УСТРОЙСТВО И МЕТОД ГЕНЕРАЦИИ ВЫСОКОЙ РАДИОЧАСТОТНОЙ МОЩНОСТИ
ARRANGEMENT AND METHOD FOR RF HIGH POWER GENERATION

Настоящее изобретение относится к устройству и методу генерации высокой радиочастотной мощности. Изобретение содержит, по меньшей мере, один сумматор мощности с радиочастотными входами и, по меньшей мере, одним радиочастотным выходом, а также, по меньшей мере, два модуля усилителя мощности, подключенных соответствующим образом посредством электрического соединения при помощи, по меньшей мере, одной линии передачи, к входу, по меньшей мере, одного сумматора мощности.
Радиочастотная (РЧ) и/или микроволновая мощность производится соответствующими генераторами. В основе генераторов радиочастотной мощности для высокомощных режимов использования лежат трубки, например клистроны, индуктивные выходные трубки или магнетроны. В другом варианте исполнения, для радиочастотной мощности генераторов используются твердотельные технологии, в частности технология транзисторов. С использованием твердотельных радиочастотных генераторов становится возможным надежное производство радиочастотной мощности устройствами малой размерности и высокой эффективности. Недостатком технологии транзисторов является низкая выходная радиочастотная мощность на каждом транзисторном чипе: в пределах до 1.5 кВт выходной мощности при частоте 500 МГц. Для сравнения, при использовании клистронов, как примера использования ламповой технологии, возможно достижение выходной радиочастотной мощности, исчисляющейся в мегаваттах.
Для генерации больших мощностей с помощью, например, радиочастотных генераторов на основе транзисторов необходимо объединение радиочастотных генераторов. Объединение транзисторов в одном усилителе мощности, основанном, например, на двухтактных топологиях или топологиях сбалансированного типа, может усложнить системы и увеличить риск возникновения неисправности. В случае поломки отдельных транзисторов, замене подлежит все устройство. Альтернативным решением может быть использование нескольких модулей усилителя мощности с общим, в частности, одним сумматором мощности.
В модульном устройстве радиочастотная мощность от модулей усилителя мощности, подключенных посредством линий передачи к общему сумматору мощности, агрегируется в сумматоре мощности в высокую радиочастотную мощность. Например, коаксиальные кабели и/или полосковые линии используются в качестве линий передачи. Вследствие различной длины и характеристик каждая линия передачи добавляет устройству собственную потерю мощности и сдвиг фазы сигнала. Это приводит к появлению обратно отраженной мощности от входа сумматора мощности, которая может быть неравномерно распределена между усилителями мощности, то есть радиочастотными модулями, что приводит к дополнительным потерям мощности, снижает общую выходную радиочастотную мощность и может привести к перегреву усилителей.
В целях снижения или предотвращения потерь каждый радиочастотный модуль должен быть настроен индивидуально с целью генерации отдельных сигналов с определенной амплитудой и определенной фазой, а также с целью направления равных сигналов сумматору мощности. В известном уровне техники, см., например, US 20130170512 A1 и US 20130051416 A1, настройка радиочастотных модулей осуществляется вручную. Все радиочастотные модули питаются синфазно от одного, предусиленного генератора колебаний, и амплитуда, так же как и фаза каждого радиочастотного модуля, подключенного к сумматору мощности, настраивается вручную, с использованием схем выборочной настройки импеданса, подключенных к соответствующему входу каждого радиочастотного модуля. Описанный метод может быть применен только в том случае, если длина линии передачи постоянна. Изменение длины приведет к неизбежной новой настройке. После сборки системы, ее едва ли можно настроить. Отклонения в работе электронных элементов, например, вследствие старения, не могут быть компенсированы и увеличивают потери.
При другом подходе можно проводить непрерывный мониторинг амплитуд и фаз сигналов радиочастотного модуля, а также осуществлять корректировку во время работы усилителя. Дополнительные устройства, как, например, многочисленные направленные ответвители, являются необходимыми и должны быть установлены на каждом выходе радиочастотного модуля, увеличивая стоимость и усложняя устройство.
Целью настоящего изобретения является предложить устройство и метод генерации высокой радиочастотной мощности, в рамках которого бы решались вышеуказанные проблемы. В частности, цель настоящего изобретения - предоставить экономически эффективную, простую в обращении установку, которую можно было бы настраивать в автоматическом режиме, даже после ее монтажа. Снижение потерь выходной радиочастотной мощности, возникающих вследствие, например, износа компонентов и/или изменения в длине соединительных линий, следует предотвратить, а максимальный уровень выходной мощности сумматора мощности должен быть достижимым. Представленные устройство и метод должны обеспечивать возможность настройки выходящих сигналов компонентов, в частности после монтажа компонентов, гибкость, доступность в любое время, легкость в управлении, без больших усилий, они также должны сокращать потери мощности на выходах сумматора мощности.
Вышеуказанные цели достигаются с помощью устройства генерации высокой радиочастотной мощности в соответствии с пунктом формулы 1 и с помощью метода генерации высокой радиочастотной мощности в соответствии с пунктом формулы 6.
Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения представлены в зависимых пунктах формулы изобретения. Характерные черты основных пунктов формулы могут быть объединены друг с другом, а также с характерными чертами зависимых пунктов формулы. Кроме того, характерные черты зависимых пунктов формулы могут быть объединены вместе.
Устройство генерации высокой радиочастотной мощности в соответствии с настоящим изобретением содержит, по меньшей мере, один сумматор мощности с радиочастотными входами и, по меньшей мере, одним радиочастотным выходом, а также, по меньшей мере, два модуля усилителя мощности, подключенных соответствующим образом посредством электрического соединения при помощи, по меньшей мере, одной линии передачи, к входу, по меньшей мере, одного сумматора мощности.
По меньшей мере, одна линия передач содержит, по меньшей мере, один радиочастотный переключатель и, по меньшей мере, один направленный ответвитель подключен посредством электрического соединения к, по меньшей мере, одному радиочастотному выходу, по меньшей мере, одного сумматора мощности.
Описанное устройство генерации высокой радиочастотной мощности обеспечивает экономически эффективное, легко управляемое устройство, которое можно настраивать в автоматическом режиме в целях оптимизации выходной мощности, даже после монтажа. Снижение потерь выходной радиочастотной мощности, возникающих вследствие, например, износа компонентов и/или изменения в длине соединительных линий, может быть предотвращено, а максимальный уровень выходной мощности сумматора мощности может быть достижимым при использовании, по меньшей мере, одного радиочастотного переключателя и, по меньшей мере, одного направленного ответвителя для настройки электрических параметров. Выходные сигналы, по меньшей мере, двух модулей усилителя мощности могут быть изменены и оптимизированы/синхронизированы, в частности, после монтажа устройства, с гибкостью, доступностью в любое время, с легкостью и без больших усилий. Это обеспечивает снижение потерь мощности на выходах сумматора мощности.
Радиочастотные переключатели могут иметь внешнее управление, в частности, это могут быть pin-диоды либо механические переключатели. Переключатель может иметь активное (омическое) сопротивление в выключенном состоянии в пределах 50 Ом. Внешнее управление может обеспечиваться устройством управления, например, содержащим компьютер.
По меньшей мере, имеется одна нагрузка, подключенная посредством электрического соединения к, по меньшей мере, одному радиочастотному выходу, по меньшей мере, одного сумматора мощности посредством, по меньшей мере, одного направленного ответвителя. Такая нагрузка может, в частности, содержаться, по меньшей мере, в одной выходящей линии передач. В качестве нагрузки может использоваться определенный резистор в целях измерения, и/или роль нагрузки может выполнять такое устройство, как электрический акцептор высокой радиочастотной мощности, предусмотренный устройством.
Устройство хранения измеряемых параметров, по меньшей мере, одного направленного ответвителя может содержаться, в частности, в устройстве управления с EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory - электрически стираемое перепрограммируемое ПЗУ). В другой модификации, либо в дополнение к описанному выше варианту, устройство управления для обработки хранящихся значений параметров может содержать компьютер.
DC
DC
DC
DC
Детектор амплитуды A и фаз Ψ может содержаться, в частности, в устройстве управления, подключенном посредством электрического соединения к, по меньшей мере, одному направленному ответвителю, подключенному, в частности, к выходу прямого сигнала, по меньшей мере, одного направленного ответвителя. Детектор или устройство для измерения амплитуды A и/или фазы Ψ может после проведения измерений предоставлять, в частности, последовательно, значения параметров, хранящиеся в устройстве хранения, которые используются для определения значений с целью корректировки каждого отдельного модуля усилителя.
Метод генерации высокой радиочастотной мощности в соответствии с настоящим изобретением, в частности, с данным устройством, как описано выше, включает шаги:
измерение и определение, по меньшей мере, одним устройством, значения для корректировки для модулей усилителя мощности, подключенных посредством электрического соединения к, по меньшей мере, одному сумматору мощности, с помощью, по меньшей мере, одного радиочастотного переключателя соответственно,
хранение этих значений и применение этих значений в качестве корректировки входного сигнала на модули усилителя мощности.
i
i
Установленные и/или примененные значения могут содержать значения разности амплитуд ΔA и разности фаз ΔΨ соответственно для каждого модуля усилителя мощности, в частности в сравнении с опорным модулем r.
Шаг измерения значений для корректировки для модулей может содержать для N модулей усилителя мощности, соответственно, следующие действия:
k
k
- модуль под номером k находится во включенном состоянии и генерирует радиочастотный сигнал с амплитудой A и фазой Ψ, при этом соответствующий радиочастотный переключатель номер k включен в состоянии передачи, все остальные модули находятся в выключенном состоянии и/или соответствующие радиочастотные переключатели находятся в состоянии нагрузки, в котором сигнал от соответствующего модуля не проходит,
k
k
- измеряются амплитуда A и фаза Ψ с помощью амплитудно-фазового детектора.
k
k
i
i
Значения амплитуды A и фазы Ψ могут быть измерены для всех модулей и соответствующим образом попадают на хранение; значения одного модуля r могут быть избраны в качестве опорных значений; для всех прочих модулей значение разности амплитуд ΔA и разности фаз ΔΨ может быть установлено в качестве значений расхождения по отношению к соответствующим значениям опорного модуля r.
i
i
k
k
Первый измеренный модуль может быть выбран в качестве опорного модуля в начале производства измерений, и/или значения всех остальных модулей могут сравниваться со значениями первого измеренного модуля, в частности, определяя и сохраняя значение разности амплитуд ΔA и разности фаз ΔΨ после каждого измерения модуля k. Необходимость в хранении значений амплитуды A и фазы Ψ, за исключением значений по опорному модулю r, отпадает.
k
k
i
i
Другой подход, для всех модулей соответственно один за другим может быть измерено и сохранено значение амплитуды A и фазы Ψ. Опорный модуль r может быть выбран после проведения измерений, в частности модуль со значениями, наиболее близкими к средним показателям по всем модулям, а также могут быть определены и сохранены значения разности амплитуд ΔA и разности фаз ΔΨ для каждого модуля k относительно значений опорного модуля r.
Метод может быть автоматическим, в частности, контролируемым компьютером, и/или ручным, в частности, осуществляемым во время производства или технического обслуживания. Возможность использовать устройство в соответствии с настоящим изобретением и автоматизированным методом, позволяет осуществлять корректировку также во время эксплуатации устройства, например, если таковая необходима в связи с изменениями вследствие износа компонентов. Скорректировать устройство можно быстро и легко после замены, например, линий подключения во время технического обслуживания. Высокая выходная радиочастотная мощность устройства может достигаться постоянно, либо накапливаться с течением времени, а потери мощности можно избежать или, по крайней мере, сократить их объем.
Применение метода можно повторять через какой-то промежуток времени, в частности, это может быть регулярное применение.
Преимущества описанного метода генерации высокой радиочастотной мощности в соответствии с настоящим изобретением сходны с вышеизложенными преимуществами в отношении устройства генерации высокой радиочастотной мощности и наоборот.
Настоящее изобретение далее описывается подробно со ссылками на проиллюстрированный вариант осуществления, представленный в прилагаемом чертеже, где
ФИГ. 1 демонстрирует устройство 1 генерации высокой радиочастотной мощности в соответствии с настоящим изобретением.
DC
DC
На ФИГ. 1 представлено устройство 1 генерации высокой радиочастотной мощности в соответствии с настоящим изобретением, содержащее сумматор мощности 2 с радиочастотными входами 3 и радиочастотным выходом 4. Модули усилителя мощности 5 со своими выходами подключаются соответственно с помощью линии передачи 6 к соответствующему входу 3 сумматора мощности 2. Радиочастотный переключатель 7, который содержится каждой линией передач 6, располагается между выходом соответствующего радиочастотного модуля и соответствующим входом 3 сумматора мощности 2. Направленный ответвитель 8 подключается посредством электрического соединения к радиочастотному выходу 4 сумматора мощности 2, между выходом 4 и нагрузкой 11, в пределах выходной линии передачи 6''. Амплитудно-фазовый детектор (A и Ψ) подключается посредством электрического соединения к направленному ответвителю 8, в направлении прямого сигнала 10.
В случае количества N радиочастотных модулей усилителя мощности 5, как показано на ФИГ. 1 с помощью обозначенных точек между вторым модулем 5 и модулем 5 с номером N, количество N входов 3 сумматора мощности 2 подключается посредством электрического соединения соответственно с помощью входной линии передачи 6 к соответствующему модулю усилителя мощности 5. Каждая входная линия передачи 6 содержит радиочастотный переключатель 7, другими словами переключатель 7 подключается посредством электрического соединения между выходом соответствующего модуля 5 и соответствующим входом 3 сумматора мощности 2. Каждый переключатель 7 может независимо от других переключателей быть включен или выключен, он имеет внешнее управление, например, от устройства управления, содержащего, в частности, компьютер. Переключатель может быть механическим либо представлять собой pin-диод. В выключенном состоянии он может показать сопротивление, например, в 50 Ом, отключая прямое электрическое соединение между соответствующим модулем 5 и сумматором мощности 2. В отношении вышесказанного и в дальнейшем формулировка «включение» подразумевает, что радиочастотный сигнал проходит, а формулировка «выключение» подразумевает, что проход радиочастотных сигналов заблокирован.
k
k
k
k
Каждый радиочастотный модуль 5, например модуль k, имеет индивидуальный вход радиочастотного сигнала низкого уровня со своей специфической амплитудой A и фазой Ψ. Амплитуда A и фаза Ψ могут регулироваться/изменяться устройством управления, которое в целях упрощения не представлено на ФИГ. 1.
k
k
Выход 4 сумматора мощности 2 подключается посредством электрического соединения с помощью выходной линии передачи 6', например, к внешней нагрузке 11. Внешняя нагрузка 11 может представлять собой медицинский прибор, либо любой другой электрический потребитель, использующий высокую радиочастотную мощность, генерация которой обеспечивается устройством 1. Между нагрузкой 11 и выводом 4 сумматора мощности 2 посредством электрического соединения подключается направленный ответвитель 8, который содержится на выходной линии передач 6'. Прямой сигнал 10 направленного ответвителя 8 передается при помощи электрического соединения между направленным ответвителем 8 и амплитудным ADC и/или фазным ТОС детектором 9. Детектор измеряет амплитуду ADC и/или фазу ТОС радиочастотного сигнала вместе или по отдельности, при этом радиочастотный сигнал подается как выходной сигнал сумматора мощности 2. Значение амплитуды ADC и фазы ТОС сохраняется в устройстве, например в системе EPROM, которая содержится в устройстве управления, и используется для корректировки значений амплитуды A и фазы Ψ каждого модуля 5, с целью получения максимального уровня выходной радиочастотной мощности на сумматоре мощности 2 у устройства 1 соответственно.
i
i
Сумматор мощности 2 действует таким образом, что достигается минимальный уровень отражения сигналов от вводов 3 и максимальный уровень мощности на выходе 4 при условии, что все входные сигналы имеют одинаковую амплитуду и фазу. Линии передачи 6, отходящие от различных модулей усилителя мощности 5, в силу того, что они могут избираться произвольно, могут привносить различные амплитудные затухания ΔA и сдвиги фаз ΔΨ соответствующего входного сигнала сумматора мощности 2.
Если в качестве опорного радиочастотного модуля 5 выбран модуль с номеров j, при этом j меньше или равен общему значению N всех модулей 5 и больше или равен 1 (1≤j≤N), а все остальные модули 5 имеют соответствующие номера i, не равные j (i≠j), где i меньше или равно общему значению N всех модулей 5 и больше или равно 1 (1≤i≤N), в этом случае все модули с номером i подлежат конфигурированию по амплитуде и фазе.
k
k
Это означает, что для всех остальных модулей 5, кроме опорного модуля 5, должны быть скорректированы/изменены значения амплитуды A и фазы Ψ.
k
k
i
i
i
i
В соответствии с требованием равенства всех сигналов, т.е. сигналы от всех модулей 5 должны быть равны по амплитуде A и фазе Ψ на соответствующем входе сумматора мощности 2 с целью достижения максимального уровня выходной мощности на сумматоре мощности 2, и/или в целях достижения нормальной работы системы, амплитуды A и фазы Ψ всех модулей радиочастотного усилителя 5 (модуль i, 1≤i≤N, i≠j) должны быть скорректированы по уровню амплитудного затухания ΔA и сдвигу фаз ΔΨ с учетом показателей опорного радиочастотного модуля 5 (модуль j).
k
k
k
k
k
k
Для измерения амплитуды A и фазы Ψ индивидуальных модулей 5 с детектором 9 на выходе прямого сигнала 10 направленного ответвителя 8, подключенного посредством электрического соединения к выходу 4 сумматора мощности 2, используются радиочастотные переключатели 7. Для измерения амплитуды A и фазы Ψ индивидуальных модулей 5 на выходе сумматора мощности 2 необходим только один детектор 9, вследствие чего сокращаются затраты и упрощается структура устройства 1 по сравнению с устройством 1 с детекторами 9 на каждом отдельном входе 3 сумматора мощности 2 для измерения амплитуды A и фазы Ψ каждого отдельного модуля 5.
Радиочастотный сигнал проходит через радиочастотный переключатель в первом состоянии переключателя 7, во втором состоянии переключатель работает как произвольная нагрузка. Переключатель 7 может работать в двух состояниях: например, в одном в качестве открытого переключателя, а в другом в качестве нагрузки в 50 Ом. Радиочастотные переключатели 7 могут быть реализованы, например, в виде pin-диодов либо с помощью механических средств.
k
k
В целях максимального увеличения выходной радиочастотной мощности сумматора мощности 2, т.е. для выравнивания значений всех модулей 5 по амплитуде A и фазе Ψ, может быть включен опорный модуль 5 с номером j, другими словами он начнет генерировать сигнал. Соответствующий радиочастотный переключатель 7 такого модуля j находится в состоянии пропуска, то есть он открыт. Все прочие модули 5 (модуль i, 1≤i≤N, i≠j) выключены и все соответствующие радиочастотные переключатели 7 находятся в состоянии произвольной нагрузки, т.е. они закрыты.
DC
DC
k
k
j
j
Амплитудно-фазовый детектор (A и Ψ) 9, называемый также АФД, содержащийся в устройстве управления, для упрощения, неотображенного полностью на ФИГ. 1, измеряет значение амплитуды A и фазы Ψ «прямого» сигнала 10 от направленного ответвителя 5. В данном особом случае, детектор измеряет амплитуду A и фазу Ψ опорного модуля 5 с номером j.
j
j
Измеренные значения амплитуды A и фазы Ψ опорного модуля 5 с номером j сохраняются, например, в системе EPROM и/или компьютере, содержащихся в устройстве управления.
DC
DC
i
i
i
i
Та же самая процедура повторяется и в отношении остальных модулей 5. Модуль 5 под номером i может быть включен, т.е. он генерирует сигнал. Соответствующий радиочастотный переключатель 7 данного модуля i находится в состоянии пропуска, т.е. он открыт. Все прочие модули 5 выключены и все соответствующие радиочастотные переключатели 7 находятся в произвольном состоянии нагрузки, т.е. они закрыты. Амплитудно-фазовый детектор (A и Ψ) 9 измеряет значение амплитуды A и фазы Ψ «прямого» сигнала 10 от направленного ответвителя 5, т.е. от модуля 5 под номером i. Измеренные значения амплитуды A и фазы Ψ модуля 5 под номером i сохраняются.
k
k
i
i
j
j
После проведения измерений амплитуды A и фазы Ψ для всех N отдельных модулей 5 и сохранения всех полученных значений, для каждого отдельного модуля i рассчитываются значения затухания амплитуды ΔA и сдвига фаз ΔΨ, за исключением опорного модуля j. Значения рассчитываются как разница значения модуля j и значения модуля i для всех модулей радиочастотного усилителя i (1≤i≤N, i≠j). Значение затухания амплитуды ΔA и сдвига фаз ΔΨ для опорного модуля j принимаются как нулевые.
i
i
k
k
Значение затухания амплитуды ΔA и сдвига фаз ΔΨ применяется в качестве корректирующего сигнала к низкоуровневому входному сигналу в соответствующем радиочастотном модуле i. Для опорного модуля j не требуется никаких корректировок. Модули 5 используются в устройстве 1 во включенном состоянии с открытыми радиочастотными переключателями. В результате применяемых корректировок входа модулей 5 значения амплитуды A и фазы Ψ сигналов от всех N модулей 5 на входе 3 сумматора мощности 2 становятся одинаковыми. Выходная мощность сумматора мощности 2 доводится до максимально возможного уровня путем устранения, а соответственно минимизации разницы в сигналах на входах 3 сумматора мощности 2. Максимальная выходная мощность может быть использована электрическим потребителем 11.
k
k
k
k
k
k
Вышеописанные характеристики вариантов осуществления настоящего изобретения в соответствии с настоящим изобретением могут быть объединены друг с другом и/или могут быть объединены с вариантами осуществления, известными на современном техническом уровне. Например, описанные этапы метода, направленные на максимальное снижение потерь мощности в сумматоре мощности 2 могут быть применены в соответствии с изложенным порядком, либо в иной последовательности во времени. Калибровка сигналов на входах 3 сумматора мощности 2 может быть произведена на всех модулях 5 по произвольному, заранее установленному значению амплитуды A и фазы Ψ путем измерения всех значений для всех модулей 5 без использования значений опорного модуля j. Для расчета значения затухания амплитуды ΔA и сдвига фаз ΔΨ используется заранее установленное значение амплитуды A и фазы Ψ, и расчет производится в отношении всех модулей 5 с учетом соответствующих измеренных показателей.
Могут применяться различные виды переключателей 7, например простые электронные либо автоматизированные механические включатели/выключатели. Линии подключений 6, 6' могут, например, быть реализованы в виде монтажных соединений на печатных платах, металлических проводов и/или коаксиальных кабелей. Для линий передачи могут использоваться различные длины и габариты, такие как толщина. Может применяться более чем один сумматор мощности 2 и/или более чем один выход 4 с или без соответствующим образом подключенных детекторов 9. Выходная мощность может быть измерена, например, как часть полной выходной мощности сумматора мощности 2.
Преимуществом описанного устройства и метода согласно настоящему изобретению является то, что процесс балансировки амплитуды и фазы на входах сумматора мощности 3 может быть простым и быстрым. Проектирование независимой линии передачи, использование линий передач с различными характеристиками возможно, в частности, с линиями передач, которые различаются по длине, проводимости и/или поперечному сечению. Метод может осуществляться автоматически либо частично вручную. Весь метод также может быть осуществлен вручную, например, во время технического обслуживания, без применения каких-либо автоматизированных операций. Он может осуществляться во время производства устройства, после замены компонентов, таких как соединительные линии во время проведения технического обслуживания, либо по истечении, например, регулярных промежутков времени в целях корректировки, например, с учетом износа компонентов.
Перечень ссылочных обозначений
1 - устройство генерации высокой радиочастотной мощности
2 - сумматор мощности
3 - радиочастотный вход сумматора мощности
4 - радиочастотный выход сумматора мощности
5 - модуль усилителя мощности
6, 6' - линия передач
7 - радиочастотный переключатель
8 - направленный ответвитель
9 - амплитудно-фазовый детектор
10 - направление прямого сигнала
11 - нагрузка