КОМПАКТНОЕ УСТРОЙСТВО УСИЛЕНИЯ МОЩНОСТИ Российский патент 2024 года по МПК H01P5/12 

Настоящее изобретение относится к компактному устройству усиления мощности. Изобретение может быть использовано в области сверхвысокочастотных полупроводниковых усилителей и, в частности, в системах суммирования мощности.

Ограничение выходной мощности полупроводниковых элементов, особенно при повышении рабочей частоты устройств усиления, приводит к необходимости объединения нескольких элементарных полупроводниковых усилителей, чтобы получить требующуюся большую выходную мощность, необходимую для некоторых приложений в области сверхвысоких частот. Как правило, уменьшение массогабаритных показателей устройств всегда желательно. Особенно эта проблема актуальна для мобильных радиолокационных систем. В основном достижения уменьшения массогабаритных показателей СВЧ-полупроводниковых усилителей можно добиться рациональным конструированием делителей/сумматоров, являющихся составной частью таких усилителей.

Системы деления/суммирования мощности, основанные на параллельных схемах или известных радиальных волноводах, не позволяют компактно компоновать усилители в ограниченном пространстве с выходом в виде прямоугольного волновода.

Так, например, в патенте US 4641107А делитель/сумматор мощности включает в себя радиальный волновод и коаксиальный общий порт, соединенный с центром радиального волновода. Радиальный волновод имеет множество линий передачи по своей периферии в местах, расположенных на равном расстоянии друг от друга. Из-за своей симметрии мощность на каждой из периферийных линий передачи связана с мощностью на общем порту обратно пропорционально количеству периферийных линий передачи. Для работы на высоких частотах радиальный волновод, линии передачи и переход от радиального волновода к линиям передачи имеют свои конструктивные

детали, определенные печатной платой, имеющей низкотемпературный диэлектрический материал. Печатная плата включает в себя множество радиальных пазов для управления нежелательными окружными режимами. На открытом конце каждого радиального паза установлено устройство сопротивления для рассеивания окружной мощности. Устройство сопротивления включает в себя медное кольцо, включающее такое же количество радиальных пазов, и, по меньшей мере, один толстопленочный резистор, нанесенный при высокой температуре на кольцо вблизи открытого конца каждого радиального паза. Соединительный провод соединяет каждое устройство сопротивления толстой пленки через соответствующий слот. Кольцо с включенными резисторами приклеивается при низкой температуре к печатной плате с радиальными пазами в кольце, совпадающими с радиальными пазами на печатной плате.

Недостатками этого решения является применение радиального делителя/сумматора и расположение усилительных модулей в одной плоскости с плоскостью делителя/сумматора, что сильно увеличивает габариты конструкции по диаметру. Радиатор охлаждения можно пристыковывать к такой конструкции только по внешнему диаметру, что ещё больше увеличит общие габариты. Кроме того, применение микрополосковых линий в каналах подвода и отвода СВЧ сигнала к усилительным модулям вносят значительные нежелательные потери.

Кроме того, в радиальных делителях/сумматорах, как правило, возникают нежелательные моды электромагнитных волн.

Известно применение другого типа делителя/сумматора.

Например, в патенте RU 2 546 060 С2 предлагается применить делитель/сумматор на основе волноводов прямоугольного сечения. Малогабаритное устройство усиления мощности, содержащее, по меньшей мере, одну область, параллельную плоскости XY, и, по меньшей мере, два усилительных модуля, установленных на этой области, при этом каждый усилительный модуль содержит усилительный элемент, входной

соединительный волновод и выходной соединительный волновод, ориентированный в том же направлении X, которое соответствует продольному направлению распространения, при этом элемент усилителя имеет входную и выходную оси, ориентированные в направлении Y, перпендикулярном направлению распространения X. Устройство характеризуется тем, что входные соединительные волноводы двух усилительных модулей различны, имеют разную длину и установлены параллельно друг другу; выходные соединительные волноводы двух усилительных модулей различны, имеют разную длину и установлены параллельно друг другу, при этом сумма длин входных и выходных соединительных волноводов одного модуля усилителя одинакова для каждого модуля усилителя.

Недостатками этого решения является невозможность достижения предельной малогабаритности конструкции из-за последовательного расположения усилительных модулей друг за другом в линию. Это приводит к уменьшению габарита конструкции только в одном направлении, но одновременно к увеличению в другом.

Задачей настоящего изобретения является создание максимально компактного устройства усиления с наилучшими массогабаритными показателями, значительно превосходящими показатели существующих устройств.

Объектом изобретения является компактное устройство усиления мощности. Технический результат достигается тем, что усилительные модули установлены на боковых гранях многоугольной призмы и каждый усилительный модуль содержит по порядку подключения входной соединительный волновод коаксиального типа, выходной соединительный волновод также коаксиального типа, а волноводно-коаксиальные переходы расположены на выходах и входах делителей/сумматоров. Так же в выходных каналах делителя и входных каналах сумматора в переходах центральные проводники коаксиальных волноводов гальванически могут быть

непосредственно подключены к стенке канала противоположной стенке подвода коаксиала либо через развязывающие элементы: диэлектрическую прокладку и четвертьволновый разомкнутый шлейф. Такое подключение возможно при равенстве волновых сопротивлений коаксиального волновода и прямоугольного волновода, к которому подключается коаксиальный волновод. Подключение коаксиальных волноводов к прямоугольным волноводам через развязывающие элементы позволяет подвести к модулям постоянное напряжение через коаксиальные волноводы. В результате классическая линейная компоновка усилительных модулей заменяется расположением их на боковых гранях многогранной призмы, что примерно в три раза сокращает габариты устройства, и подвод постоянного напряжения к усилительным модулям через волноводы также способствует уменьшению габаритов устройства за счёт уменьшения габаритов самих усилительных модулей.

На Фиг. 1 изображён усилитель в разрезе по оси призмы. Входной многоканальный волноводный делитель в Е-плоскости 1 с каналами прямоугольного сечения на каждом своем выходе через коаксиальноволноводный переход 2 стыкуется с коаксиальным волноводом 3, который в свою очередь подключён ко входу усилительного модуля 4. Далее с каждого усилительного модуля сигнал через свой коаксиальный волновод 5 и далее коаксиально-волноводный переход 6 поступает во входной канал выходного сумматора 7 с каналами прямоугольного сечения. Усилительные модули 4 смонтированы на гранях призмы 8, во внутреннем объёме которой находится радиатор охлаждения 9. Входной многоканальный делитель 1 и выходной сумматор 7 по конструкции одинаковы.

На Фиг. 2 изображён усилитель видом сверху. Входной волновод прямоугольного сечения 10 переходит в многоканальный волноводный делитель в Е-плоскости 1. Далее через КВП 2 сигнал поступает в коаксиальный волновод 3 и потом в модуль усиления 4. В качестве примера

изображена шестигранная призма 8 с установленными на её гранях шести усилительных модулей 4.

На Фиг. 3 изображена схема конструкции делителя/сумматора 1 и 7, каждый соответственно выходной/входной канал 11, содержащий, по меньшей мере, одну резистивную перегородку, перегородка делителя мощности и сумматора мощности продолжает металлические стенки делителя и сумматора, разделяющие N входных и выходных соединительных волноводов усилительных элементов, причем сумма длин входных и выходных волноводов каждого усилительного модуля является одинаковой для N усилительных модулей, заканчивается КВП 2 и 6. Из КВП сигнал поступает в коаксиальный волновод 3. Этот вариант относится к случаям подключения делителя/сумматора к регулярному волноводу прямоугольного сечения либо к плавному широкополосному волноводному переходу в Е- плоскости. При этом выходные/входные каналы 11 могут располагаться только параллельно, так как изгибы их не желательны.

На Фиг. 4 изображена также схема конструкции делителя/сумматора 1 и 7, но в варианте подключения к рупорному переходу. При такой конструкции выходные/входные каналы 11 расходятся веером и между ними появляются свободные пространства.

На Фиг. 5 показана схема коаксиально-волноводного перехода 2 где волновод прямоугольного сечения 12 состыкован с коаксиальным волноводом 3. При равенстве волновых сопротивлений центральный проводник коаксиального волновода 13 можно подключать к противоположной стенке волновода прямоугольного сечения. Продолжение волновода прямоугольного сечения 12 после места подключения коаксиального волновода 3 в виде короткозамкнутого шлейфа 15 служит для согласования перехода.

На Фиг. 6 также показана схема коаксиально-волноводного перехода 2 где волновод прямоугольного сечения 12 состыкован с коаксиальным волноводом 3, но в варианте подключения центрального проводника коаксиального волновода 13 через четвертьволновый шлейф 14. Такое

подключение даёт возможность при необходимости подать постоянное напряжение на шлейф 14 и далее на центральный проводник коаксиального волновода и усилительный модуль.

Варианты осуществления изобретения.

Усилительный модуль, обозначенный на Фиг. 1 номером 4 может содержать усилительный элемент (транзистор), входную и выходную микрополосковую плату, две платы подвода напряжений питания и управления (подачи смещения) в варианте с отсутствием подвода питания по схеме, показанной на Фиг. 6, при необходимости развязывающее устройство (вентиль) на входе. Все волноводы прямоугольного сечения целесообразно выполнить с заполнением диэлектриком, например, фторопластом, для придания им большей механической прочности и жёсткости. Входные и выходные каналы делителя/сумматора возможно изготавливать из двухсторонне фольгированного фторопласта. Возможно размещение предварительных каскадов усиления при многокаскадной схеме усилителя на общей многогранной поверхности призмы 8. Для изготовления коаксиальных волноводов целесообразно применить стандартные коаксиальные кабели. Волновое сопротивление каждого выходного/входного канала делителя/сумматора целесообразно выбрать равным входному/выходному волновому сопротивлению усилительного модуля (обычно равному 50 Ом). При этом волновое сопротивление входного/выходного волновода делителя/сумматора целесообразно применять равным Nx50 Ом где N желательно выбирать из ряда 2, 4, 8, 16 и т.д. Волновое сопротивление этих волноводов можно увеличивать до трёхкратного значения стандартного волновода без опасения появления значительной величины нежелательных мод. Увеличение волнового сопротивления может быть достигнуто переходами в Е-плоскости плавного или рупорного типа. Выравнивание фаз между каналами на входе в сумматор возможно путём коррекции длин как входных, так и выходных коаксиальных волноводов.

Технический эффект от применения решений, предложенных в данном изобретении, заключается в том, что габариты устройства усиления могут быть уменьшены примерно в три раза по сравнению с аналогичными конструкциями с линейным расположением усилительных модулей. Некоторое снижение массовых показателей также возможно в основном за счёт уменьшения общих габаритов.

Изобретение относится к компактному устройству усиления мощности. Технический результат достигается тем, что усилительные модули установлены на боковых гранях многоугольной призмы и каждый усилительный модуль содержит по порядку подключения входной соединительный волновод коаксиального типа, выходной соединительный волновод также коаксиального типа, а переходы расположены на выходах и входах делителя и сумматора. Так же в выходных каналах делителя и входных каналах сумматора в переходах центральные проводники коаксиальных волноводов гальванически могут быть непосредственно подключены к стенке канала, противоположной стенке подвода коаксиала и как вариант через развязывающие элементы. Подключение через развязывающие элементы позволяет подвести к усилительным модулям постоянное напряжение через коаксиальные волноводы. В результате классическая линейная компоновка усилительных модулей заменяется расположением их на боковых гранях многогранной призмы, что примерно в три раза сокращает габариты устройства, и подвод постоянного напряжения к усилительным модулям через волноводы также способствует к уменьшению габаритов устройства за счёт уменьшения габаритов самих усилительных модулей. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Компактное устройство усиления мощности, содержащее N площадок и N усилительных модуля, установленных на площадках, причем N превышает 1, при этом каждый усилительный модуль содержит по порядку подключения входной соединительный волновод с входным переходом, усилительный элемент, выходной переход и выходной соединительный волновод, при этом входной соединительный волновод и выходной соединительный волновод ориентированы в одинаковом направлении, соответствующем продольному направлению распространения, при этом усилительный элемент имеет входную и выходную ось, ориентированную в направлении, перпендикулярном к направлению распространения, дополнительно содержащее входной делитель мощности и выходной сумматор мощности, каждый из которых содержит, по меньшей мере, одну резистивную перегородку, перегородка делителя мощности и сумматора мощности продолжает металлические стенки делителя и сумматора, разделяющие N входных и выходных соединительных волноводов усилительных элементов, причем сумма длин входных и выходных волноводов каждого усилительного модуля является одинаковой для N усилительных модулей, отличающееся тем, что усилительные модули установлены на боковых гранях многоугольной призмы и каждый усилительный модуль содержит по порядку подключения входной соединительный волновод коаксиального типа, выходной соединительный волновод также коаксиального типа, а переходы расположены на выходах и входах делителя и сумматора.

2. Устройство усиления по п.1, отличающееся тем, что в выходных каналах делителя и входных каналах сумматора в переходах центральные проводники коаксиальных волноводов гальванически непосредственно подключены к стенке канала, противоположной стенке подвода коаксиала.

3. Устройство усиления по п.1, отличающееся тем, что в выходных каналах делителя и входных каналах сумматора в переходах центральные проводники коаксиальных волноводов подключены к стенке канала, противоположной стенке подвода коаксиала, через развязывающие элементы: диэлектрическую прокладку и четвертьволновый разомкнутый шлейф.