ИМПУЛЬСНЫЙ ТРЕХКАСКАДНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ СВЧ
PULSE THREE-STAGE MICROWAVE POWER AMPLIFIER

Изобретение относится к электронной технике СВЧ и может быть использовано преимущественно в качестве многокаскадных передатчиков повышенной мощности радиолокационных станций обнаружения и целеуказания, а также в системах радиопротиводействия, в высокочастотных системах резонансных ускорителей заряженных частиц, в установках СВЧ нагрева.
В науке и технике известен аналог усилитель мощности СВЧ на амплитронах, применяемый преимущественно в усилительных цепочках многокаскадных передатчиков РЛС обнаружения с использованием ферритового вентиля для развязки амплитронов. Причем в выходных каскадах используют, как правило, последовательную работу двух амплитронов [Верещагин Е.М. Модуляция в генераторах СВЧ. - М.: Советское радио. 1972. 304 с. С. 237-239, 261, 262].
Недостаток амплитронов состоит в низком коэффициенте усиления сигналов СВЧ по мощности - порядка 10…15 дБ при полосе рабочих частот до 10% [Верещагин Е.М. Модуляция в генераторах СВЧ. - М.: Советское радио. 1972. 304 с. С. 254]. С целью обеспечения необходимого усиления сигналов СВЧ по мощности применяют последовательное включение двух амплитронов. Этим и объясняется необходимость двухкаскадного построения на амплитронах выходной части многокаскадного передатчика повышенной мощности РЛС обнаружения и целеуказания.
Недостатки и особенности функционирования амплитронов заключаются в следующем. Амплитрон в отсутствие модулирующего импульса (анодного питания) пропускает на выход сигналы СВЧ, поступившие на его вход. С целью исключения прямого прохождения сигналов СВЧ через амплитрон в антенно-волноводный тракт или на вход следующего каскада усиления на амплитроне в предыдущем усилительном каскаде на амплитроне также осуществляется импульсная модуляция.
Амплитрон с включенным анодным питанием, но при отсутствие сигналов СВЧ на входе, генерирует шумовые колебания. Шумовая генерация амплитрона подавляется предварительной подачей сигналов СВЧ на вход амплитрона, упреждающей поступление на амплитрон модулирующего импульса. С этой целью используется специальная схема управления, которая запускает модулятор амплитрона после подачи на вход амплитрона сигналов СВЧ.
Усиление импульсных сигналов СВЧ амплитронами сопровождается задержкой во времени и искажениями. Указанные явления ограничиваются применением ферритовых вентилей, пропускающих только прямые сигналы СВЧ с затуханием 0,5 дБ (затухание для обратных сигналов порядка 20 дБ), и уменьшением ширины спектра сигналов в предыдущих каскадах усиления. Сужение спектра сигналов СВЧ достигается увеличением длительности модулирующих импульсов в предварительных каскадах усиления. Таким образом, анодное питание каждого амплитрона обеспечивается своим импульсным модулятором [Верещагин Е.М. Модуляция в генераторах СВЧ. - М.: Советское радио. 1972. 304 с. С. 261-263].
К недостаткам функционирования последовательно включенных двух амплитронов относится также необходимость юстировки амплитронов при их замене, большие веса и габариты амплитронов, необходимость в сложной системе охлаждения, большая стоимость приборов, ухудшение энергетических параметров амплитронов с ростом рабочей частоты. Амплитроны относятся к электровакуумным приборам СВЧ магнетронного типа, конкретно к приборам с эмитирующим отрицательным электродом и замкнутым электронным потоком, работающим на обратной волне. Амплитроны характеризуются коэффициентом полезного действия (КПД) в дециметровом диапазоне частот до 90%, на частоте 3 ГГц - до 80%, на частоте 10 ГГц - до 53%, на частоте 17 ГГц - до 30% [Кукарин С.В. Электронные СВЧ приборы. - М.: Радио и связь. 1981. 272 с. С. 28, 59]. С ростом рабочей частоты ухудшаются энергетические параметры амплитронов и прежде всего КПД. Поэтому актуально повышение КПД, что в свою очередь способствует:
- облегчению теплового режима;
- повышению надежности амплитрона;
- упрощению и (или) удешевлению системы охлаждения;
- уменьшению массогабаритных характеристик.
Известен следующий аналог импульсный двухкаскадный моноблочный усилитель мощности СВЧ на амплитронах (патент на полезную модель RU 135203 U1, опубл. 27.11.2013), достоинствами которого являются моноблочная конструкция двухкаскадного усилителя мощности СВЧ на амплитронах с общей магнитной системой, повышенные значения КПД и выходной мощности, уменьшенные массогабаритные характеристики.
Недостатком аналога является необходимость в предварительном каскаде усиления мощности СВЧ, поскольку нормальная работа амплитрона возможна только с определенного значения мощности возбуждения. При недостаточном возбуждении имеет место появление нежелательных видов колебаний, а также снижение выходной мощности амплитрона.
Известен аналог трехкаскадный усилитель мощности на лампе бегущей волны (ЛБВ) и двух амплитронах (Панин В., Ковалев В. Корабельная многофункциональная РЛС обнаружения и целеуказания. //Военный парад. №2 (44). 2001. С. 36), обеспечивающий повышенную мощность многокаскадного передатчика и соответственно большую дальность обнаружения воздушных целей.
К недостаткам аналога можно отнести значительные массогабаритные характеристики, неравномерность частотной характеристики лампы бегущей волны и зависимость фазового сдвига ЛБВ в том числе от частоты, что приводит к искажению сигналов с широким спектром, снижение энергетических параметров, таких как КПД, выходная мощность с ростом рабочей частоты, высокие питающие напряжения и токи, большое энергопотребление, необходимость в мощной системе охлаждения.
Известен аналог трехкаскадный усилитель мощности, состоящий из первого, второго и выходного каскадов усилителя мощности, устройств энергопитания первого, второго и выходного каскадов, являющийся многокаскадным передатчиком РЛС Фрегат - МАЭ-2 или многокаскадным передатчиком одной из частотных литер РЛС Фрегат - МАЭ-5, Фрегат - М2ЭМ (Морская радиоэлектроника: Справочник. /Соловьев П.В., Корольков Г.Н., Бараненко А.А. и др. Под ред. В.А. Кравченко. - Санкт-Петербург: Политехника. 2003. С.40).
Аналог характеризуется теми же недостатками, что и предыдущий аналог. Данный аналог выбран в качестве прототипа.
Технической задачей заявленного изобретения является разработка нового импульсного трехкаскадного усилителя мощности СВЧ, конструктивные и функциональные особенности которого позволяют реализовать в первом каскаде широкополосный твердотельный (транзисторный) усилитель мощности СВЧ, а в выходных каскадах моноблочную конструкцию двухкаскадного усилителя мощности СВЧ на амплитронах, повысить КПД, выходную мощность, надежность и устойчивость в работе, уменьшить массогабаритные характеристики и снизить энергопотребление.
Реализация указанной технической задачи заявленным изобретением обеспечивает следующий технический результат, являющийся суммой полученных технических эффектов:
- первый каскад заявленного устройства выполнен на широкополосном твердотельном (транзисторном) усилителе мощности СВЧ и обеспечивает нормальную работу амплитрона второго каскада за счет создания определенного значения мощности возбуждения на входе амплитрона второго каскада заявленного устройства;
- широкополосный твердотельный (транзисторный) усилитель мощности СВЧ отличается повышенной надежностью и устойчивостью в работе, характеризуется меньшими массогабаритными характеристиками и сниженным энергопотреблением;
- применение двухкаскадного моноблочного усилителя мощности СВЧ на амплитронах в качестве второго и выходного каскадов заявленного устройства позволяет реализовать моноблочную конструкцию двухкаскадного усилителя мощности СВЧ на амплитронах в импульсном трехкаскадном усилителе мощности СВЧ;
- функциональная связь между первым каскадом трехкаскадного усилителя мощности и амплитроном двухкаскадного моноблочного усилителя мощности СВЧ на амплитронах, используемого в качестве второго каскада трехкаскадного усилителя мощности, осуществляется посредством коаксиально-волноводного перехода и ферритового вентиля и обеспечивает последовательную работу первого и второго каскадов усилителя мощности;
- моноблочная конструкция двухкаскадного усилителя мощности СВЧ на амплитронах с общей магнитной системой устраняет необходимость юстировки амплитронов при их замене и обеспечивает максимальные значения КПД и повышенную выходную мощность амплитронов второго и выходного каскадов усилителя мощности и в целом трехкаскадного усилителя мощности;
- выход амплитрона двухкаскадного моноблочного усилителя мощности СВЧ на амплитронах, используемого в качестве выходного каскада трехкаскадного усилителя мощности, является выходом трехкаскадного усилителя мощности.
Для достижения указанного технического результата предложен «Импульсный трехкаскадный усилитель мощности СВЧ», содержащий первый, второй и выходной каскады усилителя мощности, устройства электропитания первого, второго и выходного каскадов, отличающийся тем, что первый каскад усилителя мощности конструктивно выполнен в виде широкополосного твердотельного (транзисторного) усилителя мощности СВЧ, а второй и выходной каскады усилителя мощности конструктивно выполнены в виде импульсного двухкаскадного моноблочного усилителя мощности СВЧ на амплитронах.
Принципиальным отличием предлагаемого устройства от прототипа является то, что первый каскад усилителя мощности конструктивно выполнен в виде широкополосного твердотельного (транзисторного) усилителя мощности СВЧ, а второй и выходной каскады усилителя мощности конструктивно выполнены в виде импульсного двухкаскадного моноблочного усилителя мощности СВЧ на амплитронах.
Такое взаимное расположение конструктивных элементов и их взаимосвязь необходимы для реализации качественно новой конструкции трехкаскадного усилителя мощности, повышения его КПД, выходной мощности, надежности и устойчивости в работе, уменьшения массогабаритных характеристик и снижения энергопотребления.
Сущность изобретения поясняется чертежом.
На чертеже представлен импульсный трехкаскадный усилитель мощности СВЧ, функциональная схема:
1 - первый каскад усилителя мощности;
2 - коаксиально-волноводный переход;
3 - ферритовый вентиль;
4 - импульсный двухкаскадный моноблочный усилитель мощности СВЧ на амплитронах;
4.1 - второй каскад усилителя мощности на амплитроне;
4.2 - ферритовый вентиль;
4.3 - выходной каскад усилителя мощности на амплитроне;
5 - устройство электропитания первого каскада (УЭП-1);
6 - устройство электропитания второго каскада (УЭП-2);
7 - устройство электропитания выходного каскада (УЭП-3);
8 - схема управления (СУ).
Первый каскад усилителя мощности 1 (фиг. 1) на широкополосном твердотельном (транзисторном) усилителе мощности СВЧ функционально связан с импульсным двухкаскадным моноблочным усилителем мощности СВЧ на амплитронах 4 (фиг. 1) через коаксиально-волноводный переход 2 (фиг. 1) и ферритовый вентиль 3 (фиг. 1).
Электропитание первого каскада усилителя мощности 1 (фиг. 1) осуществляется от устройства электропитания первого каскада 5 (УЭП-1) (фиг. 1).
Второй каскад усилителя мощности на амплитроне 4.1 (фиг. 1) является амплитроном двухкаскадного моноблочного усилителя мощности СВЧ на амплитронах 4 (фиг. 1). Функциональная связь между первым каскадом усилителя мощности 1 (фиг. 1) и вторым каскадом усилителя мощности на амплитроне 4.1 (фиг. 1) осуществляется посредством коаксиально-волноводного перехода 2 (фиг. 1) и ферритового вентиля 3 (фиг. 1) и обеспечивает последовательную работу первого и второго каскадов усилителя мощности.
Электропитание второго каскада усилителя мощности на амплитроне 4.1 (фиг. 1) осуществляется от устройства электропитания второго каскада 6 (УЭП-2) (фиг. 1).
Выходной каскад усилителя мощности на амплитроне 4.3 (фиг. 1) является амплитроном двухкаскадного моноблочного усилителя мощности СВЧ на амплитронах 4 (фиг. 1). Функциональная связь между вторым каскадом усилителя мощности на амплитроне 4.1 (фиг. 1) и выходным каскадом усилителя мощности на амплитроне 4.3 (фиг. 1) осуществляется посредством ферритового вентиля 4.2 (фиг. 1) и обеспечивает последовательную работу второго 4.1 (фиг. 1) и выходного 4.3 (фиг. 1) каскадов усилителя мощности. Выход выходного каскада усилителя мощности на амплитроне 4.3 (фиг. 1) является выходом трехкаскадного усилителя мощности.
Электропитание выходного каскада усилителя мощности на амплитроне 4.3 (фиг. 1) осуществляется от устройства электропитания выходного каскада 7 (УЭП-3) (фиг. 1).
Схема управления (СУ) 8 (фиг. 1) предназначена для управления работой устройства электропитания второго каскада 6 (УЭП-2) (фиг. 1) и устройства электропитания выходного каскада 7 (УЭП-3) (фиг. 1).
На схему управления (СУ) 8 (фиг. 1) ответвляется небольшая часть сигнала СВЧ, проходящего через ферритовый вентиль 3 (фиг. 1) от первого каскада усилителя мощности 1 (фиг. 1) ко второму каскаду усилителя мощности на амплитроне 4.1 (фиг. 1), а также небольшая часть сигнала СВЧ, проходящего через ферритовый вентиль 4.2 (фиг. 1) от второго каскада усилителя мощности на амплитроне 4.1 (фиг. 1) к выходному каскаду усилителя мощности на амплитроне 4.3 (фиг. 1).
Схема управления 8 (фиг. 1) запускает устройство электропитания второго каскада 6 (УЭП-2) (фиг. 1) после подачи на вход второго каскада усилителя мощности на амплитроне 4.1 (фиг. 1) сигналов СВЧ.
Схема управления 8 (фиг. 1) запускает устройство электропитания выходного каскада 7 (УЭП-3) (фиг. 1) после подачи на вход выходного каскада усилителя мощности на амплитроне 4.3 (фиг. 1) сигналов СВЧ.
Устройство работает следующим образом.
Импульсный трехкаскадный усилитель мощности СВЧ предназначен для усиления сигналов СВЧ и может быть использован в качестве многокаскадного передатчика повышенной мощности радиолокационной станции обнаружения и целеуказания.
Одновременно с подачей сигнала СВЧ на вход первого каскада усилителя мощности 1 (фиг. 1), на устройства электропитания первого 5 (УЭП-1) (фиг. 1), второго 6 (УЭП-2) (фиг. 1) и выходного 7 (УЭП-3) (фиг. 1) каскадов поступают импульсы запуска передатчика. При этом срабатывает только устройство электропитания первого 5 (УЭП-1) каскада (фиг. 1), напряжение питания которого подается на первый каскад усилителя мощности 1 (фиг. 1).
Усиленные сигналы СВЧ с выхода первого каскада усилителя мощности 1 (фиг. 1) подаются через коаксиально-волноводный переход 2 (фиг. 1) и ферритовый вентиль 3 (фиг. 1) на вход второго каскада усилителя мощности на амплитроне 4.1 (фиг. 1), упреждая поступление на второй каскад усилителя мощности на амплитроне 4.1 (фиг. 1) модулирующего импульса от устройства электропитания второго каскада 6 (УЭП-2) (фиг. 1). При этом на схему управления (СУ) 8 (фиг. 1) ответвляется небольшая часть сигнала СВЧ, проходящего через ферритовый вентиль 3 (фиг. 1) от первого каскада усилителя мощности 1 (фиг. 1) ко второму каскаду усилителя мощности на амплитроне 4.1 (фиг. 1).
Схема управления 8 (фиг. 1) запускает устройство электропитания второго каскада 6 (УЭП-2) (фиг. 1) после подачи на вход второго каскада усилителя мощности на амплитроне 4.1 (фиг. 1) сигнала СВЧ от ферритового вентиля 3 (фиг. 1). Устройство электропитания второго каскада 6 (УЭП-2) (фиг. 1) формирует модулирующий импульс, который подается на второй каскад усилителя мощности на амплитроне 4.1 (фиг. 1).
Усиленные сигналы СВЧ с выхода второго каскада усилителя мощности 4.1 (фиг. 1) подаются через ферритовый вентиль 4.2 (фиг. 1) на вход выходного каскада усилителя мощности на амплитроне 4.3 (фиг. 1), упреждая поступление на выходной каскад усилителя мощности на амплитроне 4.3 (фиг. 1) модулирующего импульса от устройства электропитания выходного каскада 7 (УЭП-3) (фиг. 1). При этом на схему управления (СУ) 8 (фиг. 1) ответвляется небольшая часть сигнала СВЧ, проходящего через ферритовый вентиль 4.2 (фиг. 1) от второго каскада усилителя мощности 4.1 (фиг. 1) к выходному каскаду усилителя мощности на амплитроне 4.3 (фиг. 1).
Схема управления 8 (фиг. 1) запускает устройство электропитания выходного каскада 7 (УЭП-3) (фиг. 1) после подачи на вход выходного каскада усилителя мощности на амплитроне 4.3 (фиг. 1) сигнала СВЧ от ферритового вентиля 4.2 (фиг. 1). Устройство электропитания выходного каскада 7 (УЭП-3) (фиг. 1) формирует модулирующий импульс, который подается на выходной каскад усилителя мощности на амплитроне 4.3 (фиг. 1).
Усиленные сигналы СВЧ с выхода выходного каскада усилителя мощности 4.3 (фиг. 1) подаются в антенно-волноводный тракт.
Выход выходного каскада усилителя мощности 4.3 (фиг. 1) является выходом импульсного трехкаскадного усилителя мощности СВЧ, усиленные сигналы СВЧ которого подаются в антенно-волноводный тракт РЛС.
Заявленное изобретение «Импульсный трехкаскадный усилитель мощности СВЧ» является новым, не использованным в науке и технике до даты приоритета заявленного изобретения, устройством для усиления сигналов СВЧ. Заявленное изобретение является устройством для усиления сигналов СВЧ с повышенными коэффициентом полезного действия, выходной мощностью, надежностью и устойчивостью в работе, уменьшенными массогабаритными характеристиками и сниженным энергопотреблением.
Заявленное устройство обладает следующими достоинствами:
- применение широкополосного твердотельного (транзисторного) усилителя мощности СВЧ в качестве первого каскада заявленного устройства обеспечивает нормальную работу амплитрона второго каскада за счет создания определенного значения мощности возбуждения на входе амплитрона второго каскада заявленного устройства, а также способствует повышению надежности и устойчивости в работе, уменьшению массогабаритных характеристик и снижению энергопотребления трехкаскадного усилителя мощности СВЧ;
- применение моноблочной конструкции двухкаскадного усилителя мощности СВЧ на амплитронах с общей магнитной системой в качестве второго и выходного каскадов заявленного устройства устраняет необходимость юстировки амплитронов при их замене и обеспечивает максимальные значения КПД и повышенную выходную мощность трехкаскадного усилителя мощности;
- функциональная связь между первым каскадом трехкаскадного усилителя мощности и амплитроном двухкаскадного моноблочного усилителя мощности СВЧ на амплитронах, используемого в качестве второго каскада трехкаскадного усилителя мощности, осуществляется посредством коаксиально-волноводного перехода и ферритового вентиля и обеспечивает последовательную работу первого и второго каскадов усилителя мощности;
- импульсный трехкаскадный усилитель мощности СВЧ обладает улучшенными энергетическими и качественными характеристиками и может быть использован в качестве многокаскадного передатчика повышенной мощности радиолокационной станции обнаружения и целеуказания.
Заявленное устройство промышленно применимо, так как для его реализации используются широко известные материалы и технологии производства амплитронов, ферритовых вентилей, коаксиально-волноводных переходов, волноводных секций обычной конструкции, устройств электропитания усилителей мощности СВЧ, элементная база и технологии изготовления широкополосных твердотельных (транзисторных) усилителей мощности СВЧ.