ИМПУЛЬСНЫЙ ТРЕХКАСКАДНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ СВЧ

Полезная модель относится к электронной технике СВЧ и может быть использована преимущественно в многокаскадных передатчиках радиолокационных станций обнаружения и целеуказания, а также в системах радиопротиводействия, в высокочастотных системах резонансных ускорителей заряженных частиц, в установках СВЧ нагрева.
Известен аналог импульсный двухступенчатый усилитель мощности СВЧ (свидетельство на полезную модель RU 34050 U1, опубл. 20.11.2003), содержащий развязывающие вентили, модулятор, первый каскад усиления СВЧ, выполненный, например, на лампе бегущей волны (ЛБВ), второй каскад усиления сигнала СВЧ, выполненный на амплитроне, импульсный трансформатор.
Достоинством аналога, в частности, является использование общего модулятора для первого и второго каскада усиления. При этом катод ЛБВ соединен с катодом амплитрона через согласующий резистор и параллельный ему конденсатор, а катод амплитрона соединен с выводом вторичной обмотки импульсного трансформатора.
Известен аналог импульсный усилитель мощности СВЧ (патент на изобретение RU 2262183 C1, опубл. 10.10.2005), отличающийся от предыдущего аналога только наличием дополнительного резистора в цепи катода амплитрона.
Известен аналог импульсный усилитель мощности СВЧ (патент на изобретение RU 2263391 C1, опубл. 27.10.2005), техническим результатом которого является исключение зависимости искажений фазы входного сигнала СВЧ на входе усилителя мощности СВЧ при изменении режимов по скважности импульсов.
Известен аналог импульсный усилитель мощности СВЧ (патент на изобретение RU 2340083 C1, опубл. 27.11.2008), техническим результатом которого является обеспечение надежной работы усилителя во всем рабочем диапазоне частот при быстрой скачкообразной перестройке рабочей частоты как между импульсами, так и внутри них за счет стабилизации импульсного тока амплитрона и импульсного напряжения ЛБВ как внутри импульса, так и от импульса к импульсу.
Перечисленные выше аналоги могут быть использованы как двухкаскадные передатчики радиолокационных станций (РЛС), или в качестве первых двух каскадов усиления трехкаскадного передатчика РЛС, в котором выходной каскад усиления сигнала СВЧ выполнен на втором амплитроне.
Достоинством всех рассмотренных аналогов является использование одного общего модулятора для первого и второго каскадов усиления СВЧ.
Недостатком указанных аналогов является то, что они не могут быть использованы в выходных каскадах трехкаскадных передатчиков РЛС, в которых последовательно включены два амплитрона.
В науке и технике известен аналог усилитель мощности СВЧ на амплитронах, применяемый преимущественно в усилительных цепочках многокаскадных передатчиков РЛС обнаружения с использованием ферритового вентиля для развязки амплитронов. Причем в выходных каскадах используют, как правило, последовательную работу двух амплитронов [Верещагин Е.М. Модуляция в генераторах СВЧ. - М.: Советское радио. 1972. 304 с. С. 237-239, 261, 262.].
Недостаток амплитронов состоит в низком коэффициенте усиления сигналов СВЧ по мощности - порядка 10…15 дБ при полосе рабочих частот до 10% [Верещагин Е.М. Модуляция в генераторах СВЧ. - М.: Советское радио. 1972. 304 с. С. 254.]. С целью обеспечения необходимого усиления сигналов СВЧ по мощности применяют последовательное включение двух амплитронов. Этим и объясняется необходимость двухкаскадного построения на амплитронах выходной части многокаскадного передатчика РЛС обнаружения и целеуказания.
Недостатки и особенности функционирования амплитронов заключаются в следующем. Амплитрон в отсутствии модулирующего импульса (анодного питания) пропускает на выход сигналы СВЧ, поступившие на его вход. С целью исключения прямого прохождения сигналов СВЧ через амплитрон в антенно-волноводный тракт или на вход следующего каскада усиления на амплитроне, в предыдущем усилительном каскаде на амплитроне также осуществляется импульсная модуляция.
Амплитрон с включенным анодным питанием, но при отсутствии сигналов СВЧ на входе, генерирует шумовые колебания. Шумовая генерация амплитрона подавляется предварительной подачей сигналов СВЧ на вход амплитрона, упреждающей поступление на амплитрон модулирующего импульса. С этой целью используется специальная схема управления (СУ), которая запускает модулятор амплитрона после подачи на вход амплитрона сигналов СВЧ.
Усиление импульсных сигналов СВЧ амплитронами сопровождается задержкой во времени и искажениями. Указанные явления ограничиваются применением ферритовых вентилей, пропускающих только прямые сигналы СВЧ с затуханием 0,5 дБ (затухание для обратных сигналов порядка 20 дБ), и уменьшением ширины спектра сигналов в предыдущих каскадах усиления. Сужение спектра сигналов СВЧ достигается увеличением длительности модулирующих импульсов в предварительных каскадах усиления. Таким образом, анодное питание каждого амплитрона обеспечивается своим импульсным модулятором. [Верещагин Е.М. Модуляция в генераторах СВЧ. - М.: Советское радио. 1972. 304 с. С. 261-263.].
К недостаткам последовательно включенных двух амплитронов относится также необходимость юстировки амплитронов при их замене, большие веса и габариты амплитронов, необходимость в сложной системе охлаждения, большая стоимость приборов, ухудшение энергетических параметров амплитронов с ростом рабочей частоты. Амплитроны относятся к электровакуумным приборам СВЧ магнетронного типа, конкретно к приборам с эмитирующим отрицательным электродом и замкнутым электронным потоком, работающим на обратной волне. Амплитроны характеризуются коэффициентом полезного действия (КПД) в дециметровом диапазоне частот до 90%, на частоте 3 ГГц - до 80%, на частоте 10 ГГц - до 53%, на частоте 17 ГГц - до 30% [Кукарин С.В. Электронные СВЧ приборы. - М.: Радио и связь. 1981. 272 с. С. 28, 59]. С ростом рабочей частоты ухудшаются энергетические параметры амплитронов и прежде всего КПД. Поэтому актуально повышение КПД, что в свою очередь способствует:
- облегчению теплового режима;
- повышению надежности амплитрона;
- упрощению и (или) удешевлению системы охлаждения;
- уменьшению массогабаритных характеристик.
Известен следующий аналог импульсный двухкаскадный моноблочный усилитель мощности СВЧ на амплитронах (патент на полезную модель RU 135203 U1, опубл. 27.11.2013), достоинствами которого является моноблочная конструкция двухкаскадного усилителя мощности СВЧ на амплитронах с общей магнитной системой, повышенные значения КПД и выходной мощности, уменьшенные массогабаритные характеристики, сниженная стоимость.
Известен аналог трехкаскадный усилитель мощности, состоящий из первого, второго и выходного каскадов усилителя мощности, устройств энергопитания первого, второго и выходного каскадов, являющийся многокаскадным передатчиком РЛС Фрегат - МАЭ-2 или многокаскадным передатчиком одной из частотных литер РЛС Фрегат - МАЭ-5, Фрегат - М2ЭМ (Морская радиоэлектроника: Справочник. / Соловьев П.В., Корольков Г.Н., Бараненко А.А. и др. Под ред. В.А. Кравченко - Санкт-Петербург: Политехника. 2003. С. 40).
Известен аналог трехкаскадный усилитель мощности на лампе бегущей волны (ЛБВ) и двух амплитронах (Панин В., Ковалев В. Корабельная многофункциональная РЛС обнаружения и целеуказания. // Военный парад. №2 (44). 2001. С. 36), обеспечивающий повышенную мощность многокаскадного передатчика и соответственно большую дальность обнаружения воздушных целей..
Данный аналог выбран в качестве прототипа.
Технической задачей заявленной полезной модели является разработка нового импульсного трехкаскадного усилителя мощности СВЧ, конструктивные и функциональные особенности которого позволяют реализовать во входных каскадах усилителя мощности на лампе бегущей волны и на амплитроне использование одного общего модулятора и соответствующей схемы управления для первого и второго каскада усиления с целью повышения качества работы усилителя, а в выходных каскадах - моноблочную конструкцию двухкаскадного усилителя мощности СВЧ на амплитронах с модулятором и соответствующей схемой управления для выходного каскада усиления с целью повышения качества работы усилителя; повысить КПД и выходную мощность, уменьшить массогабаритные характеристики, снизить стоимость.
Реализация указанной технической задачи заявленной полезной моделью обеспечивает следующий технический результат, являющийся суммой полученных технических эффектов:
- использование одного общего модулятора и соответствующей схемы управления для первого каскада усиления на ЛБВ и второго каскада усиления на амплитроне, например, с целью обеспечения надежной работы усилителя во всем рабочем диапазоне частот при быстрой скачкообразной перестройке рабочей частоты как между импульсами, так и внутри них за счет стабилизации импульсного тока амплитрона и импульсного напряжения ЛБВ как внутри импульса, так и от импульса к импульсу, как это указано в патенте на изобретение RU 2340083 C1, опубл. 27.11.2008, повышает качество работы усилителя и упрощает его конструкцию;
- применение двухкаскадного моноблочного усилителя мощности СВЧ на амплитронах в качестве второго и выходного каскадов заявленного устройства позволяет реализовать моноблочную конструкцию двухкаскадного усилителя мощности СВЧ на амплитронах (патент на полезную модель RU 135203 U1, опубл. 27.11.2013) в импульсном трехкаскадном усилителе мощности СВЧ;
- применение модулятора и соответствующей схемы управления для выходного каскада усиления на амплитроне, например, с целью обеспечения надежной работы усилителя во всем рабочем диапазоне частот при быстрой скачкообразной перестройке рабочей частоты как между импульсами, так и внутри них за счет стабилизации импульсного тока амплитрона как внутри импульса, так и от импульса к импульсу, как это указано в патенте на изобретение RU 2340083 C1, опубл. 27.11.2008 в части, касающейся амплитрона, повышает качество работы выходного каскада усиления на амплитроне;
- функциональная связь между первым каскадом трехкаскадного усилителя мощности и амплитроном двухкаскадного моноблочного усилителя мощности СВЧ на амплитронах, используемого в качестве второго каскада трехкаскадного усилителя мощности, осуществляется посредством коаксиально-волноводного перехода и ферритового вентиля, и обеспечивает последовательную работу первого и второго каскадов усилителя мощности;
- моноблочная конструкция двухкаскадного усилителя мощности СВЧ на амплитронах с общей магнитной системой уменьшает массогабаритные характеристики трехкаскадного усилителя, снижает его стоимость, устраняет необходимость юстировки амплитронов при их замене;
- двухкаскадный моноблочный усилитель мощности СВЧ на амплитронах обеспечивает максимальные значения КПД и повышенную выходную мощность амплитронов второго и выходного каскадов усилителя мощности и в целом трехкаскадного усилителя мощности;
- выход амплитрона двухкаскадного моноблочного усилителя мощности СВЧ на амплитронах, используемого в качестве выходного каскада трехкаскадного усилителя мощности, является выходом трехкаскадного усилителя мощности.
Для достижения указанного технического результата предложен «Импульсный трехкаскадный усилитель мощности СВЧ», содержащий лампу бегущей волны и два амплитрона, отличающийся тем, что в первых двух каскадах усилителя мощности на лампе бегущей волны и на амплитроне использовано устройство электропитания, содержащее в том числе один общий модулятор и соответствующую схему управления для первого и второго каскада усиления, а второй и выходной каскады усилителя мощности конструктивно выполнены в виде импульсного двухкаскадного моноблочного усилителя мощности СВЧ на амплитронах, причем устройство электропитания выходного каскада усиления на амплитроне содержит в том числе модулятор и соответствующую схему управления для выходного каскада усиления на амплитроне.
Принципиальным отличием предлагаемого устройства от прототипа является то, что в первых двух каскадах усилителя мощности на лампе бегущей волны и на амплитроне использовано устройство электропитания, содержащее в том числе один общий модулятор для первого и второго каскада усиления, а второй и выходной каскады усилителя мощности конструктивно выполнены в виде импульсного двухкаскадного моноблочного усилителя мощности СВЧ на амплитронах.
Дополнительными отличиями является то, что в первых двух каскадах усилителя мощности на лампе бегущей волны и на амплитроне использовано устройство электропитания, содержащее и соответствующую схему управления для первого и второго каскада усиления, а устройство электропитания выходного каскада усиления на амплитроне содержит в том числе модулятор и соответствующую схему управления для выходного каскада усиления на амплитроне.
Такое взаимное расположение конструктивных элементов и их взаимосвязь необходимы для реализации в первых двух каскадах усилителя мощности на лампе бегущей волны и на амплитроне устройства электропитания, содержащего в том числе один общий модулятор и соответствующую схему управления для первого и второго каскада усиления, а во втором и выходном каскадах усилителя мощности - импульсного двухкаскадного моноблочного усилителя мощности СВЧ на амплитронах, причем устройство электропитания выходного каскада усиления на амплитроне содержит в том числе модулятор и соответствующую схему управления для выходного каскада усиления на амплитроне, повышения качества работы, повышения КПД и выходной мощности, уменьшения массогабаритных характеристик, снижения стоимости трехкаскадного усилителя мощности.
Именно наличие в заявленной полезной модели общих отличительных и дополнительных отличительных признаков позволяет не только повысить основные энергетические параметры такие, как выходная мощность и КПД, но и значительно улучшить массогабаритные характеристики, снизить стоимость заявляемого устройства, повысить качество работы усилителя и упростить его конструкцию.
Сущность полезной модели поясняется чертежами:
- фиг. 1 - Импульсный трехкаскадный усилитель мощности СВЧ, функциональная схема.
На фиг. 1 представлен Импульсный трехкаскадный усилитель мощности СВЧ, функциональная схема:
1. Первый каскад усилителя мощности на лампе бегущей волны;
2. Коаксиально-волноводный переход;
3. Ферритовый вентиль;
4. Импульсный двухкаскадный моноблочный усилитель мощности СВЧ на амплитронах;
4.1. Второй каскад усилителя мощности на амплитроне;
4.2. Ферритовый вентиль;
4.3. Выходной каскад усилителя мощности на амплитроне;
5. Устройство электропитания (УЭП-1);
5.1. Модулятор (М-1);
5.2. Схема управления (СУ-1);
6. Схема управления (СУ);
7. Устройство электропитания (УЭП-2);
7.1. Модулятор (М-2);
7.2. Схема управления (СУ-2).
Первый каскад усилителя мощности на лампе бегущей волны 1 фиг. 1 функционально связан с импульсным двухкаскадным моноблочным усилителем мощности СВЧ на амплитронах 4 фиг. 1 через коаксиально-волноводный переход 2 фиг. 1 и ферритовый вентиль 3 фиг. 1.
Второй каскад усилителя мощности на амплитроне 4.1 фиг. 1 является амплитроном двухкаскадного моноблочного усилителя мощности СВЧ на амплитронах 4 фиг. 1. Функциональная связь между первым каскадом усилителя мощности 1 фиг. 1 и вторым каскадом усилителя мощности на амплитроне 4.1 фиг. 1 осуществляется посредством коаксиально-волноводного перехода 2 фиг. 1 и ферритового вентиля 3 фиг. 1, и обеспечивает последовательную работу первого и второго каскадов усилителя мощности.
Электропитание первого каскада усилителя мощности на лампе бегущей волны 1 фиг. 1 и второго каскада усилителя мощности на амплитроне 4.1 фиг. 1 осуществляется от устройства электропитания 5 (УЭП-1) фиг. 1. Устройство электропитания 5 (УЭП-1) фиг. 1 содержит в том числе один общий модулятор 5.1 (М-1) фиг. 1 и соответствующую схему управления 5.2 (СУ-1) фиг. 1 для первого каскада усилителя мощности на лампе бегущей волны 1 фиг. 1 и второго каскада усилителя мощности на амплитроне 4.1 фиг. 1.
Выходной каскад усилителя мощности на амплитроне 4.3 фиг. 1 является амплитроном двухкаскадного моноблочного усилителя мощности СВЧ на амплитронах 4 фиг. 1. Функциональная связь между вторым каскадом усилителя мощности на амплитроне 4.1 фиг. 1 и выходным каскадом усилителя мощности на амплитроне 4.3 фиг. 1 осуществляется посредством ферритового вентиля 4.2 фиг. 1, и обеспечивает последовательную работу второго 4.1 фиг. 1 и выходного 4.3 фиг. 1 каскадов усилителя мощности. Выход выходного каскада усилителя мощности на амплитроне 4.3 фиг. 1, является выходом трехкаскадного усилителя мощности.
Электропитание выходного каскада усилителя мощности на амплитроне 4.3 фиг. 1 осуществляется от устройства электропитания 7 (УЭП-2) фиг. 1. Устройство электропитания 7 (УЭП-2) фиг. 1 содержит в том числе модулятор 7.1 (М-2) фиг. 1 и соответствующую схему управления 7.2 (СУ-2) фиг. 1 для выходного каскада усилителя мощности на амплитроне 4.3 фиг. 1.
Схема управления (СУ) 6 фиг. 1 предназначена для управления работой устройства электропитания 7 (УЭП-2) фиг. 1 выходного каскада усилителя мощности на амплитроне 4.3 фиг. 1.
На схему управления (СУ) 6 фиг. 1 ответвляется небольшая часть сигнала СВЧ, проходящего через ферритовый вентиль 4.2 фиг. 1 от второго каскада усилителя мощности на амплитроне 4.1 фиг. 1 к выходному каскаду усилителя мощности на амплитроне 4.3 фиг. 1.
Схема управления (СУ) 6 фиг. 1 запускает устройство электропитания выходного каскада 7 (УЭП-2) фиг. 1 после подачи на вход выходного каскада усилителя мощности на амплитроне 4.3 фиг. 1 сигналов СВЧ.
Устройство работает следующим образом
Импульсный трехкаскадный усилитель мощности СВЧ предназначен для усиления сигналов СВЧ в многокаскадных передатчиках радиолокационных станций обнаружения и целеуказания.
Одновременно с подачей сигнала СВЧ на вход первого каскада усилителя мощности на лампе бегущей волны 1 фиг. 1, на устройство электропитания 5 (УЭП-1) фиг. 1 первого каскада усилителя мощности на лампе бегущей волны 1 фиг. 1 и второго каскада усилителя мощности на амплитроне 4.1 фиг. 1, на устройство электропитания 7 (УЭП-2) фиг. 1 выходного каскада усилителя мощности на амплитроне 4.3 фиг. 1 поступают импульсы запуска передатчика. При этом срабатывает только устройство электропитания 5 (УЭП-1) фиг. 1 первого каскада усилителя мощности на лампе бегущей волны 1 фиг. 1 и второго каскада усилителя мощности на амплитроне 4.1 фиг. 1.
Модулирующий импульс модулятора 5.1 (М-1) фиг. 1 подается на первый каскад усилителя мощности на лампе бегущей волны 1 фиг. 1 и второй каскад усилителя мощности на амплитроне 4.1 фиг. 1 через схему управления 5.2 (СУ-1) фиг. 1, которая, например, обеспечивает надежную работу усилителя во всем рабочем диапазоне частот при быстрой скачкообразной перестройке рабочей частоты как между импульсами, так и внутри них за счет стабилизации импульсного тока второго каскада усилителя мощности на амплитроне 4.1 фиг. 1 и импульсного напряжения первого каскада усилителя мощности на лампе бегущей волны 1 фиг. 1 как внутри импульса, так и от импульса к импульсу.
Усиленные сигналы СВЧ с выхода первого каскада усилителя мощности 1 фиг. 1 подаются через коаксиально-волноводный переход 2 фиг. 1 и ферритовый вентиль 3 фиг. 1 на вход второго каскада усилителя мощности на амплитроне 4.1 фиг. 1.
Усиленные сигналы СВЧ с выхода второго каскада усилителя мощности на амплитроне 4.1 фиг. 1 подаются через ферритовый вентиль 4.2 фиг. 1 на вход выходного каскада усилителя мощности на амплитроне 4.3 фиг. 1, упреждая поступление на выходной каскад усилителя мощности на амплитроне 4.3 фиг. 1 модулирующего импульса от устройства электропитания выходного каскада 7 (УЭП-2) фиг. 1.
На схему управления 6 (СУ) фиг. 1 ответвляется небольшая часть сигнала СВЧ, проходящего через ферритовый вентиль 4.2 фиг. 1 от второго каскада усилителя мощности 4.1 фиг. 1 к выходному каскаду усилителя мощности на амплитроне 4.3 фиг. 1.
Схема управления 6 (СУ) фиг. 1 запускает устройство электропитания 7 (УЭП-2) фиг. 1 выходного каскада усилителя мощности на амплитроне 4.3 фиг. 1 после подачи на вход выходного каскада усилителя мощности на амплитроне 4.3 фиг. 1 сигнала СВЧ от ферритового вентиля 4.2 фиг. 1.
Модулятор 7.1 (М-2) фиг. 1 устройства электропитания 7 (УЭП-2) фиг. 1 формирует модулирующий импульс, который подается через схему управления 7.2 (СУ-2) фиг. 1 на выходной каскад усилителя мощности на амплитроне 4.3 фиг. 1.
Схема управления 7.2 (СУ-2) фиг. 1, например, обеспечивает надежную работу усилителя во всем рабочем диапазоне частот при быстрой скачкообразной перестройке рабочей частоты как между импульсами, так и внутри них за счет стабилизации импульсного тока выходного каскада усилителя мощности на амплитроне 4.3 фиг. 1 как внутри импульса, так и от импульса к импульсу.
Усиленные сигналы СВЧ с выхода выходного каскада усилителя мощности 4.3 фиг. 1 подаются в антенно-волноводный тракт.
Выход выходного каскада усилителя мощности 4.3 фиг. 1 является выходом импульсного трехкаскадного усилителя мощности СВЧ, усиленные сигналы СВЧ которого подаются в антенно-волноводный тракт РЛС.
Заявленная полезная модель «Импульсный трехкаскадный усилитель мощности СВЧ» является новым, не использованным в науке и технике до даты приоритета заявленной полезной модели, устройством для усиления сигналов СВЧ. Заявленное устройство обладает следующими достоинствами:
- использование одного общего модулятора и соответствующей схемы управления для первого каскада усиления на ЛБВ и второго каскада усиления на амплитроне повышает качество работы усилителя и упрощает его конструкцию;
- применение двухкаскадного моноблочного усилителя мощности СВЧ на амплитронах в качестве второго и выходного каскадов заявленного устройства позволяет реализовать моноблочную конструкцию двухкаскадного усилителя мощности СВЧ на амплитронах;
- моноблочная конструкция двухкаскадного усилителя мощности СВЧ на амплитронах с общей магнитной системой уменьшает массогабаритные характеристики трехкаскадного усилителя, снижает его стоимость, устраняет необходимость юстировки амплитронов при их замене;
- двухкаскадный моноблочный усилитель мощности СВЧ на амплитронах обеспечивает максимальные значения КПД и повышенную выходную мощность амплитронов второго и выходного каскадов усилителя мощности и в целом трехкаскадного усилителя мощности;
- применение модулятора и соответствующей схемы управления для выходного каскада усиления на амплитроне повышает качество работы выходного каскада усиления на амплитроне.
Заявленное устройство промышленно применимо, так как для его реализации используются широко известные материалы и технологии производства ламп бегущей волны, амплитронов, ферритовых вентилей, коаксиально-волноводных переходов, волноводных секций обычной конструкции, устройств электропитания усилителей мощности СВЧ.