СПОСОБ УСИЛЕНИЯ МОЩНОСТИ НА GaN СВЧ-ТРАНЗИСТОРАХ И ИМПУЛЬСНЫЙ СВЧ-УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ Российский патент 2013 года по МПК H03F3/32 

Группа изобретений относится к технике СВЧ и может быть использована в радиолокационной и радионавигационной технике, а также в средствах передачи информации.

Из уровня техники известен импульсный усилитель мощности СВЧ, который содержит развязывающие вентили, модулятор, первый каскад усиления сигнала СВЧ, выполненный, например, на лампе бегущей волны (ЛБВ), второй каскад усиления сигнала СВЧ, выполненный на амплитроне, импульсный трансформатор, при этом аноды ЛБВ и амплитрона, а также один из выводов вторичной обмотки импульсного трансформатора соединены с общей шиной, катод амплитрона соединен с другим выводом вторичной обмотки импульсного трансформатора, а катод ЛБВ соединен с катодом амплитрона 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 включен другой конденсатор. Параллельно диоду и резистору пикового детектора включен высоковольтный ключ, при этом коллектор ключа соединен с катодом диода, причем управляющий электрод ключа через драйвер и один из входов схемы управления с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) соединен с катодом диода, а другой вход схемы управления с ШИМ соединен с внешним источником импульсов запуска (патент РФ №2263391, опубл. 27.10.2005).

Недостатком известного устройства является низкая надежность, недостаточный уровень выходной мощности СВЧ-транзисторов и твердотельных модулей СВЧ-передатчиков, а также высокий уровень фазового шума.

Также из уровня техники известен усилитель, который 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 (см. патент РФ №2340083, опубл. 27.11.2008).

Недостатками известного устройства также являются низкая надежность, недостаточный уровень выходной мощности СВЧ-транзисторов и твердотельных модулей СВЧ-передатчиков.

Кроме того, из уровня техники известен способ использования импульсного усилителя мощности СВЧ (см. патент РФ №2263391, опубл. 27.10.2005), в котором мощность СВЧ подается на вход развязывающего вентиля. После усиления в первом каскаде усиления сигнала СВЧ мощность СВЧ через вентиль поступает на вход второго каскада усиления сигнала СВЧ. С выхода СВЧ второго каскада мощность СВЧ поступает в антенну. Импульсная модуляция каскадов и усиления сигнала СВЧ производится так же, как и в устройстве-прототипе, от одного импульсного модулятора. Согласование модулятора с каскадами и реализуется с помощью импульсного повышающего трансформатора. Импульсное напряжение на второй каскад усиления сигнала СВЧ подается непосредственно с вторичной обмотки трансформатора, а на первый каскад - с этой же вторичной обмотки через согласующий резистор.

Для уменьшения фазовых искажений на переднем фронте модулирующего импульса первого каскада параллельно согласующему резистору включен конденсатор.

Согласование модулятора с каскадами и усиления сигнала СВЧ с помощью импульсного трансформатора влечет за собой осцилляции и спад напряжения на вершине модулирующего импульса, обусловленные индуктивностью рассеяния и конечной величиной индуктивности намагничивания трансформатора, шунтирующих нагрузку, которой являются электронные лампы первого и второго каскадов усиления сигнала СВЧ.

В паузе между импульсами конденсатор разряжается через ключ и вторичную обмотку трансформатора. Схема управления с ШИМ, синхронизированная импульсом запуска, в паузе между импульсами запуска выдает задержанный относительно импульса запуска импульс управления ключом, длительность которого изменяется таким образом, чтобы уровень напряжения пикового детектора сохранялся неизменным при любых режимах скважности импульсов. Изменяющийся по длительности импульс управления усиливается по мощности драйвером и затем подается на управляющий электрод ключа, который открывается. При этом конденсатор частично разряжается через ключ и первичную обмотку трансформатора.

Недостатками известного способа являются его недостаточный уровень выходной мощности СВЧ-транзисторов и высокий уровень фазового шума.

Задачей настоящей группы изобретений является устранение вышеуказанных недостатков.

Обобщенный технический результат заключается в уменьшении уровня фазового шума выходного СВЧ-сигнала и повышении надежности устройства, обусловленной защитой затвора GaN СВЧ-транзистора от пробоя при перегрузке входным СВЧ-сигналом.

Технический результат обеспечивается тем, что импульсный СВЧ-усилитель мощности на GaN СВЧ-транзисторах включает входной и выходной суммирующие микрополосковые мосты, в плечах которых установлены GaN СВЧ-транзисторы, затворы которых подключены к стабилизатору напряжения, а стоки подключены к быстродействующему импульсному модулятору, содержащему мощный коммутирующий ключ на силовом GaN транзисторе со скоростным драйвером, подключающим сток GaN СВЧ-транзисторов к накопительной емкости, мощный разрядный ключ на силовом GaN транзисторе со скоростным драйвером, обеспечивающим разряд емкостей GaN СВЧ-транзисторов после отключения коммутирующего ключа и источника питания с широтно-импульсной модуляцией, зарядный ключ на силовом GaN транзисторе со скоростным драйвером, обеспечивающий отключение накопительной емкости и стока GaN СВЧ-транзистора от источника питания с широтно-импульсной модуляцией с выходным напряжением 5-45 В и подключение накопительной емкости к источнику питания с широтно-импульсной модуляцией во время отключения напряжения питания от стоков GaN СВЧ-транзисторов коммутирующим ключом.

В соответствии с частными случаями выполнения устройство может иметь следующие конструктивные особенности.

Затворы GaN СВЧ-транзисторов подключены к стабилизатору напряжения через микрополосковые фильтры и резистивные делители, а стоки подключены к быстродействующему импульсному модулятору через микрополосковые фильтры.

Резистивный делитель питания затвора каждого GaN СВЧ-транзистора через диоды подключен к двум стабилизаторам напряжения.

Технический результат обеспечивается тем, что способ усиления мощности на GaN СВЧ-транзисторах с использованием импульсного СВЧ-усилителя мощности на GaN СВЧ-транзисторах характеризуется тем, что увеличение сигнала СВЧ осуществляют с быстродействующего импульсного модулятора, содержащего мощный коммутирующий ключ на силовом GaN транзисторе со скоростным драйвером, подключающим сток GaN СВЧ-транзисторов к накопительной емкости. При этом разряд емкости обеспечивает мощный разрядный ключ на силовом GaN транзисторе со скоростным драйвером после отключения коммутирующего ключа и источника питания с широтно-импульсной модуляцией. Зарядный ключ на силовом GaN транзисторе со скоростным драйвером обеспечивает отключение накопительной емкости и стока GaN СВЧ-транзистора от источника питания с широтно-импульсной модуляцией и подключение накопительной емкости к источнику питания с широтно-импульсной модуляцией во время отключения напряжения питания от стоков GaN СВЧ-транзисторов коммутирующим ключом.

Техническая сущность настоящей группы изобретений поясняется следующими чертежами:

на фиг.1 отображена блок-схема;

на фиг.2 отображена электрическая схема;

на фиг.3 отображена графическая зависимость, характеризующая подавление пульсаций с частотой ШИМ в импульсе напряжения питания МУП с 50 мВ до 10 мВ;

на фиг.4 приведены результаты измерения влияния СПФШ твердотельного импульсного передатчика с питанием от ВУМ при использовании трехключевой схемы;

фиг.5 отображает графическую зависимость уменьшения уровня фазового шума.

Настоящее устройство имеет следующие конструктивные элементы:

1 - входной микрополосковый мост;

2 - первый GaN СВЧ-транзистор;

3 - второй GaN СВЧ-транзистор;

4 - выходной микрополосковый мост;

5 - первый защитный диод первого GaN СВЧ-транзистора;

6 - резистивный делитель первого GaN СВЧ-транзистора;

7 - второй защитный диод первого GaN СВЧ-транзистора;

8 - первый защитный диод второго GaN СВЧ-транзистора;

9 - резистивный делитель второго GaN СВЧ-транзистора;

10 - второй защитный диод второго GaN СВЧ-транзистора;

11 - первый стабилизатор напряжения затворов GaN СВЧ-транзистора;

12 - второй стабилизатор напряжения затворов GaN СВЧ-транзистора;

13 - микрополосковый фильтр-пробка питания затвора первого GaN СВЧ-транзистора;

14 - микрополосковый фильтр-пробка питания затвора второго GaN СВЧ-транзистора;

15 - микрополосковый фильтр-пробка питания стока первого GaN СВЧ-транзистора;

16 - микрополосковый фильтр-пробка питания второго стока GaN СВЧ-транзистора;

17 - первый коммутирующий ключ на GaN силовом транзисторе цепи питания стоков GaN СВЧ-транзистора;

18 - скоростной драйвер коммутирующего ключа цепи питания стоков GaN СВЧ-транзистора;

19 - накопительная емкость цепи питания стоков GaN СВЧ-транзистора;

20 - разрядный ключ на GaN силовом транзисторе цепи питания стоков GaN СВЧ-транзистора;

21 - скоростной драйвер разрядного ключа цепи питания стоков GaN СВЧ-транзистора;

22 - вторичный источник питания (ВИЛ) широтно-импульсной модуляцией (ШИМ);

23 - зарядный ключ на GaN силовом транзисторе в цепи питания стоков GaN СВЧ-транзистора;

24 - скоростной драйвер третьего ключа цепи питания стоков GaN СВЧ-транзистора.

На фиг.1 приведена блок-схема, на которой отображены входной 1 и выходной 4 суммирующие микрополосковые мосты, первый GaN СВЧ-транзистор 2, второй GaN СВЧ-транзистор 3, первый защитный диод 5, резистивный делитель первого GaN СВЧ-транзистора 6, второй защитный диод первого GaN СВЧ-транзистора 7, первый защитный диод второго GaN СВЧ-транзистора 8, резистивный делитель второго GaN СВЧ-транзистора 9, второй защитный диод второго GaN СВЧ-транзистора 10, первый стабилизатор напряжения затворов GaN СВЧ-транзистора 11, второй стабилизатор напряжения затворов GaN СВЧ-транзистора 12, микрополосковый фильтр-пробка питания затвора первого GaN СВЧ-транзистора 13, микрополосковый фильтр-пробка питания затвора второго GaN СВЧ-транзистора 14, микрополосковый фильтр-пробка питания стока первого GaN СВЧ-транзистора 15, микрополосковый фильтр-пробка питания второго стока GaN СВЧ-транзистора 16, первый коммутирующий ключ на GaN силовом транзисторе цепи питания стоков GaN СВЧ-транзистора 17, скоростной драйвер коммутирующего ключа цепи питания стоков GaN СВЧ-транзистора 18, накопительная емкость цепи питания стоков GaN СВЧ-транзистора 19, разрядный ключ на GaN силовом транзисторе цепи питания стоков GaN СВЧ-транзистора 20, скоростной драйвер разрядного ключа цепи питания стоков GaN СВЧ-транзистора 21, вторичный источник питания (ВИП) широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) 22, зарядный ключ на GaN силовом транзисторе в цепи питания стоков GaN СВЧ-транзистора 23, скоростной драйвер третьего ключа цепи питания стоков GaN СВЧ-транзистора 24.

Настоящее устройство работает следующим образом.

Импульсный СВЧ-усилитель мощности на GaN СВЧ-транзисторах с пониженным уровнем фазового шума выходного СВЧ-сигнала и защитой затвора GaN СВЧ-транзистора от пробоя при перегрузке входным СВЧ-сигналом состоит из входного и выходного суммирующих микрополосковых мостов 1, 4, в плечах которых установлены GaN СВЧ-транзисторы 2, 3, затворы которых через микрополосковые фильтры "пробки" 13, 14 и резистивные делители 6, 9 подключены к стабилизатору напряжения 11, 12, а стоки через микрополосковые фильтры "пробки" 15, 16 подключены к быстродействующему импульсному модулятору, содержащему мощный коммутирующий ключ 17 на силовом GaN транзисторе со скоростным драйвером 18, подключающим сток GaN СВЧ-транзисторов к накопительной емкости 19. Мощный разрядный ключ 20 на силовом GaN транзисторе со скоростным драйвером 21 обеспечивает разряд емкостей GaN СВЧ-транзисторов после отключения коммутирующего ключа 17 и вторичного источника питания 22, в котором для повышения коэффициента полезного действия СВЧ-усилителя использован вторичный источник питания с широтно-импульсной модуляцией.

В настоящем устройстве для минимизации тепловыделения и увеличения коэффициента полезного действия для питания СВЧ-транзисторов гибридных интегральных схем СВЧ-усилителя мощности в составе модулятора управления питанием (МУП) используется вторичный источник питания (ВИЛ) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) 22. Для конвертации напряжения вниз, в процессе реализации экспериментального образца, был применен ШИМ преобразователь с выходным напряжением 5-45 В, способный отдавать в нагрузку 20 А. Несмотря на наличие дискретных составляющих в спектре питания ШИМ преобразователя в сравнении с линейным источником выбор был сделан в сторону первого, так как ШИМ преобразователь имеет значительно более высокий КПД.

Для понижения уровня фазового шума выходного СВЧ-сигнала в цепь питания стоков GaN СВЧ-транзисторов дополнительно введен зарядный ключ 23 на силовом GaN транзисторе, управляемый скоростным драйвером 24, отключающим накопительную емкость 19 и сток GaN СВЧ-транзистора от вторичного источника питания 22 с ШИМ во время работы GaN СВЧ-транзисторов и подключающим накопительную емкость 19 к вторичному источнику питания 22 с широтно-импульсной модуляцией во время отключения напряжение питания от стоков GaN СВЧ-транзисторов коммутирующим ключом 17.

Для защиты затвора GaN СВЧ-транзистора от пробоя при перегрузке входным СВЧ-сигналом резистивные делители питания затвора 6, 9 каждого GaN СВЧ-транзистора через диоды 5, 7 подключены к двум стабилизаторам напряжения 11, 12. При этом значение напряжения первого стабилизатора 11 больше напряжения затвора, формируемого резистивным делителем, а значение напряжения второго стабилизатора 12 меньше напряжения затвора, формируемого резистивным делителем 6, 9.

Исследования основных характеристик опытного образца подтвердили ожидаемые преимущества нового импульсного СВЧ-усилителя мощности на GaN СВЧ-транзисторах с пониженным уровнем фазового шума выходного СВЧ-сигнала и защитой затвора GaN СВЧ-транзистора от пробоя при перегрузке входным СВЧ-сигналом с тремя силовыми ключами на GaN транзисторах по сравнению с аналогами. Экспериментальный образец импульсного СВЧ-усилителя мощности на GaN СВЧ-транзисторах с пониженным уровнем фазового шума выходного СВЧ-сигнала и защитой затвора GaN СВЧ-транзистора от пробоя при перегрузке входным СВЧ-сигналом обеспечил рабочий импульсный ток СВЧ-транзисторов усилителя 25 А при скважности Q=4. Образец работал при длительностях импульса от 0.5 мкс до 200 мкс с длительностью фронта и среза менее 0,1 мкс и величиной пульсаций напряжения менее 10 мВ (0,02% Uпит.). Кроме того, применение трехключевой схемы позволил снизить уровень СПФШ сигнала СВЧ-передатчика более чем на 20 дБ (фиг.5).

Отличия предложенного устройства на основе трехключевой конструкции от аналогов являются существенными, поскольку в указанном сочетании они обеспечивают следующие преимущества:

- понижение уровня фазового шума выходного СВЧ-сигнала и защита затвора GaN СВЧ-транзистора от пробоя при перегрузке входным СВЧ-сигналом.

- минимизацию влияния на стабильность частоты и фазы СВЧ-сигнала уровня шумов и помех от вторичного источника питания,

- понижение уровня СПФШ сигнала СВЧ-передатчика более чем на 20 дБ,

- минимизацию массогабаритных характеристик аппаратуры при обеспечении устойчивости к внешним дестабилизирующим факторам.

Группа изобретений относится к технике СВЧ и может быть использована в радиолокационной и радионавигационной технике, а также в средствах передачи информации. Техническим результатом является понижение уровня фазового шума выходного СВЧ-сигнала. Импульсный СВЧ-усилитель мощности на GaN СВЧ-транзисторах включает входной и выходной суммирующие микрополосковые мосты, в плечах которых установлены GaN СВЧ-транзисторы, затворы которых подключены к стабилизатору напряжения, а стоки подключены к быстродействующему импульсному модулятору, содержащему мощный коммутирующий ключ на силовом GaN транзисторе со скоростным драйвером, подключающим сток GaN СВЧ-транзисторов к накопительной емкости, мощный разрядный ключ на силовом GaN транзисторе со скоростным драйвером, обеспечивающим разряд емкостей GaN СВЧ-транзисторов после отключения коммутирующего ключа и источника питания с широтно-импульсной модуляцией, зарядный ключ на силовом GaN транзисторе со скоростным драйвером, обеспечивающий отключение накопительной емкости и стока GaN СВЧ-транзистора от источника питания с широтно-импульсной модуляцией с выходным напряжением 5-45 В и подключение накопительной емкости к источнику питания с широтно-импульсной модуляцией во время отключения напряжения питания от стоков GaN СВЧ-транзисторов коммутирующим ключом. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Импульсный СВЧ-усилитель мощности на GaN СВЧ-транзисторах, включающий входной и выходной суммирующие микрополосковые мосты, в плечах которых установлены GaN СВЧ-транзисторы, затворы которых подключены к стабилизатору напряжения, а стоки подключены к быстродействующему импульсному модулятору, содержащему мощный коммутирующий ключ на силовом GaN транзисторе со скоростным драйвером, подключающим сток GaN СВЧ-транзисторов к накопительной емкости, мощный разрядный ключ на силовом GaN транзисторе со скоростным драйвером, обеспечивающим разряд емкостей GaN СВЧ-транзисторов после отключения коммутирующего ключа и источника питания с широтно-импульсной модуляцией, зарядный ключ на силовом GaN транзисторе со скоростным драйвером, обеспечивающий отключение накопительной емкости и стока GaN СВЧ-транзистора от источника питания с широтно-импульсной модуляцией с выходным напряжением 5-45 В и подключение накопительной емкости к источнику питания с широтно-импульсной модуляцией во время отключения напряжения питания от стоков GaN СВЧ-транзисторов коммутирующим ключом.

2. Усилитель по п.1, характеризующийся тем, что затворы GaN СВЧ-транзисторов подключены к стабилизатору напряжения через микрополосковые фильтры и резистивные делители, а стоки подключены к быстродействующему импульсному модулятору через микрополосковые фильтры.

3. Усилитель по п.1, характеризующийся тем, что резистивный делитель питания затвора каждого GaN СВЧ-транзистора через диоды подключен к двум стабилизаторам напряжения.

4. Способ усиления мощности на GaN СВЧ-транзисторах с использованием импульсного СВЧ-усилителя мощности на GaN СВЧ-транзисторах по любому из пп.1-3, характеризующийся тем, что увеличение сигнала СВЧ осуществляют с быстродействующего импульсного модулятора, содержащего мощный коммутирующий ключ на силовом GaN транзисторе со скоростным драйвером, подключающим сток GaN СВЧ-транзисторов к накопительной емкости, при этом разряд емкости обеспечивает мощный разрядный ключ на силовом GaN транзисторе со скоростным драйвером после отключения коммутирующего ключа и источника питания с широтно-импульсной модуляцией, а зарядный ключ на силовом GaN транзисторе со скоростным драйвером обеспечивает отключение накопительной емкости и стока GaN СВЧ-транзистора от источника питания с широтно-импульсной модуляцией и подключение накопительной емкости к источнику питания с широтно-импульсной модуляцией во время отключения напряжения питания от стоков GaN СВЧ-транзисторов коммутирующим ключом.