Твердотельный усилитель мощности СВЧ сигнала бортовой РЛС беспилотного летательного аппарата

Полезная модель относится к радиотехнике, а именно к СВЧ передатчикам, используемым в системах связи и навигации, бортовых РЛС беспилотных летательных аппаратов (БПЛА).
7
За протопит принят твердотельный усилитель сверхвысокочастотной мощности по патенту на полезную модель РФ №129319, МПК H03F/00, опубликован 20.06.2013 г.
Устройство - прототип содержит цифровой аттенюатор, предварительный усилитель (предварительными каскадами усиления*), усилитель мощности, усилительный элемент (блок усиления*), детектор мощности, датчик температуры, блок управления (контроллер).
* название в заявляемом устройстве, здесь и далее.
Недостатками устройства - прототипа являются:
- недостаточная стабильность работы в широком диапазоне температур (от минус 40° до плюс 70°C) из-за смещения рабочей точки усилительных элементов, что приводит к неоптимальной работе этих усилительных элементов, в случае повышении температуры - к уменьшению усиления и, соответственно, уменьшению выходной мощности, при уменьшении температуры - к повышенному потреблению и, возможно, к самовозбуждению и к искажению спектра сигнала;
- высокие требования к стабильности коэффициента стоячей волны (КСВ) нагрузки, отсутствие защиты от отраженного сверхвысокочастотного (СВЧ) сигнала;
- наличие бросков тока по цепям питания при амплитудной модуляции сигнала твердотельного усилителя мощности из-за импульсного режима работы усилителя. Эти броски тока могут приводить к кратковременному превышению режимов эксплуатации.
Решаемыми задачами являются: повышение надежности и стабильности работы усилителя мощности при работе в широком диапазоне температур, снижение вероятности электрического пробоя GaN (нитрид галлий) СВЧ транзисторов (эта проблема описана в статье «Методы снижение вероятности электрического пробоя GaN СВЧ транзисторов при работе в режиме максимальной мощности» авторы Глыбин А.А., Синкевич В.Ф., Курмачев В.А. УДК 621.382.015.5; и в Диссертации «Твердотельные мощные передатчики С- и Х-диапазонов с высокой стабильностью частоты и фазы сигналов на GaN СВЧ транзисторах» авт. Глыбин А.А, Москва, 2012 г.).
Для стабилизации рабочей точки вводятся управляемые источники напряжения смещения. При повышении температуры уменьшается отрицательное напряжение смещения на усилительных элементах, при уменьшении температуры увеличивается отрицательное напряжение смещения. Блок управления получает информацию о рабочей температуре от датчика температуры и формирует сигналы для управляемых источников напряжения смещения по заранее заданной характеристике.
Для защиты выходов усилительных элементов от отраженного СВЧ сигнала при несогласованной нагрузке в конструкцию введены циркуляторы и нагрузки. Циркулятор представляет из себя трехполюсник, у которого электромагнитная волна распространяется от одного входа к другому в определенной последовательности.
Уменьшении бросков тока по цепям питания достигается путем введения в конструкцию управляемого источника напряжения смещения на затворе СВЧ транзистора, введение в конструкцию управляемых источников напряжения смещения предварительного усилителя и усилителя мощности, введение в конструкцию управляемых импульсных ключей, питающих усилительные СВЧ транзистор, предварительный усилитель и усилитель мощности. А также внедрения метода предварительного многоступенчатого включения и выключения усилительных каскадов и управления напряжениями смещения усилительных элементов твердотельного усилителя мощности (см. Фиг. 1). Этот метод работает таким образом, чтобы включать усилительные каскады постепенно и не на полную мощность. По переднему фронту подготовительного сигнала амплитудной модуляции AM1 на входе схемы управления 19 (СУ) (см. Фиг. 2), через второй импульсный ключ (ИК) 13 питание подается сначала на усилитель мощности (УМ) 3 и через третий ИК 14 на усилительный элемент (УЭ) 5 (СВЧ транзистор), при этом напряжение смещения (НС), равное 75% от номинала, от первого управляемого источника смещения (УИС) 15 подается на предварительный усилитель (ПУ) 2, от второго УИС 16 НС 80% от номинала подается на УМ 3 и от третьего УИС 17 напряжение смещения 75% от номинала подается на УЭ 5. Таким образом, усилительные каскады выводятся на работу только 75% от номинального режима и с отключенным ПУ 2. ПУ 2 через первый ИК 9 включается через 450 не после импульса AM1. По переднему фронту основного сигнала амплитудной модуляции АМ2 (сдвинут на 500 нс относительно AM1) все напряжения смещения подаются 100% от номинала. Для уменьшения выбросов по цепям питания при окончании импульса передачи СВЧ сигнала применяется последовательное отключение усилительных каскадов, постепенное уменьшение выходной мощности путем изменения напряжения смещения усилительных каскадов. По окончании импульса сигнала AM1 НС УМ 3 устанавливается 80% от номинала, НС УЭ 5 - на 75%. По окончании сигнала АМ2 снимается питание ПУ 2, снимается напряжение смещения на всех усилительных элементах. В результате такого управления с постепенным включением и отключением усилительных каскадов снижаются броски тока по цепям питания в момент передачи СВЧ сигнала.
у
Сущность полезной модели заключается в том, что в твердотельном усилителе мощности СВЧ сигнала, содержащим цифровой аттенюатор (ЦА) 1, предварительный усилитель (ПУ) (предварительные каскады усиления) 2, усилитель мощности (УМ) 3, усилительный элемент (УЭ) (СВЧ транзистор) 5, детектор мощности (ДМ) 11, датчик температуры (ДТ) 18, схему управления (СУ) (контроллер управления) 19 для управления аттенюаторами и импульсными ключами, контроля температуры с помощью ДТ, контроля выходной мощности с помощью ДМ 11, отличающийся тем, что дополнительно введены первый 4 и второй циркулятор 7 для защиты усилительных элементов от отраженной мощности при несогласованной нагрузке, направленный ответвитель (НО) 6 для отведения части мощности для детектора мощности, волноводно-коаксиальный переход (ВКП) 8, первый импульсный ключ (ИК) 9 для коммутации питания ПУ 2 мощности, второй ИК 13 для коммутации питания УМ 3, третий ИУ 14 для коммутации питания УЭ 5, первый управляемый источник смещения (УИС) 15 ПУ, второй УИС 16 УМ, третий УИС 17 УЭ, также в СУ введены три канала аналого-цифрового преобразователя (АЦП) для контроля напряжения смещения усилительных элементов, один канал АЦП для контроля уровня выходной мощности, а также три канала шины управления SPI для управления источниками смещения усилительных элементов, один канал цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) для формирования выходного контрольного сигнала I, пропорционального выходной мощности усилителя, при этом модулированный СВЧ сигнал Fc поступает на первый вход ЦА, который регулирует уровень входного сигнала от минус 0,5 до минус 31,5 дБ по сигналу СУ 19, далее сигнал Fc поступает на первый вход ПУ 2 где сигнал усиливается на 20 дБ, до уровня необходимого для УМ 3, УМ 3 СВЧ сигнал с первого своего входа усиливает на 21 дБ, выходная мощность составляет 41 дБм (10 Вт), с выхода УМ 3 сигнал поступает на первый циркулятор 4, который пропускает сигнал только на УЭ 5 со своего второго выхода, в то же время отраженный сигнал, в случае несогласованной нагрузки, рассеивается на нагрузке 10 подключенной к первому выходу циркулятора 4, УЭ 5 представляет из себя согласованный GaN НЕМТ (High Electron Mobility Transistor, высокая подвижность электронов) транзистор, на нем сигнал с первого входа усиливается на 9 дБ до мощности 46 дБм (примерно 50 Вт), далее сигнал поступает на НО 6, основная мощность со второго выхода НО 6 поступает на второй циркулятора 7, который пропускает сигнал на ВКП 8, а отраженный сигнал с ВКП рассеивается на нагрузке 12, таким образом, при не согласованной нагрузке, когда от ВКП отражается большая мощность, она не повредит усилительному элементу, ВКП является конструктивным элементом и представляет из себя фланец для соединения с волноводом, одновременно с этим на вход 6 и 7 СУ 19 поступают сигналы амплитудной модуляции AM1 и АМ2, при отсутствии сигнала AM1 и АМ2, в не активном режиме, СУ 19 управляет первым 15, вторым 16 и третьим 17 УИС через, соответственно, второй, четвертый и шестой выход СУ 19 и контролирует установленное напряжения с помощью АЦП через, соответственно, первый, второй и третий вход СУ 19, первый УИС 15 установлен в номинал рабочей точки ПУ 2, его напряжения смещения скорректированы по текущей температуре блока, второй УИС 16 скорректирован на 50% номинала рабочего напряжение смещения УМ 3 и третий УИС 17 скорректирован на 50% рабочего напряжения смещения УЭ 5, все ИК выключены, при появлении сигнала AM1 СУ 19 через свой выход 5 и 7 включает второй ИК 13 и третий ИК 14 через их второй вход, при этом постоянное напряжение с источника питания 8 В через первый вход и выход второго ИК 13 поступает на третий вход УМ 3, а постоянное напряжение 32 В через первый вход и выход третьего ИК 14 поступает на третий вход УЭ 5, через 450 не напряжение на втором УИС 16 увеличивается до 80% номинала, а на третьем УИС 17 до 75% номинала, при появлении сигнала АМ2 - начало активного режима через первый вход и выход первого ИК 9 поступает постоянное напряжение питание 6 В на третий вход ПУ 2 и синхронно второй УИС 16 и третий УИС 17 переходят в режим 100% номинала напряжения смещения, далее следует активная фаза (усиление СВЧ сигнала), напряжения смещения на всех усилителях неизменна, одновременно с этим часть мощности с первого выхода НО 6 поступает на вход ДМ 11, с выхода которого выпрямленный сигнал поступает на четвертый вход СУ 19, с восьмого выхода СУ 19 контрольный сигнал 1у, пропорциональной уровню выходной мощности поступает на выход твердотельного усилителя потребителю, к пятому входу СУ 19 подключен ДТ 18 для контроля температуры усилителя мощности и корректировки напряжений смещения первого УИС 15, второго УИС 16 и третьего УИС 17, завершение активного режима твердотельного усилителя при на заднем фронте сигнала AM1 через 30 не на втором УИС 16 устанавливается 80% напряжения смещения, а на третьем УИС 17 устанавливается 75% напряжения смещения, снимается питание на втором ИК 13 и третьем ИК 14 через их второй вход по сигналам СУ 19, далее через 170 нс снимается питание на первом ИК 9, через 300 нс производится температурная коррекция напряжения первого УИС 15, второго УИС 16 и третьего УИС 17 по сигналам СУ 19 через второй, четвертый и шестой ее выход соответственно, откорректированное напряжения поступает с выходов первого УИС 15, второго УИС 16 и третьего УИС 17 на, соответственно, ПУ 2, УМ 3 и УЭ 5 через их вторые входы.
Сущность заявляемого устройства поясняется также функциональной схемой твердотельного СВЧ усилителя мощности, показанной на Фиг. 2, где приняты следующие обозначения:
1 - цифровой аттенюатор (ЦА) на X диапазон HMC424LP3 фирмы «Analog Devices»;
2 - предварительный усилитель (ПУ) HMC441LC3B и HMC633LC4 фирмы «Analog Devices»;
3 - усилитель мощности (УМ) XP1006FA фирма «М/А-СОМ Tech»;
4 - первый циркулятор 2CMC-9.5-3-9.3BW6.45W150 фирма «Argus-ET»;
5 - усилительный элемент (УЭ) - СВЧ транзистор TGI8596-50 фирма «Toshiba»;
6 - направленный ответвитель (НО) (конструктивный элемент);
7 - второй циркулятор 2IMC-9.5-1BW8.42W10 фирма «Argus-ЕТ»;
8 - волноводно-коаксиальный переход (ВКП) (конструктивный элемент);
9 - первый импульсный ключ (ИК) выполнен на транзисторе IRLM5103 «International Rectifier» со схемой управления МАХ5048 «Maxim Integrated»;
10 - первая нагрузка на ВЧ резисторе 50 Ом;
11 - детектор выполнен на ВЧ диоде САТ62-02 «Infineon»;
12 - вторая нагрузка выполнена на ВЧ резисторе 50 Ом;
13 - второй ИК выполнен на транзисторе IRF7424 «International Rectifier» со схемой управления МАХ5048 «Maxim Integrated»;
14 - третий ИК выполнен на транзисторе IRLR3105 «International Rectifier» со схемой управления LM5101AM «National Semiconductor»;
15 - первый управляемый источник смещения (УИС) ПУ выполнен на цифровом потенциометре ISL22313WFU10Z «Intersil Corporation» и операционном усилителе LM7321MF «National Semiconductor»;
16 - второй УИС УМ выполнен на цифровом потенциометре ISL22313WFU10Z «Intersil Corporation» и операционном усилителе LM7321MF «National Semiconductor»;
17 - третий УИС УЭ выполнены на цифровом потенциометре ISL22313WFU10Z «Intersil Corporation» и операционном усилителе LM7321MF «National Semiconductor»;
18 - датчик температуры (ДТ) выполнен DS1624S «Dallas Semiconductor»;
19 - схема управления (СУ) выполнена на микроконтроллере C8051F120 «SiliconLab»;
Технический результат от использования полезной модели заключается в повышении надежности и стабильности работы путем обеспечения корректировки напряжений смещений усилителя, усилителя мощности и усилительного элемента из-за изменений температур и напряжений питания, уменьшении бросков тока в импульсном режиме путем последовательного включения напряжений питания и напряжений смещения усилительных элементов твердотельного усилителя мощности, введения в конструкцию усилителя циркуляторов, которые защищают усилительные элементы от отраженной мощности в нагрузке.
Твердотельный усилитель мощности СВЧ сигнала содержит цифровой аттенюатор 1, предварительный усилитель 2, усилитель мощности 3, первый 4 и второй 7 циркуляторы, усилительный элемент (СВЧ транзистор) 5, первый 9, второй 13 и третий 14 импульсные ключи, первая 10 и вторая 12 нагрузка, первый 15, второй 16 и третий 17 источники смещения, детектор мощности 11, датчик температуры 18, схему управления (контроллер управления) 19 для управления аттенюаторами и импульсными ключами, контроля температуры и выходной мощности.
Все составные части заявляемого твердотельного усилителя мощности СВЧ сигнала установлены в металлическом корпусе** (**) - на схемах не показан, здесь и далее) и находятся в конструктивном единстве и функциональной взаимосвязи, внутренний электромонтаж осуществляется через разъемы** составных частей, а также монтажными жгутами** и перемычками**, т.е. технический результат обеспечивается совокупностью признаков всех элементов конструкции, при этом исключение одного из элементов конструкции исключает и возможность качественного функционирования СВЧ усилителя в соответствии с решаемыми задачами.
ЦА 1 предназначен для регулировки (ослабления) входного уровня сигнала твердотельного усилителя мощности. Аттенюатор позволяет регулировать входной сигнал с шагом 0,5 дБ от минус 0,5 до минус 31,5 дБ.
ПУ 2 предназначен для усиления входного сигнал до уровня, необходимого для работы усилителя мощности. Он состоит из двух каскадов, первый усиливает на 14 дБ с выходной мощностью 21,5 дБм, второй каскад усиливает на 30 дБ, выходная мощность 23,8 дБм.
УМ 3 предназначен для усиления сигнала до уровня необходимого усилительному элементу (согласованному GaN транзистору). Он усиливает на 21 дБ до уровня 40 дБм, входная мощность должна быть плюс 19 дБм.
УЭ 5 (согласованный GaN транзистор) предназначен для усиления сигнала до мощности 47 дБм и усиливает сигнал на 9 дБ. Необходимая мощность на его входе 40 дБм.
Первый 4 и второй 5 циркуляторы предназначены для направленной передачи сигнала и представляют из себя трехполюсник. Сигнал передается по часовой стрелке между тремя выводами, первый вывод подключен к источнику сигнала, второй к потребителю сигнала, а третий к первой 10 и второй 12 нагрузке, соответственно. Таким образом, сигнал, отраженный от потребителя попадает на нагрузку.
ВКП 8 предназначен для перехода с полоскового тракта к волноводному тракту и представляет из себя конструктивный элемент. Волноводный фланец является выходом твердотельного усилителя мощности.
Первый 9, второй 13 и третий 14 ИК предназначены для коммутации напряжений питания на усилительные элементы твердотельного усилителя.
Первый 15, второй 16 и третий 17 УИС напряжения предназначены для достижения требуемого режима работы усилительных элементов по постоянному току.
ДТ 18 предназначен для измерения рабочей температуры твердотельного усилителя мощности.
СУ 19 предназначена для приема команд (AM1 и АМ2) от системы управления (потребитель) твердотельным усилителем, управлением первым 9, вторым 13 и третьим 14 ИК, управлением первым 15, вторым 16 и третьим УИС, управлением ЦА 1, приема данных от ДТ 18, приема данных о передаваемой мощности с ДМ 11, получения выставленного выходного напряжения на первом 15, втором 16 и третьем 17 УИС, выдачи напряжении Iу пропорционально выходной СВЧ мощности.
Функции СУ 19 и назначения входов и выходов:
- первый, второй и третий входы предназначены для получения информации о напряжении установленных на первом 15, втором 16 и третьем 17 УИС соответственно и представляют собой АЦП, встроенный в микроконтроллер СУ 19. СУ 19 через второй, четвертый и шестой выход устанавливает напряжение на первом 15, втором 16 и третьем 17 УИС и через первый, второй и третий свой вход контролирует точность установки. Этот контроль необходим из-за дрейфа источников смещения во время работы усилителя мощности;
- на четвертый вход СУ 19 поступает сигнал с ДМ 11, предназначенный для получения информации о выходной мощности твердотельного усилителя. По этой информации формируется контрольный сигнал Iу пропорциональный выходной мощности;
- на пятый вход СУ 19 поступает сигнал с ДТ 18. По информации о рабочей температуре формируются напряжения смещения на первом 15, втором 16 и третьем УИС, по заранее определенным таблицам, занесенным в память микроконтроллера;
- шестой и седьмой входы СУ 19 подключены к устройству управления потребителя. На шестой вход поступает подготовительной сигнал амплитудной модуляции AM1, на седьмой вход поступает сигнал основной амплитудной модуляции АМ2. Сигнал AM1 предназначен для предварительного включения усилительных каскадов и источников смещения. Основной сигнал амплитудной модуляции АМ2 предназначен для включения всех усилительных каскадов и источников смещения;
- первый выход СУ 19 подключен к второму входу ЦА 1, предназначенного для регулировки уровня входного сигнала Fc, поступающего далее на первый вход ПУ 2;
- второй, четвертый и шестой выходы СУ 19 подключены к входу первого 15, второго 16 и третьего 17 УИС соответственно и предназначены для управления этими источниками смещения. Источники смещения задают рабочую точку усилительных каскадов усилителя мощности;
- третий, пятый и седьмой выходы СУ 19 подключены к вторым входам первого 9, второго 13 и четвертого 14 ИК соответственно и предназначены для управления этими ключами. ИК предназначены для коммутации напряжения питания в момент передачи напряжения на усилительные каскады от источников питания;
- с восьмого выхода СУ 19 формируется контрольный сигнала Iу для потребителя, сигнал пропорционален уровню выходной мощности усилителя. Информацию об уровни мощности СУ 19 получает через четвертый вход с выхода ДМ 11.
Алгоритм работы СУ 19.
На шестой вход поступает сигнал амплитудной модуляции AM1. СУ 19 формирует сигналы установки напряжения смещения первому 15, второму 16 и третьему 17 УИС, также формирует логический сигнал на пятом и седьмом выходе для включения второго 13 и третьего 14 ИК соответственно, которые подают постоянное напряжения питания 8 В для УМ 3 и 32 В для УЭ 5, формирует сигнал на первом выходе для включения необходимого уровня ослабления ЦА 1 в соответствии с текущей рабочей температурой. На седьмой вход СУ 19 поступает основной сигнал амплитудной модуляции АМ2, и СУ 19 формирует логический сигнал на третьем выходе, который включает первый ИК 9. Этот ключ подает напряжение питания 6 В на ПУ 2. Во время передачи усиленного сигнала с выхода ДМ 11 сигнал поступает на четвертый вход СУ 19, на первых, вторых и третьих входах СУ 19 контролируется установленный уровень напряжения смещения на первом 15, втором 16 и третьем 17 УИС соответственно. СУ 19 формирует на восьмом выходе контрольный сигнал Iу пропорциональный выходной мощности. По заднему фронту предварительного сигнала амплитудной модуляции AM1 на шестом входе СУ 19 она формирует сигналы управления на пятом и седьмом выходе, которые отключают второй и третий ИК УМ 3 и УЭ 5 соответственно, формирует сигналы на четвертом и шестом выходах для второго 16 и третьего 17 УИС соответственно. По заднему фронту основного сигнала амплитудной модуляции АМ2, СУ 19 отключает напряжение питания ПУ 2, формируя сигнал управления первым ИК 9 на третьем выходе, отключает ЦА 1 с помощью сигналов на первом выходе и отключает все источники смещения с помощью сигналов на втором, четвертом и шестом выходах СУ 19.
Технические данные при реализации заявляемого твердотельного усилителя мощности СВЧ сигналов бортовой РЛС БПЛА:
- постоянное напряжение питания плюс 6, 8, 32 В;
- потребляемый ток не более 3А;
- входной уровень сигнала 3÷8 дБм;
- коэффициент усиления 45 дБ;
- выходная мощность не менее 50 Вт;
- рабочий диапазон частот 9,0-9,5ГГц.
- скважность сигнала - 4.
Указанный технический результат достигается совокупностью отличительных признаков, а именно путем введения в конструкцию управляемых источников напряжения смещения усилительных элементов, введение в конструкцию управляемых импульсных ключей, питающих предварительный усилитель, усилитель мощности и усилительный элемент (СВЧ транзистор), циркуляторов и нагрузок, защищающих усилитель мощности и усилительный элемент от отраженной мощности.
Представленные описание и функциональные схемы заявляемого устройства позволяют, применяя известные в приборостроении материалы, технологии и покупные радиоэлектронные изделия изготовить его промышленным способом и использовать в системах связи и навигации бортовых радиолокационных станций беспилотных летательных аппаратов.