БАЛАНСНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ СВЧ
BALANCED MICROWAVE AMPLIFIER

Предлагаемое техническое решение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве приемного усилителя активных фазированных антенных решеток (АФАР) со встроенной системой тестирования и калибровки, где требуются высокие показатели чувствительности.
Как известно, чувствительность приемника, в основном, определяется прямыми потерями сигнала на пути от антенны до входа малошумящего усилителя (МШУ) приемного усилителя и собственным шумом МШУ.
В настоящее время большое распространение получают АФАР с цифровым формированием диаграммы направленности и со встроенной системой тестирования и калибровки аналоговых приемных усилителей, во входной тракт которых введена схема переключения источника входного сигнала [В.Ю.Кочетков «Структура канальных трактов цифровых антенных решеток», Известия вузов. ЭЛЕКТРОНИКА №5 (79) 2009, с.68]. При этом потери, вносимые переключателем, приводят к снижению чувствительности приемника.
Также довольно широко известен метод ввода калибровочного (тестового) сигнала в приемные усилители посредством направленного ответвителя [А.В. Кондратенко, А.И. Миллер, Э.Н. Сунгатуллин, М.Л. Шевляков «Двадцатичетырехканальное частотно-разделительное устройство», Техника и приборы СВЧ, 2008, №2 с.6]. Поскольку тестовый сигнал достаточно мощный, связь направленного ответвителя со входом слабая, практически не вносящая потерь. Таким образом, снижения чувствительности приемника не происходит. Однако поскольку вход приемника от антенны не отключен, то в условиях помех тестирование затруднено, а калибровка вряд ли возможна.
На практике существуют промежуточные варианты. Например, калибровочный сигнал заводят на вход МШУ приемного усилителя через направленный ответвитель, а антенну при этом отключают входным ключом, являющимся элементом защиты (ограничителем мощности), присутствие которой все равно обязательно в приемном усилителе. В этом случае недостатком является то, что тестированию и калибровке не подвергается тракт от антенны до входа МШУ, и это при том что узел входной защиты (ограничитель мощности) является самым ненадежным элементом приемного усилителя.
Наибольшее применение в качестве входного приемного СВЧ усилителя нашел балансный усилитель [Л.Г. Малорацкий Микроминиатюризация элементов и устройств СВЧ, М.: «Советское радио», 1976, с.197, 198.], являющийся наиболее близким аналогом (прототипом) заявленного технического решения. Балансный усилитель содержит два идентичных по параметрам усилителя, которые включены между каскадно-соединенными входным и выходным трехдецибельными направленными ответвителями. Сигнал, поступивший на входное плечо входного трехдецибельного направленного ответвителя, разделяется по мощности на равные части, причем сигналы на выходах трехдецибельного направленного ответвителя приобретают 90-градусный сдвиг относительно друг друга. Далее сигналы поступают на входы идентичных по параметрам усилителей. При этом отраженная волна от рассогласованных (в связи с настройкой на минимум шума) входов усилителей проходит входной трехдецибельный направленный ответвитель в обратном направлении, и за счет приобретения дополнительного 90-градусного фазового сдвига в одном из плеч выделяется на согласованной балластной нагрузке, обеспечивая тем самым хорошее согласование по входу балансного усилителя (Эти рассуждения также справедливы и относительно выхода балансного усилителя). Далее усиленные сигналы с выходов идентичных по параметрам усилителей поступают на выходной трехдецибельный направленный ответвитель и (благодаря имеющемуся фазовому сдвигу) суммируются в одном его выходном плече, идущем на выход балансного усилителя, и вычитаются в другом выходном плече, идущем на согласованную балластную нагрузку. К недостаткам балансного усилителя следует отнести его аппаратную избыточность. По сути балансный усилитель состоит из двух независимых идентичных каналов усиления, из которых один усиливает полезный сигнал, а другой по сути усиливает шум согласованной балластной нагрузки входного трехдецибельного направленного ответвителя (Усиленный шум и часть собственных шумов усилителей выделяются на согласованной балластной нагрузке выходного трехдецибельного направленного ответвителя).
Задачей разработанного технического решения является расширение функциональных возможностей балансного усилителя СВЧ за счет ограничения мощности входного сигнала и переключения входного сигнала на калибровочный сигнал без ухудшения чувствительности по входному сигналу.
Поставленная задача достигается тем, что балансный усилитель СВЧ содержит два идентичных по параметрам усилителя, включенных между каскадно-соединенными входным и выходным трехдецибельными направленными ответвителями, причем балластная цепь входного трехдецибельного направленного ответвителя содержит узел ввода калибровочного сигнала, а каждое выходное плечо выходного трехдецибельного направленного ответвителя через управляемый переключатель может быть подключено либо на выход балансного усилителя СВЧ, либо к согласованной балластной нагрузке, при этом идентичные по параметрам усилители на своих входах содержат ограничители мощности отражательного типа. Изобретение поясняется чертежами.
На фигуре 1 изображена электрическая принципиальная схема балансного усилителя СВЧ.
На фигуре 2 изображена электрическая схема практической реализации балансного усилителя СВЧ с направленным ответвителем в качестве узла ввода калибровочного сигнала.
На фигуре 3 изображена электрическая схема практической реализации балансного усилителя СВЧ с аттенюатором, в качестве узла ввода калибровочного сигнала.
Балансный усилитель СВЧ содержит два идентичных по параметрам усилителя 1 и 2, включенных между каскадно-соединенными входным и выходным трехдецибельными направленными ответвителями 3 и 4 соответственно. Балластная цепь входного направленного ответвителя 3 содержит узел ввода калибровочного сигнала 5 и согласованную балластную нагрузку 6, а каждое выходное плечо выходного направленного ответвителя 4 может быть подключено либо на выход балансного усилителя СВЧ, либо к согласованной балластной нагрузке 7 через управляемый переключатель 8. Идентичные по параметрам усилители 1 и 2 на своих входах содержат ограничители мощности отражательного типа 9 и 10.
Балансный усилитель СВЧ работает следующим образом. В режиме приема сигнал, поступивший на входное плечо трехдецибельного направленного ответвителя 3, разделяется по мощности на равные части, причем сигналы на выходах трехдецибельного направленного ответвителя 3 приобретают 90 градусный сдвиг относительно друг друга. Далее через ограничители мощности отражательного типа 9 и 10 сигналы поступают на входы идентичных по параметрам усилителей 1 и 2. При этом из за рассогласования входов усилителей 1 и 2 (связанного, как правило, с настройкой на минимум шума) или срабатывания отражательных ограничителей входной мощности 9 и 10 (при высоком уровне входной мощности) отраженная волна от входов усилителей 1 и 2 проходит трехдецибельный направленный ответвитель 3 в обратном направлении, и за счет приобретения дополнительного 90-градусного фазового сдвига в одном из плеч выделяется на согласованной балластной нагрузке 6, обеспечивая тем самым хорошее согласование по входу балансного усилителя СВЧ. Далее усиленные сигналы с выходов идентичных по параметрам усилителей 1 и 2 поступают на выходной трехдецибельный направленный ответвитель 4, где благодаря имеющемуся фазовому сдвигу суммируются в одном из выходных плеч «выходном» и вычитаются в другом выходном плече «балластном». Причем в режиме приема управляемый переключатель 8 подключает «выходное» плечо выходного трехдецибельного направленного ответвителя 4 на выход балансного усилителя СВЧ, а «балластное» плечо к согласованной балластной нагрузке 7. Поэтому усиленный сигнал проходит на выход балансного усилителя СВЧ, а усиленный шум балластной нагрузки входного трехдецибельного направленного ответвителя 3 и часть собственных шумов усилителей 1 и 2 выделяется на согласованной балластной нагрузке 7. В режиме калибровки или тестирования управляемый переключатель 8 по внешней команде подключает «балластное» плечо выходного трехдецибельного направленного ответвителя 4 на выход балансного усилителя СВЧ, а «выходное» плечо, напротив, к согласованной балластной нагрузке 7. Поскольку в режиме тестирования и калибровки вход балансного усилителя СВЧ остается подключенным к источнику сигнала, то происходит усиление входного сигнала, точно так же, как в режиме приема, с той только разницей, что усиленный входной сигнал не попадает на выход балансного усилителя СВЧ, а выделяется на согласованной балластной нагрузке 7. Калибровочный сигнал, поступающий через узел ввода 5 в балластное плечо первого трехдецибельного направленного ответвителя 3, в силу идентичности усилителей 1 и 2 и симметрии плеч трехдецибельных направленных ответвителей 3 и 4 усиливается точно так же, как и входной сигнал, но суммируется в «балластном» плече выходного трехдецибельного направленного ответвителя 4 и далее через переключатель 8 поступает на выход балансного усилителя СВЧ, где продолжает принимать участие в дальнейшем тестировании и калибровке аналоговой части приемного тракта. Поскольку у балансного усилителя СВЧ отсутствует переключатель источника входного сигнала, нет и потерь, связанных с ним. Для последующих каскадов приемного тракта роль переключателя источника входного сигнала выполняет переключатель 8, который не влияет на чувствительность приемника, а ограничители мощности 9 и 10 при калибровке безусловно тестируются, поскольку являются частью балансного усилителя.
(Следует заметить, что калибровочный сигнал подается по кабелю в такте приема работы АФАР. В такте передачи вследствие взаимного влияния излучателей часть передаваемой мощности возвращается в приемники, где, отразившись от закрытых ограничителей мощности, в основном, выделяется на балластных резисторах, а часть этой мощности через узел ввода калибровочного сигнала проникает в кабель калибровочного сигнала и в принципе может быть использована, например, для оперативной коррекции передающей диаграммы направленности, поскольку несет в себе информацию о модуле и фазе отраженного от антенн сигнала в такте передачи).
Предлагаемое техническое решение предполагает многообразие его реализации в зависимости от вариантов построения узла ввода калибровочного сигнала. Были опробованы два варианта балансного усилителя СВЧ диапазона 430 МГц. В первом варианте в качестве узла ввода калибровочного сигнала использован направленный ответвитель со слабой связью (Фиг 2), а во втором варианте использован аттенюатор (Фиг 3). Первый вариант ориентирован на работу с большим уровнем входной мощности, когда отраженная мощность отводится в мощную балластную нагрузку, расположенную за пределами приемного усилителя. Второй вариант более компактный, однако он ориентирован на работу с меньшими входными мощностями.
Оба варианта практической реализации схемы балансного усилителя СВЧ показали, что при сохранении параметров, присущих прототипу, эта схема имеет дополнительные функциональные возможности, обеспечивающие ограничение мощности входного сигнала и переключение входного сигнала на калибровочный сигнал, без ухудшения чувствительности по входному сигналу, при этом подавление входного сигнала, просачивающегося на выход балансного усилителя СВЧ в режиме тестирования и калибровки, не менее 20 дБ.
Таким образом, применение балансного усилителя СВЧ разработанной конструкции в АФАР со встроенной системой тестирования и калибровки позволяет повысить чувствительность АФАР.