УСИЛИТЕЛЬ ИМПУЛЬСНОЙ СВЧ МОЩНОСТИ Российский патент 2000 года по МПК H03F3/58 

Изобретение относится к импульсным усилителям СВЧ мощности и может применяться в радиосвязи, радиолокации и других областях техники.

Известные из уровня техники усилители СВЧ мощности на усилительных клистронах или лампах бегущей волны - ЛБВ, [1], [2], [3], [4], работают в импульсном режиме на одной несущей частоте, в основном на одной частоте повторения импульсов и скважности. Это ограничивает область их применения.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к изобретению является импульсный усилитель мощности на ЛБВ [3], который и выбран в качестве прототипа.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей усилителя СВЧ мощности: по формированию СВЧ импульсов, по длительности импульсов, частоте повторения; комбинации последовательности импульсов по длительности, частоте повторения и частоте излучения. В предлагаемой схеме один модулятор выполняет функции двух модуляторов.

Ожидаемый от использования изобретения технический результат достигается тем, что в усилителе импульсной СВЧ мощности, содержащем ЛБВ 1, коллекторный вывод которой подключен к положительной шине коллекторного источника питания 2, отрицательная шина которого подключена к катоду ЛБВ, анодный источник питания 3 и источник питания модулятора 4, применены следующие схемно-конструктивные решения: отрицательная шина анодного источника питания соединена с положительной шиной коллекторного источника питания, положительная шина которого соединена с положительным выводом регулирующего каскада высоковольтного стабилизатора 5, отрицательный вывод которого соединен с корпусом, а управляющий вход - с регулирующим выходом делителя напряжения 6, причем один вывод его соединен с катодом ЛБВ, а второй - с корпусом, общий вывод источника питания соединен с катодом ЛБВ, отрицательная шина источника питания соединена с эмиттером первого ключа 7, а положительная шина - с коллекторами второго 8 и третьего 9 ключей, управляющий вход первого ключа соединен последовательно с первым формирователем 10, первым детектором 11, первой ВЧ катушкой 12, импульсным генератором 13, разъемом запуска "коротких " импульсов 14, коллектор первого ключа соединен с эмиттером третьего ключа, второй управляющей сеткой ЛБВ и через разделительный диод 15 с первой управляющей сеткой ЛБВ, причем первая управляющая сетка ЛБВ соединена с анодом разделительного диода, с эмиттером второго ключа, который через разрядный резистор 16 соединен с вторым формирователем 17, вторым детектором 18, второй ВЧ катушкой 19, первым коммутатором 20, разъемом запуска "длинных" импульсов 21, управляющий вход третьего ключа последовательно соединен с третьим формирователем 22, третьим детектором 23, третьей ВЧ катушкой 24, вторым коммутатором 25 и через инвертор 26 с разъемом запуска "длинных" импульсов, выход импульсного генератора соединен с ВЧ входами первого и второго коммутаторов.

На фиг. 1 представлена схема электрическая функциональная импульсного усилителя СВЧ мощности на ЛБВ.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Эпюры напряжений приведены на фиг.2. Коллекторный источник питания 2 включен последовательно с анодным источником 3 и высоковольтным стабилизатором 5. При этом на катод ЛБВ поступает стабилизированное высокое напряжение относительно замедляющей системы ЛБВ, соединенной конструктивно с корпусом усилителя. При таком питании обеспечивается стабильность работы ЛБВ и работа коллекторного источника с рекуперацией энергии. Оптимальное напряжение на катоде ЛБВ устанавливается потенциометром делителя напряжения 6. Источник питания модулятора 4 имеет двухполярное питание относительно общей точки, имеющей соединение с катодом ЛБВ. Модулятор, образованный ключами, формирователями, детекторами, ВЧ катушками, импульсным генератором и коммутаторами, в паузе между импульсами выдает на обе управляющие сетки ЛБВ отрицательное смещение через открытый первый ключ 7 и развязывающий диод 15. При этом ток луча в ЛБВ отсутствует, ЛБВ закрыта. Модулятор обеспечивает три основных режима работы. Эпюры напряжений на разъеме запуска "коротких" импульсов в первом режиме - 27, во втором режиме - 29, в третьем режиме - 31; на разъем запуска "длинных" импульсов в первом режиме - 28, во втором режиме - 30, в третьем режиме - 32. В первом режиме импульс запуска положительной полярности поступает на управляющий электрод второго ключа 8 от второго формирователя 17 и отрицательной полярности на управляющий электрод первого ключа 7. При этом второй ключ открывается, а первый ключ закрывается. На время действия "короткого" импульса запуска положительный импульс с эмиттера второго ключа и открытый разделительный диод 15 поступает соответственно на первую и вторую управляющие сетки ЛБВ. На время действия импульса возникает ток луча и возникает мощность СВЧ на выходе ЛБВ при условии наличия мощности на входе ЛБВ. По окончании импульса ЛБВ закрывается. Во втором режиме "длинный" положительный импульс поступает на управляющий вход третьего ключа 9 от третьего формирователя 22 и отрицательный "длинный" импульс на вход первого ключа 7 от первого формирователя 10. При этом третий ключ 9 открыт, а первый ключ 7 закрыт. Положительное напряжение через открытый третий ключ 9 поступает на вторую управляющую сетку ЛБВ. При работе во втором режиме ток луча ЛБВ меньше, а следовательно, импульсная мощность ЛБВ меньше, чем в первом режиме. Одновременно ЛБВ работает на другой несущей частоте. В паузе между импульсами третий ключ 9 закрыт, первый ключ 7 открыт и напряжение смещения поступает на обе сетки ЛБВ. Разрядный резистор 16 служит для разряда паразитной емкости на эмиттере первого ключа при работе во втором и третьем режимах.

В третьем режиме происходит чередование "коротких" и "длинных" импульсов. При этом на вход второго ключа 8 поступает только пачка "коротких" импульсов, а во время "длинного" импульса он закрыт, на вход третьего ключа 9 поступают только "длинные" импульсы, на вход первого ключа на время действия любых импульсов поступают отрицательные импульсы. В третьем режиме с эмиттера второго ключа 8 поступают "короткие" импульсы на обе сетки ЛБВ, а при поступлении "длинного" импульса с эмиттера третьего ключа 9, "длинный" импульс поступает на вторую сетку ЛБВ. Во время действия "длинных" и "коротких" импульсов первый ключ закрыт, а в паузе он открыт и напряжение смещения поступает на обе управляющие сетки ЛБВ.

Ключи модулятора находятся под высоким напряжением катода ЛБВ, а запускающие импульсы, поступающие на модулятор находятся под потенциалом корпуса устройства. Поэтому запуск модулятора в данном случае предусмотрен двумя способами. Первый способ- на высокой частоте с низкого потенциала на высокий передаются радиоимпульсы через ВЧ катушки связи, при этом ВЧ катушки должны быть электропрочными. Второй способ передачи импульсов запуска - с помощью оптопары. На фиг.1 приведена схема запуска модулятора на высокой частоте. На разьем 14 поступают "короткие" импульсы запуска модулятора, длительность которых может быть от долей мкс до десятков или сотен мкс или комбинация из "коротких" и "длинных" импульсов. Длительность "длинных" импульсов от единиц мкс до непрерывного по длительности. При поступлении импульсов запуска на вход импульсного генератора на его выходе возникают радиоимпульсы, которые совпадают с длительностью запускающих импульсов. Радиоимпульсы поступают на ВЧ катушку 12 и коммутаторы 20, 25, причем коммутаторы стробируются импульсами с разъема запуска "длинных" импульсов, коммутатор 25 стробируется через инвертор 26. С выхода коммутаторов простробированные импульсы поступают на второй и третий детекторы. Вторичные обмотки всех ВЧ катушек нагружены на детекторы 11, 18, 23. Эпюры напряжений с выхода детекторов приведены на Фиг. 2 соответственно (33, 34, 35). После усиления на формирователях импульсы запуска поступают на управляющие входы ключей модулятора. Ключевая схема модулятора обеспечивает импульсную работу ЛБВ во всех перечисленных режимах.

На фиг.2 показаны эпюры напряжений на управляющих сетках ЛБВ при работе в третьем режиме: на первой управляющей сетке - 36, на второй управляющей сетке -37.

При использовании оптической пары импульсный генератор, ВЧ катушки и детекторы заменяются соответственно тремя оптическими парами, выход которых соединен с входами соответствующих трех формирователей.

Изготовление усилителя импульсной СВЧ мощности может быть осуществлено промышленным способом на комплектующих элементах, выпускаемых отечественной промышленностью.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Передающие устройства СВЧ, Вамбергский М. В. и др. Издательство "Высшая школа", 1984 г., стр. 9, 14, 315.,рис. 11,3
2. Справочник по радиолокации, под ред. Скольник М., том 3, изд. Москва "Советское радио", 1979 г., стр. 36, 105, 109.

3. Патент РФ N 1833514, кл. H 03 F 3/58, Бюл. N 29/93 г. (прототип) Импульсный усилитель мощности на ЛБВ.

4. Радиопередающие устройства, под ред В.В.Шахгильдяна, Изд. "Радио и связь", 1996 г., стр. 518 - 521.

Изобретение относится к импульсным усилителям СВЧ мощности и может применяться в радиосвязи, радиолокации и других областях техники. Технический результат - расширение функциональных возможностей, обеспечение работоспособности на чередующихся пачках импульсов, различной длительности, скважности, различной несущей частоты и импульсной мощности - достигается за счет схемно-конструктивного решения импульсного модулятора и системы питания ЛБВ. 2 ил.

Усилитель импульсной сверхвысокочастотной мощности, содержащий лампу бегущей волны (ЛБВ), коллекторный вывод которой подключен к положительной шине коллекторного источника питания, отрицательная шина которого подключена к катоду ЛБВ, анодный источник питания и источник питания модулятора, отличающийся тем, что отрицательная шина анодного источника питания соединена с положительной шиной коллекторного источника питания, положительная шина анодного источника питания соединена с положительным выводом регулирующего каскада высоковольтного стабилизатора, отрицательный вывод которого соединен с корпусом, а управляющий вход - с регулирующим входом делителя напряжения, один вывод которого соединен с катодом ЛБВ, а второй - с корпусом, общий вывод источника питания модулятора соединен с катодом ЛБВ, отрицательная шина источника питания модулятора соединена с эмиттером первого ключа, а положительная шина - с коллекторами второго и третьего ключей, управляющий вход первого ключа соединен с последовательно включенными первым формирователем, первым детектором, первой ВЧ катушкой, импульсным генератором, разъемом запуска "коротких" импульсов, коллектор первого ключа соединен с эмиттером третьего ключа, второй управляющей сеткой ЛБВ и через разделительный диод с первой управляющей сеткой ЛБВ, которая соединена с анодом разделительного диода, с эмиттером второго ключа, который через разрядный резистор соединен с эмиттером первого ключа, управляющий вход второго ключа соединен с последовательно включенными вторым формирователем, вторым детектором, второй ВЧ катушкой, первым коммутатором, разъемом запуска "длинных" импульсов, управляющий вход третьего ключа соединен с последовательно включенными третьим формирователем, третьим детектором, третьей ВЧ катушкой, вторым коммутатором и через инвертор с разъемом запуска "длинных" импульсов, выход импульсного генератора соединен с ВЧ входами первого и второго коммутаторов.