ВОЛНОВОДНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ
WAVEGUIDE POWER AMPLIFIER

Изобретение относится к радиоэлектронной технике, а именно к СВЧ-усилителям, и может быть использовано в выходных цепях систем связи, РЭБ, РЛС.
Для увеличения выходной СВЧ-мощности усилителя применяют суммирование активных элементов-транзисторов или монолитных усилительных чипов в выходных каскадах усилителя. Суммирование осуществляют с помощью микрополосковых сумматоров, размещенных на плоскости. С ростом числа суммируемых элементов резко падает эффективность суммирования и сужается рабочая полоса усилителя.
В последнее время наметилась тенденция суммирования мощности усилителей в объеме волновода [1]. В этом случае интегральная схема СВЧ, включающая пассивные и активные элементы, крепится в продольном сечении волновода и согласуется с волноводом с помощью плавных или ступенчатых переходов на основе линий передачи типа finline или волноводно-щелевых линий [2]. При таком суммировании эффективность достигает более 70% при сохранении рабочей полосы усилителя
Для возможности суммирования усилителей, которые имеют микрополосковые СВЧ-вход и выход, в объеме волновода необходимо использовать волноводно-микрополосковый переход. Для такого перехода удобно использовать волноводно-щелевую линию типа finline с последующим переходом на микрополосковую линию.
Волноводно-щелевой переход типа fmline широко используется в различных СВЧ-устройствах, особенно в мм диапазоне. Известны конструкции СВЧ-усилителя [3], балансного смесителя [4] и СВЧ-модуля [5], в которых используется этот переход. Во всех этих конструкциях волновод разрезается на половинки. Волноводно-щелевой переход, изготовленный на диэлектрической подложке, помещается между двумя половинками волновода в середине его широкой стенки. При такой составной конструкции волноводного СВЧ-устройства неизбежны излучения в местах соединений половинок волновода, что приводит к нарушению радиогерметичности и ухудшению параметров.
В известной конструкции [6], принятой за прототип, суммированы восемь монолитных усилителей в диапазоне частот 8-11 ГГц с волноводно-щелевыми переходами типа fmline с последующим переходом на микрополосковую линию. Эффективность суммирования составляет 70%. Волновод разделен на отдельные части. Каждая часть представляет собой металлическую пластину, в которой с двух сторон выполнены продольные выемки, в которые вставлены диэлектрические пластины с напечатанными на них волноводно-щелевыми переходами. В центральной части пластины смонтированы параллельно два микрополосковых усилителя, а на входе и выходе усилителей - переходы с щелевой на микрополосковую линию. С двух сторон пластин через поперечные пазы подведено питание к усилителям. Четыре такие пластины с собранными переходами, усилителями и платами питания собираются в пакет, закрываются с двух сторон крышками и соединяются винтами.
В такой сборной конструкции волноводного усилителя предъявляются высокие требования к качеству поверхностей соединяемых между собой волноводных пластин. Кроме того, металлизированные поверхности волноводно-щелевой линии должны находится строго на одном уровне с металлической поверхностью волноводной пластины для обеспечения надежного СВЧ-контакта с волноводом. При соединении большого количества разнородных плоскостей (в данной конструкции 18) получение надежного СВЧ-контакта между ними является технически сложной проблемой. Эта проблема становится практически неразрешимой при создании аналогичной конструкции в мм - диапазоне, что приведет к возрастанию СВЧ-потерь в усилителе и нарушению его радиогерметичности.
Техническим результатом изобретения является увеличение радиогерметичности, увеличение развязки между выходом и входом волноводного усилителя мощности и упрощение его конструкции.
Предлагается конструкция волноводного усилителя мощности с волноводно-щелевыми микрополосковыми переходами, в котором суммируются выходные мощности нескольких усилителей, выполненных на микрополосковых платах.
Волновод выполнен целым, не разрезанным на части. Внутри волновода вдоль широких стенок симметрично с обеих сторон выполнены пазы. В пазы параллельно узкой стенке волновода вставлены четыре сборки. Каждая сборка содержит металлическое основание с выемками. В середине расположена поперечная выемка, а по краям расположены сквозные продольные выемки. Ширина каждой продольной выемки равна ширине узкой стенки волновода b. Плата усилителя закреплена в поперечной выемке. Диэлектрические подложки с волноводно-щелевыми и микрополосковыми линиями закреплены над продольными выемками на входе и выходе платы усилителя. При этом две сборки расположены в средней части волновода обратными сторонами плат усилителей друг к другу, так что расстояние между поверхностями их волноводно-щелевых линий L равно 1/7 ширины широкой стенки волновода а. Третья сборка, повернутая экранной стороной платы к первой сборке, и четвертая сборка, повернутая экранной стороной платы ко второй сборке, расположены от них на таком же расстоянии. На входе и выходе плат усилителей над микрополосковыми линиями перпендикулярно сборкам установлены экранирующие металлические пластины, в которых над микрополосковыми линиями выполнены прямоугольные отверстия. В узких стенках волновода над платами усилителей выполнены прямоугольные отверстия, обеспечивающие доступ к выводам питания плат. После подсоединения выводов питания плат к выводам питания усилителя, вмонтированным в широкие стенки волновода, прямоугольные отверстия в узких стенках закрываются крышками.
Для надежности СВЧ-контакта и надежности крепления сборки могут быть впаяны в пазы.
То, что в предлагаемой конструкции волновод выполнен целым, сборки закреплены в пазах и ширина сквозных продольных выемок в них равна ширине узкой стенки волновода, обеспечивает монолитную конструкцию с гладкими стенками внутри волновода. Обеспечен надежный СВЧ-контакт между металлизированными поверхностями волноводно-щелевой линии и волноводом. Таким образом, проблема СВЧ-соединения волноводно-щелевого перехода с волноводом решается в более упрощенной конструкции неразрезанного волновода, это приводит к увеличению радиогерметичности волноводного усилителя мощности.
Экранирующие металлические пластины с прямоугольными отверстиями над микрополосковыми линиями увеличивают развязку между входом и выходом волноводного усилителя.
То, что расстояние между поверхностями волноводно-щелевых линий расположенных рядом сборок равно 1/7 ширины широкой стенки волновода а, определено в результате электродинамического расчета из условий отсутствия взаимного влияния волноводно-щелевых микрополосковых переходов друг на друга и относительно равномерного деления СВЧ-мощности входного сигнала между платами усилителей. Равномерное деление входной СВЧ-мощности в принципе невозможно из-за неравномерного распределений электрического поля по ширине широкой стенки волновода. Поэтому необходимо выбрать допустимый критерий неравномерности деления. Нами выявлена приближенная зависимость величины неравномерности деления входной СВЧ-мощности от расстояния между сборками. Для 4-х сборок при величине неравномерности деления входной СВЧ-мощности равной 2 дБ зависимость выражена формулой
Различная величина входной СВЧ-мощности для средних и крайних плат усилителей 4-х сборок в 2 дБ несущественно влияет на режим их работы и не приводит к уменьшению выходной СВЧ-мощности волноводного усилителя.
По формуле (1) определено расстояние между сборками L=1/7a. Электродинамический расчет показал, что точность расчета L по формуле не хуже 5%. При L=1/7a влияние сборок друг на друга практически не происходит, что подтверждается расчетом КСВн. Уменьшение расстояния между сборками меньше, чем 1/7а приводит к заметному увеличению КСВн волноводного усилителя, что равносильно увеличению потерь СВЧ-мощности. Увеличение расстояния между сборками больше чем 1/7а приводит к еще большему увеличению неравномерности деления.
Предлагаемое расположение двух сборок в середине волновода экранными сторонами плат усилителей друг к другу позволяет максимально приблизить их друг к другу, что дает возможность увеличить количество сборок в волноводе. Кроме того, это облегчает доступ к платам усилителей при монтаже выводов питания.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 представлен предлагаемый волноводный усилитель мощности, где:
- волновод 1,
- пазы в стенках волновода 2,
- сборка 3,
- металлическое основание 4,
- диэлектрическая подложка 5 с волноводно-щелевыми и микрополосковыми линиями,
- плата микрополоскового усилителя 6,
- экранирующие металлические пластины 7,
- крышки 8,
- вводы питания 9,
- ширина широкой стенки волновода а,
- ширина узкой стенки волновода b,
- расстояние между сборками L.
На фиг.2 показана сборка 3, где:
- металлическое основание 4,
- диэлектрическая подложка 5 с волноводно-щелевыми и микрополосковыми линиями,
- плата микрополоскового усилителя 6,
- ширина сквозной продольной выемки b.
На фиг.3 показана электродинамическая модель, где:
- волновод 1,
- диэлектрическая подложка 5 с волноводно-щелевыми и микрополосковыми линиями,
- экранирующие металлические пластины 7,
- расстояние между поверхностями волноводно-щелевых микрополосковых переходов L.
Пример
Волноводный усилитель мощности 8 мм диапазона имеет волновод 1 сечением 7,2×3,4 мм. Внутри волновода 1 вдоль широких стенок симметрично с обеих сторон выполнены пазы 2, в которые запаяны четыре сборки 3. Каждая сборка выполнена на металлическом основании 4 толщиной 0,4 мм из сплава молибден-медь, покрытом золотом толщиной 5 мкм, имеющем выемки: в середине - поперечную и по краям - сквозные продольные, причем ширина сквозных продольных выемок равна ширине b узкой стенки волновода 1 и равна 3,4 мм. На диэлектрической подложке толщиной 0,13 мм двухсторонней металлизацией выполнены волноводно-щелевые и микрополосковые линии, которые образуют волноводно-щелевой микрополосковый переход 5. Плата усилителя 6 изготовлена по тонкопленочной технологии на сапфировой подложке толщиной 0,25 мм, с усилителем, имеющим выходную мощность в 8 мм диапазоне 50 мВт. Плата усилителя 6 закреплена токопроводящим клеем в поперечной выемке, а волноводно-щелевые микрополосковые переходы 5 закреплены токопроводящим клеем над продольными выемками. Ширина широкой стенки волновода а=7,2 мм. Две сборки 3 размещены в средней части волновода 1 экранными сторонами плат друг к другу на расстоянии между поверхностями волноводно-щелевых линий этих сборок L=1,03 мм. Третья сборка 3 повернута экранной стороной платы к первой, а четвертая сборка 3 - ко второй, и каждая расположена от предыдущей на расстоянии L=1,03 мм между поверхностями их волноводно-щелевых линий. Экранирующие пластины 7 толщиной 0,5 мм установлены перпендикулярно сборкам 3 на входе и выходе плат усилителей 6 над микрополосковыми линиями. В каждой экранирующей пластине 7 над микрополосковыми линиями выполнено прямоугольное отверстие шириной 1 мм и высотой 0,5 мм. Над платами усилителей 6 в узких стенках волновода 1 выполнены прямоугольные отверстия, обеспечивающие доступ к выводам плат усилителей. Выводы питания 9 впаяны в широкие стенки волновода 1.
Прямоугольные отверстия в узких стенках волновода 1 закрыты крышками 8.
Волноводный усилитель работает следующим образом. На вход волноводного усилителя мощности подается СВЧ-сигнал. СВЧ-поле входного сигнала возбуждает антенны, которыми являются волноводно-щелевые и микрополосковые линии 5 на входе плат усилителей 6. Далее входной СВЧ-сигнал распространяется в волноводно-щелевых линиях 5 и попадает на микрополосковые линии на вход плат усилителей 6. На выходе плат усилителей 6 усиленный СВЧ-сигнал через микрополосковые и волноводно-щелевые линии 5 излучается в объем волновода 1. На выходе волноводного усилителя мощности СВЧ-мощность всех усилителей суммируется. Экранирующие пластины 7 препятствуют отраженному от выхода волноводного усилителя мощности СВЧ-сигналу проникать на его вход, что увеличивает развязку между входом и выходом волноводного усилителя мощности.
Электродинамическая модель, по которой производился расчет (фиг.3) содержит в волноводе 1 четыре диэлектрические подложки 5 с волноводно-щелевыми и микрополосковыми линиями и экранирующие металлические пластины 7, установленные перпендикулярно подложкам 5 над микрополосковыми линиями. Расстояние между поверхностями волноводно-щелевых линий рядом стоящих подложек 5 равно L. Расчет проводился для одной диэлектрической подложки 5 с волноводно-щелевыми и микрополосковыми линиями и для четырех диэлектрических подложек 5 с волноводно-щелевыми и микрополосковыми линиями. Расстояние L менялось. В расчете определялись коэффициент передачи и КСВн. В результате расчета было определено расстояние между поверхностями рядом стоящих переходов b=1,03 мм. При этом расстоянии коэффициент передачи и КСВн для четырех подложек 5 практически не увеличивались и были равны коэффициенту передачи и КСВн для одной диэлектрической подложки 5 с волноводно-щелевыми и микрополосковыми линиями. Эти параметры в диапазоне частот 33-40 ГГц составили: коэффициент передачи не менее - 0,5 дБ и КСВн не более 1,7. То есть для четырех диэлектрических подложек 5 с волноводно-щелевыми и микрополосковыми линиями и для одной диэлектрической подложки 5 с волноводно-щелевыми и микрополосковыми линиями параметры практически одинаковы, а следовательно, взаимное влияние 4-х диэлектрических подложек 5 с волноводно-щелевыми и микрополосковыми линиями отсутствует при условии, что расстояние L=1/7 а, где а - ширина широкой стенки волновода. Кроме того, в соответствии с электродинамическим расчетом величина неравномерного деления входной СВЧ-мощности между центральными и крайними сборками при L=1,03 мм не превысила 2 дБ в диапазоне частот 33-40 ГГц, что подтвердило точность расчета этой величины по формуле (1).
Выходная мощность волноводного усилителя, в котором суммировалась мощность четерех сборок 3 с усилителями, имеющими выходную мощность в 8 мм диапазоне 50 мВт, составила 150 мВт, что соответствует 75% эффективности суммирования. Радиогерметичность такого усилителя составила не менее чем 60 дБ. Развязка между выходом и входом волноводного усилителя с экранирующими пластинами на 2 дБ больше, чем волноводного усилителя без экранирующих пластин.
Таким образом, предлагаемый волноводный усилитель мощности имеет простую конструкцию, увеличенную радиогерметичность и увеличенную развязку между входом и выходом усилителя.
Источники информации
[1]. Waveguide-based spatial power combining array and method for using the same, U.S. Patent 5 736908, April, 1998.
[2]. H. Hofmann, H. Meinel, В. Adalseek, New Integrated mm-Wave component Using Finline, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Int. Microwave Symp., 1978, pp.21-23.
[3]. Усилитель, Авторское свидетельство №1478293.
[4]. Балансный смеситель, Патент РФ №2034394.
[5]. Р.А.Амирян, В.И.Криворучко, П.В.Куприянов, А.А.Негирев, Гибридно-интегральные приемные модули 3-мм диапазона, Электронная Техника, сер. Электроника СВЧ, вып.2(436), 1991.
[6]. N.Cheng, A.Alexanian, M.Case, D.Rensch, R.York, 40-W CW Broad-Band Spatial Power Combiner Using Dense Finline Arrays, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol/47, no7, July 1999, pp 1070-1076.