Импульсный свч усилитель мощности на gan свч транзисторах

Полезная модель относится к технике СВЧ и может быть использована в радиолокационной и радионавигационной технике, а также в средствах передачи информации. Импульсный СВЧ усилитель мощности на GaN СВЧ транзисторах включает входной и выходной суммирующие микрополосковые мосты, в плечах которых установлены GaN СВЧ транзисторы, затворы которых подключены к стабилизатору напряжения, а стоки подключены к быстродействующему импульсному модулятору, содержащему мощный коммутирующий ключ на силовом GaN транзисторе со скоростным драйвером, подключающим сток GaN СВЧ транзисторов к накопительной емкости, мощный разрядный ключ на силовом GaN транзисторе со скоростным драйвером, обеспечивающим разряд емкостей GaN СВЧ транзисторов после отключения коммутирующего ключа и источника питания с широтно-импульсной модуляцией и зарядный ключ на силовом GaN транзисторе со скоростным драйвером, обеспечивающий отключение накопительной емкости и стока GaN СВЧ транзистора от источника питания с широтно-импульсной модуляцией и подключение накопительной емкости к источнику питания с широтно-импульсной модуляцией во время отключения напряжения питания от стоков GaN СВЧ транзисторов коммутирующим ключом. Технический результат заключается в уменьшении уровня фазового шума выходного СВЧ сигнала и повышении надежности устройства, обусловленной защитой затвора GaN СВЧ транзистора от пробоя при перегрузке входным СВЧ сигналом. 2 з.п. ф-лы, 2 илл.

Полезная модель относится к технике СВЧ и может быть использована в радиолокационной и радионавигационной технике, а также в средствах передачи информации.

Из уровня техники известен импульсный усилитель мощности СВЧ, который содержит развязывающие вентили, модулятор, первый каскад усиления сигнала СВЧ, выполненный, например, на лампе бегущей волны (ЛБВ), второй каскад усиления сигнала СВЧ, выполненный на амплитроне, импульсный трансформатор, при этом аноды ЛБВ и амплитрона, а также один из выводов вторичной обмотки импульсного трансформатора соединены с общей шиной, катод амплитрона соединен с другим выводом вторичной обмотки импульсного трансформатора, а катод ЛБВ соединен с катодом амплитрона через согласующий резистор. Параллельно вторичной обмотке импульсного трансформатора включен пиковый детектор, состоящий из конденсатора, диода и резистора, включенного параллельно диоду, при этом одна из обкладок конденсатора соединена с катодом амплитрона, другая обкладка конденсатора соединена с катодом диода, анод которого подключен к общей шине, а параллельно согласующему резистору включен другой конденсатор. Параллельно диоду и резистору пикового детектора включен высоковольтный ключ, при этом коллектор ключа соединен с катодом диода, причем управляющий электрод ключа через драйвер и один из входов схемы управления с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) соединен с катодом диода, а другой вход схемы управления с ШИМ соединен с внешним источником импульсов запуска (патент РФ 2263391, опубл. 27.10.2005).

Недостатком известного устройства является низкая надежность, недостаточный уровень выходной мощности СВЧ транзисторов и твердотельных модулей СВЧ передатчиков, а также высокий уровень фазового шума.

Также из уровня техники известен усилитель, который содержит развязывающие вентили, модулятор, первый каскад усиления сигнала СВЧ, выполненный, например, на лампе бегущей волны (ЛБВ), второй каскад усиления сигнала СВЧ, выполненный, например, на амплитроне, а также согласующий резистор, полевой транзистор, резистор обратной связи и управляющий источник напряжения (см. патент РФ 2340083, опубл. 27.11.2008).

Недостатками известного устройства также являются низкая надежность недостаточный уровень выходной мощности СВЧ транзисторов и твердотельных модулей СВЧ передатчиков.

Задачей настоящей полезной модели является устранение вышеуказанных недостатков.

Технический результат заключается в уменьшении уровня фазового шума выходного СВЧ сигнала и повышении надежности устройства, обусловленной защитой затвора GaN СВЧ транзистора от пробоя при перегрузке входным СВЧ сигналом.

Технический результат обеспечивается тем, что импульсный СВЧ усилитель мощности на GaN СВЧ транзисторах включает входной и выходной суммирующие микрополосковые мосты, в плечах которых установлены GaN СВЧ транзисторы, затворы которых подключены к стабилизатору напряжения, а стоки подключены к быстродействующему импульсному модулятору, содержащему мощный коммутирующий ключ на силовом GaN транзисторе со скоростным драйвером, подключающим сток GaN СВЧ транзисторов к накопительной емкости, мощный разрядный ключ на силовом GaN транзисторе со скоростным драйвером, обеспечивающим разряд емкостей GaN СВЧ транзисторов после отключения коммутирующего ключа и источника питания с широтно-импульсной модуляцией и зарядный ключ на силовом GaN транзисторе со скоростным драйвером, обеспечивающий отключение накопительной емкости и стока GaN СВЧ транзистора от источника питания с широтно-импульсной модуляцией и подключение накопительной емкости к источнику питания с широтно-импульсной модуляцией во время отключения напряжения питания от стоков GaN СВЧ транзисторов коммутирующим ключом.

В соответствии с частными случаями выполнения устройство может иметь следующие конструктивные особенности.

Затворы GaN СВЧ транзисторов подключены к стабилизатору напряжения через микрополосковые фильтры и резистивные делители, а стоки подключены к быстродействующему импульсному модулятору через микрополосковые фильтры.

Резистивный делитель питания затвора каждого GaN СВЧ транзистора через диоды подключен к двум стабилизаторам напряжения.

Техническая сущность настоящей полезной модели поясняется следующими иллюстрациями:

фиг.1 - отображена блок-схема;

фиг.2 - отображена электрическая схема.

Настоящее устройство имеет следующие конструктивные элементы:

1 - входной микрополосковый мост;

2 - первый GaN СВЧ транзистор;

3 - второй GaN СВЧ транзистор;

4 - выходной микрополосковый мост;

5 - первый защитный диод первого GaN СВЧ транзистора;

6 - резистивный делитель первого GaN СВЧ транзистора;

7 - второй защитный диод первого GaN СВЧ транзистора;

8 - первый защитный диод второго GaN СВЧ транзистора;

9 - резистивный делитель второго GaN СВЧ транзистора;

10 - второй защитный диод второго GaN СВЧ транзистора;

11 - первый стабилизатор напряжения затворов GaN СВЧ транзистора;

12 - второй стабилизатор напряжения затворов GaN СВЧ транзистора;

13 - микрополосковый фильтр-пробка питания затвора первого GaN СВЧ транзистора;

14 - микрополосковый фильтр-пробка питания затвора второго GaN СВЧ транзистора;

15 - микрополосковый фильтр-пробка питания стока первого GaN СВЧ транзистора;

16 - микрополосковый фильтр-пробка питания второго стока GaN СВЧ транзистора;

17 - первый коммутирующий ключ на GaN силовом транзисторе цепи питания стоков GaN СВЧ транзистора;

18 - скоростной драйвер коммутирующего ключа цепи питания стоков GaN СВЧ транзистора;

19 - накопительная емкость цепи питания стоков GaN СВЧ транзистора;

20 - разрядный ключ на GaN силовом транзисторе цепи питания стоков GaN СВЧ транзистора;

21 - скоростной драйвер разрядного ключа цепи питания стоков GaN СВЧ транзистора;

22 - вторичный источник питания (ВИП) широтно-импульсной модуляцией (ШИМ);

23 - зарядный ключ на GaN силовом транзисторе в цепи питания стоков GaN СВЧ транзистора;

24 - скоростной драйвер третьего ключа цепи питания стоков GaN СВЧ транзистора.

На фиг.1 приведена блок-схема, на которой отображены входной 1 и выходной 4 суммирующие микрополосковые мосты, первый GaN СВЧ транзистор 2, второй GaN СВЧ транзистор 3, первый защитный диод 5, резистивный делитель первого GaN СВЧ транзистора 6, второй защитный диод первого GaN СВЧ транзистора 7, первый защитный диод второго GaN СВЧ транзистора 8, резистивный делитель второго GaN СВЧ транзистора 9, второй защитный диод второго GaN СВЧ транзистора 10, первый стабилизатор напряжения затворов GaN СВЧ транзистора 11, второй стабилизатор напряжения затворов GaN СВЧ транзистора 12, микрополосковый фильтр-пробка питания затвора первого GaN СВЧ транзистора 13, микрополосковый фильтр-пробка питания затвора второго GaN СВЧ транзистора 14, микрополосковый фильтр-пробка питания стока первого GaN СВЧ транзистора 15, микрополосковый фильтр-пробка питания второго стока GaN СВЧ транзистора 16, первый коммутирующий ключ на GaN силовом транзисторе цепи питания стоков GaN СВЧ транзистора 17, скоростной драйвер коммутирующего ключа цепи питания стоков GaN СВЧ транзистора 18, накопительная емкость цепи питания стоков GaN СВЧ транзистора 19, разрядный ключ на GaN силовом транзисторе цепи питания стоков GaN СВЧ транзистора 20, скоростной драйвер разрядного ключа цепи питания стоков GaN СВЧ транзистора 21, вторичный источник питания (ВИП) широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) 22, зарядный ключ на GaN силовом транзисторе в цепи питания стоков GaN СВЧ транзистора 23, скоростной драйвер третьего ключа цепи питания стоков GaN СВЧ транзистора 24.

Настоящее устройство работает следующим образом.

Импульсного СВЧ усилителя мощности на GaN СВЧ транзисторах с пониженным уровнем фазового шума выходного СВЧ сигнала и защитой затвора GaN СВЧ транзистора от пробоя при перегрузке входным СВЧ сигналом, состоящая из входного и выходного суммирующих микрополосковых мостов 1, 4, в плечах которых установлены GaN СВЧ транзисторы 2, 3, затворы которых через микрополосковые фильтры "пробки» 13, 14 и резистивные делители 6, 9 подключены к стабилизатору напряжения 11, 12, а стоки - через микрополосковые фильтры "пробки» 15, 16 подключены к быстродействующему импульсному модулятору, содержащему мощный коммутирующий ключ 17 на силовом GaN транзисторе со скоростным драйвером 18, подключающим сток GaN СВЧ транзисторов к накопительной емкости 19. Мощный разрядный ключ 20 на силовом GaN транзисторе со скоростным драйвером 21 обеспечивает разряд емкостей GaN СВЧ транзисторов после отключения коммутирующего ключа 17 и вторичного источника питания 22, в котором для повышения коэффициента полезного действия СВЧ усилителя использован вторичный источник питания с широтно-импульсной модуляцией.

В настоящем устройстве для минимизации тепловыделения и увеличения коэффициента полезного действия для питания СВЧ транзисторов гибридных интегральных схем СВЧ усилителя мощности, в составе модуляторов управления питанием (МУП) используются вторичные источники питания (ВИП) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) 22.

Для конвертации напряжения вниз, в процессе реализации экспериментального образца, был применен ШИМ преобразователь, с выходным напряжением 5-45 В, способный отдавать в нагрузку 20 А. Несмотря на наличие дискретных составляющих в спектре питания ШИМ преобразователя в сравнении с линейным источником выбор был сделан в сторону первого, так как ШИМ преобразователь имеет значительно более высокий КПД.

Для понижения уровня фазового шума выходного СВЧ сигнала в цепь питания стоков GaN СВЧ транзисторов дополнительно введен зарядный ключ 23 на силовом GaN транзисторе, управляемый скоростным драйвером 24, отключающим накопительную емкость 19 и сток GaN СВЧ транзистора от вторичного источника питания 22 с ШИМ во время работы GaN СВЧ транзисторов и подключающим накопительную емкость 19 к вторичному источнику питания 22 с широтно-импульсной модуляцией во время отключения напряжение питания от стоков GaN СВЧ транзисторов коммутирующим ключом 17.

Для защиты затвора GaN СВЧ транзистора от пробоя при перегрузке входным СВЧ сигналом резистивные делители питания затвора 6, 9 каждого GaN СВЧ транзистора через диоды 5, 7 подключены к двум стабилизаторам напряжения 11, 12. При этом значение напряжения первого стабилизатора 11 больше напряжения затвора, формируемого резистивным делителем, а значение напряжения второго стабилизатора 12 меньше напряжения затвора, формируемого резистивным делителем 6, 9.

Отличия предложенного устройства на основе трех ключевой конструкции от аналогов является существенным, поскольку в указанном сочетании они обеспечивают следующие преимущества:

- понижение уровня фазового шума выходного СВЧ сигнала и защита затвора GaN СВЧ транзистора от пробоя при перегрузке входным СВЧ сигналом.

- минимизация влияния на стабильность частоты и фазы СВЧ сигнала уровня шумов и помех от вторичного источника питания,

- понижение уровня СПФШ сигнала СВЧ передатчика более чем на 20 дБ.

- минимизация массо-габаритных характеристик аппаратуры при обеспечении устойчивости к внешним дестабилизирующим факторам.

1. Импульсный СВЧ усилитель мощности на GaN СВЧ транзисторах, включающий входной и выходной суммирующие микрополосковые мосты, в плечах которых установлены GaN СВЧ транзисторы, затворы которых подключены к стабилизатору напряжения, а стоки подключены к быстродействующему импульсному модулятору, содержащему мощный коммутирующий ключ на силовом GaN транзисторе со скоростным драйвером, подключающим сток GaN СВЧ транзисторов к накопительной емкости, мощный разрядный ключ на силовом GaN транзисторе со скоростным драйвером, обеспечивающим разряд емкостей GaN СВЧ транзисторов после отключения коммутирующего ключа и источника питания с широтно-импульсной модуляцией, зарядный ключ на силовом GaN транзисторе со скоростным драйвером, обеспечивающий отключение накопительной емкости и стока GaN СВЧ транзистора от источника питания с широтно-импульсной модуляцией и подключение накопительной емкости к источнику питания с широтно-импульсной модуляцией во время отключения напряжения питания от стоков GaN СВЧ транзисторов коммутирующим ключом.

2. Усилитель по п.1, характеризующийся тем, что затворы GaN СВЧ транзисторов подключены к стабилизатору напряжения через микрополосковые фильтры и резистивные делители, а стоки подключены к быстродействующему импульсному модулятору через микрополосковые фильтры.

3. Усилитель по п.1, характеризующийся тем, что резистивный делитель питания затвора каждого GaN СВЧ транзистора через диоды подключен к двум стабилизаторам напряжения.