Резервированный твердотельный усилитель СВЧ мощности для бортовой аппаратуры космических аппаратов Российский патент 2024 года по МПК H03F3/20 H04B1/74 

Изобретение относится к передающим устройствам и может найти применение в бортовой аппаратуре космических аппаратов с большим сроком активного существования порядка 10-15 лет.

Основной составной частью (СЧ) передающего устройства является резервированный твердотельный усилитель СВЧ мощности (РТУМ), работающий в сеансном режиме при одном включенном твердотельном усилителе мощности (ТУМ) из ТУМ, входящих в его состав.

Ключевыми современными требованиями к ТУМ являются:

- возможность достижения максимальной выходной СВЧ мощности (Р_вых) при условии расположения РТУМ на термостабилизированной плите (ТСП) КА, имеющей ограничение по возможности отведения средней плотности теплового потока от основания РТУМ, контактирующего с ней (для современных КА - порядка 0,2 Вт/см²);

- минимальная масса и габариты, включая минимальную площадь, занимаемую РТУМ на ТСП;

- простота (технологичность) конструкции РТУМ.

Современные РТУМ имеют в своем составе один или несколько усилителей СВЧ мощности, содержащих:

- входные каскады ТУМ и мощные выходные каскады ТУМ с транзисторами с большим тепловыделением;

- маломощные входные каскады и мощные выходные каскады источников вторичного электропитания (ИВЭП);

- цепи автоматической регулировки Р_вых каждого ТУМ, состоящие из направленного ответвителя с детектором, операционного усилителя (ОУ) и аттенюатора (АТТ);

- развязывающие вентили («→»), циркулятор (Ц) с мощной согласованной нагрузкой (СН);

- фильтр (Ф) гармоник;

- устройство перекрестного резервирования (УПР), расположенное либо внутри РТУМ, либо в отдельном корпусе.

Известен РТУМ, в котором для уменьшения площади, занимаемой им на ТСП, входящие в его состав ТУМ расположены на пластине, размещенной перпендикулярно основанию корпуса РТУМ, контактирующего с ТСП (см. В.Г. Алыбин, А.С. Семочкин, В.М. Рожков, С.В. Авраменко. «Особенности конструкции усилителей СВЧ мощности для служебных систем космических аппаратов». - Инфокоммуникационные и радиоэлектронные технологии. 2022. Т. 5, №1. С. 70-78).

Недостатками данного технического решения являются:

- недостаточная Р_вых РТУМ, обусловленная тем, что ни один из усилителей мощности (УМ) РТУМ не находится на основании корпуса, т.е. не обеспечиваются оптимальные условия теплоотвода от транзисторов с большим тепловыделением;

- сложность конструкции, заключающаяся в необходимости располагать РТУМ в двух корпусах, начиная с двукратной степени резервирования (троирования) УМ, что приводит к необходимости постановки двух герметичных объемов вместо одного;

- увеличение массы РТУМ из-за наличия дополнительной стенки внутри корпуса или корпусов РТУМ.

Наиболее близким к заявленному изобретению является РТУМ (см. В.Г. Алыбин, А.С. Семочкин «Бортовые твердотельные СВЧ-усилители мощности будущего для командно-измерительных систем». - Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы. - 2016. - Т. 3. Вып. 3. С. 89-97, рис. 7). Известный РТУМ содержит корпус, в котором на его основании, контактирующем с ТСП КА, размещены транзисторы выходных каскадов УМ и выходные транзисторы их ИВЭП, имеющие большое тепловыделение, а также непосредственно связанные с ними СЧ РТУМ, включая вентиль, циркулятор с согласованной нагрузкой, фильтр гармоник, направленный ответвитель цепи АРМ с детектором.

На боковых стенках корпуса размещены СВЧ-входы, выходы и штенгель для герметизации корпуса, входы и выходы электропитания, управления и телеметрии.

Остальные СЧ каждого ТУМ размещены на пластине, образующей «второй этаж» расположенной параллельно основанию корпуса. Их состав:

- входные каскады УМ;

- входные каскады ИВЭП;

- остальные СЧ цепей автоматической регулировки выходной мощности (АРМ);

- цепи управления;

- цепи датчиков телеметрии.

Недостатками известного технического решения являются

- невозможность размещения на «втором этаже» корпуса всех СЧ РТУМ на площади, не превышающей площадь основания, при которой площадь основания корпуса соответствует площади с необходимой величиной плотности потока тепловыделения даже при условии использования «систем в корпусе» и «систем на кристалле», если кратность резервирования РТУМ более единицы (троирование и выше);

- сложность конструкции, связанная с организацией переходов между «вторым этажом» и основанием корпуса.

Предложенное техническое решение - резервированный твердотельный усилитель СВЧ мощности свободно от указанных недостатков.

Резервированный твердотельный усилитель СВЧ мощности для бортовой аппаратуры космических аппаратов содержит корпус, в котором на его основании, контактирующем с ТСП, размещены транзисторы выходных каскадов УМ и выходные транзисторы их ИВЭП, имеющие большое тепловыделение, а также непосредственно связанные с ними их СЧ РТУМ. Остальные СЧ РТУМ, включая входные каскады УМ и ИВЭП, СЧ цепей АРМ, цепи управления и датчиков телеметрии размещены на боковых стенках корпуса.

На рис. 1(a) и рис. 1(6) показана для примера структурная схема двукратно резервированного (троированного) РТУМ (на рис. 1(a) - для одиночного ТУМ, а на рис. 1(б) - для троированного РТУМ).

ТУМ содержит по два усилительных входных и выходных каскада (>_вх) и (>_вых), разделенные между собой «→» и входными СВЧ-цепями, заграждающий фильтр гармоник (Ф), цепь АРМ, включающую направленный ответвитель (НО) с детектором (ДЕТ), операционный усилитель (ОУ), управляющий аттенюатором (АТТ) и формирующий выход датчика выходной мощности (ДАТ_Рвых). За Ф и НО с ДЕТ цепи АРМ расположен циркулятор (Ц) с согласованной нагрузкой (СН), которая типично рассчитана на мощность, равную половине номинальной Р_вых для предохранения УМ при нештатном нарушении во время его работы выходного тракта включенного ТУМ с цепью внешней антенно-фидерной системы. Цепь датчика входной мощности (ДАТ_Рвх) расположена на входе УМ (Вх) и состоит из НО с ДЕТ и ОУ, формирующего значение ДАТ_Рвх.

На рис. 1 (а, б) цветом выделены СЧ ТУМ без значительного тепловыделения, т.е. не нуждающиеся в хорошем теплоотводе от них; остальные СЧ ТУМ требуют хорошего теплоотвода и поэтому их целесообразно размещать на основании корпуса или вблизи него. К таким СЧ следует отнести и СЧ, составляющие единое целое с выходными каскадами УМ, к которым относятся Ф, НО АРМ с ДЕТ, вентили и Ц с СН. На рис. 1(б) показана типичная структурная схема РТУМ с двукратным резервированием (троированием) ТУМ. Отличием резервированного РТУМ может являться введение устройства перекрестного резервирования (УПР), имеющего от двух до четырех входов (B_x1, В_х2, В_х3, В_х4) в зависимости от того, сколько резервируемых приемо-передающих устройств имеется в бортовой аппаратуре КА. Такие УПР строятся на микрополосковых линиях с применением мостов Ланге и делителей мощности Уилкинсона и имеют размерность 2×3, 3×3 или 4×4 и реализуются в одном из диапазонов частот, применяемых в бортовой аппаратуре КА (L, S, С, X, K).

Использование УПР в корпусе РТУМ с кратностью резервирования два или более позволяет применить один ДАТ_Рвх, сигнал на который поступает от НО с ДЕТ с одного из выходов УПР, поскольку в УПР при подаче СВЧ-сигнала на любой из его входов на любом из его выходов образуются сигналы одинаковой мощности, поступающие далее на входы ТУМ. На рис. 1 цветом выделены СЧ РТУМ с малым тепловыделением, которые целесообразно разместить не на плоскости корпуса, контактирующей с ТСП, включая СЧ ТУМ и цепь ДАТ_Рвх.

Особенностью РТУМ является размещение в одном корпусе всех его СЧ в соответствии со структурной схемой, показанной на рис. 1(б). При этом части УМ1, УМ2 и УМ3 и другие элементы РТУМ, выделенные цветом на рис. 1(6), размещены на боковых стенках корпуса, а СЧ РТУМ с большим тепловыделением и непосредственно связанные с ними СЧ размещены на основании корпуса, непосредственно контактирующего с ТСП. На рис. 2 показана развертка корпуса РТУМ. Обозначения всех узлов РТУМ сохранены такими же, как и на рис. 1(а, б), только для большей информативности у ряда из них поставлены порядковые номера ТУМ. На основании корпуса размещены «→» между входными и выходными каскадами ТУМ, выходные каскады ТУМ с выходными каскадами ИВЭП, Ф, НО и циркуляторы с относительно мощными СН.

На боковой стенке 2 корпуса расположены устройство перекрестного резервирования (УПР), совмещенное с СВЧ входами (с числа входов, соответствующим числу приемо-передающих устройств БА) и входные каскады ТУМ с выходными каскадами ИВЭП. Боковая стенка 3 корпуса свободна от размещения на ней СЧ РТУМ и может быть использована для размещения СЧ РТУМ при трехкратном резервировании. На стенке 4 корпуса с внешней стороны расположены разъемы СВЧ выходов РТУМ и штенгель для герметизации корпуса. На боковой стенке 5 корпуса размещены разъемы входов ИВЭП, управления конфигурацией РТУМ, входные каскады ИВЭП, ОУ, формирующие показания датчиков ДАТ_Рвх и ДАТ_Рвых, а также выходы телеметрии (выходы этих датчиков). Таким образом, внутри корпуса организовано шесть угловых соединений СВЧ-диапазона, развязанных с помощью «→» и Ц, и четыре низкочастотных угловых соединения. Крышка корпуса на рис. 2 не показана.

В результате уменьшаются габариты РТУМ при кратности резервирования больше единицы за счет большей площади для размещения СЧ РТУМ, масса РТУМ за счет отсутствия необходимости реализации двухэтажной конструкции корпуса, упрощается конструкция за счет отсутствия необходимости междуэтажных СВЧ- и низкочастотных переходов.

Изобретение относится к передающим устройствам и может найти применение в бортовой аппаратуре космических аппаратов с большим сроком активного существования порядка 10-15 лет. Техническим результатом изобретения является уменьшение габаритов и массы резервированного твердотельного усилителя СВЧ мощности при кратности резервирования больше единицы и упрощение его конструкции. Резервированный твердотельный усилитель СВЧ мощности содержит корпус, на основании которого размещены составные части твердотельных усилителей мощности с большим тепловыделением и непосредственно связанные с ними составные части, а на боковых стенках с внешней стороны размещены СВЧ-входы и выходы, входы источника вторичного электропитания и выходы датчиков телеметрии. Остальные составные части резервированного твердотельного усилителя СВЧ мощности размещены на боковых стенках корпуса. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Резервированный твердотельный усилитель СВЧ мощности, содержащий корпус, на основании которого размещены составные части твердотельных усилителей мощности с большим тепловыделением и непосредственно связанные с ними составные части, а на боковых стенках с внешней стороны размещены СВЧ входы и выходы, входы источника вторичного электропитания и выходы датчиков телеметрии, отличающийся тем, что остальные составные части резервированного твердотельного усилителя СВЧ мощности размещены на боковых стенках корпуса.

2. Резервированный твердотельный усилитель СВЧ мощности по п. 1, отличающийся тем, что на одной из боковых стенок корпуса размещено устройство перекрестного резервирования, совмещенное с СВЧ входами.