МИКРОПОЛОСКОВЫЙ МОЩНЫЙ БАЛАНСНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ СВЧ Советский патент 2006 года по МПК H03F3/60 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при построении мощных усилительных и передающих устройств в радиолокации, радиосвязи.

Известна конструкция балансного мощного усилителя СВЧ, содержащая кольцевые входной делитель и выходной сумматор мощности, два транзистора СВЧ в качестве усилителей, а также входные и выходные цепи согласования на сосредоточенных элементах [1]. Недостатком этой конструкции является невозможность реализации мощных усилителей СВЧ с рабочими частотами, превышающими 10÷15 ГГц, так как на этих частотах размеры мощных СВЧ транзисторов и даже размеры кристаллов таких транзисторов становятся сравнимыми с длиной волны СВЧ сигнала, что не позволяет расположить их в непосредственной близости от плеч квадратурных мостов.

Известна также конструкция балансного мощного усилителя СВЧ, содержащая входной микрополосковый кольцевой делитель мощности, два транзистора СВЧ в качестве усилителей, входные цепи согласования и выходную микрополосковую суммирующе-согласующую цепь [2].

Недостатком этой конструкции, присущим также и конструкции, описанной в [1], является невозможность индивидуального согласования отдельных каналов усиления, что необходимо вследствие существенного технологического разброса СВЧ параметров транзисторов, особенно на частотах, превышающих 15 ГГц.

Указанных недостатков лишена конструкция балансного мощного усилителя СВЧ, выбранная в качестве прототипа, содержащая кольцевые входной делитель и выходной сумматор мощности, два усилителя СВЧ, а также входные и выходные цепи согласования, реализованные в виде длинных отрезков микрополосковых линий [3].

Такое техническое решение дает возможность реализации мощных балансных СВЧ усилителей с достаточно высокими рабочими частотами, так как наличие длинных распределенных цепей согласования снимает ограничение на размер транзисторов (или усилителей) и, одновременно, позволяет производить индивидуальную настройку отдельных каналов балансного усилителя. Однако для реализации такого индивидуального согласования длина цепей согласования должна быть достаточно большой, как правило, необходимы цепи сравнимые с половиной длины волны СВЧ сигнала. В результате в такой конструкции возникают два контура непосредственной связи между отдельными каналами усиления (на входе и выходе схемы), состоящие из элементов цепей согласования и представляющих собой резонаторные элементы на частотах, меньших рабочих.

Так, при длине согласующих цепей в каждом канале равной половине длины волны на средней частоте рабочего диапазона частот, такой контур непосредственной связи будет работать как четвертьволновый резонатор на частоте в четыре раза меньше рабочей. Наличие таких резонаторов на входе и выходе усилителей приводит к спонтанному возникновению в такой конструкции паразитных колебаний на частотах, лежащих ниже рабочего диапазона частот усилителя. Возникновение таких паразитных колебаний приводит к спонтанному переходу усилителя в "самозапирающийся" режим работы, соответствующий режиму падения тока потребления и, как следствие, падению коэффициента усиления и выходной мощности усилителя.

Целью изобретения является улучшение электрических параметров путем подавления паразитных колебаний на частотах ниже диапазона рабочих частот усилителя и исключения возможности спонтанного перехода усилителя в "самозапирающийся" режим с падением его коэффициента усиления и, как следствие, выходной мощности.

Поставленная цель достигается тем, что в микрополосковый мощный балансный усилитель СВЧ, включающий входной и выходной квадратурные мосты, два усилителя СВЧ, входные и выходные цепи согласования введены четыре четвертьволновых на центральной частоте рабочего диапазона частот усилителя отрезка высокоомной микрополосковой линии, четыре разомкнутых на конце четвертьволновых на центральной частоте рабочего диапазона частот усилителя низкоомных шлейфа, четыре сопротивления и четыре конденсатора, причем один конец каждого из отрезков высокоомной микрополосковой линии подсоединен, соответственно, к входным и выходным цепям согласования в точках соединения цепей согласования с усилителями СВЧ, а второй конец каждого из этих отрезков соединен, соответственно с одним из низкоомных шлейфов и одним из сопротивлений, соединенных, соответственно с одним из конденсаторов, вторые обкладки которых заземлены.

На чертеже представлена эквивалентная схема заявляемого технического решения.

Микрополосковый мощный балансный усилитель СВЧ, согласно изобретению, состоит из входного и выходного квадратурных мостов 1 и 2, в частности, кольцевого делителя и кольцевого сумматора мощности, соответственно, с балластными сопротивлениями 3 и 4, при этом вход входного кольцевого делителя 1 мощности является входом усилителя, а выход выходного кольцевого сумматора 2 мощности является выходом усилителя, двух усилителей 5 и 6 СВЧ, входных и выходных цепей 7 и 8 согласования, соответственно, включенных между выходами входного кольцевого делителя 1 мощности и входами усилителей 5 и 6 СВЧ, и выходами усилителей 5 и 6 СВЧ и входами выходного кольцевого сумматора 2 мощности, четырех отрезков 9 высокоомной микрополосковой линии, четырех низкоомных шлейфов 10, разомкнутых на конце, четырех сопротивлений 11 и четырех конденсаторов 12, при этом один конец каждого из отрезков 9 высокоомной микрополосковой линии подключен к точке соединения входных и выходных согласующих цепей 7 и 8 с усилителями 5 и 6 СВЧ, другой конец каждого из отрезков 9 высокоомной микрополосковой линии соединен с точкой соединения каждого из низкоомных шлейфов 10, разомкнутых на конце, с каждым из резисторов 11, причем другой конец каждого из резисторов 11 соединен с одной из обкладок каждого из конденсаторов 12, другая обкладка которых заземлена.

В качестве усилителей 5 и 6 СВЧ могут быть использованы транзисторы СВЧ, один из электродов которых заземлен.

Данная конструкция может быть изготовлена с использованием известных технологических методов, как в виде гибридной интегральной схемы, так и в виде монолитной интегральной схемы на подложке из арсенида галлия.

Микрополосковый мощный балансный усилитель СВЧ работает следующим образом. Входной СВЧ сигнал подается на вход входного квадратурного моста 1, в частности, кольцевого делителя мощности, вход которого является входом усилителя. С выходов квадратурного моста 1 сигналы СВЧ через входные согласующие цепи 7 подаются на входы усилителей 5 и 6 СВЧ. Усиленные усилителями 5 и 6 СВЧ сигналы через выходные согласующие цепи 8 подаются на входы выходного квадратурного моста 2, в частности, выходного кольцевого сумматора 2 мощности и проходят на выход выходного квадратурного моста 2, который является выходом усилителя. Входные и выходные согласующие цепи 7 и 8, соответственно, совместно с входным и с выходным квадратурными мостами 1 и 2 образуют цепи, протяженность которых сравнима с длиной волны на частотах рабочего диапазона частот усилители. Это создает условия для возникновения паразитных колебаний на частотах ниже рабочего диапазона частот. Введенные, четвертьволновые на центральной частоте рабочего диапазона частот усилителя, отрезки 9 высокоомной микрополосковой линии, нагруженные на разомкнутые на конце низкоомные шлейфы 10 и RC - цепи имеют высокое входное сопротивление в рабочем диапазоне частот. На частотах ниже рабочего диапазона частот введенные отрезки 9 высокоомной микрополосковой линии со шлейфами 10, сопротивлениями 11 и конденсаторами 12 оказывают шунтирующее действие на входные и выходные цепи усилителя. Добротность входных и выходных цепей на частотах ниже рабочего диапазона частот оказывается низкой, что препятствует возникновению паразитных колебаний на указанных частотах.

Как следствие работы усилителя в режиме без паразитных колебаний улучшаются характеристики усилителя в целом - коэффициент усиления, КПД и устойчивость работы усилителя во всем диапазоне рабочих частот. Сопротивления 11, имеющие величины порядка 20÷30 Ом являются балластными для паразитных колебаний. Конденсаторы 12 обеспечивают соединение одних концов сопротивлений 11 с общим проводом по СВЧ и нулевой потенциал по СВЧ на сопротивлениях 11. Сопоставительный анализ по сравнению с прототипом показывает, что заявляемый микрополосковый мощный балансный усилитель СВЧ отличается тем, что в конструкцию усилителя введены дополнительные элементы - четыре четвертьволновых на центральной частоте рабочего диапазона частот усилителя отрезка высокоомной полосковой линии, соединенные, с одной стороны с точками соединения входных и выходных цепей согласования с входами и выходами усилителей СВЧ соответственно, а с другой стороны с четырьмя четвертьволновыми на центральной частоте рабочего диапазона частот усилителя низкоомными шлейфами, разомкнутыми на конце и с четырьмя резисторами, второй конец которых соединен, соответственно, с одной из обкладок четырех конденсаторов, вторые обкладки которых заземлены.

Таким образом, предлагаемый микрополосковый мощный балансный усилитель СВЧ соответствует критерию изобретения - "Новизна".

Анализ состояния разработок мощных СВЧ усилителей показывает, что повышение выходной мощности при одновременном росте рабочих частот мощных СВЧ усилителей является одной из наиболее важных и сложных проблем современной транзисторной СВЧ электроники в связи с возникновением в таких устройствах паразитных низкочастотных колебаний, приводящих к падению коэффициента усиления, выходной мощности усилителей и даже к их полной деградации.

Введение предлагаемого технического решения приводит к полному подавлению таких паразитных колебаний, что делает принципиально возможным получение значительно больших выходных мощностей на более высоких рабочих частотах, в частности, во всем СВЧ диапазоне и в нижней части КВЧ диапазона. Таким образом, предлагаемое техническое решение дает значительный технический эффект, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "Существенные отличия".

В качестве примеров конкретного исполнения можно привести: усилители с рабочими частотами от 18 до 30 ГГц, состоящие из кольцевых входного сумматора и выходного делителя мощности, входных и выходных цепей согласования на полуволновых отрезках микрополосковых линий, четырех цепей антигенерации, состоящих из четырех четвертьволновых на рабочей частоте отрезков микрополосковой линии с волновым сопротивлением Z_c=100 Ом, четырех разомкнутых на конце четвертьволновых на рабочей частоте микрополосковых шлейфов с волновым сопротивлением 10+20 Ом, четырех активных сопротивлений с номиналами 20÷30 Ом и четырех навесных кремниевых МОП-конденсаторов, емкостью 10 пФ и двух усилителей СВЧ, конструкция каждого из которых включает все вышеописанные элементы, а в качестве усилителей СВЧ в них используются два кристалла арсенид-галлиевых полевых транзисторов с барьером Шоттки в качестве затвора, истоковый электрод которых заземлен. Каждый из отрезков микрополосковой линии с Z_C=100 Ом подсоединен, соответственно, к входным и выходным цепям согласования в точках соединения цепей согласования с усилителями СВЧ, а в усилителях СВЧ с затворным и стоковым электродами транзисторов, соответственно, а второй конец каждого из этих отрезков соединен, соответственно, с одним из разомкнутых на конце микрополосковых шлейфов и одним из сопротивлений, соединенных, в свою очередь, соответственно с верхней обкладкой одного из МОП-конденсаторов, нижняя обкладка которых заземлена.

Изготовленные таким образом усилители позволили получить выходную мощность Рвых=1,2 Вт при коэффициенте усиления Кр=3-4 дБ на частоте 18 ГГц и Рвых=0,25÷0,5 Вт при Кр=3,5 дБ на частотах 26÷30 ГГц.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого устройства по сравнению с прототипом заключается в значительном росте в 2,5÷5 раз выходной мощности усилителей в диапазоне частот, соответствующему прототипу, а также в возможности реализации усилителей с уровнем выходной мощности 250-500 мВт в диапазоне рабочих частот 26÷30 ГГц и 50÷100 мВт в диапазоне рабочих частот 37÷45 ГГц, что позволяет реализовать радиоэлектронную аппаратуру специального назначения с высокими тактико-техническими параметрами.

Источники информации:

1. I.Nagasako, S.Sando, K.Watanabe and H.Kohzu Broadband, Pulsed Power Achieved With X-Band FET Modules. MSN, 1981, v 11, N 9, p.p.88-94.

2. R.L.Camisa and A.Mikelsons. Broadband Microwave Power Amplifiers Using Lumped - Element Matching and Distributed Combining Techniques. RCA Review, 1982, vol 43, N 3 p.p.489-503.

3. Karl.B.Niclas. A 400 mW 11-18 GHz MESFET Amplifier using Planar Power Combining Techniqnes. 1979 IEEE International Solid - State Circmints conference 1979, Digest of Technical Paper, p.p.122-123.

Изобретение относится к области радиотехники и предназначено для улучшения электрических параметров усилителя. Техническим результатом является повышение выходной мощности и коэффициента усиления за счет подавления паразитных колебаний на частотах ниже диапазона рабочих частот. Технический результат достигается путем введения в усилитель СВЧ, содержащий входной и выходной квадратурные мосты между выходами и входами которых включены каналы, каждый из которых включает усилительный элемент с согласующими цепями на входе и выходе, четырех фильтрирующих цепей, каждая из которых выполнена в виде четвертьволнового на центральной частоте рабочего диапазона отрезка высокоомной линии передачи, один конец которого подключен к точке соединения разомкнутого на конце четвертьволнового на центральной частоте низкоомного отрезка, и резистора, подсоединенного через конденсатор к общей шине. При этом другой конец указанного четвертьволнового отрезка высокоомной линии передач подключен к точке соединения соответствующего вывода усилительного элемента с соответствующей согласующей цепью. В качестве усилительных элементов могут быть выбраны транзисторы СВЧ, один из выводов каждого из которых заземлен. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Микрополосковый мощный балансный усилитель СВЧ, содержащий входной квадратурный мост, между выходами которого и входами выходного квадратурного моста включены каналы, каждый из которых включает усилительный элемент с согласующими цепями на входе и выходе, отличающийся тем, что, с целью повышения выходной мощности и коэффициента усиления за счет подавления паразитных колебаний на частотах диапазона рабочих частот, в него введены четыре фильтрующие цепи, каждая из которых выполнена в виде четвертьволнового на центральной частоте рабочего диапазона отрезка высокоомной линии передачи, одним концом подключенного к точке соединения разомкнутого на конце четвертьволнового на центральной частоте низкоомного отрезка, и резистора, подсоединенного через конденсатор к общей шине, при этом другой конец четвертьволнового отрезка высокоомной линии передачи подключен к точке соединения соответствующего вывода усилительного элемента с соответствующей согласующей цепью.2. Микрополосковый мощный балансный усилитель СВЧ по п.1, отличающийся тем, что в качестве усилительных элементов выбраны транзисторы СВЧ, один из выводов каждого из которых заземлен.