МАЛОШУМЯЩИЙ БАЛАНСНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ СВЧ Российский патент 2008 года по МПК H03F3/00 

Известен малошумящий балансный транзисторный усилитель [Шафро Б.И. Малошумящий балансный транзисторный усилитель, «Вопросы судостроения», Москва, Серия Радиолокация, вып.13. 1981], в котором в качестве направленных ответвителей применены синфазные кольцевые делители, дополненные фазосдвигающим четвертьволновым отрезком микрополосковой линии, создающим 90 градусный фазовый сдвиг на средней частоте рабочего диапазона частот. Направленный ответвитель, выполненный на основе кольцевого делителя, по сравнению с направленным ответвителем на связанных линиях типа моста Ланге имеет меньшие потери, позволяющие получить снижение уровня собственных шумов балансного усилителя, особенно при применении современных малошумящих транзисторов, имеющих уровень собственных шумов, сравнимый с потерями в направленных ответвителях.

Однако этот малошумящий балансный транзисторный усилитель имеет сравнительно большие габаритные размеры, обусловленные применением синфазных кольцевых делителей с фазосдвигающими четвертьволновыми отрезками линий, что является существенным препятствием для применения этого балансного усилителя в длинноволновом диапазоне СВЧ, особенно в составе бортовой РЭА.

Известна описанная в разных источниках конструкция балансного усилителя СВЧ в микрополосковом исполнении, состоящая из двух одинаковых усилителей и двух одинаково направленных ответвителей на связанных микрополосковых линиях встречно-штыревой структуры типа мостов Ланге четвертьволновой длины [Гасанов Л.Г., Липатов А.А, Марков В.В., Могильченко Н.А. Твердотельные устройства СВЧ в технике связи. - М.: Радио и связь, 1988, с.172., Малорацкий Л.Г. Микроминиатюризация элементов и устройств СВЧ. - М.: Советское радио, 1976. с.156, 198, Шварц Н.З. Линейные транзисторные усилители СВЧ. - М.: Советское радио, 1980. С.235]. Такая конструкция балансного усилителя ввиду своей технологичности и малых габаритных размеров получила самое широкое распространение.

К недостаткам этой конструкции следует отнести сравнительно высокие диссипативные потери во входном направленном ответвителе, приводящие к увеличению уровня собственных шумов балансного усилителя.

Данный балансный усилитель является наиболее близким аналогом (прототипом) заявленного изобретения.

Технической задачей изобретения является снижение уровня собственных шумов и габаритных размеров балансного усилителя.

Поставленная задача достигается тем, что малошумящий балансный усилитель СВЧ содержит два усилителя, включенных между входным и выходным каскадно соединенными трехдецибельными направленными ответвителями на связанных микрополосковых линиях встречно-штыревой структуры типа мостов Ланге, причем центральная частота входного направленного ответвителя выше центральной рабочей частоты балансного усилителя, и входной направленный ответвитель относительно центральной рабочей частоты балансного усилителя имеет длину связи L, удовлетворяющую условию

где λ - длина волны в микрополосковой линии, соответствующая центральной рабочей частоте балансного усилителя,

при этом модуль коэффициента связи на центральной частоте входного направленного ответвителя K определяется по формуле

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 изображена принципиальная схема разработанного малошумящего балансного усилителя СВЧ.

На фиг.2 изображен пример топологии малошумящего балансного усилителя с относительной полосой рабочих частот 10%.

Малошумящий балансный усилитель СВЧ содержит усилители 1 и 2, включенные между входным 3 и выходным 4 направленными ответвителями типа моста Ланге. Направленные ответвители содержат в своем составе балластные резисторы 5 и 6.

Малошумящий балансный усилитель СВЧ работает следующим образом.

Входной сигнал поступает на входной направленный ответвитель 3, осуществляющий деление по мощности, с минимальными потерями, на две равные части, причем сигналы на выходах приобретают 90-градусный сдвиг относительно друг друга. Далее сигналы поступают на свои усилители 1 и 2 (например, транзисторные), настроенные на минимальный шум. При этом часть сигнала, отраженная от входов усилителей 1 и 2, вследствие большой величины рассогласования по входам усилителей 1 и 2, обусловленной настройкой на минимум шума, сбрасывается в балластный резистор 5 направленного ответвителя 3, сводя к минимуму проникновение отраженного сигнала на вход балансного усилителя. Сигналы, усиленные усилителями 1 и 2 поступают на выходной направленный ответвитель 4, где складываются по мощности и поступают на выход малошумящего балансного усилителя СВЧ.

Известно, что увеличение модуля коэффициента связи на центральной частоте направленного ответвителя на связанных микрополосковых линиях свыше типового значения К>0.5 приводит к вырождению широкополосной области и появлению на частотной зависимости связи выходных плеч направленного ответвителя, симметрично расположенных относительно центральной частоты, двух частотных участков (например, равных заданной полосе рабочих частот балансного усилителя), для каждого из которых выполняется условие квадратурного моста (равенство волн напряжений в выходных плечах направленного ответвителя, в пределах заданной погрешности, и постоянство фазового сдвига). Сдвигая центральную частоту направленного ответвителя вверх до совмещения одного из квадратурных частотных участков с полосой рабочих частот балансного усилителя, получим направленный ответвитель с укороченной длиной связи относительно центральной частоты балансного усилителя f и, следовательно, имеющий меньшие диссипативные потери в полосе рабочих частот балансного усилителя, при этом уровень собственных шумов балансного усилителя уменьшается на величину снижения диссипативных потерь входного направленного ответвителя.

Для нахождения длины связи L и модуля коэффициента связи K на центральной частоте входного направленного ответвителя, исходя из заданной полосы рабочих частот балансного усилителя Δf, при отсутствии требования широкополосности и коэффициента стоячей волны по напряжению КСВН, используя выражение для модуля коэффициента связи для связанных линий

[Малорацкий Л.Г. Микроминиатюризация элементов и устройств СВЧ. - М.: Советское радио, 1976, с.148], составим систему из двух уравнений

где

- электрическая длина (рад).

Для вычисления производной использовано приближенное выражение

Первое уравнение представляет собой аппроксимацию связи разбаланса выходных плеч входного направленного ответвителя в заданной полосе рабочих частот с заданным КСВН по входу при условии полного отражения сигнала на входах усилителей 1 и 2, настроенных на минимум шума.

Второе уравнение представляет собой условие баланса выходных плеч направленного ответвителя на центральной рабочей частоте балансного усилителя.

В результате решения системы двух уравнений относительно L и K, при этом обозначив A=(0.183+С⁴)/(0.183-6С⁴)

В=0.0916/(0.0916-3С⁴)

, получим формулы, определяющие длину связи входного направленного ответвителя L и модуля коэффициента связи на центральной частоте входного направленного ответвителя K.

В силу принятых упрощений и допущений погрешность вышеприведенных формул составляет 5%, и в случае проектирования конкретного малошумящего балансного усилителя СВЧ уточненные значения длины связи и модуля коэффициента связи на центральной частоте входного направленного ответвителя определяются методом оптимизации с использованием известных программ машинного проектирования, учитывающих КСВН усилителей, устойчивость всей схемы, технологическую чувствительность и другие факторы.

Полученное значение модуля коэффициента связи на центральной частоте входного направленного ответвителя определяет нормированные волновые сопротивления при четном и нечетном видах возбуждения, позволяющие методом синтеза [К.Гупта, Р.Гардж, Р.Чадха. Машинное проектирование СВЧ-устройств. М. Радио и связь, 1987, с.55], произвести расчет топологических соотношений направленного ответвителя. Однако наиболее эффективным инструментом являются известные машинные программы, позволяющие произвести расчет ширины проводников, связанных микрополосковых линий W и зазора между ними S входного направленного ответвителя с учетом многих факторов.

Для малошумящего балансного усилителя СВЧ, имеющего КСВН по входу 1.1 в относительной полосе рабочих частот 10%, при выходном направленном ответвителе четвертьволновой длины (, W₁=107 мкм, S₁=70 мкм), ширина проводников, связанных микрополосковых линий W входного направленного ответвителя, составит 120 мкм, при зазоре S=30 мкм, а длина связи L=0.15λ, при этом расчетный коэффициент шума балансного усилителя на 0.12 децибела меньше по сравнению с прототипом, а площадь, занимаемая входным направленным ответвителем данного балансного усилителя, на 40% меньше по сравнению с четвертьволновым мостом Ланге.

Так для схем малошумящих балансных усилителей СВЧ, относительная полоса рабочих частот которых располагается в диапазоне от 5% до 15%, при габаритных размерах менее, чем у прототипа, снижение уровня собственных шумов составляет порядка 0.1 децибела по сравнению с прототипом.

Таким образом, заявляемое устройство при снижении габаритных размеров обеспечивает повышение чувствительности радиоприемного тракта вследствие снижения уровня собственных шумов.

Изобретение относится к области радиотехники, а именно для усиления сигналов СВЧ в радиоэлектронной аппаратуре. Техническим результатом является снижение уровня собственных шумов и снижение габаритных размеров балансного усилителя. Малошумящий балансный усилитель СВЧ содержит два усилителя, включенных между входным и выходным каскадно соединенными трехдецибельными направленными ответвителями на связанных микрополосковых линиях встречно-штыревой структуры типа мостов Ланге. Центральная частота входного направленного ответвителя выше центральной рабочей частоты балансного усилителя, и входной направленный ответвитель относительно центральной рабочей частоты балансного усилителя имеет длину связи L, удовлетворяющую условию

,

где λ - длина волны в микрополосковой линии, соответствующая центральной рабочей частоте балансного усилителя, причем модуль коэффициента связи на центральной частоте входного направленного ответвителя K определяется по формуле

.

2 ил.

Малошумящий балансный усилитель СВЧ, содержит два усилителя, включенных между входным и выходным каскадно соединенными трехдецибельными направленными ответвителями на связанных микрополосковых линиях встречно-штыревой структуры типа мостов Ланге, отличающийся тем, что центральная частота входного направленного ответвителя выше центральной рабочей частоты балансного усилителя, и входной направленный ответвитель, относительно центральной рабочей частоты балансного усилителя, имеет длину связи L, удовлетворяющую условию

где λ - длина волны в микрополосковой линии, соответствующая центральной рабочей частоте балансного усилителя, причем модуль коэффициента связи на центральной частоте входного направленного ответвителя K, определяется по формуле