СВЧ-УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ И ЕГО КОНСТРУКТИВ Российский патент 2006 года по МПК H03F3/60 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в оконечных усилителях мощности широкополосных систем связи (ШСС), предпочтительнее данный усилитель использовать в радиомодемах международного стандарта IEE 802.11, а также в радиолокации и других областях техники.

Известен передатчик СВЧ, см. патент РФ №2187880, в котором техническим результатом является получение оптимальной выходной мощности в диапазоне частот и снижение уровня амплитудных и фазовых шумов. Технический результат достигается тем, что для подачи оптимальной входной мощности на вход усилителя СВЧ и снижения уровня шумов на его выходе в состав передатчика СВЧ между вторым выходом задающего генератора и управляющим входом р-i-n-аттенюатора включены частотный дискриминатор и управляемый от дискриминатора источник тока. Источник тока обеспечивает стабилизацию постоянного тока через р-i-n-аттенюатор и, как следствие, стабилизирует входную мощность и снижает уровень шумов усилителя СВЧ. Управление источником тока осуществляется от дискриминатора, который формирует частотно-зависимое напряжение управления током р-i-n-аттенюатора. Управление оптимальной входной мощностью происходит автоматически и с достаточным быстродействием.

Недостатком этого передатчика является сложность электрической схемы, в результате большие массогабаритные характеристики (ГМХ), также невысокая стабильность при дестабилизирующих факторах, например при t=±60°С.

Известно СВЧ-устройство с регулируемой мощностью излучения, см. патент РФ №2168264, которое содержит N каскадов усиления (КУ) первого усилительного тракта (УТ) со своими блоками питания (БП) и переключателями питания (ПП), блок управления, М КУ второй УТ со своими БП и ПП, делитель мощности (ДМ), мост деления мощностей (МДМ), мост сложения мощностей (МСМ), два фазовых детектора (ФД), два управляемых фазовращателя (УФ), балластную нагрузку, а КУ выполнены на амплитронах. Регулирование выходной мощности осуществляется путем включения питания на те КУ, которые обеспечивают на выходе регулируемого усилителя мощности необходимую мощность, и выключения питания на неиспользуемые КУ без разрыва СВЧ тракта.

Недостатками устройства являются также сложность электрической схемы, большие ГМХ, отсюда невысокая надежность.

Также известен двухполосный транзисторный усилитель мощности СВЧ-диапазона, см. патент РФ №2187881, который включает усилительный элемент - транзистор, однополосные цепи на входе и выходе, согласующие усилительный элемент (УЭ) с сопротивлением источника возбуждения (ИВ) и нагрузкой (В) в полосе первого частотного канала (СК). К входной и/или выходной однополосной цепи согласования подключается дополнительная фильтровая цепь (ДФЦ). В полосе первого ЧК ДФЦ обладает достаточно высоким входным сопротивлением, а в полосе второго ЧК она в совокупности с элементами однополосной цепи согласования первого ЧК обеспечивает достижения согласования выхода УЭ с полным сопротивлением Н, а входного сопротивления УЭ - с полным сопротивлением ИВ, причем это достигается без существенного нарушения согласования в полосе первого ЧК. Входное сопротивление ДФЦ в полосе первого ЧК должно быть достаточным для исключения влияния ДФЦ на этот канал. Технический результат - обеспечение возможности работы СВЧ усилительного каскада в двух разнесенных частотных каналах - прототип.

Недостатками этого усилителя являются его аппаратурная сложность, низкий частотный диапазон (не более 0,1-0,15 ГГц), невозможность микроминитюаризации, высокое потребление энергии.

Технической задачей изобретения является снижение ГМХ, потребляемой энергии и повышение стабильности работы в условиях дестабилизирующих факторов, повышение уровня естественных и искусственных помех и больших перепадов температур за счет:

- построения схемно-технического решения;

- применения конструктива, совместимого с этим решением;

- низкой стоимости аппаратных средств;

- технологической прозрачности;

- повышения частотного диапазона (до 5,5-6,0 ГГц).

С этой целью предлагается СВЧ-усилитель мощности, содержащий усилитель на транзисторе, СВЧ-детектор на диоде Шоттки, СВЧ-переключатель, исполнительный элемент, инвертор напряжения и драйвер СВЧ-переключателя, которые расположены на печатной плате, при этом с выходом передатчика соединен сигнальный вход усилителя на транзисторе и вход СВЧ-детектора, выход усилителя соединен с сигнальным входом СВЧ-переключателя, а выход СВЧ-детектора через исполнительный элемент и драйвер СВЧ-переключателя соединен с первым управляющим входом СВЧ-переключателя, выход инвертора напряжения соединен с управляющими входами усилителя на транзисторе и драйвера СВЧ-переключателя, второй выход последнего соединен со вторым управляющим входом СВЧ-переключателя, выход которого соединен с приемником, а вход/выход - с внешней антенной; СВЧ-переключатель выполнен на циркуляторе, усилитель выполнен на ИМС, при этом выход усилителя соединен с входом циркулятора, выход инвертора напряжения соединен с управляющим входом усилителя, вход/выход циркулятора соединен с внешней антенной, а выход - с входом приемника; в электрической схеме СВЧ-усилителя мощности выход передатчика через дифференцирующую цепочку и резистор соединен с анодом диода Шоттки, катод которого через сглаживающий конденсатор соединен с нулем вольт схемы и непосредственно - с базой ключевого транзистора, являющегося исполнительным элементом, выход которого через резистор соединен с сигнальным входом драйвера, оба выхода последнего соединены с управляющими входами переключателя, вход/выход которого через разделительный конденсатор соединен с антенной, а выход через разделительный конденсатор соединен с приемником; одновременно выход передатчика через разделительный конденсатор соединен с общей точкой, состоящей из второго конца сглаживающего дросселя, сглаживающего конденсатора и резистора, второй конец конденсатора соединен с нулем вольт, второй конец резистора соединен с затвором усилителя на полевом транзисторе, исток которого соединен с нулем вольт, а сток через разделительный конденсатор - с сигнальным входом переключателя; выход инвертора напряжения через заграждающий фильтр соединен с первым концом сглаживающего дросселя; в электрической схеме СВЧ-усилителя мощности выход передатчика через разделительный конденсатор соединен с входом усилителя на ИМС и через сглаживающий дроссель с нулем вольт, выход ИМС через развязывающий конденсатор и сглаживающие дроссели соединен с управляющим входом циркулятора, вход/выход которого через разделительный конденсатор соединен с антенной, а выход - с приемником; выход инвертора напряжения через р-n-р транзистор, включенный по схеме с общей базой, соединен с затвором полевого транзистора, исток которого соединен с входом смещения усилителя и с цепочкой конденсаторов, вторые концы которых соединены с нулем вольт; печатная плата СВЧ-усилителя мощности выполнена из стеклотекстолита с диэлектрической проницаемостью ξ не менее 60-70 единиц, при этом размер плат 23×66 мм, дроссели на печатной плате выполнены на микрополосковых линиях, а монтаж электрорадиоэлементов на печатной плате выполнен поверхностным.

На фиг.1 изображена структурная схема усилителя мощности СВЧ-усилителя с переключателем, на фиг.2 - с циркулятором; на фиг.3 изображена электрическая принципиальная схема СВЧ-усилителя с переключателем, на фиг.4 - с циркулятором; на фиг.5 изображена топология печатной платы с переключателем, на фиг.6 - с циркулятором.

На фигурах изображено: 1 - усилитель на транзисторе или микросхеме, 2 - инвертор напряжения, 3 - СВЧ-детектор на диоде Шоттки, 4 - исполнительный элемент, 5 - СВЧ-переключатель, 6 - драйвер СВЧ-переключателя, 7 - циркулятор.

СВЧ-усилитель мощности по фиг.1 имеет следующие соединения: выход передатчика (передатчик условно не показан) соединен с сигнальным входом усилителя 1 на транзисторе или микросхеме и входом СВЧ-детектора 3, выход усилителя 1 соединен с сигнальным входом СВЧ-переключателя 5, а выход СВЧ-детектора 3 через исполнительный элемент 4 и драйвер СВЧ-переключателя 6 соединен с первым управляющим входом СВЧ-переключателя 5, выход инвертора напряжения 2 соединен с управляющими входами усилителя 1 и драйвера СВЧ-переключателя 6, второй выход последнего соединен со вторым управляющим входом СВЧ-переключателя 5, выход которого соединен с приемником, а вход/выход - с внешней антенной. СВЧ-усилитель по фиг.2 имеет следующие соединения: СВЧ-переключатель 5 выполнен на циркуляторе 7, причем выход усилителя на микросхеме 1 соединен с входом циркулятора 7, выход инвертора напряжения 2 соединен с управляющим входом усилителя на микросхеме 1, вход/выход циркулятора 7 соединен с внешней антенной, а выход - с входом приемника.

Узлы СВЧ-усилителя мощности могут быть выполнены на следующих ЭРЭ и ИМС:

- усилитель 1 на транзисторе SHF-0289 на арсениде галлия фирмы Stunford Microdevices, см. http://www//stanfordmicrocom. EDS-101241 Rev A.

- СВЧ-переключатель 5 арсенид-галлиевый переключатель SW-438 фирмы МА-СОМ, см. Tyco/Electronics.

- драйвер СВЧ-переключателя 6 - это быстродействующий мультиплексор аналоговых сигналов ADG 774ABRQ фирмы Analog Deviceslnc., 2001, www.analogcom.

- инвертор напряжения 2 на ИМС ICL 7660, фирмы Analog Device-sInc., 2001, www.analogcom.

- диод Шоттки на HSHS2850, см. Series Technical Data. Communications Components Designers Catalog Hewlett Packard/ 59966-0895E (9/97).

- исполнительный элемент 4 на транзисторе КТ3130, см. Справочник. Полупроводниковые приборы. Транзисторы малой мощности, М, Р и С, 1994, стр.263.

- циркулятор 7, разработки ФГУП «Феррит-Домен», г.Санкт-Петербург.

СВЧ-усилитель мощности на СВЧ-переключателе 5 работает следующим образом.

Предлагаемый усилитель предназначен, в основном, для использования в радиомодемах как средства связи для высокоскоростного обмена данными, поэтому к ним предъявляются весьма жесткие требования, а именно минимальные массогабаритные характеристики (ГМХ) и низкое энергопотребление, обусловленные их подключением непосредственно к переносным компьютерам. Переносные компьютеры имеют невысокую выходную мощность передатчика (30-100 мВт), следовательно встает вопрос о значительном повышении выходной мощности. Переносной компьютер имеет один СВЧ-разъем типа РС MCIA, используемый для подключения антенны, переключение прием-передача происходит внутри его, т.к. эта система с временным разделением. Следовательно, встает проблема разделения каналов приема и передачи с целью усиления последнего и по возможности минимального ослабления первого. Для этого используется активный переключатель 5. Для получения сигнала управления этим переключателем используется СВЧ-детектор 3 на диоде Шоттки. В качестве активного элемента усилителя использован полевой транзистор 1, который обеспечивает выходную мощность не менее 30 дБ на частотах 2,45-5,5 ГГц при входной мощности 20 дБ.

С выхода транзисторного усилителя 1 усиленный сигнал поступает на СВЧ-переключатель 5, который обеспечивает малое затухание при прямом происхождении сигнала (не более 0,7 дБ на 2,4 ГГц), высокую изоляцию (не менее 25 дБ) и практически не потребляет энергии (менее 10 мкА на 3 В). Обычно полевые СВЧ-переключатели управляются отрицательным напряжением, поэтому еще одним его достоинством является возможность управления как отрицательным, так и положительным напряжением. СВЧ-переключателем 5 управляет СВЧ-драйвер 6, в роли которого в данной схеме выступает быстродействующий мультиплексор аналоговых сигналов, в функции которого входит одновременное переключение сигналов на управляющих входах СВЧ-переключателя 5 по сигналу обнаружения мощности на входе СВЧ-детектора 3, передающего через исполнительный элемент 4.

Таким образом, такое построение схемы позволяет решить поставленные задачи при сверхнизком потреблении энергии, предельно малых ГМХ, высоких частотах приема/передачи, высоких (в пределах необходимых) выходных мощностях.

Вместо активного переключателя 5 возможно применение пассивного элемента циркулятора 7, практически при тех же ГМХ обладает почти такими же техническими характеристиками, а при применении более мощного транзистора в усилителе 1 можно получить выходную мощность не менее 450 мВт при входной 100 мВт. В качестве печатной платы можно применить вместо текстолита фторопласт с более лучшими диэлектрическими свойствами, при этом существенно улучшить частотные и мощностные характеристики.

Изобретение относится к технике приборостроения, а именно к технике конструирования СВЧ-преобразователей. Технический результат - расширение функциональных возможностей. Для достижения данного результата выход передатчика соединен с сигнальным входом усилителя на транзисторе и входом СВЧ-детектора. Выход усилителя соединен с сигнальным входом СВЧ-переключателя. Выход СВЧ-детектора через исполнительный элемент и драйвер СВЧ-переключателя соединен с первым управляющим входом СВЧ-переключателя. Выход инвертора напряжения соединен с управляющими входами усилителя на транзисторе и драйвера СВЧ-переключателя, второй выход последнего соединен со вторым управляющим входом СВЧ-переключателя, выход которого соединен с приемником, а вход/выход с внешней антенной. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. СВЧ-усилитель мощности, содержащий усилитель на транзисторе, СВЧ-детектор на диоде Шоттки, СВЧ-переключатель, исполнительный элемент, инвертор напряжения и драйвер СВЧ-переключателя, которые расположены на печатной плате, при этом с выходом передатчика соединен сигнальный вход усилителя на транзисторе и вход СВЧ-детектора, выход усилителя соединен с сигнальным входом СВЧ-переключателя, а выход СВЧ-детектора через исполнительный элемент и драйвер СВЧ-переключателя соединен с первым управляющим входом СВЧ-переключателя, выход инвертора напряжения соединен с управляющими входами усилителя на транзисторе и драйвера СВЧ-переключателя, второй выход последнего соединен со вторым управляющим входом СВЧ-переключателя, выход которого соединен с приемником, а вход/выход с внешней антенной.2. СВЧ-усилитель мощности по п.1, отличающийся тем, что СВЧ-переключатель выполнен на циркуляторе, усилитель выполнен на ИМС, при этом выход усилителя соединен с входом циркулятора, выход инвертора напряжения соединен с управляющим входом усилителя, вход/выход циркулятора соединен с внешней антенной, а выход с входом приемника.3. СВЧ-усилитель мощности по п.1, отличающийся тем, в электрической схеме СВЧ-усилителя мощности выход передатчика через дифференцирующую цепочку и резистор соединен с анодом диода Шоттки, катод которого через сглаживающий конденсатор соединен с нулем вольт схемы и непосредственно - с базой ключевого транзистора, являющегося исполнительным элементом, выход которого через резистор соединен с сигнальным входом драйвера, оба выхода последнего соединены с управляющими входами переключателя, вход/выход которого через разделительный конденсатор соединен с антенной, а выход через разделительный конденсатор соединен с приемником; одновременно выход передатчика через разделительный конденсатор соединен с общей точкой, состоящей из второго конца сглаживающего дросселя, сглаживающего конденсатора и резистора, второй конец конденсатора соединен с нулем вольт, второй конец резистора соединен с затвором усилителя на полевом транзисторе, исток которого соединен с нулем вольт, а сток - через разделительный конденсатор с сигнальным входом переключателя; выход инвертора напряжения через заграждающий фильтр соединен с первым концом сглаживающего дросселя.4. СВЧ-усилитель мощности по п.2, отличающийся тем, что в электрической схеме СВЧ-усилителя мощности выход передатчика через разделительный конденсатор соединен с входом усилителя на ИМС и через сглаживающий дроссель с нулем вольт, выход ИМС через развязывающий конденсатор и сглаживающие дроссели соединен с управляющим входом циркулятора, вход/выход которого через разделительный конденсатор соединен с антенной, а выход - с приемником; выход инвертора напряжения через р-n-р транзистор, включенный по схеме с общей базой, соединен с затвором полевого транзистора, исток которого соединен с входом смещения усилителя и с цепочкой конденсаторов, вторые концы которых соединены с нулем вольт.5. СВЧ-усилитель мощности по п.1 или 2, отличающийся тем, что печатная плата СВЧ-усилителя мощности выполнена из стеклотекстолита с диэлектрической проницаемостью ξ не менее 60-70 единиц, при этом размер плат 23×66 мм, дроссели на печатной плате выполнены на микрополосковых линиях, а монтаж электрорадиоэлементов на печатной плате выполнен поверхностным.