Радиопередатчик СВЧ мощности
MICROWAVE POWER TRANSCEIVER

Передающие устройства повышенной непрерывной, импульсной и квазинепрерывной мощности (Q=3) являются основным элементом любых радиотехнических комплексов для задач радиолокации, радионавигации, телеметрии и измерительной техники. Они определяют основной качественный параметр всех РЛС - потенциал - способность качественного обнаружения малоконтрастных целей на больших расстояниях.
Традиционно для создания больших мощностей в передатчиках всех типов используются электровакуумные устройства - магнетроны, клистроны, лампы бегущей волны (ЛБВ), преобразующие энергию пучка электронов в электромагнитную энергию. Принципиально важно, что при работе электровакуумных устройств используются высокие напряжения питания и управления 5÷25 кВ, что создает существенные трудности при эксплуатации.
u
Известен передатчик на ЛБВ К-диапазона, состоящий из синтезатора частот, усилителя мощности на ЛБВ, включающего последовательно соединенные первую и вторую лампы бегущей волны, и высоковольтного источника питания («Передатчик СВЧ сантиметрового диапазона», патент РФ №2477565, опубл. 2013.04.27). Передатчик сантиметрового диапазона обеспечивает максимальную выходную мощность путем применения двух ламп бегущей волны и формирования оптимального согласования режимов их работы.
Недостатком данного передатчика являются повышенные габариты и масса, высокий уровень фазовых шумов и дискретных составляющих, связанные с наличием высоковольтного импульсного преобразователя напряжения, трудности, связанные с экранировкой наведенных токов.
u
а
В связи с бурным развитием микроэлектроники последних лет, созданием новых материалов и технологий нитрида галлия, появилась возможность разработки и изготовления твердотельных монолитных интегральных схем (МИС) усилителей мощности - кристаллов большой импульсной и непрерывной мощности. В настоящее время в мире достигнуто в одном кристалле в L-диапазоне - 400 Вт, в X - 100÷200 Вт, в К - 60 Вт, К - 25÷30 Вт, W - 2÷3 Вт. В результате в последние годы создался общемировой тренд - создание твердотельных передатчиков, усилитель мощности которых представляет собой сумматор большого числа МИС усилителей мощности.
Твердотельные передающие модули обладают существенными преимуществами перед электровакуумными передатчиками;
- отсутствие высоковольтного питания;
- повышенная надежность;
- улучшенная электромагнитная совместимость;
- улучшенные спектральные и флуктуационные характеристики;
- снижение массогабаритных показателей;
- снижение цены.
Так, например, известен твердотельный усилитель мощности Ка-диапазона (см. фиг. 1), пригодный для использования в передатчиках СВЧ мощности [2]. Напряжение питания 28 В, выходная мощность порядка 800 Вт. Габариты - 900×650×700 мм. Масса более 50 кг. Указанная мощность достигнута путем суммирования более чем 100 МИС усилителей мощности и дискретных транзисторов.
Однако, данное устройство имеет большие габариты и массу, низкую эффективность суммирования, высокие токи потребления, что делает невозможным применение его в бортовых условиях.
Известен радиопередатчик, содержащий возбудитель радиоимпульсов, состоящий из последовательно соединенных генератора высокой частоты и предварительного усилителя, делителя мощности и сумматора мощности, оконечного усилителя мощности, при этом сумматор мощности состоит из соединенных между собой направленных восьмиполюсников («Радиопередатчик», патент РФ №2420871 С2, опубл. 10.06.2011).
Недостатком известного устройства, принятого за прототип, являются большие габариты и масса, низкая эффективность суммирования направленных восьмиполюсников и недостаточно высокая выходная мощность.
Техническим эффектом, достигаемым предлагаемым техническим решением, является снижение массогабаритных параметров и увеличение выходной мощности радиопередатчика.
Указанный эффект достигается тем, что в радиопередатчике СВЧ мощности, включающем источник СВЧ сигнала, источник питания и блок усилителя мощности на основе МИС усилителей мощности и суммирующего устройства, согласно изобретению, блок усилителя мощности представляет собой конструкцию из заключенного в единый корпус из теплопроводящего металла или сплава делителя/сумматора кольцевого типа, содержащего множество радиально направленных по отношению к коаксиальному входу СВЧ сигнала волноводных каналов, на торцах свободных концов которых перпендикулярно продольной оси последних установлены МИС усилителей мощности, смонтированные в соединенных с корпусом делителя/сумматора кристаллодержателях при наличии двухступенчатого спая «кристалл - медно-молибденовый компенсатор - кристаллодержатель». Корпус делителя/сумматора выполнен, преимущественно, из латуни.
Заявляемое устройство представляет собой передающий модуль, состоящий из источника СВЧ сигнала (например, синтезатора частот), выходного блока усилителя мощности и источника питания к ним, в котором усилитель мощности представляет собой соединение N числа МИС усилителей мощности (3) на едином корпусе делителя/сумматора кольцевого типа (см. фиг. 2) Каждый кристалл МИС усилителей мощности (3) размещен на кристаллодержателе, представляющем собой волноводную камеру. Входы и выходы усилителей обеспечиваются микрополосковыми антеннами.
Необходимо отметить, что известные на сегодняшний день делители/сумматоры кольцевого типа не отвечают требованиям, предъявляемым к его массогабаритным параметрам. Например, в работе [4] описан сумматор кольцевого типа, содержащий делитель и сумматор СВЧ мощности на основе плоскопараллельного волновода, теплоотводящую пластину ∅~320 мм, на которой смонтированы модули усилителей мощности и волноводные линии, соединяющие модули с делителем и сумматором.
Недостатком данного устройства является ограниченная развязка между каналами, что при значительном усилении МИС усилителя мощности приводит к возникновению положительных обратных связей, генерации и возбуждению всего усилителя-сумматора. Кроме того, наличие массивной теплоотводящей пластины приводит к увеличению веса и габаритов, а наличие волноводов по входу и выходу приводит к увеличению суммарных потерь, габаритов и трудоемкости реализации данного устройства для работы в Ku- и Ka-диапазонах.
В отличие от вышеописанного сумматора, используемый в заявляемом устройстве делитель/сумматор состоит из радиально направленных волноводных каналов прямоугольного сечения, сходящихся к центру и разделяющих/аккумулирующих мощность СВЧ сигнала усилителей на штырь возбуждения, выходящий на входной/выходной коаксиально-волноводный переход, соответственно.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
СВЧ сигнал с синтезатора частот поступает в усилитель мощности на коаксиальный вход (1) корпуса делителя/сумматора кольцевого типа, обеспечивающего равномерное деление мощности СВЧ сигнала на N каналов. Затем по N волноводным каналам прямоугольного сечения (2), расходящимся от коаксиального входа корпуса делителя/сумматора, СВЧ сигналы поступают на входы МИС усилителей мощности (3), установленных в кристаллодержателях и расположенных на боковой поверхности корпуса делителя/сумматора, усиливаются и затем суммируются по N прямоугольным волноводам, сходясь к центру корпуса делителя/сумматора и поступая на вход коаксиально-волноводного перехода. Вывод повышенной СВЧ мощности осуществляется через волноводный выход (4) N-канального делителя/сумматора СВЧ мощности.
На основе проведенных расчетов спроектированы и реализованы усилители мощности и передатчики Кu- и Ка-диапазонов. Выходная мощность усилителя в Кu-диапазоне составляет 300 Вт, в Ка - 120 Вт. При этом результаты модельных расчетов показывают, что при делении/суммировании потери в тракте суммирования/деления минимальны и составляют всего 0,2÷0,3 дБ в Ku-диапазоне и 0,7 дБ в Ка-диапазоне (см. фиг. 3).
С использованием данных усилителей мощности изготовлены полнофункциональные передающие модули Кu- и Ка-диапазонов. Достоинством таких передающих модулей является улучшение теплоотвода кристалла усилителя мощности за счет применения 2-ухступенчатого спая кристалл - медно-молибденовый компенсатор - корпус делителя/сумматора из латуни. Роль теплоотводящей пластины при этом играет единый корпус делителя/сумматора. Медно-молибденовый компенсатор нивелирует разницу коэффициентов теплового расширения кристаллодержателя, присоединенного к корпусу делителя/сумматора, и кристалла МИС усилителя мощности. Внешний вид радиопередатчика с выходной мощностью 300 Вт в Кu-диапазоне, включающий в себя 10-канальный усилитель мощности, показан на фиг. 4.
На фиг. 5 изображена амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) твердотельного радиопередатчика Ки-диапазона с уровнем выходной мощности более 300 Вт в диапазоне частот 15÷17 ГГц.
Другим важным преимуществом заявляемого устройства является снижение вносимых фазовых шумов усилителя мощности, состоящего из N МИС усилителей мощности. Показано, что при таком способе суммирования суммарная мощность полезного сигнала растет пропорционально N - числу складываемых каналов, а суммарный фазовый шум растет пропорционально , что является следствием некоррелированности фазовых шумов отдельных каналов [5]. В связи с этим при суммировании N каналов усилителей мощности вносимые фазовые шумы такого усилителя будут в  раз меньше фазовых шумов отдельного МИС усилителя мощности.
Источники информации
1. Передатчик СВЧ сантиметрового диапазона - Патент №2477565 (27.04.2013)
2. http://24ri.ru/down/open/tomskie-uchenye-razrabotali-tverdotelnyj-usilitel-mocshnosti-v-millimetrovom-diapazone.html
3. Радиопередатчик - Патент №2420871 С2 (10.06.2011)
4. P. Khan, L. Epp, and A. Silva. A Ka-Band Wide-Bandgap Solid-State Power Amplifier: Architecture Performance Estimates. EPN Progress Report 42-163. November 15, 2005
5. R. Boudot, E. Rubiola. Phase Noise in RF and Microwave Amplifiers. IEEE Transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control. Vol. 59, No. 12, P. 2613-2624, 2012