ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ

Полезная модель относится к технике полупроводниковых устройств, а именно к усилителям высокой частоты на полупроводниковых приборах, и может быть использовано в радиопередающих устройствах сверхвысоких частот.
Современное состояние полупроводниковой техники не обеспечивает получение высоких уровней мощности в СВЧ диапазоне волн в одноканальных усилителях мощности. В связи с этим широкое распространение получили твердотельные многоканальные усилители СВЧ диапазона волн с суммированием высокочастотной мощности.
Известен твердотельный усилитель мощности Х-диапазона (патент RU №2343625 С1, МПК H03F 3/19, опубл. 10.01.2009), содержащий предварительный усилитель, микрополосковый делитель мощности с элементами коррекции фазы, усилители канала, волноводный сумматор, детектор. Недостатком такого усилителя является негативное влияние уменьшения уровня входной мощности при регулировке выходной мощности на режимы настройки усилителей канала. В частности, уменьшение мощности на входе предварительного усилителя 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.
Известен микрополосковый усилитель мощности в двух плоскостях (патент US №6525610, МПК Н03F 3/60, опубл. 25.02.2003), содержащий входной регулятор фазы, согласующее устройство, предварительный усилитель, микрополосковый делитель 1/N, N усилителей канала, микрополосковый сумматор N/1, выходной регулятор фазы. Недостатками такого усилителя являются значительные потери мощности, обусловленные применением микрополоскового сумматора мощности, а также необходимость регулировки фазы не только во входной, но и в выходной цепи.
Известен также твердотельный усилитель мощности, входящий в состав радиолокационного высокочастотного твердотельного монопередатчика среднего уровня мощности по патенту RU 40492 U1, МКП G01S 7/282, опубл. 10.09.2004. Данный твердотельный усилитель мощности содержит предварительный усилитель, вход которого является входом усилителя, на который поступают высокочастотные сигналы. В состав предварительного усилителя входит входной дискретный аттенюатор. Выход предварительного усилителя соединен с входом делителя мощности 1/N, выходы которого соединены с входами N усилителей канала. Усиленные сигналы суммируются с помощью сумматора N/1. Данный твердотельный усилитель мощности по своему назначению и технической сущности является наиболее близким к предлагаемому техническому решению и поэтому выбран за прототип.
Недостатками устройства, принятого за прототип, являются большие потери мощности в сумматоре в связи с микрополосковой технологией его исполнения, а также неэффективность регулировки выходной мощности путем изменения напряжения питания транзисторов в усилителях канала, что приводит к существенному снижению коэффициента полезного действия усилителя и искажению формы сигнала.
Задачей, на решение которой направлено данная полезная модель, является создание твердотельного усилителя в СВЧ диапазоне волн с суммированием высокочастотной мощности с улучшенными техническими характеристиками.
Технический результат, достигаемый при использовании настоящей полезной модели, заключается в уменьшении диапазона изменения коэффициента полезного действия усилителя и сохранении настройки усилителей канала при регулировке выходной мощности усилителя.
Поставленная задача решается тем, что в твердотельный усилитель мощности, содержащий предварительный усилитель, вход которого является входом усилителя, а выход соединен с входом делителя мощности 1/N, N усилителей канала и сумматор мощности N/1, дополнительно введены модуль адресного отключения усилителей канала (АОУК), модуль распределения модулирующих импульсов (РМИ), N модулей фазовой коррекции и детекторная головка, при этом вход модуля АОУК и выход детекторной головки подключены к двунаправленной шине внешнего управления, выход модуля АОУК соединен с входом управления модуля РМИ, 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, выходы делителя мощности 1/N соединены с входами N усилителей каналов через модули фазовой коррекции, сумматор мощности N/1 выполнен в виде N канального сумматора на волноводных ТЕМ-мостах, к входам которого через коаксиально-волноводные переходы подключены выходы N усилителей канала, а к выходному фланцу подключена детекторная головка через направленный ответвитель.
Поставленная задача решается также тем, что:
модуль АОУК содержит блок сравнения с пороговым сигналом, к раздельным входам которого подключен блок задания порогового сигнала и блок входных регистров, при этом входом блока АОУК является вход блока входных регистров, а выходом - выход блока сравнения с пороговым сигналом;
модуль РМИ содержит разветвитель модулирующих импульсов, вход которого является сигнальным входом модуля, N раздельных выходов которого через управляемые вентили, a N+1 выход непосредственно, подключены к входам буферных усилителей, выходы которых являются выходами модуля, при этом вторые входы управляемых вентилей подключены к шине управления, которая является входом управления модуля РМИ;
к выходу разностного сигнала каждого волноводного ТЕМ-моста подключена согласованная поглощающая нагрузка с возможностью рассеивания не менее половины суммарной средней выходной мощности усилителей канала, подключенных к плечам моста суммирования;
выходы усилителей канала соединены с входами сумматора мощности посредством коаксиально-волноводных переходов, жестко вмонтированных в конструкцию сумматора мощности.
Новая совокупность существенных признаков заявляемого усилителя позволяет по сигналу внешнего управления производить адресное отключение одного или нескольких усилителей канала, что обеспечивает уменьшение выходной мощности при соответствующем уменьшении потребляемой мощности, то есть поддержание коэффициента полезного действия усилителя при регулировке его выходной мощности. При этом настройка работающих усилителей канала не изменяется.
Из известного уровня техники не выявлено технических решений, которым присущи все приведенные в формуле существенные признаки. Поэтому можно считать, что предлагаемое устройство соответствует критерию патентоспособности «новизна».
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых представлены структурные электрические схемы:
на фиг.1 - твердотельного усилителя мощности;
на фиг.2 - модуля АОУК;
на фиг.3 - модуля РМИ.
Твердотельный усилитель мощности (см., фиг.1) содержит предварительный усилитель 1, вход которого является входом усилителя, а выход соединен с входом делителя 2 мощности 1/N, выходы которого через модули 7 фазовой коррекции соединены с входами N усилителей 3 канала. Выходы усилителей 3 канала через коаксиально-волноводные переходы 11 соединены с входами сумматора 4 мощности N/1, к выходному фланцу которого через направленный ответвитель 12 подключена детекторная головка 8. Выход детекторной головки 8 и вход модуля 5 АОУК подключены к двунаправленной шине 10 внешнего управления. Выход модуля 5 АОУК соединен с входом управления модуля 6 РМИ, N выходов которого соединены с входами управления N усилителей 3 канала, N+1 выход соединен с входом управления предварительного усилителя 1, а сигнальный вход подключен к входной шине 9 модулирующего импульса.
Новыми конструктивными элементами заявляемого усилителя являются модуль 5 АОУК и модуль 6 РМИ.
Модуль 5 АОУК обеспечивает формирование сигналов, которые поступают в модуль 6 РМИ для адресного отключения усилителей 3 каналов. Модуль 5 АОКУ содержит блок 14 сравнения с пороговым сигналом, к раздельным входам которого подключен блок 13 задания порогового сигнала и блок 15 входных регистров. Входом блока 5 АОУК является вход блока 15, а выходом - выход блока 14. Блок 15 входных регистров предназначен для приема адресов отключаемых каналов и формирования управляющих сигналов. Блок 13 задания порога и блок 14 сравнения с пороговым сигналом обеспечивают помехозащищенность формирования управляющих сигналов. Высокий уровень выходного сигнала (лог.«1») означает отключение соответствующего усилителя канала (запрет на подачу на его вход модулирующего импульса).
Модуль 6 РМИ предназначен для формирования на выходе требуемого числа (до N+1) модулирующих импульсов с соответствующей амплитудой. Модуль 6 РМИ содержит разветвитель 18 модулирующих импульсов, вход которого является сигнальным входом модуля. N раздельных выходов разветвителя 18 через управляемые вентили 17, а N+1 выход непосредственно, подключены к входам буферных усилителей 16, выходы которых являются выходами модуля 6 РМИ. Вторые входы управляемых вентилей 17 подключены к шине управления 19, которая является входом управления модуля 6 РМИ. Управляемые вентили 17 выполнены в виде логических элементов «И - НЕ». При поступлении из модуля АОКУ сигнала высокого уровня (лог.«1») на вход «НЕ» логического элемента, управляемый вентиль 17 не пропускает на его выход модулирующий импульс и тогда СВЧ мощность на выходе отключаемого усилителя канала отсутствует. Буферные усилители 16 обеспечивают развязку между модулем 6 РМИ и усилителями 3 канала.
Твердотельный усилитель мощности работает следующим образом.
На вход предварительного усилителя 1, состоящего из нескольких каналов усиления, выполненных на полевых транзисторах, поступает СВЧ сигнал, который усиливается и модулируется приходящим на его вход управления модулирующим импульсом. Усиленный сигнал преобразуется в делителе 2 мощности в N сигналов, которые через модули фазовой коррекции 7 поступают к усилителям 3 канала.
Делитель 2 мощности может быть выполнен на микрополосковых кольцевых делителях мощности (мостах Вилкинсона) по гроздевой схеме равномерного деления мощности бинарного типа (см. например, Справочник по элементам полосковой техники / Под редакцией А.Л.Фельдштейна. - М: Связь, 1979. - 336 с).
Модули 7 фазовой коррекции предназначены для устранения фазовых ошибок в коэффициентах передачи каналов, обусловленных в основном технологией изготовления усилителей 3 каналов и могут быть выполнены на микрополосковых квадратурных мостах, нагруженных на набор шлейфных элементов (см., например, Конструирование и расчет полосковых устройств / Под редакцией И.С.Ковалева. - М. - Сов. радио, 1974. - С.142-146). Корректировка фазы выполняется путем подключения или отключения соответствующих шлейфов.
Для получения максимальной выходной мощности управления, сигнал внешнего управления по шине 10 для адресного отключения усилителей 3 канала не подается и поэтому модулирующие импульсы поступают на управляющие входы всех усилителей 3 канала. Сигналы с выхода усилителей 3 канала суммируются в сумматоре 4 мощности N/1, который выполнен на основе волноводных ТЕМ-мостов и имеет волноводные входы и выход. В качестве элементов суммирования мощности выступают волноводные ТЕМ-мосты, имеющие два входа, выход для суммы синфазных равноамплитудных сигналов и выход для разностного сигнала, определяемого степенью неидентичности по фазе и амплитуде входных сигналов. Выходы усилителей 3 канала соединены с входами сумматора 4 мощности посредством коаксиально-волноводных переходов 11, жестко вмонтированных в конструкцию сумматора 4 мощности. К выходу разностного сигнала ТЕМ-моста подключают согласованную поглощающую нагрузку. Указанная нагрузка при отключении одного из усилителя канала от входного плеча ТЕМ-моста должна поглощать половину выходной мощности усилителя канала, подключенного ко второму входному плечу ТЕМ-моста. Для мостов последующих ступеней сумматора поглощающая нагрузка должна рассеивать не менее половины суммарной средней выходной мощности усилителей канала, подключенных к плечам моста суммирования. Очевидно, что наиболее мощная поглощающая нагрузка должна быть установлена в выходном ТЕМ-мосте.
Величина выходной мощности усилителя контролируется по сигналу с выхода детекторной головки 8, который выдается во внешние цепи. При необходимости уменьшения выходной мощности по шине 10 внешнего управления на модуль 5 АОУК подаются адреса отключаемых усилителей 3 канала, и соответствующие этим адресам усилители 3 канала отключаются. Таким образом, при уменьшении выходной мощности усилителя одновременно уменьшается потребляемая мощность, что приводит у уменьшению диапазона изменения коэффициента полезного действия усилителя при регулировке в значительных пределах его выходной мощности. При этом настройка работающих усилителей канала сохраняется, так как их режимы работы не изменяются. Увеличение выходной мощности усилителя производится адресным включением неработающих усилителей 3 канала.
Изготовлен опытный образец твердотельного усилителя мощности на 8 каналов, проведены механические и климатические испытания в соответствии с ГОСТ РВ 20.39.304-98.
Настройка и проведенные измерения подтвердили возможность адресного отключения усилителей канала с сохранением настройки усилителя, что обеспечивает изменение коэффициента полезного действия усилителя менее чем в 2 раза при регулировке его выходной мощности в 50 раз.