ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ
SOLID-STATE POWER AMPLIFIER

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в радиолокационных системах в качестве усилителя мощности.
Известен усилитель мощности, содержащий источник питания (ИП), управляющий контроллер (УК), формирователь управляющих сигналов (ФУС), предварительные каскады усиления мощности СВЧ- сигнала (ПКУ), блок усиления мощности СВЧ-сигнала (БУ), датчик температуры (ДТ), детектор контроля (ДК) мощности входного СВЧ-сигнала и ДК мощности выходного СВЧ-сигнала, отличающийся тем, что в состав введены первый, второй и третий сумматоры мощности СВЧ-сигнала (СМ), направленный делитель мощности СВЧ- сигнала (НО) и второй, третий и четвертый БУ, подключенные параллельно первому БУ, при этом после включения ИП, УК выдает набор управляющих сигналов на первый вход ФУС, который осуществляет управление ПКУ и СМ, ДТ осуществляет контроль температуры и выдает сигнал на второй вход ФУС, входной СВЧ-сигнал поступает на вход первого ПКУ, где производится предварительное усиление его мощности, контроль мощности входного СВЧ-сигнала осуществляет ДК мощности входного СВЧ-сигнала, предварительно усиленный СВЧ-сигнал с выхода первого ПКУ поступает на вход второго ПКУ, где производится его дальнейшее предварительное усиление, с выхода второго ПКУ СВЧ-сигнал поступает на вход НД, где производится его разветвление, с выходов НД части разветвленного СВЧ-сигнала поступают на входы первого, второго, третьего и четвертого БУ, где производится окончательное усиление их мощностей, с выходов первого и второго БУ части СВЧ-сигнала поступают на вход первого СМ, а с выходов третьего и четвертого БУ - на вход второго СМ, где производится их предварительное суммирование по мощности, далее части СВЧ-сигналов с выходов первого и второго СМ поступают на вход третьего СМ, где производится их окончательное суммирование по мощности, уровень мощности выходного СВЧ-сигнала контролируется соответственно ДК мощности выходного СВЧ-сигнала, затем СВЧ-сигнал необходимого уровня мощности поступает к потребителям, причем в случае несоответствия уровней мощностей входного или выходного СВЧ-сигналов, сигналы обратной связи от соответствующих ДК поступают на входы УК и ФУС для приведения параметров мощности СВЧ-сигналов до необходимого уровня (Патент на полезную модель №138939, МПК H03F 3/00, 2006/01).
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является твердотельный усилитель мощности, содержащий предварительный усилитель, вход которого является входом усилителя, а выход соединен с входом делителя мощности 1/N, выходы которого через модули фазовой коррекции соединены с входами N усилителей канала. Выходы усилителей канала через коаксиально-волноводные переходы соединены со входами сумматора мощности N/1, к выходному фланцу которого через направленный ответвитель подключена детекторная головка. Выход детекторной головки и вход модуля адресного отключения усилителей канала (АОУК) подключены к двунаправленной шине внешнего управления. Выход модуля АОУК соединен с входом управления модуля распределения модулирующих импульсов, N выходов которого соединены с входами управления N усилителей канала, N+1 выход соединен с входом управления предварительного усилителя, а сигнальный вход подключен к входной шине модулирующего импульса. Технический результат заключается в уменьшении диапазона изменения коэффициента полезного действия усилителя и в сохранении настройки усилителя при регулировке его выходной мощности в значительных пределах (Патент на изобретение №2416872 МПК H03F 3/00, 2006/01).
Недостатком устройства, принятого за прототип, является недостаточная надежность из-за ухудшения точности контроля входной (выходной) мощности при изменении температуры в условиях эксплуатации, отсутствия защиты от большого коэффициента нагрузки (КСВН) по выходу, от недопустимого перегрева, из-за нарушения допустимых режимов эксплуатации. Недостаточно хорошие эксплуатационные характеристики из-за отсутствия, возможности анализа причин, приведших к возможному отказу усилителя, например, при установке потребителем недопустимых режимов эксплуатации, недопустимого перегрева и т.д.), так как не реализована возможность сохранения в электронной памяти данных о режимах работы усилителя с привязкой к реальному времени.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является создание твердотельного усилителя мощности в СВЧ-диапазоне длин волн повышенной надежности и с улучшенными эксплуатационными характеристиками.
Технический результат достигается введением комплексной защиты от повышенной входной (выходной) мощности, при одновременном повышении точности их контроля, от повышенного КСВН по выходу, от повышенной допустимой рабочей температуры, от отсутствия принудительного воздушного охлаждения, от недопустимой скважности и длительности входных СВЧ-импульсов и в обеспечение сохранения в электронной памяти данных о режимах работы усилителя с привязкой к реальному времени.
Поставленная задача достигается тем, что в твердотельный усилитель мощности, содержащий делитель, в состав которого входят первый фазовращатель, второй фазовращатель, N-ый фазовращатель, головку детекторную входной мощности, первый усилительный модуль (УМ), второй УМ, N-ый УМ, узел управления, первую нагрузку, N-1 нагрузку, сумматор, в состав которого входят первый разностный канал, N-1 разностный канал, второй узел питания, причем выход первого фазовращателя соединен с первым входом первого УМ, выход второго фазовращателя соединен с первым входом второго УМ, выход N-го фазовращателя соединен с первым входом N-го УМ, выход делителя соединен со входом головки детекторной входной мощности, выход первого УМ соединен с первым входом сумматора, выход второго УМ соединен со вторым входом сумматора, выход N-го УМ соединен с N-м входом сумматора, выход первого разностного канала сумматора соединен с первой нагрузкой, выход N-го разностного канала сумматора соединен с N-1 нагрузкой, дополнительно введены первый коаксиально волноводный переход (КВП), первый датчик температуры, блок вентиляторов, второй датчик температуры, второй КВП, головка детекторная падающей волны, головка детекторная отраженной волны, а в узел управления введены узел формирования импульсов синхронизации, узел интерфейса, первый видеоусилитель, второй видеоусилитель, третий видеоусилитель, узел формирования видеоконтрольного сигнала, узел АЦП, управляющий контроллер, третий датчик температуры, узел памяти, узел реального времени, первый узел питания, причем вход первого КВП соединен с входным СВЧ сигналом, а выход первого КВП соединен со входом делителя, вход второго КВП соединен со вторым выходом сумматора, а выход второго КВП соединен со стандартным прибором контроля выходного СВЧ сигнала, выход первого датчика температуры соединен с первым входом управляющего контроллера, вход блока вентиляторов соединен с внешним питанием, а выход блока вентиляторов соединен со вторым входом управляющего контроллера, выход второго датчика температуры соединен с третьим входом управляющего контроллера, выход третьего датчика температуры соединен с четвертым входом управляющего контроллера, выход узла памяти соединен с пятым входом управляющего контроллера, выход узла реального времени соединен с шестым входом управляющего контроллера, седьмой вход управляющего 'контроллера соединен с выходом узла АЦП, выход головки детекторной входной мощности соединен со входом первого видеоусилителя, выход которого соединен с первым входом узла АЦП, вход узла интерфейсов соединен с внешним устройством, которое формирует внешние команды управления, задающие режимы работы усилителя и команды запроса на получение информации о режимах эксплуатации, хранящейся в узле памяти, выход узла интерфейса соединен со вторыми входами всех N УМ, с восьмым входом узла управляющего контроллера, со вторым входом второго источника питания, со вторым входом узла формирования импульсов синхронизации, первый вход второго источника питания соединен с внешним питанием, первый вход узла формирования импульсов синхронизации соединен с внешним устройством, формирующим внешний импульс синхронизации, выход узла формирования импульсов синхронизации соединен с третьими входами всех N УМ, первый выход сумматора соединен с внешним потребителем, к которому подается выходной СВЧ-сигнал, третий выход сумматора соединен с головкой детекторной падающей волны, выход которой соединен со входом третьего видеоусилителя, выход которого соединен со вторым входом узла АЦП, четвертый выход сумматора соединен с головкой детекторной отраженной волны, выход которой соединен со входом второго видеоусилителя, выход которого соединен с третьим входом узла АЦП, четвертый вход узла АЦП соединен с первым выходом второго узла питания, остальные выходы второго узла питания соединены с каждым из N УМ, вход первого узла питания соединен с внешним питанием, а выходы первого узла питания соединены со входами первого, второго, третьего датчиков температуры, узла формирования импульсов синхронизации, узла интерфейса, первого, второго и третьего видеоусилителей, управляющего контроллера, узлом памяти, узлом реального времени, узлом формирования видеоконтрольного сигнала, пятым входом узла АЦП.
Заявляемый твердотельный усилитель мощности обладает совокупностью существенных признаков, не известных из уровня техники для изделий подобного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна» для изобретения.
Заявляемый твердотельный усилитель мощности, по мнению заявителя и авторов, соответствует критерию «изобретательский уровень», т.к. для специалистов он явным образом не следует из уровня техники, т.е. не известен из доступных источников информации на дату подачи заявки.
Сущность изобретения поясняется с помощью структурной схемы, представленной на фигуре, где: 1 - первый КВП, 2 - делитель, 3 - головка детекторная входной мощности, 4 - первый датчик температуры, 5 - блок вентиляторов, 6 - второй датчик температуры, 7 - первый фазовращатель, 8 - второй фазовращатель, 9 - N-ый фазовращатель, 10 - узел управления, 11 - первый усилительный модуль (УМ), 12 - второй УМ, 13 - N-ый УМ, 14 - узел формирования импульсов синхронизации, 15 - узел интерфейса, 16 - первый видеоусилитель, 17 - управляющий контроллер, 18 - первая нагрузка, 19 - N-1 нагрузка, 20 - третий датчик температуры, 21 - узел АЦП, 22 - сумматор, 23 - первый разностный канал, 24 - N-1 разностный канал, 25 - второй видеоусилитель, 26 - узел памяти, 27 - узел реального времени, 28 - второй КВП, 29 - головка детекторная падающей волны, 30 - головка детекторная отраженной волны, 31 - третий видеоусилитель, 32 - первый узел питания, 33 - узел формирования видеоконтрольного сигнала, 34 - второй узел питания.
Твердотельный усилитель мощности содержит делитель 2, в состав которого входят первый фазовращатель 7, второй фазовращатель 8, N-ый фазовращатель 9, головку 3 детекторную входной мощности, первый УМ 11, второй УМ 12, N-ый УМ 13, узел 10 управления, первую нагрузку 18, N-1 нагрузку 19, сумматор 22, в состав которого входят первый разностный канал 23 и N-1 разностный канал 24, второй узел 34 питания, причем выход первого фазовращателя 7 соединен с первым входом первого УМ 11, выход второго фазовращателя 8 соединен с первым входом второго УМ 12, выход N-го фазовращателя 9 соединен с первым входом N-го УМ 13, выход делителя 2 соединен со входом головки 3 детекторной входной мощности, выход первого УМ 11 соединен с первым входом сумматора 22, выход второго УМ 12 соединен со вторым входом сумматора 22, выход N-го УМ 13 соединен с N-m входом сумматора 22, выход первого разностного канала 23 сумматора 22 соединен с первой нагрузкой 18, выход N-1 разностного канала 24 сумматора 22 соединен с N-1 нагрузкой 19, вход первого КВП 1 соединен с входным СВЧ-сигналом, а выход первого КВП 1 соединен со входом делителя 2, вход второго КВП 28 соединен со вторым выходом сумматора 22, а выход второго КВП 28 соединен со стандартным прибором контроля выходного СВЧ сигнала, выход первого датчика 4 температуры соединен с первым входом управляющего контроллера 17, вход блока 5 вентиляторов соединен с внешним питанием, а выход блока 5 вентиляторов соединен со вторым входом управляющего контроллера 17, выход второго датчика 6 температуры соединен с третьим входом управляющего контроллера 17, выход третьего датчика 20 температуры соединен с четвертым входом управляющего контроллера 17, выход узла 26 памяти соединен с пятым входом управляющего контроллера 17, выход узла реального времени соединен с шестым входом управляющий контроллера 17, седьмой вход управляющего контроллера 17 соединен с выходом узла АЦП 21, выход головки 3 детекторной входной мощности соединен со входом первого видеоусилителя 16, выход которого соединен с первым входом узла АЦП 21, вход узла 15 интерфейсов соединен с внешним устройством, которое формирует внешние команды управления, задающие режимы работы усилителя и команды запроса на получение информации о режимах эксплуатации, хранящейся в узле памяти, выход узла интерфейса 15 соединен со вторыми входами всех N УМ, с восьмым входом узла управляющего контроллера 17, со вторым входом второго источника 34 питания, со вторым входом узла 14 формирования импульсов синхронизации, первый вход второго источника 34 питания соединен с внешним питанием, первый вход узла 14 формирования импульсов синхронизации соединен с внешним устройством, формирующим внешний импульс синхронизации, выход узла 14 формирования импульсов синхронизации соединен с третьими входами всех N УМ, первый выход сумматора 22 соединен с внешним потребителем, к которому подается выходной СВЧ-сигнал, второй выход сумматора 22 соединен с головкой 29 детекторной падающей волны, выход которой соединен со входом третьего видеоусилителя 31, выход которого соединен со вторым входом узла АЦП 21, третий выход сумматора 22 соединен с головкой 30 детекторной отраженной волны, выход которой соединен с входом второго видеоусилителя 25, выход которого соединен с третьим входом узла АЦП 21, четвертый вход узла АЦП 21 соединен с первым выходом второго узла 34 питания, остальные выходы второго узла 34 питания соединены с каждым из N УМ, первый вход первого узла 32 питания соединен с внешним питанием, выходы первого узла 32 питания соединены с узлами 4, 6, 14, 15, 16, 17, 20, 21, 25, 27, 31, 33 усилителя.
Твердотельный усилитель мощности работает следующим образом.
Твердотельный усилитель начинает работать при подключении к нему входного СВЧ- сигнала, подаваемого на вход первого КВП 1, входного импульса синхронизации, подаваемого на вход узла 14 формирования импульсов синхронизации, внешнего питания, подаваемого на блок 5 вентиляторов, внешнего питания, подаваемого на вход первого узла 32 питания, и внешнего питания, подаваемого на второй узел 34 питания. Входной СВЧ-сигнал через первый КВП 1, предназначенный для перехода входного волноводного канала на коаксиальный, подается на делитель 2. Делитель 2 осуществляет деление мощности входного сигнала на N каналов равной мощности. Для обеспечения синфазности при последующем суммировании в каждом из каналов установлен регулируемый фазовращатель. Кроме того, в состав делителя 2 включен ответвитель (на схеме не показан), через который часть мощности входного СВЧ-сигнала подается к головке 3 детекторной входной мощности. С выходов N фазовращателей делителя 2 сигналы подаются на входы N УМ, с выходов которых усиленные сигналы подаются на N входов сумматора 22. Сумматор 22 выполнен на волноводных щелевых мостах (см., например, Устройства сложения и распределения мощностей высокочастотных колебаний/ В.В. Заенцев, В.М. Катушкина, СЕ. Лондон, З.И. Модель Сов. радио, 1980. - С. 97-99). В качестве элементов суммирования мощности выступают волноводные щелевые мосты, имеющие 2…N входа, выход для суммы синфазных равноамплитудных сигналов, 1...N-1 выходов для разностного сигнала, уровень которого определяется степенью неидентичности по фазе и амплитуде входных сигналов и 1…N-1 выходов ответвленного сигнала от разностных каналов, используемых для обеспечения точной настройки. К выходу разностных каналов сигнала щелевого моста подключают согласованную поглощающую нагрузку. Указанная нагрузка при отключении одного из усилительных модулей должна поглощать половину выходной мощности усилительного модуля, подключенного ко второму входному плечу щелевого моста. Для мостов последующих ступеней сумматора поглощающая нагрузка должна рассеивать не менее половины суммарной средней выходной мощности усилительных модулей, подключенных к плечам моста суммирования. Очевидно, что наиболее мощная поглощающая нагрузка должна быть установлена в выходном мосте. Применение данной схемы суммирования с разностными каналами, нагруженными на нагрузки высокого уровня мощности, и имеющей ответвленный канал от разностного сигнала, позволяет производить последовательную настройку с помощью фазовращателей, установленных в делителе мощности, каналов усиления, в результате которой достигается сокращение времени, наибольшая выходная мощность и, как следствие, повышение КПД. Выходной СВЧ-сигнал, уровень мощности которого определяется суммой мощностей сигналов каждого из N УМ, с выхода 1 сумматора 22 подается потребителю. Выходы всех N-1 каналов разностных каналов сумматора 22 подключены к Ν-1 согласованным нагрузкам большого уровня мощности. Со второго выхода сумматора 2 часть выходного СВЧ-сигнала через ответвитель мощности из состава сумматора 22 подается на второй КВП 28, предназначенный для перехода с коаксиального канала на волноводный. Выход второго КВП 28 может соединяться с измерительными приборами на этапе настройки. В составе сумматора 22 имеется также ответвитель выходного СВЧ-сигнала, на одном выходе которого формируется сигнал, пропорциональный мощности выходного СВЧ-сигнала, а на втором выходе - сигнал, пропорциональный мощности отраженного от нагрузки, за счет КСВН, сигнала. Сигнал, пропорциональный мощности выходного СВЧ, и сигнал, пропорциональный мощности отраженного сигнала, с выходов сумматора 22 подаются на головку детекторную падающей волны и головку детекторную отраженной волны соответственно. Узел 14 формирования импульсов синхронизации осуществляет формирование импульсов синхронизации для всех N УМ в соответствии с входными импульсами синхронизации, а также по командам управляющего контроллера 17 в соответствии с логикой работы усилителя мощности, определяемой программным обеспечением. Узел 15 интерфейса обеспечивает согласованную работу внешнего устройства, формирующего внешние команды, управляющие всеми N УМ, узлом 14 формирования импульсов синхронизации, управляющим контроллером 17 и вторым узлом 34 питания. Первый узел питания формирует питающие напряжения для узлов 4, 6, 14, 15, 16, 17, 20, 21, 25, 27, 31, 33.
Комплексная защита усилителя мощности, обеспечивающая повышение надежности, работает следующим образом. Для повышения точности контроля мощности входного СВЧ-сигнала, мощности пропорциональный мощности выходного СВЧ сигнала, мощности пропорциональный мощности отраженного сигнала, используемых при реализации схем защиты, в состав усилителя включены первый датчик 4 температуры, имеющий непосредственный тепловой контакт с головкой 4 детекторной входной мощности, второй датчик 6 температуры, имеющий непосредственный тепловой контакт с головкой 29 детекторной падающей волны и головкой 30 детекторной отраженной волны, которые, в свою очередь, также имеют между собой непосредственный контакт. Значение уровней сигналов, пропорциональных контролируемым с помощью головок детекторных мощностям, через первый видеоусилитель 16, второй видеоусилитель 26, третий видеоусилитель 31 поступают на узел 21 АЦП, с выхода которого оцифрованные сигналы поступают на управляющий контроллер 17. Значения температур на корпусах головок детекторных, контролируемые с помощью датчиков температур, также поступают на управляющий контроллер 17. В результате управляющий контроллер 17, используя табличные данные о погрешности контроля мощности детекторными головками в диапазоне температур, хранящиеся в узле 26 памяти, может рассчитать погрешность контроля в каждой температурной точке и значительно повысить его достоверность. Большой КСВН по выходу усилителя мощности может привести к его отказу. Вновь введенные головка 29 детекторная падающей волны и головка 30 детекторная отраженной волны, сигналы с которых в конечном итоге поступают на контроллер управления, позволяют последнему рассчитать значение КСВН по выходу усилителя, точность расчетного значения которого повышена благодаря контролю уровня сигналов с использованием данных, получаемых от второго датчика 6 температуры. При достижении КСВН по выходу усилителя критического значения, уровень которого хранится в узле 26 памяти, управляющий контроллер 17 выдает команду на отключение всех N УМ. УМ выключаются, предотвращая выход из строя усилителя. Отключение всех N УМ по команде с управляющего контроллера 17 произойдет также при несоответствии заданным требованиям, хранящимся в узле 26 памяти, уровня входной мощности, контролируемой головкой 3 детекторной входной мощности, точность контроля которой корректируется по данным, получаемым с первого датчика температуры, а так же при несоответствии заданным требованиям, хранящимся в узле 26 памяти, уровня выходной мощности, контролируемой головкой 29 детекторной падающей волны, точность контроля которой корректируется по данным, получаемым со второго датчика 6 температуры. Управляющий контроллер 17 выдает команду на отключение всех N УМ при поступлении информации о срабатывании аэроблокировки с блока 5 вентиляторов, несоответствии длительности и скважности входных (выходных) СВЧ радиоимпульсов информация о которых поступает с головки 3 детекторной входной и головки 29 детекторной падающей волны заданным требованиям хранящимся в узле 26 памяти, превышении допустимой рабочей температуры, по данным, получаемым с третьего датчика 20 температуры, внутри корпуса усилителя мощности выше допустимого уровня, определяемого порогом, уровень которого хранится в узле 26 памяти, несоответствии заданным требованиям выходных напряжений второго узла 34 питания. Введение узла 26 памяти и узла 27 реального времени в узел 10 управления позволяет фиксировать и сохранять данные о режимах работы усилителя с привязкой к реальному времени. Благодаря этому по внешней команде управления можно запросить информацию о работе усилителя с привязкой получаемых данных к реальному времени произошедших событий. Информация о выходной (входной) мощности, скважности, длительности выходных импульсов, температуре внутри корпуса, КСВН по выходу и т.д., поможет принять меры для предотвращения возможных отказов твердотельного усилителя мощности, например из-за нарушений условий эксплуатации, или помочь понять причину его отказа в случае, если избежать его не удалось, что в конечном итоге приведет к повышению надежности при эксплуатации у потребителя.
Из вышеизложенного следует, что в случае возникновения неблагоприятных условий будет обеспечена высокая надежность усилителя мощности благодаря расширению количества параметров, при отклонении которых от требуемых значений принимается решение о срабатывании защиты, а также благодаря повышению точности контроля параметров, достоверность которых оказывает влияние на эффективность системы комплексной защиты, а, следовательно, и на надежность изделия в целом. Улучшены эксплуатационные характеристиками благодаря сохранению в электронной памяти данных о режимах работы усилителя с привязкой к реальному времени, в результате анализа которых на этапе эксплуатации можно или предотвратить возможный отказ усилителя мощности или помочь понять причину его отказа в случае, если избежать его не удалось, что в свою очередь может помочь предотвратить аналогичные отказы в будущем, а это также позволяет повысить надежность.
На предприятии-заявителе разработана конструкторская документация заявляемого технического решения, по которой изготовлены образцы изделий, успешно прошедшие испытания, что подтверждает соответствие критерию «промышленная применимость» для изобретения.