УСИЛИТЕЛЬ СВЧ СИГНАЛА МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА
MILLIMETRE-WAVE MICROWAVE SIGNAL AMPLIFIER

Изобретение относится к радиотехнике и предназначено для усиления непрерывного сигнала восьмимиллиметрового диапазона длин волн в широкой полосе рабочих частот.
Известен регенеративный усилитель (Н.Д. Федоров ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ СВЧ И КВАНТОВЫЕ ПРИБОРЫ, - М., АТОМИЗДАТ, 1979 г., с.157-163). Источник сигнала и нагрузка включены в два плеча циркулятора. К третьему плечу присоединена колебательная система с лавинно-пролетным диодом, но данный усилитель не решает задачи обеспечения усиления сигнала миллиметрового диапазона в широкой полосе рабочих частот.
Из уровня техники известен микрополосковый мощный балансный усилитель СВЧ (патент RU №1840157, опубликовано 27.07.2006 г., МПК H03F 3/60), содержащий входной квадратурный мост, между выходами которого и входами выходного квадратурного моста включены каналы, каждый из которых включает усилительный элемент с согласующими цепями на входе и выходе, а также в него введены четыре фильтрующие цепи, каждая из которых выполнена в виде четвертьволнового на центральной частоте рабочего диапазона отрезка высокоомной линии передачи, одним концом подключенного к точке соединения разомкнутого на конце четвертьволнового на центральной частоте низкоомного отрезка, и резистора, подсоединенного через конденсатор к общей шине. При этом другой конец четвертьволнового отрезка высокоомной линии передачи подключен к точке соединения соответствующего вывода усилительного элемента с соответствующей согласующей цепью.
К недостаткам балансного усилителя СВЧ можно отнести невозможность реализации усилителей СВЧ с рабочими частотами, превышающими 34 ГГц, так как на этих частотах размеры мощных СВЧ транзисторов и даже размеры кристаллов таких транзисторов становятся сравнимыми с длиной волны СВЧ сигнала и он не обеспечивает усиление на восьмимиллиметровом диапазоне длин волн.
Наиболее близким к заявляемому по технической сущности является регенеративный усилитель на лавинно-пролетном диоде (А.С.Тагер Лавинно-пролетные диоды и их применение в технике СВЧ, М., Советское радио, 1968 г., с.413-418), представляющий собой СВЧ резонатор с установленным в нем ЛПД и включенный в высокочастотный тракт через циркулятор.
Недостатком данного регенеративного усилителя СВЧ является то, что он не обеспечивает стабильного усиления непрерывного сигнала восьмимиллиметрового диапазона длин волн в широкой полосе рабочих частот.
Анализ состояния разработок СВЧ усилителей восьмимиллиметрового диапазона длин волн показывает, что обеспечение повышения выходной мощности при одновременном росте рабочих частот СВЧ усилителей является одной из наиболее важных и сложных проблем современной СВЧ электроники.
Технический результат предлагаемого технического решения направлен на уменьшение габаритов и веса, обеспечение надежности и стабильности работы усилителя СВЧ сигнала в восьмимиллиметровом диапазоне в широкой полосе рабочих частот.
Технический результат достигается тем, что усилитель СВЧ сигнала миллиметрового диапазона содержит первый регенеративный усилитель, включающий СВЧ резонатор с лавинно-пролетным диодом (ЛПД) и циркулятор. При этом он отличается от прототипа тем, что содержит первый СВЧ коммутатор, а также второй регенеративный усилитель и третий регенеративный усилитель, аналогичные первому регенеративному усилителю, второй СВЧ коммутатор, устройство управления СВЧ коммутаторами, стабилизатор тока, устройство коммутации, устройство регулировки величины тока, волновод W1 подачи входного сигнала, волновод W2 для выходного сигнала, контакт разъема для подачи напряжения питания на устройство управления СВЧ коммутаторами, контакт разъема для подачи напряжения питания на источник тока, волноводное соединение W3, волноводное соединение W4, волноводное соединение W5, волноводное соединение W6, волноводное соединение W7, волноводное соединение W8.
При этом волновод W1 подачи входного сигнала соединен с входом первого СВЧ коммутатора. Первый выход первого СВЧ коммутатора через волноводное соединение W3 соединен с первым входом первого регенеративного усилителя, второй выход первого СВЧ коммутатора через волноводное соединение W4 соединен с первым входом второго регенеративного усилителя, третий выход первого СВЧ коммутатора через волноводное соединение W5 соединен с первым входом третьего регенеративного усилителя. Выход первого регенеративного усилителя через волноводное соединение W6 соединен с первым входом второго СВЧ коммутатора. Выход второго регенеративного усилителя через волноводное соединение W7 соединен со вторым входом второго СВЧ коммутатора, выход третьего регенеративного усилителя через волноводное соединение W8 соединен с третьим входом второго СВЧ коммутатора. Выход второго СВЧ коммутатора соединен с волноводом W2 для выходного сигнала. Контакт разъема для подачи напряжения питания на устройство управления СВЧ коммутаторами соединен с первым входом устройства управления СВЧ коммутаторами. Первый выход устройства управления СВЧ коммутаторами параллельно соединен со вторым входом первого СВЧ коммутатора и четвертым входом второго СВЧ коммутатора. Второй выход устройства управления СВЧ коммутаторами параллельно соединен с третьим входом первого СВЧ коммутатора и пятым входом второго СВЧ коммутатора. Третий выход устройства управления СВЧ коммутаторами параллельно соединен с четвертым входом первого СВЧ коммутатора и шестым входом второго СВЧ коммутатора. Четвертый выход устройства управления СВЧ коммутаторами параллельно соединен с пятым входом первого СВЧ коммутатора и с седьмым входом второго СВЧ коммутатора. Пятый выход устройства управления СВЧ коммутаторами соединен со вторым входом устройства коммутации. Контакт разъема для подачи напряжения питания на стабилизатор тока соединен с входом стабилизатора тока, выход стабилизатора тока соединен с первым входом устройства коммутации. Первый выход устройства коммутации соединен с первым входом устройства регулировки величины тока, второй выход устройства коммутации соединен со вторым входом устройства регулировки величины тока, третий выход устройства коммутации соединен с третьим входом устройства регулировки величины тока, четвертый выход устройства коммутации соединен со вторым входом устройства управления СВЧ коммутаторами. Первый выход устройства регулировки величины тока соединен со вторым входом первого регенеративного усилителя, второй выход устройства регулировки величины тока соединен со вторым входом второго регенеративного усилителя. Третий выход устройства регулировки величины тока соединен со вторым входом третьего регенеративного усилителя, четвертый выход устройства регулировки величины тока соединен со вторым входом стабилизатора тока. Первый вход первого регенеративного усилителя соединен с первым входом циркулятора, выход циркулятора соединен с выходом первого регенеративного усилителя. Второй вход регенеративного усилителя соединен с входом СВЧ резонатора, выход СВЧ резонатора соединен со вторым входом циркулятора.
На чертеже приведена структурная схема предлагаемого усилителя СВЧ сигнала миллиметрового диапазона, который содержит первый СВЧ коммутатор 1, первый регенеративный усилитель 2, второй регенеративный усилитель 3, третий регенеративный усилитель 4, второй СВЧ коммутатор 5, устройство управления СВЧ коммутаторами 6, стабилизатор тока 7, устройство коммутации 8, устройство регулировки величины тока 9, волновод W1 10 для подачи входного сигнала, волновод W2 11 для выходного сигнала, контакт разъема 12 для подачи напряжения питания на устройство управления СВЧ коммутаторами, контакт разъема 13 для подачи напряжения питания на источник тока, волноводное соединение W3 14, волноводное соединение W4 15, волноводное соединение W5 16, волноводное соединение W6 17, волноводное соединение W7 18, волноводное соединение W8 19. Причем первый регенеративный усилитель 2 включает СВЧ резонатор с лавинно-пролетным диодом 20 (ЛПД) и циркулятор 21.
При этом волновод W1 10 подачи входного сигнала соединен с входом первого СВЧ коммутатора 1. Первый выход первого СВЧ коммутатора 1 через волноводное соединение W3 14 соединен с первым входом первого регенеративного усилителя 2. Второй выход первого СВЧ коммутатора 1 через волноводное соединение W4 15 соединен с первым входом второго регенеративного усилителя 3. Третий выход первого СВЧ коммутатора 1 через волноводное соединение W5 16 соединен с первым входом третьего регенеративного усилителя 4. Выход первого регенеративного усилителя 2 через волноводное соединение W6 17 соединен с первым входом второго СВЧ коммутатора 5. Выход второго регенеративного усилителя 3 через волноводное соединение W7 18 соединен со вторым входом второго СВЧ коммутатора 5. Выход третьего регенеративного усилителя 4 через волноводное соединение W8 19 соединен с третьим входом второго СВЧ коммутатора 5. Выход второго СВЧ коммутатора 5 соединен с волноводом W2 1 для выходного сигнала. Контакт разъема 12 для подачи напряжения питания на устройство управления СВЧ коммутаторами соединен с первым входом устройства управления СВЧ коммутаторами 6. Первый выход устройства управления СВЧ коммутаторами 6 параллельно соединен со вторым входом первого СВЧ коммутатора 1 и четвертым входом второго СВЧ коммутатора 5. Второй выход устройства управления СВЧ коммутаторами 6 параллельно соединен с третьим входом первого СВЧ коммутатора 1 и пятым входом второго СВЧ коммутатора 5. Третий выход устройства управления СВЧ коммутаторами 6 параллельно соединен с четвертым входом первого СВЧ коммутатора 1 и шестым входом второго СВЧ коммутатора 5. Четвертый выход устройства управления СВЧ коммутаторами 6 параллельно соединен с пятым входом первого СВЧ коммутатора 1 и с седьмым входом второго СВЧ коммутатора 5. Пятый выход устройства управления СВЧ коммутаторами 6 соединен со вторым входом устройства коммутации 8. Контакт разъема 13 для подачи напряжения питания на источник тока соединен с первым входом стабилизатора тока 7. Выход стабилизатора тока 7 соединен с первым входом устройства коммутации 8. Первый выход устройства коммутации 8 соединен с первым входом устройства регулировки величины тока 9. Второй выход устройства коммутации 8 соединен со вторым входом устройства регулировки величины тока 9. Третий выход устройства коммутации 8 соединен с третьим входом устройства регулировки величины тока 9. Четвертый выход устройства коммутации 8 соединен со вторым входом устройства управления СВЧ коммутаторами 6. Первый выход устройства регулировки величины тока 9 соединен со вторым входом первого регенеративного усилителя 2. Второй выход устройства регулировки величины тока 9 соединен со вторым входом второго регенеративного усилителя 3. Третий выход устройства регулировки величины тока 9 соединен со вторым входом третьего регенеративного усилителя 4. Четвертый выход устройства регулировки величины тока 9 соединен со вторым входом стабилизатора тока 7. Первый вход первого регенеративного усилителя 2 соединен с первым входом циркулятора 20, выход циркулятора 20 соединен с выходом первого регенеративного усилителя 2. Второй вход первого регенеративного усилителя 2 соединен с входом СВЧ резонатора с лавинно-пролетным диодом 21, выход СВЧ резонатора с лавинно-пролетным диодом 21 соединен со вторым входом циркулятора 20. Структура и соединения во втором 3 и третьем 4 регенеративных усилителях аналогичны структуре и соединениям первого регенеративного усилителя 2.
Усилитель СВЧ сигнала миллиметрового диапазона работает следующим образом. Входной непрерывный СВЧ сигнал подают на волновод подачи входного сигнала W1 10. Усиление СВЧ колебаний происходит в регенеративном усилителе с помощью ЛПД. С целью получения устойчивого усиления колебаний в миллиметровом диапазоне волн ЛПД помещают в резонатор СВЧ, включают его в цепь постоянного тока и подбирают параметры и рабочую точку, чтобы активное сопротивление диода на постоянном токе и частотах ниже рабочей было положительным, а в рабочем диапазоне частот - отрицательным и превышало сопротивление потерь диода и высокочастотного контура (А.С.Тагер Лавинно-пролетные диоды и их применение в технике СВЧ. М., Советское радио, 1968 г., с.11-48, 374-408). Однако устойчивое усиление на одном диоде получается только в узком диапазоне миллиметровых длин волн, и на краях диапазона мощность в несколько раз уменьшается по сравнению с ее значением на центральной частоте (Вамберский М,В. Передающие устройства СВЧ. М., Высшая школа, 1984 г., с.287-295). Поэтому частотный диапазон (34,8-36,04) ГГц, в котором необходимо получить усиление, разбивается на три частотных поддиапазона и в каждом поддиапазоне устанавливается регенеративный усилитель. Каждый регенеративный усилитель состоит из СВЧ резонатора 21 и циркулятора 20. В СВЧ резонаторе находится бескорпусной полупроводниковый лавинно-пролетный диод СВЧ ЭлА759Б-4, питание на диод подается через фильтр нижних частот, ввод и вывод сигнала осуществляется через циркулятор (Вамберский М.В. Передающие устройства СВЧ. - М., Высшая школа, 1984 г., с.408-431), который обеспечивает оптимальную связь диода с нагрузкой (А.С.Тагер Лавинно-пролетные диоды и их применение в технике СВЧ. М., Советское радио, 1968 г., с.11-48, 408-418). Каждый регенеративный усилитель стабильно усиливает входной сигнал только в своем частотном поддиапазоне. Коммутацию регенеративных усилителей осуществляют первый 1 и второй 5 СВЧ коммутаторы. Управление первым 1 и вторым 5 СВЧ коммутаторами осуществляет устройство управления СВЧ коммутаторами 6. Стабилизатор тока 7 формирует необходимую величину постоянного тока, который поступает на устройство коммутации 8 и через устройство регулировки величины тока 9 подается на ЛПД в регенеративные усилители. В устройстве регулировки величины тока 9, состоящим из резисторных делителей, путем подбора номинала резисторов устанавливается значение постоянного тока, необходимое для ЛПД в заданном частотном поддиапазоне.
Устройство коммутации 8 выдает команду установки нужного поддиапазона, которая поступает в устройство управления СВЧ коммутаторами 6. Устройство управления СВЧ коммутаторами 6 преобразует эту команду в сигналы управления первым 1 и вторым 5 СВЧ коммутаторами. Согласно сигналам управления первый СВЧ коммутатор 1 пропускает входной СВЧ сигнал на регенеративный усилитель, частотный диапазон которого совпадает с частотным диапазоном входного СВЧ сигнала. При наличии сигналов управления второй СВЧ коммутатор 5 усиленный сигнал с выхода регенеративного усилителя пропускает на выходной волновод W2 11.
Первый СВЧ коммутатор 1 - это электромеханический коммутатор. Сигнал, поданный на вход, поступает по трем изменяемым при переключении волноводным каналам на выход с минимальными потерями.
Второй СВЧ коммутатор 5 тоже электромеханический коммутатор. Сигналы, поданные на вход по трем волноводным каналам, изменяемым при переключении, поступают на выход с минимальными потерями (Д.М.Сазонов Антенны и устройства СВЧ. М., Высшая школа, 1988 г., с.150-154, 166-180).
Стабилизатор тока выполнен на микросхеме 142ЕН12 (Дж. Кар Проектирование и изготовление электронной аппаратуры. М., Мир, 1980 г., с.312-316).
Устройство управления СВЧ коммутаторами 6 выполнено на двух реле типа РЭС48А, формирующих сигналы управления СВЧ коммутаторами.
Устройство коммутации 8 содержит переключатель ПГ3-ЗП6Н, с помощью которого происходит коммутация постоянного тока по команде с устройства управления СВЧ коммутаторами 6.
Улучшение технических параметров усилителя СВЧ сигнала миллиметрового диапазона осуществляется за счет параллельного включения регенеративных усилителей; установки величины тока индивидуально для каждого ЛПД регенеративного усилителя; применения СВЧ коммутаторов с потерями СВЧ энергии 0,3 дБ в диапазоне частот (34,8-36,04) ГГц и развязкой между входом и выходом не менее 40 дБ. Коэффициент усиления непрерывного сигнала средней мощностью 5 мВт в диапазоне частот (34,8-36,04) ГГц составляет 13дБ.
Предлагаемый усилитель СВЧ сигнала миллиметрового диапазона надежен в работе, имеет незначительные габариты и вес, позволяет обеспечить стабильную работу усилителя СВЧ сигнала в восьмимиллиметровом диапазоне длин волн в широкой полосе рабочих частот.