Конструкция радиочастотного объединителя с ключами

Радиочастотные (РЧ) источники высокой мощности используются для решения многих прикладных задач: радио- и телевещание, связь, радары, а также в физике и медицине в качестве системы питания ускорителей заряженных частиц. Одним из важных элементов радиочастотного источника является усилитель мощности. Усилители, основанные на технологии твердотельных транзисторов, характеризуются меньшими размерами, повышенной надежностью и более высокой эффективностью по сравнению с радиочастотными источниками, основанными на вакуумных лампах, таких как клистроны, тетроды и клистроды. В настоящее время верхняя граница допустимой мощности радиочастотных транзисторов находится в области 1-1.8 кВт. Это относительно низкое значение по сравнению с клистронами, мощность которых составляет несколько мегаватт. Твердотельные усилители высокой мощности, основанные на радиочастотных транзисторах, обычно состоят из большого числа независимых усилительных модулей с несколькими радиочастотными транзисторами. Например, чтобы получить 1.5 МВт радиочастотной мощности, требуется около 1000 транзисторов на 1.5 кВт. Выходная мощность от модулей объединяется в радиочастотном объединителе большой мощности.
Объединитель служит для суммирования РЧ сигналов, поступающих от нескольких усилительных модулей по передающей линии, на входные каналы (далее - входы) и вывода через общий выходной канал (далее - выход). Обозначим объединитель мощности принадлежащим к типу N:1, если у него количество входов равно N. Данный тип объединителя работает должным образом, пока на все входы подаются сигналы от усилительных модулей, одинаковые по амплитуде и фазе. При этом каждый вход объединителя обеспечивает согласование входного импеданса с волновым сопротивлением передающей линии, а результат заключается в том, что подводимая РЧ мощность не отражается назад к усилительным модулям.
Известен патент WO 2015/112047, который описывает объединитель мощности с диодным или механическим ключом, применимый на высоких уровнях РЧ мощности. При необходимости отключить источник сигнала от входа сумматора (объединителя) мощности ключ подключает к входу сумматора комплексную нагрузку, компенсирующую отключенный источник сигнала. Важный недостаток данного примера в том, что в нем не описан способ подключения комплексной нагрузки с учетом того, что эта нагрузка будет разной для разного количества отключенных источников сигнала. Реализация на практике подключения такой нагрузки является технически сложной и дорогостоящей задачей. Также в этом патенте не указано нормальное положение ключа. Если нормальным положением ключа является неопределенное или положение пропускания сигнала от источника к сумматору, то возникает опасность, что при обесточивании ключа и/или его управления импеданс на входе сумматора окажется неопределенным, что может вызвать разбалансировку системы и выход из строя одного/нескольких источников сигнала.
В отличие от патента WO 2015/112047 в данной полезной модели однозначно определено нормальное положение ВЧ ключа. Нормальное положение ключа в положении короткого замыкания обеспечивает высокую надежность всей системы благодаря тому, что в случае непредвиденного отсутствия сигнала от ВЧ модуля и/или от электронного блока ВЧ модули не будут повреждены из-за рассогласования линий передачи между модулем и объединителем. Также важным отличием от патента WO 2015/112047 является то, что при выходе ВЧ модуля из строя ключ переключается в положение короткого замыкания, а не подключает комплексную нагрузку (как описано в патенте WO 2015/112047), что значительно упрощает реализацию данного подхода на практике.
Также известен патент WO 2016/108710 А1, в котором описана система из объединителя высокочастотной (ВЧ) мощности с несколькими усилительными модулями и ВЧ ключами между ними. ВЧ ключ включает PIN-диод, транзистор, дроссель, блокировочный конденсатор, при этом ВЧ ключ получает управляющий сигнал по той же линии, что и ВЧ мощность от ВЧ модуля к объединителю.
В отличие от патента WO 2016/108710 А1 в данной полезной модели есть возможность подачи сигнала отдельно от линии подачи ВЧ мощности от ВЧ модуля к объединителю по отдельной линии, что повышает надежность системы, поскольку для подачи ВЧ мощности в объединитель и управляющего сигнала на ВЧ ключ используются разные линии. Также в данной полезной модели используются и другие способы выключения/переключения линии, соединяющей ВЧ модуль с объединителем.
Упрощенная схема объединителя показана на фиг. 1. РЧ сигнал большой мощности (порядка 1 кВт и более) подается от усилительных модулей 1 на входы РЧ ключей 2 по РЧ кабелям 3. Количество усилительных модулей в усилителе (и, соответственно, входов объединителя) зависит от выходной мощности усилительного модуля и требуемой мощности на выходе объединителя. Для описываемой конструкции объединителя количество усилительных модулей (и, соответственно, количество входов объединителя) может находиться в пределах от восьми до шестнадцати. При этом до 25% входов может быть отключено, т.е. для объединителя с восемью входами можно отключить до двух входов, а для объединителя с шестнадцатью входами можно отключить до четырех входов. РЧ сигналы от ключей 2 подаются на входы объединителя 5 через соединители 9. Если РЧ ключи 2 составляют единое целое с объединителем 5, соединители 9 могут отсутствовать. Суммарная РЧ мощность выводится из объединителя 5 через выход 6. Положение ключей 2 определяется состоянием дискретных сигналов 4, которые подаются либо напрямую от усилительных модулей 1, либо от некой вспомогательной системы, которая отслеживает состояние усилительных модулей 1. Дискретные сигналы 4 позволяют переключать ключи 2 из положения пропускания РЧ сигнала со входа ключа на вход объединителя 5 в положение короткого замыкания и обратно, при этом нормальным состоянием ключа является положение короткого замыкания. Ключ находится в нормальном состоянии, если дискретный сигнал 4 отсутствует или не подключен. В случае необходимости в конструкции объединителя может присутствовать электронный блок (печатная плата) 7, позволяющий на основе сигналов 8 определить текущее положение ключа независимо от управляющего дискретного сигнала и таким образом детектировать поломку самого ключа, если таковая произойдет. РЧ ключи 2, объединитель 5 и электронный блок 7 могут быть установлены в шасси 18, совместимое со стандартами МЭК 297 и/или МЭК 917, и таким образом составлять единое устройство.
Упрощенная схема внутренней конструкции объединителя 5 представлена на фиг. 2 (вид сверху) и фиг. 3 (вид сбоку). Объединитель 5 размещается внутри шасси 18 высотой 4U или более (где U-единица высоты в соответствии со стандартами МЭК 297 и/или МЭК 917, равная 44,45 мм (1,750 дюйма)), определяемого стандартами МЭК 297 и/или МЭК 917 с присоединительными фланцами 16. С задней стороны шасси 18 расположено от 8 до 16 входов 11 и выход 12. На всех входах установлены радиочастотные ключи большой мощности, подключенные ко входам объединителя и/или являющиеся его частью. Радиочастотные ключи выполнены в виде отдельных подключаемых модулей и/или являются его частью. Внутри шасси 18 расположен центральный проводник 13, к которому с помощью петель связи 14 подключаются входы 11. Центральный проводник 13 имеет изогнутую форму так, чтобы иметь соединение с выходом 12, находящимся с той же стороны шасси 18, что и входы 11. Область внутри шасси 18, в которой расположены входы 11, отделена от области, в которой расположен выход 12, с помощью внутренней перегородки 15. Контур центрального проводника 13, а также форма петель 14 может иметь разную конфигурацию для разных рабочих частот и количества входов 11 в объединитель для обеспечения согласования РЧ сигнала на входах 11 и выходе 12. Кроме этого, в конструкции объединителя могут присутствовать дополнительные элементы 17, выполненные из металла и/или диэлектрика для обеспечения дополнительного согласования РЧ сигнала и/или механической поддержки центрального проводника 13.