Устройство управления СВЧ усилителя

Полезная модель относится к области электротехнических устройств, а именно к устройствам регулирования коэффициента усиления усилителей.
Известны усилители с цифровым управлением [Функциональные электронные узлы измерительных и диагностических систем: учеб. пособие / Т.В. Мирина, Н.В. Мирин.; науч. ред. В.Г. Гусев - 3-е изд., стер. - М.: ФЛИНТА, 2012. - стр. 70, рис. 1.37]. Усилители с цифровым управлением можно построить, используя аналоговые ключи, резисторы и операционный усилитель. Эта схема представляет собой усилитель с цифровым управлением. Выбор коэффициента усиления -1, -4, -16 или -64 осуществляется замыканием ключей SW1, SW2, SW3 или SW4.
Недостатком указанного решения является то, что предлагаемое решение предназначено для управления коэффициентом усиления операционного усилителя и не предназначено для управления высоковольтными усилителями СВЧ сигнала.
Наиболее близким по технической сущности является «Устройство управления и защиты силовых транзисторов» [RU 128044 опубликовано 19.12.2012, МПК Н03K 17/78]. Устройство управления и защиты силовых транзисторов содержит первый генератор импульсов, первый источник питания, второй источник питания, первый силовой транзистор, устройство распределения импульсов, первый сумматор, второй сумматор, второй генератор импульсов, первый усилитель, второй усилитель, второй силовой транзистор, первое устройство управления первым силовым транзистором, второе устройство управления вторым силовым транзистором. Вход устройства распределения импульсов является входом устройства управления и защиты силовых транзисторов, первый выход устройства распределения импульсов соединен со входом первого генератора импульсов, второй выход устройства распределения импульсов соединен с первым входом первого сумматора, третий выход устройства распределения импульсов соединен с входом второго генератора импульсов, четвертый выход устройства распределения импульсов соединен с первым входом второго сумматора. Выход первого генератора импульсов подключен ко второму входу первого сумматора, выход которого соединен со входом первого усилителя, выход первого усилителя подключен первой светолинией к входу первого устройства управления первым силовым транзистором, выход которого подключен к затвору первого силового транзистора. Катод первого силового транзистора подключен к первому источнику питания, анод первого силового транзистора соединен с катодом второго силового транзистора и является выходом устройства управления и защиты силовых транзисторов. Выход второго генератора импульсов подключен ко второму входу второго сумматора, выход которого соединен со входом второго усилителя, выход второго усилителя подключен второй светолинией к входу второго устройства управления вторым транзистором. Выход второго устройства управления вторым силовым транзистором соединен с затвором второго силового транзистора, анод второго силового транзистора подключен к второму источнику питания. В описании к полезной модели RU 128044 указано, что первый источник питания формирует напряжение положительной полярности, а второй источник питания напряжение отрицательной полярности.
Недостатком указанного решения является отсутствие возможности регулировки коэффициента усиления СВЧ усилителя.
Техническим результатом предлагаемого решения является достижение возможности регулировки выходной мощности СВЧ усилителя с высоким быстродействием.
Технической проблемой решаемой предлагаемой полезной моделью является расширение функциональных возможностей СВЧ усилителя путем регулирования его выходной мощности с высоким быстродействием.
Сущность предлагаемого устройства управления СВЧ усилителя заключается в том, что оно содержит первый усилитель, первый световод, первое устройство управления силовым ключом, первый силовой ключ, источник отрицательного напряжения, второй усилитель, второй световод, второе устройство управления силовым ключом, второй силовой ключ, первый источник положительного напряжения. Выход первого усилителя соединен с входом первого световода, выход которого соединен с входом первого устройства управления силовым ключом, выход которого подключен к первому входу первого силового ключа, выход источника отрицательного напряжения подключен ко второму входу первого силового ключа, выход второго усилителя соединен с входом второго световода, выход которого соединен с входом второго устройства управления силовым ключом, выход которого подключен к первому входу второго силового ключа, выход первого источника положительного напряжения подключен ко второму входу второго силового ключа.
Новым в предлагаемой полезной модели является то, что дополнительно введены цифровое устройство управления, N-2 усилителей, N-2 световодов, N-2 устройств управления силовым ключом, N-2 силовых ключей, N-2 источников положительного напряжения, где N целое число большее или равное 3. Выход каждого из N-2 усилителей соединен с входом соответствующего из N-2 световодов, выход каждого из которых соединен с входом соответствующего из N-2 устройств управления силовым ключом, выход каждого из которых подключен к первому входу соответствующего из N-2 силовых ключей, выход каждого из N-2 источников положительного напряжения подключен ко второму входу соответствующего из N-2 силовых ключей. Первый и второй входы цифрового устройства управления являются первым и вторым внешними входами устройства управления СВЧ усилителя, каждый из N выходов цифрового устройства управления соединен с входом соответствующего из N усилителей. Выходы силовых ключей являются внешними выходами устройства управления СВЧ усилителя.
Цифровое устройство управления содержит цифровой процессор, делитель сигнала, коммутатор, инвертор. Вход цифрового процессора является первым входом цифрового устройства управления, вход делителя сигнала является вторым входом цифрового устройства управления, выход цифрового процессора подключен к первому входу коммутатора, первый выход делителя сигнала подключен к входу инвертора, выход инвертора является первым выходом цифрового устройства управления, второй выход делителя сигнала подключен ко второму входу коммутатора, a N-1 выходов коммутатора являются с 2-го по N-й внешними выходами цифрового устройства управления соответственно.
На Фиг. 1 представлена функциональная схема устройства управления СВЧ усилителя.
На Фиг. 2 представлен вариант функциональной схемы цифрового устройства управления.
Устройство управления СВЧ усилителя содержит цифровое устройство управления (1) и N каналов. Каждый канал содержит усилитель (2), (7), (12), (17), световод (3), (8), (13), (18), устройство управления силовым ключом (4), (9), (14), (19); силовой ключ (5), (10), (15), (20). Первый канал содержит источник отрицательного напряжения (6), а каналы со второго по N-й источники положительного напряжения (11), (16), (21).
Первый и второй входы цифрового устройства управления (ЦУУ) (1) являются первым и вторым внешними входами устройства управления СВЧ усилителя. Первый выход ЦУУ (1) соединен с входом первого усилителя (2), выход которого соединен с входом первого световода (3), выход которого соединен с входом первого устройства управления силовым ключом (4), выход которого подключен к первому входу первого силового ключа (5). Выход источника отрицательного напряжения (6) подключен ко второму входу первого силового ключа (5). Второй выход ЦУУ (1) соединен с входом второго усилителя (7), выход которого соединен с входом второго световода (8), выход которого соединен с входом второго устройства управления силовым ключом (9), выход которого подключен к первому входу второго силового ключа (10). Выход первого источника положительного напряжения (11) подключен ко второму входу второго силового ключа (10). Третий выход ЦУУ (1) соединен с входом третьего усилителя (12), выход которого соединен с входом третьего световода (13), выход которого соединен с входом третьего устройства управления силовым ключом (14), выход которого подключен к первому входу третьего силового ключа (15). Выход второго источника положительного напряжения (16) подключен ко второму входу третьего силового ключа (15). N-й выход ЦУУ (1) соединен с входом N-го усилителя (17), выход которого соединен с входом N-го световода (18), выход которого соединен с входом N-го устройства управления силовым ключом (19), выход которого подключен к первому входу N-го силового ключа (20). Выход (N-l)-го источника положительного напряжения (21) подключен ко второму входу N-го силового ключа (20). Выходы первого, второго, третьего, N-го силовых ключей (5), (10), (15), (20) являются внешними выходами устройства управления СВЧ усилителя и подключены к входу СВЧ усилителя (22). Цифровое устройство управления содержит цифровой процессор (23), делитель сигнала (24), коммутатор (25), инвертор (26). Вход цифрового процессора (23) является первым входом цифрового устройства управления (1), вход делителя сигнала (24) является вторым входом цифрового устройства управления (1). Выход цифрового процессора (23) подключен к первому входу коммутатора (25). Первый выход делителя сигнала (25) подключен к входу инвертора (26). Выход инвертора (26) является первым выходом цифрового устройства управления (1). Второй выход делителя сигнала (24) подключен ко второму входу коммутатора (25). Первый, второй, N-й выход коммутатора (25) являются вторым, третьим, N-м выходами цифрового устройства управления (1) соответственно.
Устройство управления СВЧ усилителя может быть построено из N однотипных каналов в зависимости от необходимого количества уровня регулировок выходной мощности СВЧ усилителя (22), где N целое число большее или равное 3. Источники напряжения выбираются с соответствующими уровнями напряжений. Номиналы этих напряжений для управления электроламповым СВЧ усилителем могут составлять несколько сот вольт, например 400 В, 500 В и 750 В для трех регулировок СВЧ усилителя. Один канал предназначен для запирания СВЧ усилителя в момент отсутствия усиливаемого СВЧ сигнала, поэтому в нем используется источник напряжения с отрицательным запирающим напряжением. Для усилителей на электронно-вакуумных лампах это напряжение может составлять порядка -300…-400 В. В схеме представленной на Фиг. 1 первый канал содержит источник отрицательного напряжения (6).
На первый вход цифрового устройства управления (1) поступает цифровой сигнал управления, например с выхода управляющего вычислителя, с номером канала соответствующим определенному коэффициенту усиления СВЧ усилителя (22). На второй вход цифрового устройства управления (1) поступает последовательность прямоугольных импульсов с заданными длительностью и скважностью, соответствующими длительности и скважности усиливаемого СВЧ-сигнала. Эта последовательность может задаваться внешним синхронизатором. Цифровое устройство управления (1) в соответствии с номером канала переключает последовательность импульсов на соответствующий канал. Пусть номер канала - второй. ЦУУ (1) на вход второго усилителя (7) подает последовательность импульсов. Для этого цифровой процессор (23) преобразует цифровой сигнал в управляющий сигнал и подает его на второй вход коммутатора (25). Коммутатор (25) в соответствии с управляющим сигналом переключает последовательность прямоугольных импульсов, поступившую со второго выхода делителя сигнала, на второй выход ЦУУ (1). Последовательность импульсов усиливается во втором усилителе (7) и преобразуется в оптический диапазон, например, посредством светодиода, установленном в его выходном каскаде. Последовательность прямоугольных импульсов излучается во второй световод (8) в оптическом диапазоне. Второе устройство управления силовым ключом (9) может быть выполнено в виде последовательно соединенных фотодиода, который принимает оптический сигнал с выхода второго световода (8) и преобразует его в электрический сигнал, и усилителя, усиливающего сигнал до уровня необходимого для переключения второго силового ключа (10). Такое построение позволяет развязать низкопотенциальную часть устройства управления СВЧ усилителя и его высокопотенциальную часть. С выхода второго устройства управления силовым ключом (10) последовательность прямоугольных импульсов поступает на первый вход второго силового ключа (10). На второй вход второго силового ключа (10) поступает высоковольтное питающее напряжение с выхода первого источника положительного напряжения (11). Второй силовой ключ (10) замыкается положительным фронтом импульса и подает напряжение отпирания на вход СВЧ усилителя (22), а именно на усиливающий элемент, например на анод электронной лампы. Уровень высоковольтного напряжения первого источника положительного напряжения (11) соответствует уровню заданной выходной мощности СВЧ усилителя (22). По отрицательному фронту импульса устройство управления вторым силовым ключом (9) размыкает второй силовой ключ (10) и отключает первый источник положительного напряжения (11) от входа СВЧ усилителя (22).
Далее необходимо запереть СВЧ усилитель (22) в момент отсутствия СВЧ сигнала. Для этого последовательность прямоугольных импульсов, поступающая на второй вход ЦУУ (1) инвертируется. Последовательность импульсов с первого выхода делителя сигнала (24) ЦУУ (1) поступает на вход инвертора (26), который осуществляет инверсию последовательности импульсов. С выхода инвертора (26), являющегося первым входом ЦУУ (1), инвертированная последовательность импульсов поступает в первый канал. В канале проводится усиление импульсов, их гальваническая развязка и передача на первый силовой ключ (5), аналогично работе второго канала. Первый силовой ключ (5) по положительному фронту импульса отпирает источник отрицательного напряжения (6) с отрицательным высоковольтным напряжением, подача которого на вход СВЧ усилителя (22) запирает его. Таким образом, за счет подачи в противофазе последовательностей импульсов во втором и первом канале, осуществляется синхронная поочередная работа первого и второго силовых ключей (5) и (10), формируя отпирающее или запирающее напряжение на входе СВЧ усилителя (22).
При смене цифрового сигнала управления поступающего на первый вход цифрового устройства управления (1) осуществляется смена канала на следующем такте последовательности импульсов. Например, поступил сигнал на переключение на третий канал. С приходом на второй вход цифрового устройства управления (1) следующего импульса, ЦУУ (1) перенаправляет импульс на третий канал. Импульс через третий усилитель (12), третий световод (13), третье устройство управления силовым ключом (14) поступает на первый вход третьего силового ключа (15) и замыкает ключ, подавая напряжение отпирания со второго источника положительного напряжения (15) на вход СВЧ усилителя (22). Так происходит смена отпирающих напряжений на входе СВЧ усилителя (22) и изменение уровня его выходной мощности соответственно от импульса к импульсу сигнала.
Таким образом, осуществляется изменение выходной мощности СВЧ усилителя (22) с высоким быстродействием.