Твердотельный усилитель мощности х-диапазона
Твердотельный усилитель мощности Х-диапазона, содержащий предварительный усилитель, подключенный к микрополосковому делителю мощности, n выходов которого соединены с входами N СВЧ-усилителей, выходы СВЧ-усилителей подключены к N канальному сумматору, соединенному с детекторной головкой, к управляющему входу предварительного усилителя и управляющему входу каждого из N СВЧ-усилителей от распределителя модулирующих импульсов подводится напряжение питания и управляющий сигнал, отличается тем, что N-канальный сумматор выполнен в виде N волноводных ТЕМ-мостов с соответствующими входами, соединенными с выходами N СВЧ-усилителей непосредственно коаксиально-волноводными переходами, а его выход через волноводный фланец подключен к детекторной головке, при этом микрополосковый делитель мощности дополнительно содержит элементы коррекции фазы сигнала в каждом канале и связан с входами N СВЧ-усилителей жесткими кабелями, обеспечивающими механическую развязку конструкции с фиксированными в пространстве точками входа в N-канальный сумматор, причем корпуса каждого из N СВЧ-усилителей являются несущими элементами каркаса, связанными в прямоугольную рамочную конструкцию.
Введение указанных признаков обеспечивает возможность минимизировать потери при суммировании мощности N СВЧ-усилителей в N-канальном сумматоре, выполненном в виде N волноводных тем-мостов, исключает зависимость результата настройки усилителя мощности на максимальную мощность от начального набега фазы в каждом СВЧ-усилителе за счет последовательной ступенчатой настройки в развязанных устройствах.
Одновременно уменьшаются массогабаритные характеристики за счет применения разборной рамочной конструкции.
Предлагаемое техническое решение относится к технике полупроводниковых устройств и может быть использовано в радиопередающих устройствах сверхвысоких частот.
Известен «Микрополосковый усилитель мощности в двух плоскостях» (патент US №6525610, Н03F 3/60), содержащий входной регулятор фазы, согласующее устройство, предварительный усилитель, микрополосковый делитель 1/N, N усилителей, микрополосковый сумматор N/1, выходной регулятор фазы. Недостатками такого усилителя являются значительные потери мощности, обусловленные применением микрополоскового сумматора мощности, а так же необходимость регулировки фазы не только во входной, но и в выходной цепи.
Известно «Устройство для усиления высокочастотных сигналов в сверхширокой полосе частот» (свидетельство на полезную модель RU №4029, Н03F 3/58). Известное устройство содержит входную и выходную линии с включенными между ними усилительными элементами, делителями напряжения, конденсаторами и индуктивностью с N-активными элементами, включенными параллельно в точках входной и выходной линий, причем каждый активный элемент состоит из двух транзисторов.
Недостатком такого устройства является включение усилителей без СВЧ развязки между каскадами, что не позволяет проводить независимую регулировку фазы в каждом отдельно взятом каскаде.
Известен также «GaAs усилитель К-диапазона с выходной мощностью 8,2 Вт» (IEE Trans on Microwave Theory and Techniques, v MTT - 32, no. 3 march 1984, 317-324)
Известное устройство по своему назначению и технической сущности является наиболее близким предлагаемому техническому решению и поэтому выбрано за прототип.
Устройство, выбранное за прототип, представляет собой усилитель мощности, содержащий предварительный усилитель, соединенный через вентиль и волноводно-полосковый переход с входом микрополоскового делителя, передающего мощность на N усилителей, выходы которых подключены через волноводно-полосковый переход (ВПП) к входу микрополоскового сумматора. Корректировка фазы осуществляется в волноводном тракте каждого из N усилителей путем подбора диэлектрических пластин.
К недостаткам прототипа относятся:
1. Потери мощности на выходе устройства в связи с применением микрополосковых сумматоров
2. Необходимость подбора идентичных усилителей в комплект (отсутствие взаимозаменяемости в составе усилителя мощности)
3. Недостаточный уровень развязки сигнала в плечах микрополоскового сумматора по сравнению с волноводным сумматором.
Целью предлагаемого технического решения является минимизация потерь выходной мощности усилителя мощности, исключение зависимости выходной мощности усилителя мощности от начальной разности фаз между усилителями при одновременном улучшении массогабаритных характеристик и осуществлении механической развязки при сборке усилителя за счет применения жестких кабелей на выходе микрополоскового делителя.
Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве, содержащем предварительный усилитель, подключенный к микрополосковому делителю мощности, n выходов которого соединены с
входами N СВЧ-усилителей, выходы СВЧ-усилителей подключены к N-канальному сумматору, к управляющему входу предварительного усилителя и к управляющему входу каждого из N СВЧ-усилителей от распределителя модулирующих импульсов подводится напряжение питания и управляющий сигнал, N-канальный сумматор выполнен в виде N волноводных тем-мостов с соответствующими входами, соединенными с выходами N СВЧ-усилителей непосредственно коаксиально-волноводными переходами, а его выход через волноводный фланец подключен к детекторной головке. Микрополосковый делитель мощности дополнительно содержит элементы коррекции фазы сигнала в каждом канале и связан с входами N СВЧ-усилителей жесткими кабелями, обеспечивающими механическую развязку конструкции с фиксированными в пространстве точками входа N-канального сумматора. При этом корпуса N СВЧ-усилителей, являющиеся несущими элементами каркаса, связаны разборными планками в прямоугольную рамочную конструкцию.
Благодаря новой совокупности существенных признаков предлагаемое устройство обеспечивает возможность минимизировать потери при суммировании мощности N СВЧ-усилителей в N-канальном сумматоре, выполненном в виде N волноводных ТЕМ - мостов, исключает зависимость результата настройки усилителя мощности на максимальную мощность от начального набега фазы в каждом СВЧ-усилителе за счет последовательной ступенчатой настройки в развязанных устройствах. Одновременно улучшаются массогабаритные характеристики за счет применения разборной рамочной конструкции.
Из известного уровня техники не выявлено технических решений, которым присущи все приведенные в формуле полезной модели существенные признаки. Поэтому можно считать, что предлагаемое устройство соответствует условию патентоспособности «новизна».
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 - представлена структурная схема твердотельного усилителя мощности Х-диапазона, на фиг.2 и на фиг.3 - конструктивное выполнение твердотельного усилителя мощности под разными ракурсами.
Твердотельный усилитель мощности (Фиг.1) также, как и прототип, содержит предварительный усилитель 1, подключенный к микрополосковому делителю 2, n выходов которого соединены с входами N СВЧ-усилителей 3 1...3N. Выходы СВЧ-усилителей подключены к N-канальному сумматору 4. К управляющему входу предварительного усилителя 1 и к управляющему входу каждого из N СВЧ-усилителей 3 от распределителя модулирующих импульсов 5 подводится управляющий сигнал, а так же напряжение питания.
В отличие от прототипа N-канальный сумматор 4 выполнен в виде N волноводных ТЕМ-мостов с соответствующими входами, соединенными с выходами N СВЧ-усилителей 3 непосредственно через коаксиально-волноводные переходы 8.
Делитель мощности 2 дополнительно содержит элементы коррекции фазы в каждом канале и связан с входами N СВЧ-усилителей 3 жесткими СВЧ кабелями 7.
Детекторная головка 6 подключена к выходу N-канального сумматора 4 через волноводный фланец. Выход детекторной головки 6 является выходом твердотельного усилителя мощности Х-диапазона.
Корпуса N СВЧ-усилителей 3 являются несущими элементами разборного каркаса, соединенными разборными планками 9 в прямоугольную рамочную конструкцию (Фиг.2, 3).
Применение жестких коаксиальных кабелей 7, один из которых через угловые СВЧ переходы осуществляет связь между предварительным усилителем 1 и делителем мощности 2, а остальные n имеют S-образную форму, а также применение коаксиально-волноводных переходов 8 обеспечивает компактность устройства и значительно упрощает процесс сборки.
Твердотельный усилитель мощности Х-диапазона работает следующим образом. На вход предварительного усилителя 1, состоящего из нескольких каскадов усиления, выполненных на полевых транзисторах по схеме с общим истоком, поступает СВЧ сигнал, который усиливается и через жесткий СВЧ кабель 7 подается на вход микрополоскового делителя мощности 2, выполненного на мостах Вилькинсона с возможностью изменения фазовой длины в каждом из N каналов деления.
Каждый из N СВЧ-усилителей 3 представляет собой многокаскадный усилитель на полевых транзисторах с общим истоком, выполненный по балансной схеме. Выходы N СВЧ-усилителей 3 через коаксиально-волноводные переходы 8 подключены к n входам сумматора 4, выполненного на ТЕМ-мостах с согласующими элементами, обеспечивающими высокую степень развязки.
Детекторная головка 6, подключенная к выходному фланцу волноводного сумматора 4, предназначена для контроля мощности на выходе усилителя мощности. Сигнал с детекторной головки 6 выдается во внешние цепи.
Распределитель модулирующих импульсов 5 предназначен для стабилизации напряжения и распределения управляющих сигналов между предварительным усилителем 1 и N СВЧ-усилителями 3.
Каждая пара СВЧ-усилителей 3 последовательно настраивается изменением фазовой длины в микрополосковом делителе 2. Кроме того имеется возможность попарного отключения СВЧ-усилителей 3, их поэлементного включения и адресного контроля.
Изготовлены опытные образцы твердотельного усилителя мощности Х-диапазона, проведены механические и климатические испытания в соответствии с ГОСТ РВ 20.39.304-98.
Настройка и проведенные измерения подтвердили отсутствие необходимости предварительного выравнивания начальной фазы N СВЧ-усилителей, что упрощает настройку усилителя мощности в целом. За счет применения волноводного сумматора и оптимизации длин кабелей уменьшены потери мощности.
Изготовленные опытные образцы твердотельного усилителя мощности Х-диапазона имеют усиление не менее 50 дБ, обеспечивают выходную мощность не менее 200 Вт при минимальной скважности 5. Масса устройства составляет не более 2,5 кг при габаритах, не превышающих 221×132×144 мм.
Твердотельный усилитель мощности Х-диапазона, содержащий предварительный усилитель, подключенный к микрополосковому делителю мощности, n выходов которого соединены с входами N СВЧ-усилителей, выходы СВЧ-усилителей подключены к N-канальному сумматору, соединенному с детекторной головкой, к управляющему входу предварительного усилителя и управляющему входу каждого из N СВЧ-усилителей от распределителя модулирующих импульсов подводится напряжение питания и управляющий сигнал, отличающийся тем, что N-канальный сумматор выполнен в виде N волноводных ТЕМ-мостов с соответствующими входами, соединенными с выходами N СВЧ-усилителей непосредственно коаксиально-волноводными переходами, а его выход через волноводный фланец подключен к детекторной головке, при этом микрополосковый делитель мощности дополнительно содержит элементы коррекции фазы сигнала в каждом канале и связан с входами N СВЧ-усилителей жесткими кабелями, обеспечивающими механическую развязку конструкции с фиксированными в пространстве точками входа в N-канальный сумматор, причем корпуса каждого из N СВЧ-усилителей являются несущими элементами каркаса, связанными в прямоугольную рамочную конструкцию.
