Компоновка усилительного модуля (варианты) Российский патент 2019 года по МПК H05K7/20 

Радиочастотные (РЧ) источники высокой мощности используются для решения многих прикладных задач: радио- и телевещание, связь, радары, а также в физике и медицине в качестве системы питания ускорителей заряженных частиц. Одним из важных элементов радиочастотного источника является усилитель мощности. Усилители, основанные на технологии твердотельных транзисторов, характеризуются меньшими размерами, повышенной надежностью и более высокой эффективностью по сравнению с радиочастотными источниками, основанными на вакуумных лампах, таких как клистроны, тетроды и клистроды. В настоящее время верхняя граница допустимой мощности радиочастотных транзисторов находится в области 1 - 1.8 кВт. Это относительно низкое значение по сравнению с клистронами, мощность которых составляет несколько мегаватт. Твердотельные усилители высокой мощности, основанные на радиочастотных транзисторах, обычно состоят из большого числа независимых усилительных модулей с несколькими радиочастотными транзисторами. Например, чтобы получить 1.5 МВт радиочастотной мощности, требуется около 1000 транзисторов на 1.5 кВт. Выходная мощность от модулей объединяется в радиочастотном объединителе мощности. Каждому усилительному модулю для работы требуется источник питания постоянного тока, входной радиочастотный сигнал, охлаждение и управление, чтобы контролировать состояние модуля и обеспечивать связь с системой управления всего усилителя.

Обычно конструкция усилителя оптимизируется для решения каждой конкретной задачи. Это означает, что, если для некоторых прикладных задач требуется уровень мощности, частота, ширина импульса, скважность, импульсная или непрерывная работа и т.д., отличающиеся от существующих, то это требует существенного изменения конструкции модуля. Таким образом, у каждого модуля, разработанного для определенной задачи, может быть собственный набор компонентов. При этом этот набор компонентов может быть не взаимозаменяем с компонентами модулей, разработанными для других задач, и каждый модуль имеет свою конструкцию и компоновку.

Примерами модульных систем для усилителей мощности могут служить изделия, канадской компании Nautel, в частности, радиопередатчики серии NV^LT мощностью 3,5-40 кВт, представленные на сайте производителя: http.//www.nautel.com/solutions/fm-nvlt-series-3-5-10-kw-2/. Здесь в рамках одной серии устройств необходимая выходная мощность достигается за счет использования необходимого числа усилительных модулей. При этом в других сериях устройств, рассчитанных на другие частотные диапазоны, используются модули принципиально другой конструкции.

Технический результат предлагаемого изобретения состоит в уменьшении стоимости и времени, которое требуется на изменение конструкции (перекомпоновку) усилительного модуля или его модификацию для других прикладных задач, например, когда нужны другие рабочая частота, уровень мощности, рабочий режим и т.д.

Технический результат достигается благодаря унификации конструкции и интерфейсов усилительного модуля. Предложенная компоновка модуля позволяет использовать ранее разработанные компоненты для различных прикладных задач благодаря взаимозаменяемости модулей. Например, рама, панели и некоторые печатные платы могут использоваться для различных задач без изменения.

Более низкая цена твердотельного усилителя делает его более привлекательным по сравнению с техническими решениями, основанными на вакуумных лампах.

Изобретение описывает конструкции усилительного модуля усилителя, позволяющие использовать единую компоновку усилительных модулей для различных рабочих частот и рабочих режимов усилителя.

Упрощенная схема усилителя показана на фиг. 1. Система управления 1 подает радиочастотный сигнал низкого уровня и управляющие сигналы по кабелям и проводам 7 к модулям 2. Количество модулей в усилителе зависит от выходной мощности усилительного модуля и требуемой мощности усилителя. Радиочастотный сигнал усиливается в модулях 2 и выводится в объединитель мощности 3 через РЧ кабели 6. Объединитель мощности 3 может быть одноступенчатым или многоступенчатым. Жидкостная система охлаждения 4 используется, чтобы подавать охлаждающую жидкость в модули 2 через входные/выходные шланги или трубы 8. Система питания 5 подает питание постоянного тока в модули 2 по токоведущей шине или проводам 9.

Вариант 1. Радиочастотный сигнал низкого уровня поступает в модуль 2 через радиочастотный разъем 13 (см. фиг. 2, 3). Усиленный сигнал выходит из модуля 2 через радиочастотный разъем высокой мощности 10, например, Diconex 4.5-15. Управляющие сигналы подводятся к модулю 2 и отводятся от него через сигнальное быстроразъемное соединение 14. Охлаждающая жидкость поступает в модуль 2 через вход 11 и выходит через выход 12 по быстроразъемным соединениям с самозапиранием. Питание постоянного тока поступает в модуль 2 через быстроразъемное соединение 15. Вместо одиночных быстроразъемных соединений 11, 12, 13, 14, 15 можно использовать составной модульный разъем, например, производства Staubli или ODU. Расстояния между быстроразъемными соединениями 10, 11, 12, 13, 14, 15, а также их положение на корпусе модуля фиксированы, независимо от того, для какой цели разработан модуль, поэтому дизайн внутренних интерфейсов модуля может оставаться одним и тем же для модулей разного назначения.

Внутренний дизайн усилительного модуля показан на фиг. 4. Для простоты на фиг. 4 боковые крышки не показаны, а на фиг. 4б не показаны обрамляющие панели 30. Быстроразъемные соединения модуля 10, 11, 12, 13, 14, 15 размещены на задней панели 16. На передней панели 21 модуля располагаются компоненты (печатная плата) индикации режимов работы модуля 22. Передняя 21 и задняя 16 панели соединяются верхней и нижней обрамляющими панелями 30, которые имеют конструктивные элементы, позволяющие центрировать модуль внутри коробки, в которую он вставляется для эксплуатации. Внутри усилительного модуля расположена центральная пластина 17 с фрезерованными каналами, запрессованными трубками или иными конструктивными элементами, позволяющими организовать жидкостное охлаждение центральной пластины. Центральная пластина 17 крепится к обрамляющим панелям 30 и/или задней панели 16, и/или передней панели 21. На одной стороне центральной панели 17 расположены компоненты (печатные платы) 18, относящиеся к усилению РЧ сигнала, а на другой стороне - компоненты (печатные платы), относящиеся к управлению 19 и распределению питания 20. Конкретное расположение компонентов 18, 19, 20 относительно друг друга и центральной пластины 17 может меняться в зависимости от их конструктивного исполнения.

Вариант 2. На фиг. 5 показаны возможные модификации конструкции усилительного модуля без изменения общей компоновки. Модификация усилительного модуля для режима работы, при котором существует повышенное тепловыделение с отдельных компонентов, например, для непрерывного режима работы усилителя, предполагает использование дополнительных теплоотводящих элементов 23, соединенных с центральной пластиной 17, позволяющих увеличить теплоотвод от отдельных компонентов с большим тепловыделением.

Вариант 3. Модификация усилительного модуля для импульсного режима работы (см. фиг. 6) предполагает, что в компоновке модуля присутствует дополнительный блок (печатная плата) с набором конденсаторов 25, закрепленных на дополнительном конструктивном элементе 24, обеспечивающий силовое питание РЧ усилительного модуля в течении РЧ импульса. Дополнительный блок (печатная плата) с набором конденсаторов 25 может составлять единое целое с компонентами (печатной платой) распределения питания 20.

Вариант 4. Еще одна возможная модификация конструкции усилительного модуля без изменения общей компоновки показана на фиг. 7. В случае необходимости использования компонентов (печатных плат) 27 в составе усилительного модуля, которые имеют большие габариты, нежели те, для которых разработаны передняя 21 и задняя 16 панели, возможно использование центральной пластины 26, имеющей большие габариты, и добавление в конструкцию дополнительных элементов (спейсеров) 28, 29, которые позволят сохранить конструкции передней 21 и задней 16 панелей, а также, расположение быстроразъемных соединений 10, 11, 12, 13, 14, 15 и компонентов индикации 22.

Изобретение описывает конструкцию компактной компоновки радиочастотного (РЧ) усилительного модуля на базе транзисторов. Усилительный модуль оснащен быстроразъемными соединениями, позволяющими ускорить сборку усилительной системы и оперативно заменять модули при выходе их из строя, не прерывая работу системы. Через быстроразъемные соединения к усилительному модулю подводятся/отводятся: входной РЧ сигнал, выходной РЧ сигнал, силовое питание, управляющие сигналы, охлаждающая жидкость. Внутренние компоненты модуля скомпонованы по функциональному назначению и расположены с двух сторон от центральной пластины с жидкостным охлаждением. С одной стороны пластины располагаются усилительные РЧ платы, с другой - платы управления и распределения питания. Изобретение обеспечивает уменьшение стоимости и времени, которое требуется на изменение конструкции (перекомпоновку) усилительного модуля или его модификацию для других прикладных задач, например когда нужны другие рабочая частота, уровень мощности, рабочий режим и т.д. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Компоновка радиочастотного (РЧ) усилительного модуля, включающая корпус, состоящий из передней и задней панели, соединенных верхней и нижней обрамляющими панелями, и боковых крышек, разъемы для подключения входного РЧ сигнала малой мощности, выходного РЧ сигнала высокой мощности, подачи силового питания, жидкостного охлаждения и управления, отличающаяся тем, что разъемы для подключения РЧ сигналов, силового питания, управляющих сигналов и охлаждающей жидкости выполнены в виде быстроразъемных соединений и расположены на задней панели модуля; верхняя и нижняя обрамляющие панели имеют конструктивные элементы, позволяющие центрировать модуль внутри блочного каркаса; центральная пластина, крепящаяся к обрамляющим панелям, имеет конструктивные элементы для жидкостного охлаждения, причем печатные платы, усиливающие РЧ сигнал, находятся с одной стороны центральной пластины, а печатные платы управления и распределения питания находятся с другой стороны пластины; печатные платы индикации режимов работы модуля находятся на передней панели модуля.

2. Компоновка модуля по п. 1, отличающаяся тем, что к центральной пластине крепятся дополнительные теплоотводящие элементы.

3. Компоновка модуля по п. 1, отличающаяся тем, что в компоновке модуля присутствует печатная плата с набором конденсаторов.

4. Компоновка модуля по п. 1, отличающаяся тем, что для компоновки модуля больших габаритов к конструкции модуля добавлены спейсеры.

5. Компоновка радиочастотного (РЧ) усилительного модуля, включающая корпус, состоящий из передней и задней панели, соединенных верхней и нижней обрамляющими панелями, и боковых крышек, разъемы для подключения входного РЧ сигнала малой мощности, выходного РЧ сигнала высокой мощности, подачи силового питания, жидкостного охлаждения и управления, отличающаяся тем, что быстроразъемные соединения для подключения РЧ сигналов, силового питания, управляющих сигналов и охлаждающей жидкости выполнены в виде составного модульного разъема, расположенного на задней панели модуля; верхняя и нижняя обрамляющие панели имеют конструктивные элементы, позволяющие центрировать модуль внутри блочного каркаса; центральная пластина, крепящаяся к обрамляющим панелям, имеет конструктивные элементы для жидкостного охлаждения, причем печатные платы, усиливающие РЧ сигнал, находятся с одной стороны центральной пластины, а печатные платы управления и распределения питания находятся с другой стороны пластины; печатные платы индикации режимов работы модуля находятся на передней панели модуля.

6. Компоновка модуля по п. 5, отличающаяся тем, что к центральной пластине крепятся дополнительные теплоотводящие элементы.

7. Компоновка модуля по п. 5, отличающаяся тем, что в компоновке модуля присутствует печатная плата с набором конденсаторов.

8. Компоновка модуля по п. 5, отличающаяся тем, что для компоновки модуля больших габаритов к конструкции модуля добавлены спейсеры.