ИМПУЛЬСНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ СВЧ Российский патент 2008 года по МПК H03K5/02 

Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано в радиолокационной и радионавигационной технике, а также в средствах передачи информации.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является импульсный усилитель мощности СВЧ (патент на изобретение №2262183, МПК H03F 3/32), выбранный в качестве прототипа. Устройство-прототип содержит первый и второй развязывающие вентили, модулятор, первый каскад усиления сигнала СВЧ, выполненный, например, на лампе бегущей волны (ЛБВ), второй каскад усиления сигнала СВЧ, выполненный, например, на амплитроне, при этом вход первого вентиля соединен с внешним источником сигнала СВЧ, выход первого вентиля соединен с входом СВЧ ЛБВ, выход СВЧ ЛБВ соединен с входом второго вентиля, выход которого соединен с входом СВЧ амплитрона, аноды ЛБВ и амплитрона соединены с общей шиной. Кроме этого, устройство-прототип содержит импульсный трансформатор, первый вывод вторичной обмотки которого соединен с общей шиной, катод ЛБВ соединен со вторым выводом вторичной обмотки импульсного трансформатора через согласующий резистор, катод амплитрона соединен со вторым выводом вторичной обмотки импульсного трансформатора через согласующий резистор, параллельно вторичной обмотке импульсного трансформатора включен пиковый детектор, состоящий из конденсатора, диода и резистора, включенного параллельно диоду. При этом одна из обкладок конденсатора соединена с катодом амплитрона, другая обкладка конденсатора соединена с катодом диода, анод которого подключен к общей шине, а параллельно согласующему резистору ЛБВ включен другой конденсатор.

Недостатком устройства-прототипа является то, что при скачкообразном изменении несущей частоты в пределах рабочего диапазона частот от импульса к импульсу или внутри радиоимпульса, изменяется статическое сопротивление амплитрона. Это приводит к изменению тока, срыву колебаний СВЧ и, соответственно, к сужению диапазона рабочих частот.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание импульсного усилителя мощности СВЧ, обеспечивающего надежную работу во всем рабочем диапазоне частот при быстрой скачкообразной перестройке частоты как между импульсами, так и внутри них за счет стабилизации импульсного тока второго каскада усиления сигнала СВЧ и импульсного напряжения первого каскада усиления сигнала СВЧ как внутри импульса, так и от импульса к импульсу.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Предлагаемый импульсный усилитель мощности СВЧ содержит, так же как и прототип, первый и второй развязывающие вентили, модулятор, первый каскад усиления сигнала СВЧ, выполненный, например, на лампе бегущей волны (ЛБВ), второй каскад усиления сигнала СВЧ, выполненный, например, на амплитроне, при этом вход первого вентиля соединен с внешним источником сигнала СВЧ, выход первого вентиля соединен с входом СВЧ ЛБВ, выход СВЧ ЛБВ соединен с входом второго вентиля, выход которого соединен с входом СВЧ амплитрона, аноды ЛБВ и амплитрона соединены с общей шиной. В отличие от прототипа в импульсном усилителе мощности СВЧ положительный вывод модулятора соединен с общей шиной, катод ЛБВ соединен непосредственно с отрицательным выводом модулятора, катод амплитрона соединен с катодом ЛБВ через последовательно соединенные согласующий резистор, полевой транзистор и резистор обратной связи, при этом сток транзистора соединен с катодом амплитрона, а исток - с резистором обратной связи, а между точкой соединения резистора обратной связи и согласующего резистора и затвором полевого транзистора включен управляющий источник напряжения, причем положительный вывод управляющего источника напряжения соединен с затвором полевого транзистора.

На фиг.1 представлена функциональная схема предлагаемого импульсного усилителя мощности СВЧ.

На фиг.2 представлены эпюры напряжений и токов в различных точках схемы усилителя мощности СВЧ, иллюстрирующие эффективность предлагаемого изобретения, где а) - эпюры напряжения модулирующих импульсов первого (пунктирная линия) и второго (сплошная линия) каскадов усиления сигнала СВЧ устройства-прототипа; б) - эпюра тока второго каскада усиления сигнала СВЧ устройства-прототипа; в) - эпюры модулирующих импульсов первого (пунктирная линия) и второго (сплошная линия) каскадов усиления сигнала СВЧ предлагаемого устройства; г) - эпюра тока второго каскада усиления сигнала СВЧ предлагаемого устройства; д) - эпюра напряжения между стоком и истоком транзистора. На оси абсцисс (времени) отмечен момент t_Δf изменения частоты с частоты f2 на частоту f1, причем частота f2>f1.

На фиг.3 показаны: вольтамперные характеристики амплитрона на двух частотах: f1 (тонкая сплошная линия) и f2 (тонкая пунктирная линия), причем f1<f2; нагрузочные характеристики устройства-прототипа (толстая сплошная линия) и предлагаемого устройства (толстая пунктирная линия); линия, обозначающая границу зоны устойчивой работы амплитрона (тонкая точечная линия, зона устойчивой работы, располагается слева от нее).

Импульсный усилитель мощности СВЧ (фиг.1) содержит так же, как и прототип, первый 1 и второй 2 развязывающие вентили, модулятор 3, первый каскад 4 усиления сигнала СВЧ, выполненный, например, на лампе бегущей волны (ЛБВ), второй каскад 5 усиления сигнала СВЧ, выполненный, например, на амплитроне. При этом вход первого вентиля 1 соединен с внешним источником сигнала СВЧ, выход первого вентиля 1 соединен с входом СВЧ ЛБВ 4, выход СВЧ ЛБВ 4 соединен с входом второго вентиля 2. Выход второго вентиля 2 соединен с входом СВЧ амплитрона 5. Аноды ЛБВ 4 и амплитрона 5 соединены с общей шиной.

В отличие от прототипа в импульсном усилителе мощности СВЧ положительный вывод модулятора 3 соединен с общей шиной, катод ЛБВ 4 соединен непосредственно с отрицательным выводом модулятора 3, катод амплитрона 5 соединен с катодом ЛБВ 4 через последовательно соединенные согласующий резистор 6, полевой транзистор 7 и резистор обратной связи 8. При этом сток транзистора 7 соединен с катодом амплитрона 5, а исток - с резистором обратной связи 8, а между точкой соединения согласующего резистора 6 и резистора обратной связи 8 и затвором полевого транзистора 7 включен управляющий источник напряжения 9, причем положительный вывод управляющего источника напряжения 9 соединен с затвором полевого транзистора 7.

Устройство работает следующим образом.

Мощность СВЧ подается на вход развязывающего вентиля 1 с развязкой α=20 дБ. После усиления в первом каскаде 4 усиления сигнала СВЧ мощность СВЧ через вентиль 2 поступает на вход второго каскада 5 усиления сигнала СВЧ. С выхода второго каскада 5 мощность СВЧ поступает в антенну.

Импульсная модуляция каскадов 4 и 5 усиления сигнала СВЧ производится так же, как и в прототипе, от одного импульсного модулятора 3. Модулятор согласован с первым каскадом 4 усиления сигнала СВЧ и выдает импульсы со стабильным напряжением вершины. Импульсное напряжение на первый каскад 4 усиления сигнала СВЧ подается непосредственно от отрицательного вывода модулятора в точке «А» на фиг.1 (пунктирная линия на фиг.2,в), а на второй каскад 5 усиления сигнала СВЧ подается в точку «Б» на фиг.1 (сплошная линия на фиг.2,в) с этого же отрицательного вывода модулятора через согласующий резистор 6, резистор обратной связи 8 и транзистор 7, каналом которого управляет по затвору управляющий источник напряжения 9.

Непосредственное подключение первого каскада 4 усиления сигнала СВЧ к модулятору, а второго каскада 5 усиления сигнала СВЧ через согласующий резистор 6, полевой транзистор 7 и резистор обратной связи 8 обеспечивает задержку переднего фронта модулирующего импульса амплитрона относительно переднего фронта модулирующего импульса ЛБВ (фиг.2,в). Это повышает надежность работы усилителя, предотвращая возникновение паразитных колебаний на выходе второго каскада 5 усиления сигнала СВЧ без СВЧ возбуждения.

Изменение несущей частоты приводит к изменению напряжения анода (фиг.3 ΔU) второго каскада 5 усиления сигнала СВЧ. При этом в устройстве-прототипе (на фиг.3 изображена нагрузочная характеристика устройства-прототипа с использованием пикового детектора и, следовательно, малым нагрузочным сопротивлением, при изменении частоты с f2 до частоты f1 рабочая точка переместится из точки 1 в точку 2) неравномерность тока второго каскада 5 (фиг.3 - ΔI, фиг.2,а - сплошная линия и фиг.2,б - момент t_Δf) приводит к выходу за пределы зоны устойчивой работы, где параметры второго каскада 5 не гарантируются, а неравномерность напряжения второго каскада 5 (фиг.3 - ΔU2 и фиг.2,а - сплошная линия) приводит к неравномерности напряжения первого каскада 4 (фиг.2,а - пунктирная линия), что, в свою очередь, может привести к нестабильной работе первого каскада 4.

Согласование модулятора 3 с первым каскадом 4 усиления сигнала СВЧ обеспечивает стабильное напряжение, необходимое первому каскаду 4 (фиг 2,в - пунктирная линия).

Для стабилизации тока второго каскада 5 усиления сигнала СВЧ введен активный параметрический стабилизатор тока, состоящий из полевого транзистора 7, ток стока которого равен току амплитрона (фиг.2,г) и в наибольшей степени зависит от напряжения на затворе полевого транзистора 7, резистора обратной связи 8, снижающего зависимость тока стока полевого транзистора 7 от напряжения сток-исток и температуры, и управляющего источника напряжения 9, вырабатывающего необходимое напряжение затвора и компенсирующего температурную зависимость тока стока полевого транзистора 7.

Напряжение с управляющего источника 9 обеспечивает полное отпирание полевого транзистора 7 при отсутствии модулирующего импульса. При появлении модулирующего импульса через полевой транзистор 7 и резистор обратной связи 8 начинает протекать ток, создающий падение напряжения на резисторе обратной связи 8, которое компенсирует напряжение управляющего источника напряжения 9 и переводит полевой транзистор 7 в активный режим. В этом случае при токах меньше заданных резистором обратной связи 8 и управляющим источником напряжения 9 статическое и динамическое сопротивления полевого транзистора 7 равны и крайне малы. Суммарное сопротивление цепочки: согласующий резистор 6, резистор обратной связи 8 и полевой транзистор 7, обусловлено в большей степени сопротивлением согласующего резистора 6. При этом, как показано на фиг.3, нагрузочная характеристика предлагаемого устройства сходна с нагрузочной характеристикой устройства-прототипа. При приближении тока к заданному значению динамическое сопротивление полевого транзистора 7 резко возрастает. Транзистор переходит в режим стабилизатора тока, когда ток транзистора стабилен (фиг.2,г) и обусловлен напряжением затвор-исток, а не напряжением сток-исток (фиг.2,д).

При уменьшении частоты колебаний статическое сопротивление каскада 5 усиления сигнала СВЧ уменьшается. Одновременно с этим увеличивается статическое сопротивление полевого транзистора 7, работающего в активном режиме и имеющего большое динамическое сопротивление за счет стабильности управляющего источника напряжения 9. Соответственно суммарное статическое сопротивление цепочки - второй каскад 5 усиления сигнала СВЧ, полевой транзистор 7, резистор обратной связи 8, согласующий резистор 6 - остается неизменным, что обеспечивает стабильность тока в ней и, соответственно, стабильность тока амплитрона (фиг.3, рабочая точка по нагрузочной характеристике предлагаемого устройства переходит из точки 1 в точку 3). При этом уменьшение статического сопротивления амплитрона и увеличение статического сопротивления полевого транзистора 7 вызывает уменьшение напряжения на амплитроне и увеличение напряжения на полевом транзисторе (как показано на фиг.2,в, д). При увеличении частоты происходят обратные процессы - статическое сопротивление амплитрона увеличивается, а статическое сопротивление полевого транзистора уменьшается.

Для грубого согласования уровней напряжения первого 4 и второго 5 каскада усиления сигнала СВЧ и уменьшения нагрузки на полевой транзистор 7 введен согласующий резистор 6.

Технический результат от использования предлагаемого импульсного усилителя мощности СВЧ в отличие от устройства-прототипа заключается в обеспечении надежной работы усилителя во всем рабочем диапазоне частот при быстрой скачкообразной перестройке частоты как между импульсами, так и внутри них. Надежная работа усилителя обусловлена стабилизацией импульсного тока второго каскада 5 усиления сигнала СВЧ и импульсного напряжения первого каскада 4 усиления сигнала СВЧ как внутри импульса, так и от импульса к импульсу.

Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано в радиолокационной и радионавигационной технике, а также в средствах передачи информации. Усилитель содержит развязывающие вентили, модулятор, первый каскад усиления сигнала СВЧ, выполненный, например, на лампе бегущей волны (ЛБВ), второй каскад усиления сигнала СВЧ, выполненный, например, на амплитроне, а также согласующий резистор, полевой транзистор, резистор обратной связи и управляющий источник напряжения. Технический результат - обеспечение надежной работы усилителя во всем рабочем диапазоне частот при быстрой скачкообразной перестройке частоты как между импульсами, так и внутри них за счет стабилизации импульсного тока амплитрона и импульсного напряжения ЛБВ как внутри импульса, так и от импульса к импульсу. 3 ил.

Импульсный усилитель мощности СВЧ, содержащий первый и второй развязывающие вентили, модулятор, первый каскад усиления сигнала СВЧ, выполненный, например, на лампе бегущей волны (ЛБВ), второй каскад усиления сигнала СВЧ, выполненный, например, на амплитроне, при этом вход первого вентиля соединен с внешним источником сигнала СВЧ, выход первого вентиля соединен с входом СВЧ ЛБВ, выход СВЧ ЛБВ соединен с входом второго вентиля, выход которого соединен с входом СВЧ амплитрона, аноды ЛБВ и амплитрона соединены с общей шиной, отличающийся тем, что положительный вывод модулятора также соединен с общей шиной, катод ЛБВ соединен непосредственно с отрицательным выводом модулятора, катод амплитрона соединен с катодом ЛБВ через последовательно соединенные согласующий резистор, полевой транзистор и резистор обратной связи, при этом сток транзистора соединен с катодом амплитрона, а исток - с резистором обратной связи, а между точкой соединения резистора обратной связи и согласующего резистора и затвором полевого транзистора включен управляющий источник напряжения, причем положительный вывод управляющего источника напряжения соединен с затвором полевого транзистора, а отрицательный - с точкой соединения согласующего резистора и резистора обратной связи.