Устройство усиления высокого уровня мощности

Полезная модель относится к радиолокации и может быть использована в передающих системах радиолокационных станций (РЛС) и радиолокационных комплексов (РЛК) большой дальности обнаружения с активными фазированными антенными решетками (АФАР).
АФАР для систем радиолокации известны давно и успешно применяются для формирования узких направленных лучей. Характеристики антенных решеток определяются геометрическим расположением излучающих элементов, а также амплитудой и фазой сигналов возбуждения на этих элементах. Каждый излучающий элемент может управляться индивидуально. Все элементы решетки работают на одном амплитудном уровне, а форма и направление лучей определяется расстановками фаз. Каждый излучающий элемент способен создавать излучение, синфазное с другими излучающими элементами решетки. Идентичность амплитуд и фаз обеспечивается использованием унифицированного усилителя приемопередающего модуля (ППМ) с малым разбросом выходных электрических параметров. Для возбуждения усилителя высокого уровня мощности требуется предоконечный каскад усиления с системой распределения мощности.
Известны усилители мощности, описанные в источниках информации («Антенны и устройства СВЧ», под редакцией Д.И. Воскресенского, Москва: Издательство «Радио и связь», 1981, «Радиопередающие устройства», под редакцией В.В. Шахгильдяна, 3-е издание, переработанное и дополненное, Москва: Издательство «Радио и связь», 2003), а также в патентах (№2134924, №2458437, №2295738). Это системы усиления для РЛС малой и средней дальности, которые не требуют высоких уровней выходных мощностей, а, следовательно, и многоступенчатых систем наращивания и распределения мощности, поэтому данные системы не используются для РЛС и РЛК большой дальности обнаружения.
В качестве прототипа заявляемой полезной модели, как наиболее близкое по технической сущности, принято устройство усиления мощности (в терминологии прототипа - блок ППМ) для РЛС малой и средней дальности с АФАР, описанное в патенте №96664 (п.2 формулы). Данное устройство усиления мощности включает в себя возбудитель, предварительный широкополосный усилитель мощности, делитель мощности на n, n аналоговых фазовращателей и аттенюаторов и n ППМ. Каждый ППМ содержит антенный переключатель, усилитель мощности (УМ) передающей части ППМ, малошумящий усилитель приемной части.
Недостатком данного устройства является его непригодность для построения устройства усиления мощности для РЛС/РЛК большой дальности обнаружения с АФАР (высокие уровни необходимой мощности обеспечиваются усилителями ППМ, количество которых может быть до сотен модулей), ввиду:
- проблематичности реализации единого делителя мощности на большое число каналов с удовлетворительными характеристиками: с ростом числа каналов увеличиваются потери в делителе, ухудшается развязка между каналами, вследствие чего снижается коэффициент полезного действия (КПД) системы и эксплуатационная надежность;
- необходимости большого количества отдельно выполненных фазовращателей и аттенюаторов, что значительно увеличивает массогабаритные и стоимостные характеристики.
Техническим результатом заявленной полезной модели является улучшение технико-эксплуатационных характеристик устройства усиления мощности для передающей системы РЛС и РЛК с АФАР большой дальности обнаружения, а именно, обеспечение необходимой мощности при высоких показателях коэффициента полезного действия (КПД) и эксплуатационной надежности.
Дополнительным техническим результатом является снижение массогабаритных и стоимостных характеристик.
Указанный технический результат достигается тем, что в известное устройство, включающее возбудитель, соединенный с входом модуля предварительного усиления и распределения мощности (ПУ и РМ) (в прототипе - предварительный широкополосный усилитель мощности и делитель мощности на n), представляющим первую ступень усиления и распределения мощности, а также фазовращатели, аттенюаторы и оконечные усилители мощности (ОУМ) (в прототипе - УМ передающих частей ППМ), выходы которых являются выходами устройства, дополнительно введены, по меньшей мере, две ступени усиления и распределения мощности, причем вторая ступень усиления содержит в своем составе n блоков предоконечного усиления мощности (ПУМ), каждый из которых содержит делитель на m каналов и m модулей ПУМ, каждый из которых содержит делитель, по меньшей мере, на два канала, а третья ступень усиления и распределения мощности содержит, по меньшей мере, (n×2m) модулей амплитудно-фазовой коррекции (АФК), каждый из которых содержит делитель на k каналов, фазовращатели и аттенюаторы, и, по меньшей мере, (n×2m×k) ОУМ, при этом каждый из n выходов модуля ПУ и РМ соединен с входом одного из n делителей на m каналов блока ПУМ, m выходов каждого делителя соединен с входом каждого модуля ПУМ, при этом каждый, по меньшей мере, из двух выходов модуля ПУМ соединен с одним, по меньшей мере, из (n×2m) модулей АФК, k выходов которого соединены с входами k ОУМ.
Причем каждая ступень содержит простейшие мостовые устройства (например, делители, сумматоры с числом каналов ≤12 («Микроминиатюризация элементов и устройств СВЧ», М.Г. Малорацкий, Москва: Издательство «Советское радио», 1976)) и усилители, имеющие в своем составе не более четырех каскадов усиления (большое число каскадов усиления увеличивает разность фаз между усилителями, что приводит к неэффективному сложению мощности).
Кроме того, устройство усиления мощности имеет блочно-модульную систему построения с такими унифицированными модулями, как делитель на m каналов, модуль ПУМ, модуль АФК и ОУМ.
n, m, k=1, 2, 3, …
Сущность полезной модели поясняется структурной схемой, приведенной на фигуре, где обозначено:
1 - возбудитель;
2 - модуль ПУ и РМ;
3 - блок ПУМ;
4 - делитель на m каналов;
5 - модуль ПУМ;
6 - модуль АФК;
7 - ОУМ.
Устройство усиления большой мощности для РЛС/РЛК содержит возбудитель 1, по меньшей мере, три ступени усиления и распределения мощности (после второй ступени усиления могут быть добавлены дополнительно ступени, количество которых определяется, например, требуемым количеством ППМ и наличием элементной базы в требуемом частотном диапазоне), причем первая (предварительная) ступень усиления содержит в своем составе модуль ПУ и РМ 2, вторая (предоконечная) ступень усиления включает n блоков ПУМ 3, каждый из которых содержит делитель на m каналов 4 и m модулей ПУМ 5, каждый из которых содержит делитель, по меньшей мере, на два канала, а третья (оконечная) ступень усиления - по меньшей мере, (n×2m) модулей АФК 6, каждый из которых содержит делитель на k каналов, фазовращатели и аттенюаторы, и, по меньшей мере, (n×2m×k) ОУМ 7. При этом вход модуля ПУ и РМ 2 соединен с выходом возбудителя 1, а n выходов модуля ПУ и РМ 2 соединены с входами делителей 4 n блоков ПУМ 3, причем m выходов делителя на m каналов 4 соединены с входами m модулей ПУМ 5, каждый, по меньшей мере, из двух выходов каждого из которых соединен с входом одного, по меньшей мере, из (n×2m) модулей АФК 6, k выходов каждого из которых соединены с входами, по меньшей мере, (n×2m×k) ОУМ 7, выход каждого из которых являются выходами устройства.
Устройство усиления мощности имеет блочно-модульную систему построения с унифицированными модулями: делитель на m каналов 4, модуль ПУМ 5, модуль АФК 6 и ОУМ 7.
Блок ПУМ 3 представляет собой законченную унифицированную конструкцию, включающий в себя ряд унифицированных модулей, а именно делителей и модулей ПУМ, имеющих не более четырех каскадов усиления.
Модуль ПУМ 5 представляет собой усилитель мощности с делителем высокочастотной мощности, по меньшей мере, на два канала.
Модуль АФК 6 выполнен в виде модуля, имеющего в своем составе делитель на k каналов и k ячеек АФК, содержащих управляемые аттенюаторы и фазовращатели.
Устройство работает следующим образом.
От возбудителя 1 сигнал поступает на первую ступень усиления и распределения мощности, а именно, на вход модуля ПУ и РМ 2, в котором размещен предварительный широкополосный усилитель мощности и система распределения мощности - делитель на n каналов.
Первая ступень предназначена для возбуждения второй (предоконечной) ступени усиления и распределения мощности, выполненной по блочно-модульному принципу. С n выходов модуля ПУ и РМ 2 усиленные и распределенные сигналы мощности поступают на входы n блоков ПУМ 3, соответственно, а именно на входы делителей 4 на m каналов - по числу размещенных в блоке 3 усилительных модулей ПУМ 5, каждый из которых имеет, по меньшей мере, два выходных высокочастотных канала. В модуле ПУМ 5 происходит усиление распределенного сигнала мощности, который, разделяясь, по меньшей мере, на два канала, далее поступает на третью ступень усиления.
Третья (оконечная) ступень усиления и распределения мощности состоит, по меньшей мере, из (n×2m) модулей АФК 6 и, по меньшей мере, (n×2m×k) ОУМ 7. Модуль АФК 6 выполняет деление сигнала мощности на k каналов, а также фазовую и амплитудную подстройки.
Далее сигнал с выходов модулей АФК 6 подается на входы ОУМ 7, входящих в состав передающих частей ППМ, где сигнал усиливается до требуемой мощности. ППМ расположены на полотне антенной решетки непосредственно перед излучателями. Выход каждого ОУМ 7 является выходом заявляемого устройства усиления.
Конструкции первой и второй ступеней усиления и распределения мощности основаны на блочно-модульном принципе построения. Предлагаемая полезная модель содержит в своем составе несколько видов унифицированных модулей: делитель на m каналов 4, модуль ПУМ 5, модуль АФК 6 и ОУМ 7. Модули выполнены в виде плоских герметичных конструкций. Модули имеют размеры не более 220×170×60 мм, блок имеет размеры не более 470×240×200 мм. Конструкция обеспечивает легкий доступ к модулям и ремонтопригодность в условиях эксплуатации на уровне модулей. Применение нескольких видов унифицированных модулей уменьшает стоимость устройства за счет удешевления разработки и затрат на изготовление. Кроме того, предлагаемое сочетание усилительных ячеек и устройств распределения мощности в блочно-модульном исполнении уменьшает массогабаритные характеристики, увеличивает эксплуатационную надежность за счет устранения кабельных соединений, уменьшает стоимость за счет сокращения типов разрабатываемых единиц. Повышенные показатели эксплуатационной надежности обеспечиваются централизованным типом построения усилителя. Допускается выход из строя определенного (для каждого конкретного передатчика) количества усилительных модулей второй и третьей ступеней усиления с сохранением работоспособности РЛС.
Благодаря тому, что каждая ступень устройства усиления и распределения мощности содержит в своем составе простейшие мостовые устройства и усилители, имеющие в своем составе не более четырех каскадов усиления, улучшаются технико-эксплуатационные характеристики устройства усиления, такие как КПД и эксплуатационная надежность, вследствие чего повышаются унификация, ремонтопригодность, что облегчает доступ к аппаратуре.
Электрическая часть реализована на мощных биполярных и полевых транзисторах в микрополосковом варианте по гибридно-интегральной технологии.
Применение полевых транзисторов с большими коэффициентами усиления по мощности (≥15) позволяет получить требуемую выходную мощность усилителя в значительно меньших габаритных объемах.
Таким образом, благодаря такому построению устройства усиления высокого уровня мощности, при котором устройство усиления содержит возбудитель, по меньшей мере, три ступени усиления и распределения мощности, причем первая ступень усиления содержит в своем составе модуль ПУ и РМ, вторая ступень усиления включает n блоков ПУМ, каждый из которых содержит делитель на m каналов и m модулей ПУМ, каждый из которых содержит делитель, по меньшей мере, на два канала, а третья ступень усиления - по меньшей мере, (n×2m) модулей АФК, каждый из которых содержит делитель на k каналов, фазовращатели и аттенюаторы, и, по меньшей мере, (n×2m×k) ОУМ, при этом вход модуля ПУ и РМ соединен с выходом возбудителя, а n выходов модуля ПУ и РМ соединены с входами делителей n блоков ПУМ, причем m выходов делителя на m каналов соединены с входами m модулей ПУМ, каждый, по меньшей мере, из двух выходов каждого из которых соединен с входом одного, по меньшей мере, из (n×2m) модулей АФК, k выходов каждого из которых соединены с входами, по меньшей мере, (n×2m×k) ОУМ, выход каждого из которых являются выходами устройства, причем каждая ступень содержит в своем составе простейшие мостовые устройства и усилители, имеющие в своем составе не более четырех каскадов усиления, а также блочно-модульной системе построения устройства усиления мощности с унифицированными модулями: делитель на m каналов, модуль ПУМ, модуль АФК и ОУМ, достигается улучшение технико-эксплуатационных характеристик устройства усиления мощности для передающей системы РЛС и РЛК с АФАР большой дальности обнаружения, а именно, обеспечение необходимой мощности при высоких показателях КПД и эксплуатационной надежности. Кроме того, снижаются массогабаритные и стоимостные характеристики устройства.