УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ СВЧ
MICROWAVE POWER AMPLIFIER

Устройство относится к электронной технике СВЧ, а именно к усилителям СВЧ на полупроводниковых приборах, и может быть использовано в радиопередающей аппаратуре в качестве усилителя мощности СВЧ сигнала.
Известен усилитель мощности СВЧ на балансном полевом СВЧ транзисторе BLF888 большой мощности типа LD-MOS фирмы NXP Semiconductors, г.Эйндховен Нидерланды (www.nxp.com), имеющий симметричный вход и выход. Данный усилитель предназначен для работы в широком диапазоне частот от 470 МГц до 860 МГц и конструктивно выполнен на микрополосковой печатной плате. Переход от несимметричных входов и выходов усилителя к симметричному входу и выходу транзистора осуществляется с помощью симметрирующего кабеля. Трансформация более высокого волнового сопротивления на выходе (входе) кабеля к низкоомному входному (выходному) сопротивлению транзистора ведется на отрезках линии передачи с различными волновыми сопротивлениями и установкой в строго определенных местах постоянных конденсаторов связи между проводниками симметричной линии во входной и выходной цепях.
Недостатками данного усилителя являются жесткие требования к номиналам используемых в схеме согласующих конденсаторов, минимальному разбросу их параметров от образца к образцу, месту их установки и идентичности реактивных составляющих внутреннего сопротивления входных и выходных плеч транзистора, что затрудняет повторяемость параметров усилителя в условиях серийного производства.
Известен измерительный усилитель мощности СВЧ на балансном полевом транзисторе типа 2П980БС ФГУП «Научно-исследовательский институт электронной техники» г.Воронеж, схема которого приведена в АЕЯР.432140.316 ТУ (www.niiet.ru).
Схема электрическая и схема расположения элементов данного усилителя аналогичны схеме усилителя на балансном полевом СВЧ транзисторе BLF888, отличие заключается в том, что вместо постоянных согласующих конденсаторов применены переменные конденсаторы. Это позволяет компенсировать разброс параметров транзисторов от образца к образцу и гарантировать выходные характеристики на проверяемой фиксированной частоте 860 МГц.
Недостатком данного усилителя является большая неравномерность параметров усилителя в диапазоне частот.
Экспериментально было установлено, что неравномерность коэффициента усиления для партии из десяти усилителей в диапазоне частот от 825 до 882 МГц составила от 0,5 до 2 дБ в зависимости от конкретного образца транзистора.
Известен GaAs усилитель К-диапазона с выходной мощностью 8,2 Вт (1ЕЕ Trans on Microwave Theory and Techniques, v MTT-32, no.3 march 1984, 317-324). Известное устройство представляет собой усилитель мощности, содержащий предварительный усилитель, соединенный через вентиль и волноводно-полосковый переход ко входу микрополоскового делителя, передающего мощность на N усилителей, выходы которых подключены через волноводно-полосковый переход к входу микрополоскового сумматора, корректировка фазы осуществляется в волноводном тракте каждого из N усилителей путем подбора диэлектрических пластин. Недостатком данного усилителя является необходимость подбора идентичных усилителей в комплект (отсутствие взаимозаменяемости).
Известен усилитель мощности СВЧ, разработанный ОАО «ВНИИРТ» г.Москва (конструкторская документация УВАИ.467134.081), используемый в передающем устройстве РЛС. Данный усилитель изготавливается на ОАО «МЗ РИП» с 1989 года по настоящее время.
Усилитель мощности СВЧ состоит из герметичного корпуса-радиатора с врубными герметичными переходами для ввода и вывода СВЧ сигналов и низкочастотного соединителя для подачи питающего напряжения, внутри корпуса-радиатора расположена микрополосковая печатная плата, на которой собран двухкаскадный усилитель. Первый каскад выполнен на одном биполярном транзисторе 2Т988А на несимметричной полосковой линии, на входе и выходе транзистора установлены согласующие цепи. Второй каскад усилителя выполнен на четырех параллельно включенных транзисторах 2Т988А, на входе (выходе) транзисторов второго каскада установлены развязанные делители (сумматоры) СВЧ сигнала и реактивные цепи согласования. Элементы схемы выполнены на несимметричной микрополосковой линии. Требование по выходной мощности для данного усилителя - не менее 100 Вт в диапазоне частот от 825 до 882 МГц. Требование по разбросу фаз коэффицента передачи ±30° в диапазоне частот от 825 до 882 МГц.
Недостатками данного усилителя мощности являются:
- несоответствие между требованиями по выходной мощности транзистора 2Т988А (не менее 15 Вт для одного транзистора) и требованием по выходной мощности на усилитель не менее 100 Вт (мощность суммируется с четырех параллельно включенных транзисторов);
- большой разброс по амплитуде и фазе коэффициента передачи в рабочем диапазоне частот от 825 до 882 МГц от образца к образцу, что приводит к потере мощности при суммировании (до 25%).
Предлагаемым изобретением решается задача обеспечения требований по выходной мощности усилителя не менее 110 Вт, уменьшения разброса по фазе и амплитуде коэффициента передачи, обеспечения стабильности и повторяемости технических характеристик усилителя в рабочем диапазоне частот от 825 до 882 МГц в условиях серийного производства.
Для достижения технического результата в усилитель мощности СВЧ, содержащий герметичный корпус-радиатор с врубными герметичными переходами для ввода и вывода СВЧ сигналов, внутри которого расположена микрополосковая печатная плата с собранным на ней двухкаскадным усилителем, установлен мощный балансный полевой транзистор 2П980БС во втором каскаде усилителя, согласование низкоомных входного и выходного сопротивлений балансного полевого транзистора ведется с помощью симметричной распределенной линии связи с плавным изменением волнового сопротивления, а подстроечные конденсаторы выполнены в виде печатных плат из фольгированного диалектрика со снятой с одной стороны фольгой. Для унификации цепей питания биполярный транзистор 2Т988А в первом каскаде заменен на полевой транзистор 2П998А.
Отличительными признаками предлагаемого усилителя мощности СВЧ от указанного выше известного, наиболее близкого к нему, является то, что при использовании в качестве второго каскада усилителя мощного балансного полевого транзистора 2П980БС, вместо четырех параллельно включенных транзисторов 2Т988А, согласование низкоомных входного и выходного сопротивлений данного балансного полевого транзистора ведется с помощью симметричной распределенной линии связи с плавным изменением волнового сопротивления, уменьшение неравномерности амплитуды и фазы коэффициента передачи осуществляется за счет установки подстроечных конденсаторов, выполненных в виде печатных плат из фольгированного диалектрика (ФЛАН - 16,0-1,0 мм) со снятой с одной стороны фольгой.
Платы (конструктивные подстроечные конденсаторы) кладутся на линии связи фольгой вверх, перекрывая две противоположные входные (выходные) линии одновременно. Меняя место установки печатной платы (конструктивного подстроечного конденсатора) вдоль линии связи и ее ориентацию, можно подбирать величину и место включения емкостей. Это позволяет обеспечить согласование низкоомных входного и выходного сопротивлений выходного балансного транзистора 2П980БС; скомпенсировать разброс параметров входных и выходных плеч балансного транзистора 2П980БС; произвести оптимальную настройку усилителя мощности СВЧ по амплитуде и фазе коэффициента передачи с минимальным разбросом в диапазоне рабочих частот от 825 до 882 МГц.
Предлагаемый усилитель мощности СВЧ иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1, 2.
На фиг.1 показан общий вид усилителя мощности СВЧ.
На фиг.2 - вид сверху усилителя мощности СВЧ со снятой крышкой.
Усилитель мощности СВЧ (фиг.1) содержит герметичный корпус-радиатор 1 с крышкой 2 и расположенной внутри корпуса печатной платой 3 из фольгированного диэлектрика, на которой собран двухкаскадный усилитель. Питание подводится к врубному низкочастотному соединителю 4. С него, через герметичные переходы 5, питающее напряжение подается на микрополосковую печатную плату усилителя 3. Ввод и вывод СВЧ сигналов осуществляется с герметизированных СВЧ переходов 6 и 7 соответственно.
Корпус снабжен направляющими 8, обеспечивающими точное совпадение с ответными высокочастотными и низкочастотными соединителями.
Усилитель мощности СВЧ работает следующим образом (фиг.2). Сигнал поступает на входной разъем 6, по 50-омному коаксиальному кабелю 9 проходит через дискретный фазовращатель 10 и поступает на затвор транзистора 11 2П998А первого каскада усилителя.
Дискретный фазовращатель 10 позволяет изменять геометрическую длину линии передачи включением отрезков разной длины для коррекции разброса электрической длины усилителей относительно друг друга (разброса фазы коэффициента передачи). Требование по разбросу фазы коэффициента передачи от образца к образцу - не более ±20°. Выполнение данного требования необходимо для синфазного сложения мощности включенных параллельно 64 шт. усилителей в составе передатчика.
Входная и выходная цепи согласования транзистора 11 2П998А образованы отрезками микрополосковых линий 12, 13 и подстроечными конденсаторами 14.
Транзистор 15 2П980БС имеет симметричные вход и выход. Переход от несимметричной полосковой линии с выхода транзистора 11 2П998А к симметричной линии на входе транзистора 15 2П980БС осуществляется с помощью симметрирующего трансформатора 16. Аналогичный трансформатор 17 установлен на выходе усилителя для согласования симметричного выхода транзистора 15 2П980БС с коаксиальным выходным разъемом 7.
Симметрирующие трансформаторы 16 и 17 выполнены в виде отрезка 50-омного коаксиального кабеля. С одной стороны кабель подключен к несимметричному выходу (входу): экран распаян на корпус, центральная жила - сигнальная; с другой стороны центральная жила и экран кабеля подсоединены к различным входам (выходам) симметричной линии.
Для согласования симметрирующих устройств в рабочей полосе частот от 825 до 882 МГц параллельно симметричному входу (выходу) подключены индуктивности, образуемые отрезками короткозамкнутых линий 18.
Согласование низкоомных входного и выходного сопротивлений транзистора 15 ведется с помощью симметричных распределенных линий связи с плавным изменением волнового сопротивления 19 и 20, расположенных на входе и выходе транзистора 15 соответственно. Компенсация разброса параметров входных и выходных плеч и регулировка амплитуды и фазы коэффициента передачи усилителя мощности СВЧ ведется конденсаторами 21 на входе и конденсаторами 22 на выходе. Окончательная настройка по фазе коэффициента передачи осуществляется изменением геометрической длины линии передачи входного дискретного фазовращателя 10.
Технический результат подтверждается изготовлением опытной партии из 82 штук усилителей мощности СВЧ. В ходе проведенных испытаний было установлено, что усилитель мощности СВЧ обеспечивает выходную мощность не менее 110 Вт, неравномерность коэффициента усиления составила от 0,2 до 1,0 дБ, разброс фазы коэффициента передачи составил не более ±20°.
Предлагаемое изобретение внедрено в производство.