Усилитель СВЧ-мощности Российский патент 2020 года по МПК H03F1/00 H01L27/02 

Усилители СВЧ-мощности являются основными элементами всех приемопередающих модулей (ППМ). Традиционно для создания больших мощностей в передатчиках всех типов используются электровакуумные усилители - магнетроны, клистроны, лампы бегущей волны (ЛБВ), - преобразующие энергию пучка электронов в электромагнитную энергию (см. например, «Передатчик СВЧ сантиметрового диапазона», патент РФ №2477565, опубл. 2013.04.27). Принципиально важно, что при работе электровакуумных устройств используются высокие напряжения питания и управления - 5-25 кВ, создающие существенные трудности при эксплуатации ППМ.

В связи с бурным развитием микроэлектроники последних лет, созданием новых материалов и технологий нитрида галлия, появилась возможность разработки и изготовления твердотельных монолитно-интегральных схем (МИС) - кристаллов, позволяющих получать сигналы с большой выходной импульсной и непрерывной мощностью. В настоящее время известны примеры достижения в одном кристалле следующих уровней мощности выходного сигнала [2, 3]: 400 Вт -в L -диапазоне, 100-200 Вт - в Х-диапазоне, 60 Вт - в К_u-диапазоне, 25-30 Вт - в К_а-диапазоне, 2-3 Вт - в W-диапазоне. Последние годы связаны с формированием общемирового тренда, основанного на создании твердотельных усилителей мощности, представляющих собой сумматоры сигналов при использовании большого числа такого рода МИС.

Твердотельные усилители обладают существенными преимуществами перед электровакуумными аналогами, такими как:

- отсутствие высоковольтного питания;

- повышенная надежность;

- улучшенная электромагнитная совместимость;

- улучшенные спектральные и флуктуационные характеристики;

- снижение массогабаритных показателей;

- снижение цены.

Наиболее близким к заявляемому устройству является твердотельный усилитель мощности на основе радиального делителя-сумматора (РДС) - P. Khan, L. Epp, and A. Silva. A Ka-Band Wide-Bandgap Solid-State Power Amplifier: Architecture Performance Estimates. IPN Progress Report 42-163. November 15, 2005). Он содержит набор радиально направленных волноводов с установленными в них МИС усилителями мощности, позволяющий разветвлять, усиливать и затем суммировать волновые потоки СВЧ-мощности, обеспечивая высокий уровень парциальных волновых потоков в суммарный выходной поток мощности усилителя (S₂).

Недостатком известной конструкции усилителя на основе РДС является слабая развязка между каналами усиления, что при значительном коэффициенте усиления в каждом из его плеч приводит к возникновению положительных обратных связей и самовозбуждению приемопередающего модуля в целом.

Кроме того, при нелинейном взаимодействии спектральных составляющих широкополосных сигналов происходит расширение спектра и появление паразитных интермодуляционных искажений. Поэтому актуальной является задача частотной селекции мощных широкополосных сигналов.

Техническим эффектом, на достижение которого направлено предлагаемое техническое решение, является улучшение уровня развязки между каналами РДС, обеспечивающее повышение устойчивости работы усилителя. Этот эффект достигается тем, что в усилителе СВЧ-мощности на основе РДС, содержащем множество радиально направленных - по отношению к коаксиальному входу/выходу мощности - волноведущих каналов с установленными в них МИС усилителей мощности, согласно изобретению, упомянутые волноводные каналы передачи мощности размещаются поочередно с короткозамкнутыми отрезками радиальных волноводов.

Принцип действия подобных систем заключается в следующем. Заявляемое устройство (Фиг. 2) представляет радиальную конструкцию, в которой волновая мощность, поступающая в усилитель через коаксиальный вход (1), попадает сначала в «цилиндрическую» промежуточную зону (Фиг. 2а), а затем - минуя «заглушки» (4) при частичном отражении от них - в радиальные «активные» волноводы, по которым после прохождения через МИС (3) усиленные волновые пакеты поступают в область суммирования (5), а затем - на выход усилителя (2) при частичном формировании квазистоячих волн внутри РДС (Фиг. 2б). В то же время «активные» волноводы, обеспечивающие переход волновых потоков из области разделения в область их суммирования после усиления чипами МИС, чередуются с заглушками в виде радиально расположенных короткозамкнутых отрезков волноводов (4), которые играют роль отражателей, формируемых в этой области квазицилиндрических мод электромагнитных волн. В результате образуется последовательность связанных друг с другом (в азимутальном направлении) волновых каналов двух типов: каналов усиления как линий задержки волновых пакетов и радиальных резонаторов. На собственных частотах этих резонаторов образуются стоячие моды электромагнитных полей, т.е. энергия возникающих колебаний локализуется (запирается) внутри резонаторных фрагментов РДС и не проникает на выход усилителя, обеспечивая тем самым необходимую частотную избирательность суммарного коэффициента усиления (см. Фиг. 3). Последовательное чередование каналов усиления волн с каналами их «запирания», в силу симметрии системы, определяет эффективность процесса образования стоячих волн, а, следовательно, улучшает частотную избирательность заявленного усилителя СВЧ-мощности.

Фиг. 4 иллюстрирует результаты измерения выходной мощности сложения десяти 30-ваттных усилителей при чередовании волноводных каналов усиления с радиальными сегментами, образованными короткозамкнутыми отрезками волноводов. АЧХ усилителя мощности имеет характерные интервалы режекции, которые снижают вероятность возбуждения устройства на нежелательных частотах. При этом частотная селекция достигается не за счет дополнительных внешних фильтрующих компонентов, а является следствием предложенного конструктивного решения, непосредственно интегрированного с конструкцией РДС.

На основе проведенных расчетов спроектированы и реализованы усилители с выходной мощностью 300 Вт - в К_u-диапазоне и 120 Вт - в К_а-диапазоне. С их использованием изготовлены полнофункциональные передающие модули с параметрами, представленными в таблице.

Предложенная конструкция обеспечивает интеграцию двух важных свойств - усиления и дополнительной частотной селекции паразитных спектральных составляющих широкополосных СВЧ-сигналов, что позволяет повысить устойчивость работы твердотельного СВЧ-усилителя в заданной полосе частот.

Источники информации

1. «Передатчик СВЧ сантиметрового диапазона», патент РФ №2477565, опубл. 2013.04.27

2. METDA Technology Co., LTD, www.metdac.com

3. QORVO Inc wwvv.qorvo.com

Изобретение относится к созданию малошумящих усилителей для приемопередающих модулей (ППМ) с частотной селекцией коэффициента усиления при использовании радиальных делителей-сумматоров (РДС), обеспечивающих высокий уровень коэффициента усиления в К_u- и К_а-диапазонах частот при сниженном уровне вносимых усилителем шумов. Технический результат заключается в обеспечении частотной развязки каналов усиления, препятствующей самовозбуждению в них нежелательных колебаний и способствующей, тем самым, повышению стабильности работы ППМ, в которых используются подобные усилители. Частотная селекция достигается за счет поочередного расположения волноводных каналов передачи мощности усиливаемых в РДС сигналов с отрезками короткозамкнутых волноводов, играющих роль эффективных отражателей волн в резонаторах с аксиальной симметрией. Возникает азимутальная связь волновых пакетов, распространяющихся в радиальных линиях задержки, с одной стороны, и в резонаторах, образованных названными отражателями и центральной зоной вывода мощности суммируемых в ней волновых потоков. При этом на собственных частотах резонаторов энергия волновых потоков не проникает в парциальные каналы усиления мощности входного сигнала. 4 ил., 1 табл.

Усилитель СВЧ-мощности на основе радиального делителя-сумматора, содержащего множество радиально направленных - по отношению к коаксиальному входу/выходу мощности - волноведущих каналов с установленными в них МИС усилителей мощности, отличающийся тем, что упомянутые волноводные каналы передачи мощности размещены поочередно с короткозамкнутыми отрезками радиальных волноводов.