Система фазовой коррекции каналов усиления твердотельного передающего устройства Российский патент 2023 года по МПК H03F3/189 

Данное изобретение относится к области твердотельных передающих устройств с суммированием СВЧ мощности в специальных устройствах сложения (сумматорах) и служит для увеличения КПД суммирования и увеличения выходной мощности твердотельного передающего устройства.

Из предшествующего уровня техники известны способы фазовой коррекции (например, УДК 621.396.67, Устранение фазовых ошибок на элементах антенной решетки коротковолнового диапазона за счет компенсации набега фаз в фидере, В.И. Невзоров, П.В. Савочкин, С.Ю. Семин, Р.Г. Никитин; патент №2115222, Устройство для компенсации фазового сдвига в цепи обратной связи усилителя мощности (варианты), Пер-Сет Тор Бергстен, Ян-Кристиан Нюстрем; патент №150918 Твердотельный усилитель мощности, Котов А.П. Выболдин Ю.К.).

Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является увеличение КПД суммирования выходных мощностей твердотельных СВЧ усилителей (4.1-4.n) и увеличение выходной мощности передающего устройства (1), в составе которого применена предлагаемая система коррекции. Другим достижением является более легкая компоновка передающего устройства, виду снятия ограничений с его составных частей (распределительно-суммирующего тракта (3, 5, 15.1-15.n, 16.1-16.n), твердотельных усилительных модулей (4)) в части требований к идентичности электрических длин (фазам).

Данные технические результаты обеспечиваются совокупностью следующих технических решений:

1. в состав каждого усилительного модуля (4) вводится управляемый дискретный фазовращатель (10),

2. все усилительные модули (4) передающего устройства (1) суммируются поочередно с одним и тем же модулем - опорным (например, первым (4.1)) и фазовая коррекция всех остальных каналов усиления выполняется относительно фазы этого канала (например, первого (4.1)).

3. часть выходной СВЧ мощности после сумматора (5) отводится посредством направленного ответвителя (6) для анализа,

4. ответвленная мощность оценивается по уровню огибающей СВЧ мощности, полученной после детектирования амплитудным детектором (7) и аналого-цифрового преобразования (9) в устройстве управления и контроля (8),

5. после оценки мощности осуществляется перестройка фазовращателя (10) усилителя мощности (не опорного) в соответствие с предложенным алгоритмом фазовой коррекции,

6. запуск процедуры фазовой коррекции осуществляется оператором со своего рабочего места (13), подачей соответствующей команды из меню пользователя во время регулировочных или регламентных работах (при необходимости).

Этот усилитель мощности (4) должен обладать следующими свойствами:

а) в составе должен быть дискретный фазовращатель с электронным управлением (10),

б) диапазон перестройки фазовращателя (10) должен быть не менее 360° с номинальным дискретом изменения фазы 5,625° (6 разрядов),

в) перестройка фазовращателя (10) должна осуществляться интегрированной устройством управления (11) согласно принимаемым командам от внешнего по отношению к усилительному модулю устройству управления и контроля (8),

г) интегрированное устройство управления (10) усилительного модуля (4) должно обеспечивать возможность включения и отключения модуля по принимаемым от внешнего устройства управления и контроля (8) командам.

Это устройство управления и контроля (8) должно обладать следующими свойствами:

а) в составе должен быть АЦП (9) с тактовой частотой работы достаточной для получения не менее 10 отсчетов огибающей выходной СВЧ мощности в течение одного тестового импульса, для обеспечения достаточной точности оценки выходной мощности и качества проводимой фазовой коррекции,

б) (8) должна от автоматической системы контроля и управления (14) получать и транслировать команды управления усилительными модулями

(4), а также передавать информацию о модулях (4) в автоматическую систему контроля и управления (14),

в) выполнять часть алгоритма фазовой коррекции в части включения/отключения модулей (4), управления фазовращателями (10), оценки выходной мощности.

Этот направленный ответвитель (6) должен обладать следующими свойствами:

а) располагаться по возможности ближе к выходу сумматора мощности (5),

б) иметь переходное ослабление такое, чтобы обеспечить на входе амплитудного детектора (7) допустимую величину выходной мощности при идеальном (без потерь) сложении двух усилительных модулей (4).

Этот амплитудный детектор (7) должен обладать следующими свойствами:

а) амплитуда выходного напряжения при входной мощности, соответствующей идеальному сложению (без потерь) двух усилительных модулей, не должен перегружать вход АЦП (9),

б) иметь цепи термостабилизации, выравнивающие характеристики детектора (7) в диапазоне рабочих температур.

Для обеспечения работоспособности системы фазовой коррекции, должен быть реализован следующий алгоритм функционирования системы коррекции, блок-схема которого представлена на фигуре 1.

Запуск алгоритма фазовой коррекции осуществляется оператором из системы обработки и индикации информации (12) активацией соответствующей клавиши графического интерфейса программного обеспечения на мониторе автоматической системы контроля и управления (14) рабочего места оператора (13). При этом формирователь сигнала (2) начинает формировать тестовый сигнал на нижней рабочей частоте ƒ_н, который отличается от сигнала, используемого в штатной работе, фиксированной длительностью и периодом повторения (отсутствие вобуляций). Это необходимо для синхронизации АЦП при выполнении оценки уровня выходной мощности и повышения точности данной оценки.

Далее, (14) подает на (8) команду включения первого усилительного модуля (4.1). После включения (4.1), на входе (9) поступает импульсное напряжение огибающей продетектированного выходного СВЧ сигнала и выполняется процедура оценки выходной мощности (4.1) P_выхУM1(ƒ_н) на частоте ƒ_н и записывается в память (8). После чего, (14) последовательно устанавливает среднюю и верхнюю частоту сигнала ƒ_с и ƒ_в соответственно, для которых также осуществляется оценка и запись выходной мощности (4.1) P_выхУМ1(ƒ_c) на частоте ƒ_с и Р_выхУМ1(ƒ_в) на частоте ƒ_в.

На следующем шаге алгоритма, (14) включает усилительный модуль (4.2), не отключая (4.1), и происходит оценка суммарного значения мощности Р_{выхУМ1+УМ2}(ƒ_в) модулей (4.1) и (4.2) на частоте ƒ_в. Затем, (14) дает команду на изменение фазы управляемого фазовращателя модуля (4.2) на 32 дискрета, что соответствует изменению фазы выходного сигнала модуля (4.2) на 180°. Соответственно изменяется и результат суммирования выходных мощностей (4.1) и (4.2) Р'_{выхУМ1+УМ2}(ƒ_в), что продемонстрированно на фигуре 2. Данное значение также записывается.

В начальный момент работы алгоритма, между модулем (4.1) и (4.2) будет разность фаз Δϕ, а после приращения фазы модуля (4.2) на 32 дискрета:

На следующем шаге, алгоритм фазовой коррекции вычисляет по предложенному выражению (2) величину поправки фазы (γ) модуля (4.2) на верхней рабочей частоте ƒ_в, необходимую для синфазного суммирования модулей (4.1) и (4.2) на данной частоте.

где m - номинальное значение дискрета приращения фазы фазовращателя модуля (4.2), k - нормировочный коэффициент (определяемый переходным ослаблением сумматора), Р_{выхУМ1+УМ2} - результат оценки выходной мощности совместной работы (4.1) и (4.2) с исходной фазой модуля (4.2), Р'_{выхУМ1+УМ2} - результат оценки выходной мощности совместной работы (4.1) и (4.2) после приращения исходной фазы модуля (4.2) на 180° (32 дискрета).

Вычисленное значение поправки фазы модуля (4.2) для верхней рабочей частоты записывается в памяти (14) и описанный выше цикл повторяется для средней и нижней частот рабочего диапазона.

Таким образом, в памяти (14) накапливается три значения поправок фазы для модуля (4.2) - γ_УМ2(ƒ_н), γ_УМ2(ƒ_с), γ_УМ2(ƒ_в). На основе полученных в трех точках рабочего диапазона частот значений поправок γ_УМ2(ƒ_н), γ_УМ2(ƒ_c), γ_УМ2(ƒ_в), вычисляется усредненное значение - γ_УМ2, которое округляется до целого и записывается в энергонезависимую память модуля (4.2). После чего модуль (4.2) выключается, включается модуль (4.3) и два вложенных цикла алгоритма фазовой коррекции повторяются.

Таким образом, фазы каналов усиления передающего устройства (1), в которых установлены твердотельные усилительные модули (4.1-4.n), поочередно подстраиваются под фазу канала усиления, в котором установлен модуль (4.1), после чего тестовый сигнал выключается, а алгоритм фазовой коррекции завершается.

ОПИСАНИЕ СХЕМЫ

Структурная схема системы фазовой коррекции каналов усиления твердотельного передающего устройства представлена на фигуре 3 и состоит из n-канального твердотельного передающего устройства (1) (формирователь сигнала (2), n мощных усилительных модулей (4), распределительно-суммирующей системы на базе делителя (3) и сумматора (5), соединительных фидеров (15, 16), направленного ответвителя (6), устройства управления и контроля (8) с интегрированным АЦП (9) и амплитудного детектора (7)), системой обработки и индикации информации (12) с автоматической системой контроля и управления (14), программным обеспечением реализующим алгоритм функционирования системы фазовой коррекции и интерфейсом управления на рабочем месте оператора (13).

Входной СВЧ сигнал низкого уровня мощности от формирователя (2) поступает на n-канальное распределительное устройство - делитель мощности (3), выходы которого подключаются ко входам усилительных модулей (4) соединительными фидерами (15). Выходы усилительных модулей с помощью соединительных фидеров (16) подключаются к сумматору мощности (5), выход которого через направленный ответвитель (6) соединяется с волноводно-фидерным трактом. В составе каждого модуля (4) имеется управляемый шестиразрядный фазовращатель (70), который осуществляет изменение фазы входного сигнала в диапазоне от 0° до 360° с номинальным шагом перестройки 5,625°. Управление фазовращателями (10), включение и отключение модулей (4) осуществляется интегрированным устройством управления (11) в составе каждого модуля (4) по командам от устройства управления и контроля (8). Также на АЦП (9) устройства управления и контроля (8) поступает продетектированная огибающая выходного сигнала передающего устройства, формируемая термостабилизированным амплитудным детектором (7), подключенного к ослабленному выходу направленного ответвителя (6). Величина огибающей оценивается в (8) и в совокупности с возможностью управления фазой выходного сигнала каждого усилителя, является основой функционирования алгоритма фазовой коррекции.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Техническим результатом, обеспечиваемым совокупностью приведенных признаков, является увеличение КПД суммирования и увеличение выходной мощности, облегчение процесса настройки элементов распределительно-суммирующего тракта (3, 15, 16, 5), а также усилительных модулей (4), ввиду отсутствия необходимости в требованиях фазам.

Изобретение относится к области твердотельных передающих устройств. Техническим результатом является увеличение КПД суммирования и выходной мощности твердотельного передающего устройства, снижение требований к идентичности электрических длин (фазам) элементов распределительно-суммирующего тракта передающего устройства и к усилительным модулям, облегчение процесса компоновки. Для этого изобретение представляет собой структурную схему и алгоритм функционирования, совокупность которых обеспечивает коррекцию фаз каналов усиления твердотельного передающего устройства в диапазоне рабочих частот, компенсируя имеющиеся разницы в электрических длинах элементов распределительно-суммирующего тракта и усилительных модулей, за счет изменения фаз СВЧ сигнала в (n-1) каналах усиления, посредством управляемого дискретного фазовращателя, интегрированного в каждый усилительный модуль, на величины вычисляемых фазовых поправок. Оценка выходной мощности осуществляется АЦП по уровню огибающей СВЧ мощности на трех частотах рабочего диапазона. 3 ил.

Система фазовой коррекции каналов усиления, состоящая из n однотипных твердотельных усилителей мощности (4), каждый из которых включает управляемый дискретный фазовращатель (10) с устройством управления (11), причем диапазон перестройки фазовращателя (10) должен быть не менее 360° с минимальным изменением фазы не более 5,625°, при этом твердотельные усилители мощности (4) подключены посредством соединительных фидеров (15) к n-канальному делителю (3) и подключены посредством соединительных фидеров (16) к сумматору (5) СВЧ мощности, который подключен к направленному ответвителю (6), один выход которого является выходом заявленной системы, другой выход - подключен к детектору (7), выход которого подключен к АЦП (9), входящему в состав устройства управления и контроля (8), которое подключено к устройству управления (11) каждого твердотельного усилителя мощности (4), при этом устройство управления и контроля (8) также подключено к автоматической системе контроля и управления (14), связанной с рабочим местом оператора (13) и с формирователем СВЧ сигнала низкого уровня мощности (2), выход которого подключен к входу n-канального делителя (3), причем выходные мощности (n-1) усилительных модулей (4) поочередно суммируются с выходной мощностью одного опорного модуля (4) и результат сложения оценивается, при этом оценка выходной мощности происходит последовательно на трех частотах рабочего диапазона, по результатам которой вычисляется величина фазовой поправки фазовращателя модуля, мощность которого на текущем шаге алгоритма суммируется с мощностью опорного модуля, для каждой из трех частот рабочего диапазона, с последующим усреднением полученных для трех частот рабочего диапазона поправок и записью этого усредненного значения в энергонезависимую память устройства управления (11) модуля, мощность которого на текущем шаге алгоритма суммируется с мощностью опорного модуля.