УСИЛИТЕЛЬ СВЧ ВЫСОКОГО УРОВНЯ МОЩНОСТИ

Полезная модель относится к радиоэлектронике и может быть использована в радиопередающих устройствах сверхвысоких частот (СВЧ) для современных радиотехнических систем связи, радиолокации, радионавигации.
Современное состояние радиопередающих устройств характеризуется переходом от использования мощных электровакуумных приборов к твердотельным передатчикам на базе транзисторных усилителей (усилительных модулей), в которых требуемый уровень мощности СВЧ достигается суммированием мощности большого числа усилительных модулей.
Общие принципы суммирования мощности усилителей СВЧ и разновидности возможных схем суммирования мощности приведены в книге «Устройства сложения и распределения мощностей высокочастотных колебаний». / Под редакцией З.И.Моделя, М.: «Советское радио», 1980 г.
В ходе практической реализации усилителя СВЧ высокого уровня мощности (ВУМ), выполненного на транзисторных усилительных модулях, основные потери мощности при суммировании происходят из-за разброса фазы и амплитуды выходных сигналов усилительных модулей, входящих в состав усилителя СВЧ ВУМ. Идентичность выходной амплитуды усилительных модулей зависит от типа примененных транзисторов, качества изготовления, и, как правило, удается обеспечить небольшой разброс амплитуд выходных сигналов усилительных модулей. Обеспечение же фазовой идентичности усилительных модулей является более сложной задачей. Ее решение позволяет существенно уменьшить потери при суммировании мощности усилительных модулей и, следовательно, повысить уровень выходной мощности усилителя с ВЧ ВУМ.
Известен твердотельный усилитель мощности Х-диапазона (патент на изобретение RU №234625), содержащий предварительный усилитель, подключенный к микрополосковому делителю мощности, N входов которого соединены с входами N СВЧ-усилителей, выходы СВЧ-усилителей подключены к N-канальному сумматору, выполненному в виде тем-мостов, соединенному с детекторной головкой. Микрополосковый делитель мощности содержит элементы коррекции фазы для каждого усилительного канала.
Недостатком такого усилителя является необходимость последовательной ступенчатой настройки фазы каждой пары СВЧ-усилителей в развязанных устройствах, а также негативное влияние уменьшения уровня входной мощности на уровень выходной мощности усилителей каналов. В частности, уменьшение мощности на входе предварительного усиления ведет к увеличению токов потребления в усилителях канала и дополнительному тепловыделению. Значительное уменьшение мощности на входе предварительного усилителя может привести к возникновению в отдельных усилителях канала паразитных генераций и искажению спектра выходных сигналов.
m
Аналогом заявляемого устройства является многокаскадное устройство суммирования мощности СВЧ-усилителей (патент RU №2339157), содержащее последовательно соединенные каскады усиления, при этом каждый каскад усиления содержит N-канальный делитель мощности, N - канальный сумматор мощности и N СВЧ-усилителей, где N=2. При этом каждый выход N-канального делителя мощности соединен через СВЧ-усилитель с соответствующим входом N - канального сумматора мощности. В каждом каскаде усиления, кроме выходного, к одному выходу в каждой паре выходов N-канального делителя мощности подключен фазовращатель.
Недостатком данного устройства является усложнение конструкции, сложная регулировка по фазе, низкая взаимозаменяемость усилительных модулей - невозможность оперативной замены отказавшего модуля без подстройки по фазе в составе стенда, что возможно только в заводских условиях, а также большие потери мощности при суммировании. Суммарные потери складываются из потерь в выходных фазовращателях, потерь из-за разброса уровней выходных мощностей усилителей и разброса фаз выходных сигналов (±30°).
Предлагаемой полезной моделью решается задача обеспечения уровня выходной мощности усилителя СВЧ ВУМ не менее 5 кВт улучшение его эксплуатационных характеристик: уменьшение потерь мощности при суммировании, уменьшения разброса фаз выходных сигналов усилительных модулей, обеспечение их взаимозаменяемости, повышение КПД усилителя СВЧ ВУМ, повышение надежности работы усилителя СВЧ ВУМ, снижение эксплуатационных расходов (за счет большего срока эксплуатации и меньшей стоимости изделия), а также обеспечение стабильности и повторяемости технических характеристик в рабочем диапазоне частот в условиях серийного производства.
Поставленная задача решается тем, что в заявляемом усилителе СВЧ ВУМ применены усилительные модули, выполненные на мощных СВЧ LDMOS транзисторах нового поколения, работающих в режиме АВ.
Усилительный модуль представляет собой герметичный корпус-радиатор с врубными герметичными переходами, для ввода и вывода СВЧ сигналов с низкочастотным соединителем для подачи питающего напряжения, внутри которого расположена микрополосковая печатная плата, на которой собран двухкаскадный усилитель мощности.
Первый каскад выполнен на транзисторе 2П998А АЕЯР.432150.541 ТУ, второй - на балансном полевом транзисторе 2П980БС АЕЯР.432140.316 ТУ (мощном СВЧ LDMOS транзисторе). Оба транзистора представляют собой мощные СВЧ LDMOS транзисторы, работают в режиме АВ. Элементы схемы выполнены на несимметричной микрополосковой линии.
Особенностью усилительных модулей, выполненных на мощных СВЧ LDMOS транзисторах, работающих в режиме АВ, является то, что входное сопротивление транзисторов практически не меняется с изменением уровня входного сигнала и фаза выходного сигнала остается неизменной.
Требование по разбросу фазового сдвига от образца к образцу для усилительных модулей - не более ±20°. Выполнение данного требования необходимо для синфазного сложения мощности включенных параллельно усилительных модулей в составе усилителя СВЧ ВУМ.
Для обеспечения требуемого фазового сдвига на входе каждого усилительного модуля установлены регулируемые дискретные фазовращатели. Дискретный фазовращатель выполнен в виде линии передачи с переключаемыми отрезками различной длины, что позволяет изменять геометрическую длину линии передачи включением отрезков разной длины для коррекции разброса электрической длины усилителей относительно друг друга (разброса фазового сдвига).
Компенсация разброса параметров входных и выходных плеч выходного транзистора 2П980БС АЕЯР.432140.316 ТУ и регулировка амплитуды и наклона фазы коэффициента передачи усилительного модуля ведется подстроечными конденсаторами на входе и выходе усилительного модуля. Окончательная настройка по фазе коэффициента передачи осуществляется изменением геометрической длины линии передачи входного фазовращателя.
Усилительный модуль обеспечивает выходную импульсную мощность не менее 110 Вт, неравномерность коэффициента усиления не более 1,0 дБ, разброс фазового сдвига не более ±20°.
Предлагаемый усилитель СВЧ ВУМ иллюстрируется чертежом, представленным на фиг.2.
к
к
Усилитель СВЧ ВУМ выполнен четырехкаскадным и состоит из: входного усилительного каскада 1; второго усилительного каскада 2; третьего усилительного каскада (на фиг.2 показан штрихпунктирной линией), состоящего из входного и выходного m-канального (m=2, где к=1, 2, 3 … и т.д.) развязанного делителя/сумматора 4, с установленными на выходе сумматора 4 Y-циркулятором 6, m синфазных усилительных модулей 5, включенных между соответствующими выходами делителя и входами сумматора по параллельной схеме; четвертого усилительного каскада - N=2параллельно включенных каскадов усиления аналогичных третьему каскаду с синфазными усилительными модулями 8 (на фиг.2 четвертый каскад показан пунктирной линией). В качестве делителя мощности четвертого каскада используется N-канальный развязанный делитель 7, N-канальный выходной сумматор четвертого каскада 9. Для увеличения развязки на входе третьего усилительного каскада усиления введен вентиль 3.
Усилитель мощности СВЧ ВУМ работает следующим образом.
вх
СВЧ сигнал с импульсной мощностью Р=0,1±0,02 Вт поступает на входной усилительный каскад 1, в котором СВЧ сигнал усиливается до уровня импульсной мощности не менее 4 Вт и передается на вход второго усилительного каскада - вход усилительного модуля 2, где усиливается до уровня (80±10) Вт, и далее, через вентиль 3, на третий усилительный каскад - m-канального делителя/сумматора 4, который обеспечивает равномерное деление поступающей на него мощности на m выходов. С m выходов делителя/сумматора 4 сигналы передаются на m усилительных модулей 5 включенных по параллельной схеме.
На фиг.1 приведена амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) коэффициента передачи между входами усилительных модулей 5 третьего каскада усиления, включенного без вентиля 3, на которой отмечены области искажения (излома) огибающей СВЧ сигнала. Рабочие частоты, на которых возникали искажения огибающей СВЧ сигнала, соответствуют наименьшей развязке между входами усилительных модулей (менее 20 дБ).
Для устранения взаимных влияний второго и третьего каскадов усиления между ними введен вентиль 3 (Y-циркулятор с балансной нагрузкой в третьем плече).
На фиг.3 приведена АЧХ коэффициента передачи между входами усилительных модулей 2 третьего каскада усиления после введения развязывающего устройства на входе третьего усилительного каскада - вентиля 3. Из приведенной АЧХ видно, что при введении вентиля 3 развязка между входами усилительных модулей 5 третьего усилительного каскада в диапазоне рабочих частот составляет более 25 дБ.
вых
В каждом из усилительных модулей 5 происходит усиление СВЧ сигнала до уровня (80±10) Вт, при этом разброс фазового сдвига усилительных модулей 5 составляет не более ±20°. После суммирования СВЧ сигналов с m усилительных модулей 5 в делителе/сумматоре 4, сигнал через Y-циркулятор 6, уровнем не менее 500 Вт поступает на N-канальный развязанный делитель 7, обеспечивающий равномерное деление СВЧ сигнала на N каналов оконечного каскада усиления. Каждый из N каналов представляет из себя усилительный блок, аналогичный третьему каскаду усиления с усилительными модулями 8, имеющими выходную мощность не менее 110 Вт и разброс фазового сдвига между усилительными модулями не более ±20°. Усиленные в N каналах СВЧ сигналы суммируются в выходном N-канальном сумматоре 9 четвертого каскада и выходной сигнал с мощностью Р не менее 7 кВт передается на выход усилителя СВЧ ВУМ.
Положительный эффект от внедрения новых усилительных модулей вытекает из следующего. Величина потерь на суммирование двух сигналов равных по амплитуде и отличных по фазе определяется следующим соотношением:
Σ
P=P(1+cosΔφ),
Σ
где Р - мощность на выходе сумматора;
Р - мощность одного из сигналов, поступающих на вход сумматора;
Δφ - фазовый сдвиг между двумя равноамплитудными сигналами.
На Фиг.4 приведен график соотношения величины потерь на суммирование двух равноамплитудных сигналов от величины фазового сдвига между ними, полученного из данного выражения. Отмеченную закономерность можно использовать для оценки полученного выигрыша по мощности.
Замена усилительных модулей на биполярных транзисторах на усилители мощности СВЧ, выполненные на мощных СВЧ LDMOS транзисторах нового поколения и введение вентиля 3 между вторым и третьим усилительными каскадами позволило снизить потери на суммирование в условиях серийного производства до 20-25% (в эту величину входят и диссипативные потери в линиях связи). Это, наряду с увеличением выходной мощности, позволило увеличить КПД усилителя, повысить надежность его работы за счет уменьшения потерь на нагрев из-за потерь в балластных резисторах сумматоров мощности. Снижение эксплуатационных расходов происходит за счет увеличения срока эксплуатации и меньшей стоимости примененных усилительных модулей.
Изготовленный опытный образец передающего устройства на базе заявляемого четырехкаскадного усилителя СВЧ ВУМ в соответствии с ГОСТ РВ 15.307-2002 прошел типовые испытания в составе РЛС и внедрен в производство.
Серийные образцы передающего устройства на базе заявляемого четырехкаскадного усилителя СВЧ ВУМ, обеспечивают на выходе передающего устройства в рабочей полосе частот импульсную мощность не менее 7 кВт.