ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ Х-ДИАПАЗОНА Российский патент 2009 года по МПК H03F3/19 

Предлагаемое техническое решение относится к технике полупроводниковых устройств и может быть использовано в радиопередающих устройствах сверхвысоких частот.

Известен микрополосковый усилитель мощности в двух плоскостях (патент US №6525610, Н03F 3/60), содержащий входной регулятор фазы, согласующее устройство, предварительный усилитель, микрополосковый делитель 1/N, N усилителей, микрополосковый сумматор N/1, выходной регулятор фазы. Недостатками такого усилителя являются значительные потери мощности, обусловленные применением микрополоскового сумматора мощности, а также необходимость регулировки фазы не только во входной, но и в выходной цепи.

Известно устройство для усиления высокочастотных сигналов в сверхширокой полосе частот (свидетельство на полезную модель RU №4029, Н03F 3/58). Известное устройство содержит входную и выходную линии с включенными между ними усилительными элементами, делителями напряжения, конденсаторами и индуктивностью с N-активными элементами, включенными параллельно в точках входной и выходной линий, причем каждый активный элемент состоит из двух транзисторов.

Недостатком такого устройства является включение усилителей без СВЧ-развязки между каскадами, что не позволяет проводить независимую регулировку фазы в каждом отдельно взятом каскаде.

Известен также GaAs усилитель К-диапазона с выходной мощностью 8,2 Вт (IEE Trans on Microwave Theory and Techniques, v MTT-32, no. 3 march 1984, 317-324).

Известное устройство по своему назначению и технической сущности является наиболее близким к предлагаемому техническому решению и поэтому выбрано за прототип.

Устройство, выбранное за прототип, представляет собой усилитель мощности, содержащий предварительный усилитель, соединенный через вентиль и волноводно-полосковый переход с входом микрополоскового делителя, передающего мощность на N усилителей, выходы которых подключены через волноводно-полосковый переход (ВПП) к входу микрополоскового сумматора. Корректировка фазы осуществляется в волноводном тракте каждого из N усилителей путем подбора диэлектрических пластин.

К недостаткам прототипа относятся:

1. Потери мощности на выходе устройства в связи с применением микрополосковых сумматоров.

2. Необходимость подбора идентичных усилителей в комплект (отсутствие взаимозаменяемости в составе усилителя мощности).

3. Недостаточный уровень развязки сигнала в плечах микрополоскового сумматора по сравнению с волноводным сумматором.

Целью предлагаемого технического решения является минимизация потерь выходной мощности усилителя мощности, исключение зависимости выходной мощности усилителя мощности от начальной разности фаз между усилителями при одновременном улучшении массогабаритных характеристик и осуществлении механической развязки при сборке усилителя за счет применения жестких кабелей на выходе микрополоскового делителя.

Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве, содержащем предварительный усилитель, подключенный к микрополосковому делителю мощности, n выходов которого соединены с входами N СВЧ-усилителей, выходы СВЧ-усилителей подключены к N-канальному сумматору, к управляющему входу предварительного усилителя и к управляющему входу каждого из N СВЧ-усилителей от распределителя модулирующих импульсов подводится напряжение питания и управляющий сигнал, N-канальный сумматор выполнен в виде N волноводных ТЕМ-мостов с соответствующими входами, соединенными с выходами N СВЧ-усилителей непосредственно коаксиально-волноводными переходами, а его выход через волноводный фланец подключен к детекторной головке. Микрополосковый делитель мощности дополнительно содержит элементы коррекции фазы сигнала в каждом канале и связан с входами N СВЧ-усилителей жесткими кабелями, обеспечивающими механическую развязку конструкции с фиксированными в пространстве точками входа N-канального сумматора. При этом корпусы N СВЧ-усилителей, являющиеся несущими элементами каркаса, связаны разборными планками в прямоугольную рамочную конструкцию.

Благодаря новой совокупности существенных признаков предлагаемое устройство обеспечивает возможность минимизировать потери при суммировании мощности N СВЧ-усилителей в N-канальном сумматоре, выполненном в виде N волноводных ТЕМ-мостов, исключает зависимость результата настройки усилителя мощности на максимальную мощность от начального набега фазы в каждом СВЧ-усилителе за счет последовательной ступенчатой настройки в развязанных устройствах. Одновременно улучшаются массогабаритные характеристики за счет применения разборной рамочной конструкции.

Из известного уровня техники не выявлено решений, имеющих признаки, совпадающие с отличительными признаками предлагаемого технического решения, поэтому можно считать, что предлагаемое техническое решение соответствует условию изобретательского уровня.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена структурная схема твердотельного усилителя мощности Х-диапазона, на фиг.2 и на фиг.3 - конструктивное выполнение твердотельного усилителя мощности под разными ракурсами.

Твердотельный усилитель мощности (фиг.1) так же, как и прототип, содержит предварительный усилитель 1, подключенный к микрополосковому делителю 2, n выходов которого соединены с входами N СВЧ-усилителей 3₁...3_N. Выходы СВЧ-усилителей подключены к N-канальному сумматору 4. К управляющему входу предварительного усилителя 1 и к управляющему входу каждого из N СВЧ-усилителей 3 от распределителя модулирующих импульсов 5 подводится управляющий сигнал, а также напряжение питания.

В отличие от прототипа N-канальный сумматор 4 выполнен в виде N волноводных ТЕМ-мостов с соответствующими входами, соединенными с выходами N СВЧ-усилителей 3 непосредственно через коаксиально-волноводные переходы 8.

Делитель мощности 2 дополнительно содержит элементы коррекции фазы в каждом канале и связан с входами N СВЧ-усилителей 3 жесткими СВЧ-кабелями 7.

Детекторная головка 6 подключена к выходу N-канального сумматора 4 через волноводный фланец. Выход детекторной головки 6 является выходом твердотельного усилителя мощности Х-диапазона.

Корпусы N СВЧ-усилителей 3 являются несущими элементами разборного каркаса, соединенными разборными планками 9 в прямоугольную рамочную конструкцию (фиг.2, 3).

Применение жестких коаксиальных кабелей 7, один из которых через угловые СВЧ-переходы осуществляет связь между предварительным усилителем 1 и делителем мощности 2, а остальные n имеют S-образную форму, а также применение коаксиально-волноводных переходов 8 обеспечивает компактность устройства и значительно упрощает процесс сборки.

Твердотельный усилитель мощности Х-диапазона работает следующим образом. На вход предварительного усилителя 1, состоящего из нескольких каскадов усиления, выполненных на полевых транзисторах по схеме с общим истоком, поступает СВЧ-сигнал, который усиливается и через жесткий СВЧ-кабель 7 подается на вход микрополоскового делителя мощности 2, выполненного на мостах Вилькинсона с возможностью изменения фазовой длины в каждом из N каналов деления.

Каждый из N СВЧ-усилителей 3 представляет собой многокаскадный усилитель на полевых транзисторах с общим истоком, выполненный по балансной схеме. Выходы N СВЧ-усилителей 3 через коаксиально-волноводные переходы 8 подключены к n входам сумматора 4, выполненного на ТЕМ-мостах с согласующими элементами, обеспечивающими высокую степень развязки.

Детекторная головка 6, подключенная к выходному фланцу волноводного сумматора 4, предназначена для контроля мощности на выходе усилителя мощности. Сигнал с детекторной головки 6 выдается во внешние цепи.

Распределитель модулирующих импульсов 5 предназначен для стабилизации напряжения и распределения управляющих сигналов между предварительным усилителем 1 и N СВЧ-усилителями 3.

Каждая пара СВЧ-усилителей 3 последовательно настраивается изменением фазовой длины в микрополосковом делителе 2. Кроме того, имеется возможность попарного отключения СВЧ-усилителей 3, их поэлементного включения и адресного контроля.

Изготовлены опытные образцы твердотельного усилителя мощности Х-диапазона, проведены механические и климатические испытания в соответствии с ГОСТ РВ 20.39.304-98.

Настройка и проведенные измерения подтвердили отсутствие необходимости предварительного выравнивания начальной фазы N СВЧ-усилителей, что упрощает настройку усилителя мощности в целом. За счет применения волноводного сумматора и оптимизации длин кабелей уменьшены потери мощности.

Изготовленные опытные образцы твердотельного усилителя мощности Х-диапазона имеют усиление не менее 50 дБ, обеспечивают выходную мощность не менее 200 Вт при минимальной скважности 5. Масса устройства составляет не более 2,5 кг при габаритах, не превышающих 221·132·144 мм.

Твердотельный усилитель мощности Х-диапазона, содержащий предварительный усилитель, подключенный к микрополосковому делителю мощности, n выходов которого соединены с входами N СВЧ-усилителей, выходы СВЧ-усилителей подключены к N-канальному сумматору, соединенному с детекторной головкой, к управляющему входу предварительного усилителя и управляющему входу каждого из N СВЧ-усилителей от распределителя модулирующих импульсов подводится напряжение питания и управляющий сигнал, отличается тем, что N-канальный сумматор выполнен в виде N волноводных ТЕМ-мостов с соответствующими входами, соединенными с выходами N СВЧ-усилителей непосредственно коаксиально-волноводными переходами, а его выход через волноводный фланец подключен к детекторной головке, при этом микрополосковый делитель мощности дополнительно содержит элементы коррекции фазы сигнала в каждом канале и связан с входами N СВЧ-усилителей жесткими кабелями, обеспечивающими механическую развязку конструкции с фиксированными в пространстве точками входа в N-канальный сумматор, причем корпуса каждого из N СВЧ-усилителей являются несущими элементами каркаса, связанными в прямоугольную рамочную конструкцию. Введение указанных признаков обеспечивает технический результат - возможность минимизировать потери при суммировании мощности N СВЧ-усилителей в N-канальном сумматоре, выполненном в виде N волноводных ТЕМ-мостов, исключает зависимость результата настройки усилителя мощности на максимальную мощность от начального набега фазы в каждом СВЧ-усилителе за счет последовательной ступенчатой настройки в развязанных устройствах. Одновременно уменьшаются массогабаритные характеристики за счет применения разборной рамочной конструкции. 3 ил.

Твердотельный усилитель мощности Х-диапазона, содержащий предварительный усилитель, подключенный к микрополосковому делителю мощности, n выходов которого соединены с входами N СВЧ-усилителей, выходы СВЧ-усилителей подключены к N-канальному сумматору, соединенному с детекторной головкой, к управляющему входу предварительного усилителя и управляющему входу каждого из N СВЧ-усилителей от распределителя модулирующих импульсов подводится напряжение питания и управляющий сигнал, отличающийся тем, что N-канальный сумматор выполнен в виде N-волноводных ТЕМ-мостов с соответствующими входами, соединенными с выходами N СВЧ-усилителей непосредственно коаксиально-волноводными переходами, а его выход через волноводный фланец подключен к детекторной головке, при этом микрополосковый делитель мощности дополнительно содержит элементы коррекции фазы сигнала в каждом канале и связан с входами N СВЧ-усилителей жесткими кабелями, обеспечивающими механическую развязку конструкции с фиксированными в пространстве точками входа в N-канальный сумматор, причем корпуса каждого из N СВЧ-усилителей являются несущими элементами каркаса, связанными в прямоугольную рамочную конструкцию.