну между его выходами 8 и 9, образуя вторичные напряжения возбуждения на согласованных входах усилительных каскадов 3 и 4:

где Φ фазовый сдвиг при передаче через полосовой фильтр 5.

Вторично усиленные колебания (коэффициент передачи K в малосигнальном режиме остается прежним) подводятся к входам 10 и 11 сумматора 2 с комплексными амплитудами

и при передаче к первому выходу 12 сумматора 2 становятся противофазными и взаимно уничтожаются:

а при передаче к второму выходу 13 сумматора 2 складываются синфазно:

Таким образом, двукратно усиленные колебания выделяются на выходе 13 усилителя, а на первый выход 12 сумматора 2 не поступают, следовательно, третьего и последующих циклов усиления не происходит. Результирующие напряжения на входах 8 и 9 и выходах 10 и 11 усилителей мощности 3 и 4 определяются суммой комплексных амплитуд, развиваемых в первом и втором циклах усиления:

а на выходе 13 усилителя напряжение U₁₃ U''₁₃ развивается только во втором цикле. Как видно, модуль коэффициента передачи усилителя

что в раз больше, чем в усилителе-прототипе. Коэффициент усиления мощности, пропорциональный квадрату модуля комплексного коэффициента передачи, в сравнении с усилителем-прототипом возрастает в раз.

При увеличении коэффициента усиления балансного усилителя СВЧ сохраняется его устойчивость. Этому способствует двустороннее согласование усилителей мощности 3 и 4. Благодаря двустороннему согласованию, в пределах полосы пропускания полосового фильтра 5, имеется электромагнитная развязка между выходом 13 и входом 6 усилителя: сигнал, поступающий на выход 13, например, в виде волны, отраженный от нагрузки усилителя, распределяется сумматором 2 между его выходами 10 и 11, где в силу согласования со стороны выходов каскадов 3 и 4 не претерпевает отражения и не поступает через полосовой фильтр 5 к входу 6 усилителя. Аналогично, в силу согласования со стороны входов усилителей 3 и 4 отсутствует прямое прохождение сигнала от входа 6 усилителя через полосовой фильтр 5 на выход 13 усилителя. Развязка выхода и входа усилителя предотвращает третий и последующие циклы усиления, что отличает предложенное устройство от усилителей с обратной связью, которая, как известно, может стать причиной самовозбуждения.

За пределами полосы пропускания полосового фильтра 5 развязка между выходом 13 и входом 6 усилителя, а следовательно, и устойчивость сохраняется из-за снижения модуля коэффициента передачи полосового фильтра 5. Действительно, непрозрачность полосового фильтра 5 препятствует как передаче однократно усиленного сигнала для повторного усиления, так и прямой и обратной передаче отраженных волн, возникающих при нарушении двустороннего согласования усилителей 3 и 4, возможном вне рабочей полосы частот. Очевидно, что ширина рабочей полосы частот усилителя определяется полосой пропускания полосового фильтра 5, амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) которого наряду с АЧХ каждого из каскадов 3 и 4 задает форму и уровень АЧХ усилителя в целом.

Таким образом, в предложенном балансном усилителе СВЧ достигается увеличение коэффициента усиления при сохранении устойчивости. Дополнительным техническим эффектом является возможность коррекции АЧХ усилителя выбором формы АЧХ введенного полосового фильтра.

Использование: в радиотехнике в качестве усилителя мощности СВЧ. Сущность изобретения: усилитель содержит выполненные в виде квадратурного моста-восьмиполюсника делитель мощности и сумматор мощности, два усилительных каскада и полосовой фильтр. Входы усилительных каскадов присоединены к первому и второму выходам делителя соответственно, выходы - соответственно к первому и второму входам сумматора. Первый вход делителя является входом балансного усилителя СВЧ. Полосовой фильтр включен между первым выходом сумматора и вторым входом делителя мощности. Второй выход сумматора является выходом балансного усилителя СВЧ. 1 ил.

Балансный усилитель СВЧ, содержащий делитель и сумматор мощности, выполненные каждый в виде квадратурного моста-восьмиполюсника, и два идентичных усилителя мощности, входы которых присоединены к первому и второму выходам делителя, а выходы соответственно к первому и второму входам сумматора, причем первым выходом сумматора является тот его выход, коэффициент передачи к которому от первого входа делителя, являющегося входом балансного усилителя СВЧ, близок по модулю к коэффициенту передачи каждого из усилителей мощности, а второй выход сумматора является выходом балансного усилителя СВЧ, отличающийся тем, что в него введен полосовой фильтр, который включен между первым выходом сумматора и вторым входом делителя, при этом каждый усилитель мощности согласован как со стороны своего входа, так и со стороны своего выхода в пределах полосы пропускания полосового фильтра.