Цифровой усилительный модуль СВЧ
DIGITAL ULTRA HIGH FREQUENCY AMPLIFIER MODULE

Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано в радиолокационной и радионавигационной технике, а также в средствах передачи информации и системах связи.
Известен 4-канальный мощный приемопередающий модуль, разработанный с использованием многоэтажной конструкции [Аронов В.Л., Евстигнеев А.С, Евстигнеев А.А., Подадаева А.А., Поляков С.А., Требоганов Н.А. Транзисторный широкополосный мощный усилитель - электронная техника. Сер. 2. Полупроводниковые приборы, 2007, вып. 1. с. 94-102].
Описано два варианта компоновки приемопередающего модуля. В первом варианте, на внешней поверхности плоского основания расположены микрополосковые узлы, требующие оперативного вмешательства при настройке - каскады мощного широкополосного передающего тракта, а на обратной стороне того же основания размещены не требующие настройки микрополосковые узлы приемного тракта и узлы управления. Во втором варианте корпус представляет собой двухстороннюю конструкцию, в которой аналогичное основание, повернутое «лицом вниз», размещено в нижней части модуля. На каждом основании размещены по два приемопередающих канала, имеющих зеркальную конструкцию.
Конструктивной основой модуля являются два прямоугольных бруска, объединяющих верхнее и нижнее основания и выполняющих функцию теплоотвода. Все мощные транзисторы монтируются над этими теплоотводами с центральным каналом для циркуляции охлаждающей жидкости. Во втором варианте модуля жидкостное охлаждение исключено согласно его эксплуатационному режиму.
Основным недостатком данной конструкции являются проблемы, связанные с пооперационной настройкой и сборкой модуля, поскольку требуется поэтапная сборка с проведением регулировки и контроля промежуточных эксплуатационных параметров модуля с использованием технологических держателей и технологических аналогов корпуса модуля.
Известен твердотельный усилитель мощности СВЧ сигнала бортовой РЛС беспилотного летательного аппарата [патент RU 172828, H03F 3/00, 2017], содержащий цифровой аттенюатор, предварительный усилитель, усилитель мощности, усилительный элемент, циркулятор и нагрузки для защиты усилительных элементов от отраженного СВЧ сигнала, управляемые источники напряжения смещения, импульсные ключи для коммутации питания усилителя мощности, детектор мощности, датчик температуры, схему управления для управления аттенюаторами и импульсными ключами, контроля напряжения источников смещения, температуры и выходной мощности.
Недостатком данного устройства является отсутствие системы защиты при превышении допустимого уровня входной мощности и невозможность сохранения его работоспособности при неисправности входного СВЧ тракта.
Известен цифровой передающий модуль [патент RU 170015, Н04В 7/00, Н04В 1/00, H01Q 1/00, 2016], содержащий корпус, снабженный двумя крышками, в котором расположены, по меньшей мере, один источник питания и связанные с ним и между собой узел, обеспечивающий усиление передаваемого сигнала, и узел, обеспечивающий управление параметрами передаваемого сигнала.
Корпус снабжен внутренними перегородками, образующими отсеки в которых расположены источник питания, узел, обеспечивающий усиление передаваемого сигнала, и узел, обеспечивающий управление параметрами передаваемого сигнала.
Подобный цифровой передающий модуль может быть принят в качестве наиболее близкого аналога к заявляемому цифровому усилительному модулю СВЧ.
Недостатком конструкции данного цифрового передающего модуля является размещение на одном основании узла усиления передаваемого сигнала с относительно мощным тепловыделением и источника питания с узлом, обеспечивающим управление параметрами передаваемого сигнала, в которых тепловыделение мало. Вследствие чего основание корпуса имеет большую площадь, чем необходимо по условиям соблюдения температурного режима, при этом возрастает масса конструкции в целом, и возможны проблемы в обеспечении малой неплоскостности основания.
Также в качестве недостатка необходимо отметить отсутствие системы контроля неисправности цифрового передающего модуля и защиты от превышения длительности управляющего импульса и неисправности СВЧ тракта.
Задачей настоящего изобретения является создание цифрового усилительного модуля СВЧ с улучшенными техническими характеристиками, способного сохранять работоспособность при превышении допустимого уровня входной мощности и неисправности СВЧ тракта передающего устройства, лишенного указанных недостатков.
Заявляемое изобретение устраняет недостатки вышеуказанных устройств следующим образом:
1. Для обеспечения номинального теплового режима при минимально необходимой площади основания реализована двухэтажная конструкция цифрового усилительного модуля СВЧ. Применение составного радиатора в качестве базовой несущей конструкции обеспечивает возможность доступа для ремонта к низкочастотной и СВЧ частям цифрового усилительного модуля СВЧ при одновременном эффективном отводе тепловой мощности от его СВЧ части.
2. Наличие индивидуальной цифровой системы управления и контроля позволяет отслеживать неисправность как самого цифрового усилительного модуля СВЧ, так и СВЧ тракта передающего устройства, а также осуществлять защиту и, при необходимости, отключение цифрового усилительного модуля СВЧ обеспечивая тем самым сохранение его работоспособности при неисправности СВЧ тракта.
Техническим результатом является повышение коэффициента полезного действия (далее КПД), снижение вероятности самовозбуждения устройства усиления СВЧ сигнала, повышение надежности, улучшение массогабаритных характеристик.
Указанный технический результат достигается посредством создания цифрового усилительного модуля СВЧ, содержащего два независимых корпуса-радиатора с крышками, конструктивно объединенных в единую двухэтажную конструкцию, и расположенные в них источник вторичного электропитания, датчик температуры, и связанные с ними и между собой устройство усиления СВЧ сигнала, включающее в себя последовательно соединенные микрополосковый дискретный фазовращатель, первый усилительный каскад, второй усилительный каскад, циркулятор, и устройство управления и контроля цифрового усилительного модуля СВЧ (далее УКУМ), включающее в себя стабилизатор напряжения питания, дифференциальные приемники сигналов Строб УЗ и СБРОС, дифференциальный приемо-передатчик канала интерфейса RS-485, генератор опорного напряжения, буфер сигналов управления усилительным модулем, микроконтроллер, масштабирующие усилители.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображены: на фиг. 1 - общий вид заявляемого цифрового усилительного модуля СВЧ; на фиг. 2 - вид сверху заявляемого цифрового усилительного модуля СВЧ (низкочастотная часть); на фиг. 3 - вид снизу заявляемого цифрового усилительного модуля СВЧ (СВЧ часть).
Заявляемый цифровой усилительный модуль СВЧ (фиг. 1) конструктивно состоит из двух частей: низкочастотной 1 и высокочастотной 2, каждая из которых расположена в отдельном корпусе-радиаторе с крышками 3, 4, объединенными в единую двухэтажную конструкцию и находящимися в функциональной взаимосвязи. Радиаторы корпусов соединены между собой и расположены в середине устройства, что обеспечивает их максимальное охлаждение при обдуве в составе стойки передающего устройства. Внутренний электромонтаж осуществляется через разъемы составных частей, а также монтажными жгутами. Все органы управления и индикации расположены на лицевой поверхности устройства, на боковых поверхностях корпусов предусмотрены направляющие 5 для установки цифрового усилительного модуля СВЧ в стойку передающего устройства.
Внутри низкочастотного корпуса-радиатора 1 (фиг. 2) расположены источник вторичного электропитания 6, который осуществляет преобразование напряжения трехфазной сети переменного тока 220В 400 Гц в напряжение постоянного тока 40В для электропитания устройства усиления СВЧ сигнала, контактор 7, обеспечивающий коммутацию сети 220В 400 Гц, и УКУМ 8, предназначенное для выполнения следующих функций:
- преобразования напряжения постоянного тока 27В в напряжение постоянного тока 5В;
- оценки выходной импульсной мощности усилительного модуля;
- оценки отраженной от нагрузки мощности;
- расчета коэффициента стоячей волны по напряжению (далее КСВН) тракта на основании оценки выходной и отраженной мощностей;
- оценки температурного режима выходного усилительного каскада модуля;
- отключения выходного усилительного каскада при превышении заданного значения КВСН тракта, скважности или при превышении заданного значения температуры;
- трансляции данных контроля усилительного модуля на вышестоящее устройство управления и контроля;
- установки в начальное состояние после приема системного сигнала СБРОС.
Также в корпусе 1 установлен разъем 9 для подключения трехфазной сети переменного тока 220В 400 Гц, напряжения постоянного тока 27В и ввода сигналов управления и синхронизации.
Высокочастотный корпус-радиатор 2 (фиг. 3) состоит из двух отсеков: герметичного СВЧ-отсека 2а и отсека 2b, используемого для установки платы с накопительными конденсаторами.
Внутри герметичного отсека 2а расположены датчик температуры 10 и устройство усиления СВЧ сигнала, которое включает в себя последовательно соединенные микрополосковый дискретный фазовращатель 11, первый усилительный каскад 12, включающий в себя транзистор 13, установленный на теплоотводящем основании, второй усилительный каскад 14, включающий в себя транзистор 15, установленный на теплоотводящем основании, циркулятор 16. Циркулятор 16 совместно с резистором 17 образуют вентиль, выполняющий функцию защиты цифрового усилительного модуля СВЧ от рассогласования выходного тракта.
В корпусе 2а установлены СВЧ разъемы 18а, 18b и фильтры 19, предназначенные для защиты цепей электропитания цифрового усилительного модуля СВЧ от высокочастотных помех.
В отсеке 2b расположены накопительные конденсаторы 20, обеспечивающие большой импульсный ток потребления транзисторов 13, 15.
Работает заявляемый цифровой усилительный модуль СВЧ следующим образом.
Входной радиоимпульсный сигнал (фиг. 3), поступающий на входной СВЧ разъем 18а, проходит через микрополосковый дискретный фазовращатель 11, расположенный на печатной плате первого усилительного каскада 12 и поступает на вход транзистора 13. Далее усиленный сигнал через симметрирующий трансформатор поступает на вход транзистора 15, усиливается, и от второго усилительного каскада 14 поступает через циркулятор 16 на выходной разъем субблока 18b, при этом часть выходной и отраженной мощности с разъемов 1 и 2 циркулятора 16 ответвляется на масштабирующие усилители из состава УКУМ 8 (фиг. 2), которые усиливают видео-сигналы до уровня, необходимого для работы аналогово-цифровых преобразователей, входящих в состав микроконтроллера.
При наличии сигнала «Строб УЗ» центральный процессор УКУМ измеряет амплитуды огибающей импульса падающей и отраженной волн, производит оценку уровней выходной и отраженной мощностей и выполняет расчет КСВН выходного тракта цифрового усилительного модуля СВЧ. Если значение КСВН равно или превышает значение 2 отн. ед., формируются сигнал «Авария КСВ» и сигнал на выключение выходного усилительного каскада, при снижении уровня выходной мощности до значения меньше требуемого порога формируется сигнал «Авария Мщ».
Если амплитуда падающей волны при отсутствии сигнала «Строб УЗ» отлична от нуля (происходит самовозбуждение выходного каскада), микроконтроллер производит отключение выходного усилительного каскада и формирует сигнал «Авария СВК».
Из указанных признаков микроконтроллер формирует кодограмму функционально-диагностического контроля, которая транслируется на вышестоящее устройство управления средствами интерфейса RS-485. Параллельно микроконтроллер формирует статические сигналы на основе выявленных неисправностей для их индикации на лицевой панели.
Эффективность заложенных в конструкцию цифрового усилительного модуля СВЧ технических решений, а также возможность получения при осуществлении изобретения вышеупомянутого технического результата, заключающегося в повышение КПД, снижении вероятности самовозбуждения устройства усиления СВЧ сигнала, повышение надежности, улучшение массогабаритных характеристик, подтверждена проведением его предварительных испытаний и государственных испытаний в составе РЛС. Предлагаемое изобретение внедрено в серийное производство.