МНОГОКАСКАДНЫЙ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

Полезная модель относится к радиотехнике, а именно к сверхширокополосным (с полосой пропускания больше двух октав) усилителям. Предназначено для усиления сигналов сверхвысокой частоты (СВЧ) от нескольких МГц о нескольких ГГц в радиоэлектронной аппаратуре и может быть использовано, в частности, в системах спутниковой навигации ГЛОНАСС-NAVSTAR и в системах непосредственного спутникового телевидения. В системах спутниковой навигации, в качестве антенного усилителя, и в системах непосредственного спутникового телевидения, в качестве усилителя промежуточной частоты СВЧ конвертора, применяются малошумящие многокаскадные усилители сигналов СВЧ работающие, в диапазоне частот от 0,9 до 1,7 ГГц.
К усилителю предъявляются требования обеспечения заданных коэффициента шума и коэффициента передачи усилителя, стабильности работы в широком диапазоне температур окружающей среды (обычно от -50°С до +50°С).
Современные биполярные СВЧ транзисторы позволяют получить требуемые параметры усилителя по шумам и усилению, при количестве каскадов обычно от трех и более, но одна из проблем проектирования усилителя заключается в том, что область потенциальной неустойчивости транзисторов, где инвариантный коэффициент устойчивости транзистора меньше единицы, занимает весьма широкую область, примерно, от сотен МГц до единиц ГГц. В области потенциальной неустойчивости транзистора невозможно обеспечить двухстороннее согласование транзистора, реализовав, таким образом максимально возможное усиление, затрудняется возможность построения многокаскадных усилителей из-за возможности неустойчивой работы. Подключение внешних нагрузок усилителя, имеющих значение модуля коэффициента отражения близких к единице, к усилителю на
потенциально неустойчивом транзисторе, приводит к самовозбуждению усилителя. (Шварц Н.З. Линейные транзисторные усилители СВЧ, Москва, «Советское радио», 1980 г., [1])
Получение абсолютно устойчивого усилительного каскада возможно при подключении к транзистору выходной цепи с потерями [1] или при использовании обратной связи. (М.Б.Толстихин и др., Анализ и расчет транзисторного СВЧ - усилителя с параллельной обратной связью, Электронная техника, сер. 1, Электроника СВЧ, вып. 4, 1984 г.).
Второй проблемой проектирования таких усилителей является значительный перепад в коэффициенте передачи транзистора на крайних частотах рабочего диапазона частот.
В четырехкаскадном усилителе промежуточной частоты конвертора приемника непосредственного спутникового телевизионного вещания. ( Гу Молин и др. Блок интегральных микросхем СВЧ - диапазона для приемника непосредственного спутникового телевизионного вещания на 12ГГц, (IEEE, MTT-S,INTERNFTIONAL MICROWAVE SYMPOSIUM, Digest, ST-Louis, 1985, June 4-6 )) [2] устойчивость достигается, в основном, следующим образом:
1) между коллектором транзистора, каждого из усилительных каскадов, и корпусом включены стабилизирующие цепи, каждая из которых состоит из последовательно соединенных резистора, четвертьволнового микрополоскового шлейфа и конденсатора;
2) на выходе четырехкаскадного усилителя включен П-образный резистивный аттенюатор, ослабляющий влияние нагрузки на параметры усилителя.
В усилительных каскадах использованы, состоящие из отрезков микрополосковых линий (МПЛ), Г-образные и Т-образные согласующие цепи. Обычно такие согласующие цепи создают достаточно близкие к единице значение модуля собственного коэффициента отражения согласующей цепи, вне диапазона рабочих частот узкополосного усилителя,
а в случае сверхширокополосного усилителя это происходит внутри рабочего диапазона частот, что отрицательно влияет на его устойчивость. Кроме этого к недостаткам усилителя [2] можно отнести трудность обеспечения малой неравномерности коэффициента передачи в широком диапазоне рабочих частот, большое количество элементов и большие габаритные размеры усилителя.
Данный транзисторный усилитель является наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемой полезной модели.
Задачей, на решение которой направлено создание полезной модели является расширение арсенала технических средств указанного назначения, с одновременным улучшением его эксплуатационных характеристик.
Техническими результатами при реализации полезной модели являются, в частности, обеспечение абсолютной устойчивости усилителя и малой неравномерности коэффициента передачи в широком диапазоне частот упрощение конструкции и уменьшение габаритных размеров усилителя.
Влияние на достижение указанных технических результатов оказывают нижеприведенные отличительные признаки.
Многокаскадный сверхширокополосный усилитель содержит, как минимум, два аналогичных транзисторных усилительных каскада и межкаскадную согласующую цепь. Усилительный каскад содержит четырехполюсник содержащий, первый резистор, первый вывод которого подключен к первому входу четырехполюсника, а второй вывод первого резистора подключен к точке соединения первых выводов второго и третьего резистора, первого конденсатора и первой микрополосковой линии, второй вывод второго резистора подключен к корпусу, вторые выводы третьего резистора и первого конденсатора и первой микрополосковой линии соединены вместе и подключены к второму входу четырехполюсника, причем, первый вход четырехполюсника является входом усилительного каскада и подключен к выводу базы транзистора, второй вход
четырехполюсника подключен к выводу коллектора транзистора и является выходом усилительного каскада. Межкаскадная согласующая цепь содержит второй отрезок микрополосковой линии, первый вывод которого является входом межкаскадной согласующей цепи, а второй вывод которого подключен к первому выводу второго конденсатора, а второй вывод второго конденсатора подключен к первому выводу третьего отрезка микрополосковой линии, второй вывод которого является выходом межкаскадной согласующей цепи, причем второй и третий отрезки микрополосковых линий имеют равную длину и расположены параллельно друг другу, а второй конденсатор, установлен в зазоре между вторым выводом второго отрезка микрополосковой линии и первым выводом третьего отрезка микрополосковой линии.
На Фиг.1 приведена схема многокаскадного сверхширокополосного усилителя СВЧ.
Поскольку каскады усилителя однотипны то, с целью упрощения изложения показан усилитель, состоящий только из двух каскадов. Усилитель состоит из следующих элементов в порядке, показанном на фиг.1, стабилизирующе-выравнивающего четырехполюсника 1, транзистора 2, межкаскадной согласующей цепи 3, стабилизирующе-выравнивающего четырехполюсника 4, транзистора 5. Транзисторы включены по схеме с общим эмиттером.
Каждый из стабилизирующе-выравнивающих четырехполюсников 1 и 4 состоит из резистора обратной связи 6, нагрузочного резистора 7, и конденсатора 9, отрезка МПЛ 10 и резистора 8, образующих резонансный контур с заданной полосой пропускания. Четырехполюсник создает частотно-зависимые нагрузки входов транзистора и частотно-зависимую обратную связь, что обеспечивает заданную устойчивость каждого из усилительных каскадов в отдельности, и, совместно с межкаскадной согласующей цепью 3 абсолютную устойчивость многокаскадного усилителя
и заданную неравномерность коэффициента передачи в полосе рабочих частот.
Межкаскадная согласующая цепь 3 усилителя состоит из двух последовательно включенных отрезков МПЛ 11 и 12. Модуль коэффициента отражения от такой согласующей цепи на любой частоте всегда меньше единицы, что, в общем случае, не ухудшает устойчивость усилителя. Межкаскадная согласующая цепь конструктивно выполнена в виде двух отрезков МПЛ 11 и 12, равной длины, расположенных параллельно друг другу, на минимальном расстоянии, пригодном для установки разделительного конденсатора 13, установленным в зазоре между концом отрезка 11 и началом отрезка 12, что позволяет уменьшить площадь занимаемую усилителем.
Отсутствие стабилизирующих цепей, состоящих из четвертьволновых шлейфов и конденсаторов, резистивного аттенюатора на выходе усилителя, и конструктивное исполнение согласующей цепи 3 позволяют уменьшить габаритные размеры усилителя.