СИСТЕМА РЕГУЛИРОВКИ МОЩНОСТИ Российский патент 2014 года по МПК H01P1/22 

Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности к аттенюаторным устройствам, и может быть использовано в качестве устройства для регулировки мощности выходного сигнала.

При проектировании радиоэлектронной аппаратуры в ряде случаев необходимо обеспечение регулировки ослабления ее выходной мощности в широком диапазоне - от 0 дБ до минус 130-150 дБ.

Известны системы регулировки мощности [патентная заявка US №2011316645. свидетельство па полезную модель RU №11394, патент US №5347239], представляющие собой ступенчатый аттенюатор и содержащие ряд последовательно соединенных посредством коммутаторов аттенюаторных звеньев. Включение и выключение отдельных из них осуществляется посредством, например, программируемого блока управления, получая таким образом необходимое ослабление мощности выходного сигнала. Расположение каскадного соединения аттенюаторных звеньев после выходного усилителя, работающего в режиме насыщения, позволяет достичь минимальной неравномерности коэффициента передачи в рабочей полосе частот и наилучшей термостабильности.

Однако необходимость компенсации значительных начальных затуханий широкополосных переменных электронных СВЧ-аттенюаторов (особенно при реализации регулировок мощности с большой глубиной) требует существенного увеличения мощности выходного усилительного каскада. Применение элементной базы повышенной мощности в конструкции СВЧ-усилителей влечет за собой его удорожание и снижение коэффициента полезного действия. Корректная работа системы регулировки мощности, размещенной на входе усилителя, возможна при его работе в линейном режиме, что требует введения дополнительных схем термостабилизации и выравнивания амплитудно-частотной характеристики (АЧХ). Каскадное включение аттенюаторов также приводит к ухудшению начальной АЧХ усилителя в режиме с минимальным вносимым ослаблением.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является двухканальная система регулировки мощности [патент US №7457593], в которой один канал пропускает сигнал без затухания, не влияя на его параметры, а второй содержит переменный электронный аттенюатор, обеспечивающий требуемое ослабление. Переключение между каналами осуществляется с помощью двух механических коммутаторов на входе и выходе каналов. Так, если затухание сигнала не требуется, коммутаторы замыкаются в положении, в котором сигнал проходит по каналу без затухания. В противном случае коммутаторы переключаются в другое положение, при котором сигнал поступает на переменный аттенюатор, обеспечивающий требуемое ослабление выходного сигнала.

Однако несмотря на все достоинства данной схемы, ее применение не обеспечивает требуемого уровня ослабления. Максимальное ослабление в соответствии с патентным описанием составляет минус 125 дБ в частотном диапазоне от 100 кГц до 3 ГГц.

Задачей заявляемого изобретения является расширение диапазона регулировки мощности выходного сигнала.

Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что система регулировки мощности, содержащая канал с затуханием, канал без затухания, первый и второй коммутаторы, предвыходной переменный аттенюатор, последовательно включенный в канал с затуханием, при этом первый выход первого коммутатора, имеющего один вход и два выхода, и первый вход второго коммутатора, имеющего два входа и один выход, соединены соответственно с входом и выходом канала без затухания, второй выход первого коммутатора и второй вход второго коммутатора соединены соответственно с входом и выходом канала с затуханием, дополнительно содержит: предвыходной усилитель, соединенный с входом первого коммутатора, выключатель и выходной усилитель, последовательно включенные в канал без затухания, корректирующий аттенюатор, последовательно соединенный с предвыходным переменным аттенюатором.

Кроме того, заявляется система, которая наряду с вышеназванными признаками дополнительно содержит выходной переменный аттенюатор, соединенный с выходом второго коммутатора.

Кроме того, заявляется система, в которой наряду с вышеназванными признаками первый и второй коммутаторы выполнены электронными.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в расширении диапазона ослабления выходной мощности с глубиной до минус 130-150 дБ за счет использования двухканальной системы регулировки мощности. Такую глубину ослабления мощности позволяет достичь высокая развязка каналов, обеспечиваемая сочетанием выключателя и выходного усилителя в канале без затухания и предвыходного усилителя. При этом еще одним важным отличием от наиболее близкого аналога, обеспечивающим минимизацию вносимых потерь, является использование двух усилителей, один из которых - меньшей мощности и соединен с входом первого коммутатора, другой - большей мощности и включен в канал без затухания. Такая схема позволяет не учитывать потери в первом коммутаторе и снизить требования к усилителям, а именно позволяет отказаться от усилителей высокой мощности благодаря минимизации потерь в канале без затухания при требуемом нулевом ослаблении широкополосных аттенюаторов, что существенно снижает себестоимость устройства. Комбинация включения корректирующего и предвыходного аттенюаторов в канале с затуханием совместно с выключателем и выходным усилителем в канале без затухания обеспечивает наилучшую форму АЧХ и высокую термостабильность во всем диапазоне ослабления за счет отсутствия протяженного регулировочного тракта и наличия режима насыщения по выходной мощности у предвыходного и выходного усилителей.

Заявляемое изобретение поясняется с помощью Фиг.1, 2, на которых изображено:

Фиг.1 - блок-схема заявляемой системы регулировки мощности;

Фиг.2 - блок-схема заявляемой системы регулировки мощности с выходным переменным аттенюатором.

На Фиг.1, 2 позициями 1-10 обозначены:

1 - предвыходной усилитель;

2 - первый коммутатор;

3 - второй коммутатор;

4 - канал без затухания;

5 - канал с затуханием;

6 - выключатель;

7 - выходной усилитель;

8 - корректирующий аттенюатор;

9 - предвыходной переменный аттенюатор;

10 - выходной переменный аттенюатор.

Система регулировки мощности состоит из предвыходного усилителя 1, первого 2 и второго 3 коммутаторов, канала без затухания 4, канала с затуханием 5. Вход предвыходного усилителя 1 предназначен для подключения к источнику сигнала, а выход соединен с входом первого коммутатора 2, выполненного с одним входом и двумя выходами. Первый выход первого коммутатора 2 соединен с входом канала без затухания 4, второй - с входом канала с затуханием 5. Второй коммутатор 3 выполнен с двумя входами и одним выходом. Первый вход второго коммутатора 3 соединен с выходом канала без затухания 4, второй вход - с каналом с затуханием 5. Канал без затухания 4 содержит последовательно соединенные выключатель 6 и выходной усилитель 7. Канал с затуханием 5 содержит последовательно включенные корректирующий аттенюатор 8 и предвыходной переменный аттенюатор 9.

В частном случае реализации изобретения система регулировки мощности может дополнительно содержать выходной переменный аттенюатор 10, соединенный с выходом второго коммутатора 3.

Система регулировки мощности работает следующим образом.

СВЧ-сигнал поступает на вход предвыходного усилителя 1 и далее в зависимости от требуемой величины затухания - либо в канал без затухания 4, либо в канал с затуханием 5. Для получения максимального значения мощности на выходе устройства сигнал поступает в канал без затухания 4. Для этого первый 2 и второй 3 коммутаторы замыкаются в положении I. В этом случае выключатель 6 остается открытым, и сигнал поступает на выходной усилитель 7.

Для ослабления выходного сигнала первый 2 и второй 3 коммутаторы переключаются в положение II. В этом случае сигнал со второго входа первого коммутатора 2 поступает на корректирующий аттенюатор 8. Уровень просачивающейся мощности из канала без затухания 4 на выход всего устройства и в канал с затуханием 5 через второй коммутатор 3 в положении II должен быть существенно меньше, чем максимально возможное ослабление предвыходного переменного аттенюатора 9. Это условие обеспечивается не только затуханием второго коммутатора 3 в запертом состоянии, но и затуханиями запертого выключателя 6 и выходного усилителя 7 с выключенным питанием.

Корректирующий аттенюатор 8 служит для выравнивания мощности при переключении между каналами без затухания 4 и с затуханием 5, обеспечивая плавную, без разрывов, регулировку мощности выходного сигнала. Величина ослабления корректирующего аттенюатора 8 определяется формулой:

$$L_{{А}_{К}}=\frac{P_{УВ}}{P_{УР}}\cdot \frac{1}{L_{Ко}\cdot L_{{А}_{П0}}}$$ ,

где Р_УВ - мощность выходного усилителя 7,

Р_УР - мощность предвыходного усилителя 1,

L_Ко - затухание второго коммутатора 3 в открытом состоянии,

$$L_{A_{П0}}$$ - начальное затухание предвыходного переменного аттенюатора 9.

Уменьшение уровня выходной мощности производится посредством изменения вносимого ослабления предвыходным переменным аттенюатором 9 до его максимального значения.

В частном случае реализации изобретения, когда нет требований к высокой выходной мощности, на выходе второго коммутатора 3 может быть включен выходной переменный аттенюатор 10, обеспечивающий дополнительное расширение диапазона регулировки мощности выходного сигнала за счет увеличения глубины ослабления. Мощность, просачивающаяся из канала без затухания 4 в этом случае поступает на вход выходного переменного аттенюатора 10 и не ограничивает его максимальное вносимое затухание. В этом случае регулировка ослабления происходит аналогичным образом с той лишь особенностью, что сначала изменяется затухание, вносимое выходным переменным аттенюатором 10, до максимума. При использовании канала с затуханием 5 вносимое ослабление выходного переменного аттенюатора 10 устанавливается минимальным и первый 2 и второй 3 электронные коммутаторы замыкаются в положении II. Величина ослабления корректирующего аттенюатора 8 в случае применения выходного переменного аттенюатора 10 определяется формулой:

$$L_{{А}_{К}}=\frac{P_{УВ}}{P_{УР}}\cdot \frac{L_{{А}_{В}\max }}{L_{Ко}\cdot L_{{А}_{П0}}}$$ ,

где Р_УВ - мощность выходного усилителя 7,

Р_УР - мощность предвыходного усилителя 1,

L_Ко - затухание второго коммутатора 3 в открытом состоянии,

$$L_{A_{П0}}$$ - начальное затухание предвыходного переменного аттенюатора 9,

$$L_{A_{В}\max }$$ - максимальное затухание выходного переменного аттенюатора 10.

Затем увеличение ослабления мощности выходного сигнала достигается с помощью увеличения значения вносимого затухания предвыходным переменным аттенюатором 9 до максимального при минимальном значении затухания, вносимого выходным переменным аттенюатором 10. Дальнейшее уменьшение уровня выходной мощности осуществляется с помощью увеличения затухания, вносимого выходным переменным аттенюатором 10, до максимального значения. Регулировка мощности выходного сигнала с применением выходного переменного аттенюатора 10 осуществляется в интервале от 0 дБ до $$\left(L_{A_{П}\max }+2\cdot L_{A_{В}\max }\right),$$ где $$L_{A_{П}\max }$$ - максимальное вносимое затухание предвыходного переменного аттенюатора 9, $$L_{A_{В}\max }$$ - максимальное вносимое затухание выходного переменного аттенюатора 10.

В случае применения электронных коммутаторов заявляемое изобретение может быть использовано в миниатюрных усилительных модулях, обеспечивая высокую скорость регулировки мощности выходного сигнала и значительно снижая габариты устройства по сравнению с устройствами, в которых используются механические коммутаторы.

Экспериментально возможность регулировки уровня мощности СВЧ-усилителя с помощью двухканального метода подтверждена при создании многоканального широкополосного разветвителя сигналов сантиметрового диапазона длин волн с большой глубиной регулировки уровней выходных сигналов, разработанного на предприятии-заявителе.

Аттенюаторы выполнены с применением исполнительной микросхемы одного типа, обеспечивающей вводимое ослабление от 0 до минус 32 дБ с шагом 1 дБ и начальным затуханием минус 5 дБ. Выходной и предвыходной переменные аттенюаторы содержат по две вышеупомянутые микросхемы. В связи с заданной техническими требованиями невысокой выходной мощностью усилителя (менее 10 мВт) оказалось возможным разместить две микросхемы после второго коммутатора. Корректирующий аттенюатор конструктивно выполнен в виде набора резистивных Т-образных аттенюаторов. Каждый из узлов коммутаторов и выключателя обеспечивает запирание канала без затухания более 45 дБ при начальных потерях менее 1,7 дБ.

Использование заявляемой схемы позволяет сохранить баланс между использованием недорогих электронных компонентов и высокими характеристиками устройства.

Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности к аттенюаторным устройствам. Технический результат заключается в расширении диапазона регулировки мощности выходного сигнала за счет использования двухканальной системы регулировки мощности. Устройство состоит из предвыходного усилителя 1, первого 2 и второго 3 коммутаторов, канала без затухания 4, канала с затуханием 5. Вход предвыходного усилителя 1 предназначен для подключения к источнику сигнала, а выход соединен с входом первого коммутатора 2. Первый выход первого коммутатора 2 соединен с входом канала без затухания 4, второй - с входом канала с затуханием 5. Первый вход второго коммутатора 3 соединен с выходом канала без затухания 4, второй вход - с каналом с затуханием 5. Канал без затухания 4 содержит последовательно соединенные выключатель 6 и выходной усилитель 7. Канал с затуханием 5 содержит последовательно включенные корректирующий аттенюатор 8 и предвыходной переменный аттенюатор 9. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Система регулировки мощности, содержащая канал с затуханием, канал без затухания, первый и второй коммутаторы, предвыходной переменный аттенюатор, последовательно включенный в канал с затуханием, при этом первый выход первого коммутатора, имеющего один вход и два выхода, и первый вход второго коммутатора, имеющего два входа и один выход, соединены соответственно с входом и выходом канала без затухания, второй выход первого коммутатора и второй вход второго коммутатора соединены соответственно с входом и выходом канала с затуханием, отличающаяся тем, что дополнительно содержит предвыходной усилитель, соединенный с входом первого коммутатора, выключатель и выходной усилитель, последовательно включенные в канал без затухания, корректирующий аттенюатор, последовательно соединенный с предвыходным переменным аттенюатором.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит выходной переменный аттенюатор, соединенный с выходом второго коммутатора.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что первый и второй коммутаторы выполнены электронными.