Твердотельный усилитель СВЧ с пространственным суммированием мощности

Полезная модель относится к радиотехнике, а именно к усилителям высокой частоты на полупроводниковых приборах, и может быть использована в радиопередающих устройствах сверхвысоких частот для современных радиотехнических систем связи, локации и навигации.
Современное состояние радиопередающих устройств характеризуется переходом от мощных электровакуумных приборов (магнетронов, амплитронов, клистронов и других устройств, требующих высокого напряжения питания, имеющих небольшой срок службы, большие габариты и массу, сложности в изготовлении и при эксплуатации) к твердотельным передатчикам. Однако процесс развития полупроводниковой техники в настоящее время не обеспечивает получение высоких уровней мощности в сверхвысокочастотном (СВЧ) диапазоне волн в одноканальных усилителях мощности. Требуемый уровень выходной мощности СВЧ-сигнала достигается суммированием мощности большого числа сравнительно маломощных транзисторных усилителей.
Известны устройства, основанные на способе суммирования мощности маломощных транзисторных усилителей при помощи микрополосковых бинарных сумматоров, в которых число каналов суммирования кратно двум.
Однако их существенным недостатком является рост потерь в микрополосковых линиях при увеличении числа суммируемых транзисторных усилителей. В известной технической литературе не рекомендуется суммировать мощность свыше шестнадцати транзисторных усилителей, по этой причине на одном кристалле за счет суммирования можно получить максимум десятикратное увеличение мощности отдельного суммируемого транзисторного усилителя.
Известны устройства, основанные на способе пространственного суммирования сигналов отдельных твердотельных усилителей (транзисторных усилителей на монолитных интегральных схемах). Пространственное суммирование, по сравнению со схемами суммирования на микрополосковых линиях передачи, позволяет снизить потери мощности. Средой, где происходит суммирование, в этом случае служит свободное пространство или воздушная среда внутри волновода. Активным компонентом является решетка, каждый элемент которой принимает сигнал, усиливает его и излучает в свободное пространство. Преимуществом таких устройств являются малые потери и большое количество суммируемых элементов по сравнению с планарными схемами суммирования. Способ пространственного сложения обеспечивает уникальное сочетание большой выходной мощности, высокой линейности и низких фазовых шумов [1 - Методы суммирования мощности в твердотельных СВЧ-усилителях // Новости СВЧ-техники, 2015, №9, с. 3-35].
Однако при практической реализации твердотельных усилителей СВЧ, построенных на основе пространственного суммирования мощности, возникают сложности, связанные с обеспечением необходимого температурного режима работы одиночных твердотельных усилителей. Надежность и выходная мощность твердотельного усилителя СВЧ значительно снижаются при повышении рабочей температуры. Известно, что при повышении температуры на каждые 10 градусов выходная мощность твердотельного усилителя СВЧ уменьшается на 5%, при этом срок службы устройства сокращается в два раза. Для отвода тепла обычно используются радиаторы с принудительным охлаждением, которые могут обладать достаточно большими размерами: такое решение может быть приемлемо для наземных станций, однако неприемлемо для бортовых систем [2 - Сечи Ф., Буджатти М. Мощные твердотельные СВЧ-усилители. // Litres, 2015].
Известен твердотельный усилитель мощности Х-диапазона [3 - патент RU №2343625 С1, МПК H03F 3/19, опубл. 10.01.2009], содержащий предварительный усилитель, микрополосковый делитель мощности на N каналов с элементами коррекции фазы, N канальных усилителей, волноводный сумматор, содержащий N волноводных ТЕМ-мостов (структура сумматора и волноводных ТЕМ-мостов в патенте не раскрыта), детектор.
m
Недостатками такого твердотельного усилителя мощности Х-диапазона являются затруднения в реализации N-канальных делителей и сумматоров при N, отличном от 2, значительное увеличение габаритов и массы волноводного сумматора, а также потерь в микрополосковом делителе при N>8.
Известен микрополосковый усилитель мощности в двух плоскостях [4 - патент US №6525610, МПК H03F 3/60, опубл. 25.02.2003], содержащий входной регулятор фазы, согласующее устройство, предварительный усилитель, микрополосковый делитель 1/N, N усилителей канала, микрополосковый сумматор N/1, выходной регулятор фазы.
Недостатками такого усилителя являются значительные потери мощности, обусловленные применением микрополоскового сумматора мощности, а также необходимость регулировки фазы не только во входной, но и в выходной цепи.
Важными элементами усилителей с пространственным суммированием мощности канальных твердотельных усилителей являются делители и сумматоры мощности. Известен сумматор мощности на конической радиальной линии с коаксиальным ступенчатым трансформатором [5 - D.I.L. de Villiers, P.W. vander Walt, P.Meyer, Design of a Ten-Way Conical Transmission Line Power Combiner, IEEE Trans, on Microwave Theory and Techniques, vol. MTT-55, NO. 2, February 2007, pp. 302-308], преимуществом которого перед коническим сумматором являются меньшие габариты и масса. Недостатком этой конструкции является то, что необходимое низкое значение волнового сопротивления достигается в ней с помощью коаксиального ступенчатого трансформатора, в результате чего переход с коаксиального трансформатора на радиальную линию содержит прямой угол металлической детали в воздушном зазоре 0,28 мм, что при достаточно большой мощности приводит к электрическому пробою. Следствием этого является невозможность ее использования в качестве сумматора и проблематичность ее использования в качестве делителя в усилителе большой мощности.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату к предлагаемому техническому решению (прототипом) является твердотельный усилитель СВЧ с пространственным суммированием мощности, построенный на широкополосном устройстве объединения мощности [6 - H.Javadi-Bakhsh, R. Faraji-Dana.A wide band twenty-element microwave spatial power combiner. // Scientia Iranica, 2014, №21(3), pp. 853-860]. Твердотельный усилитель СВЧ с пространственным суммированием мощности содержит входной плавный коаксиальный трансформатор сопротивлений, переходящий в коаксиальный волновод, в объеме между проводниками коаксиального волновода циклически симметрично вдоль радиусов коаксиального волновода расположены платы одиночных усилителей, каждая из которых содержит печатную приемную антенну на входе одиночного усилителя и передающую печатную антенну на выходе одиночного усилителя, а также выходной плавный коаксиальный трансформатор сопротивлений, включенный на выходе коаксиального волновода.
Основным недостатком прототипа является высокая тепловая нагрузка активных элементов. Платы одиночных усилителей располагаются вдоль радиусов коаксиального волновода, теплоотвод производится в направлении, касательном к плате, через тонкую стенку отсека, что приводит к ограничению максимального уровня выходной мощности каждого из одиночных усилителей и, как следствие, ограничивает максимальный уровень выходной мощности всего устройства. Кроме того, использование на входе усилителя плавного коаксиального трансформатора, аналогичного выходному, приводит к избыточным массе и габаритам усилителя.
Технической проблемой, на решение которой направлена настоящая полезная модель, является разработка твердотельного усилителя СВЧ с пространственным суммированием мощности с увеличенным уровнем выходной мощности. Конструкция прототипа не позволяет эффективно отводить тепло от плат одиночных усилителей, в виду этого активные элементы находятся под высокой тепловой нагрузкой, что в свою очередь ограничивает уровень выходной мощности устройства.
Для решения указанной технической проблемы предлагается твердотельный усилитель СВЧ с пространственным суммированием мощности, содержащий входной коаксиальный трансформатор сопротивлений, коаксиальный волновод, в котором расположены платы одиночных усилителей, выходной плавный коаксиальный трансформатор сопротивлений, включенный на выходе коаксиального волновода.
Согласно полезной модели введены радиальная коническая линия и диэлектрическая втулка, входной коаксиальный трансформатор сопротивлений выполнен ступенчатым и сочленен с радиальной конической линией посредством диэлектрической втулки, коаксиальный волновод выполнен сверхразмерным, радиальная коническая линия переходит в сверхразмерный коаксиальный волновод, в котором симметрично по окружности расположены N плат одиночных усилителей, каждая из N плат одиночных усилителей содержит волноводно-полосковый переход, подключенный к входу одиночного усилителя, и полосково-волноводный переход, подключенный к выходу одиночного усилителя, причем каждая из плат одиночных усилителей размещена на основании с высокой теплопроводностью, установленном на соответствующем участке внешнего проводника сверхразмерного коаксиального волновода.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявленное устройство отличается тем, что введены:
- радиальная коническая линия;
- диэлектрическая втулка;
изменены форма выполнения элемента и связи между элементами:
- входной коаксиальный трансформатор сопротивлений выполнен ступенчатым и сочленен с радиальной конической линией посредством диэлектрической втулки;
- радиальная коническая линия переходит в коаксиальный волновод, выполненный сверхразмерным;
- N плат одиночных усилителей, симметрично расположенных по окружности сверхразмерного коаксиального волновода, каждая из N плат одиночных усилителей включает волноводно-полосковый переход, подключенный к входу одиночного усилителя, и полосково-волноводный переход, подключенный к выходу одиночного усилителя;
изменено взаимное расположение элементов:
- платы одиночных усилителей размещены на основаниях с высокой теплопроводностью, установленных на соответствующих участках внешнего проводника сверхразмерного коаксиального волновода.
Техническим результатом предлагаемого твердотельного усилителя СВЧ с пространственным суммированием мощности является улучшение условий теплоотвода одиночных усилителей и, как следствие, увеличение уровня выходной мощности.
Сочетание отличительных признаков и свойств предложенного твердотельного усилителя СВЧ с пространственным суммированием мощности из доступной литературы не известны, следовательно, заявляемое устройство соответствует критерию «новизна».
Схематичное изображение твердотельного усилителя СВЧ с пространственным суммированием мощности в разрезе представлено на фигуре 1. Внешний вид изготовленного макета устройства твердотельного усилителя СВЧ с пространственным суммированием мощности показан на фигуре 2.
Твердотельный усилитель СВЧ с пространственным суммированием мощности содержит (фиг. 1) входной коаксиальный ступенчатый трансформатор сопротивлений 1, радиальную коническую линию 2, диэлектрическую втулку 3, установленную в месте сочленения входного коаксиального ступенчатого трансформатора сопротивлений 1 с радиальной конической линией 2, что обеспечивает исключение возможности электрического пробоя, сверхразмерный коаксиальный волновод 4, в который переходит радиальная коническая линия 2. В сверхразмерном коаксиальном волноводе 4 симметрично по окружности расположены N плат одиночных усилителей 6, каждая из которых размещена на основании с высокой теплопроводностью, установленном на соответствующем участке внешнего проводника сверхразмерного коаксиального волновода 4, с подключенным к входу одиночного усилителя 6 волноводно-полосковым переходом 5, а к выходу -полосково-волноводным переходом 7. Выход сверхразмерного коаксиального волновода 4 соединен с выходным плавным коаксиальным трансформатором сопротивлений 8.
Рассмотрим принцип работы предложенного твердотельного усилителя СВЧ с пространственным суммированием мощности.
От источника сигналов (на фиг. 1 не показан) сигнал поступает на вход твердотельного усилителя СВЧ с пространственным суммированием мощности: на входной коаксиальный ступенчатый трансформатор сопротивлений 1, сочлененный с радиальной конической линией 2 посредством диэлектрической втулки 3, что обеспечивает исключение возможности электрического пробоя, и далее - в сверхразмерный коаксиальный волновод 4. В результате происходит трансформация волнового сопротивления входного сигнала и его согласование с волновым сопротивлением сверхразмерного коаксиального волновода 4.
Далее сигнал передается посредством волноводно-полосковых переходов 5 на вход каждой из N плат одиночных усилителей 6, размещенных на основаниях с высокой теплопроводностью, установленных на соответствующих участках внешнего проводника сверхразмерного коаксиального волновода 4. Волноводно-полосковые переходы 5 служат для согласования волнового сопротивления сверхразмерного коаксиального волновода 4 с сопротивлением 50-омной полосковой линии каждой из N плат одиночных усилителей 6. Выделяемое платами одиночных усилителей 6 тепло передается на основания с высокой теплопроводностью, что позволяет снизить тепловую нагрузку на каждый из одиночных усилителей 6 и, как показано в [2], увеличить при фиксированной температуре выходную мощность. Усиленные сигналы выводятся в объем между проводниками сверхразмерного коаксиального волновода 4 посредством N полосково-волноводных переходов 7. Полосково-волноводные переходы 7 служат для согласования сопротивления 50-омной полосковой линии каждой из N плат одиночных усилителей 6 с волновым сопротивлением сверхразмерного коаксиального волновода 4. В объеме между проводниками сверхразмерного коаксиального волновода 4 происходит пространственное сложение усиленных сигналов. После этого просуммированный сигнал попадает в выходной плавный коаксиальный трансформатор сопротивлений 8, где происходит согласование волновых сопротивлений сверхразмерного коаксиального волновода 4 с волновым сопротивлением выхода твердотельного усилителя СВЧ с пространственным суммированием мощности.
Таким образом, в предложенном твердотельном усилителе СВЧ с пространственным суммированием мощности обеспечиваются улучшенные условия отвода тепла (за счет расположения плат одиночных усилителей 6 на внешнем проводнике сверхразмерного коаксиального волновода 4) и, как следствие, увеличение уровня выходной мощности. Кроме того, за счет использования на входе твердотельного усилителя СВЧ с пространственным суммированием мощности входного коаксиального ступенчатого трансформатора сопротивлений 1 с радиальной конической линией 2 и установленной в месте их сочленения диэлектрической втулкой 3 вместо плавного конического трансформатора, аналогичного плавному коаксиальному трансформатору сопротивлений 8, установленному на выходе усилителя, сокращены габариты и масса устройства.
На фигуре 2 представлен общий вид изготовленного макета твердотельного усилителя СВЧ с пространственным суммированием мощности, в котором используются 24 платы одиночных усилителей.
Разработанная конструкция позволяет использовать в усилительных ячейках микросхемы усилителей мощностью 50 Вт с расчетной выходной мощностью всего усилителя СВЧ с пространственным суммированием мощности до 1 кВт. Однако, из экономических соображений (стоимость микросхем превышает в 4 раза стоимость изготовления макета), макетирование производилось на существенно менее дорогостоящих микросхемах усилителей с выходной мощностью в режиме насыщения плюс 23 дБм. При этом решена основная задача - экспериментальная оценка потерь суммирования разработанной конструкции. Плата одиночного усилителя представляет собой микросборку на медном основании, на котором смонтирован кристалл и микроплата на диэлектрическом материале RO4003C толщиной 0,508 мм.
Каждая плата одиночного усилителя в специальном контактном устройстве предварительно настроена в рабочем диапазоне частот на минимум КСВН по входу. Выход платы одиночного усилителя согласован на максимум выходной мощности и дополнительная настройка не потребовалась. Амплитудная неидентичность плат одиночных усилителей не превышала ±0,5 дБ, фазовая - ±8° в рабочем диапазоне частот.
Конструкция макета позволяет устанавливать усилительные ячейки мощностью до 50 Вт и вентиляторы охлаждения, увеличив таким образом, без существенной доработки, выходную мощность всего усилителя примерно до 1 кВт.
Таким образом, технический результат от использования заявленного технического решения, по сравнению с аналогами и прототипом, заключается в улучшении условий теплоотвода одиночных усилителей, что позволяет использовать более мощные микросхемы усилителей и, как следствие, увеличить уровень выходной мощности. Кроме того, за счет использования входного коаксиального ступенчатого трансформатора сопротивлений 1 с радиальной конической линией 2 и установленной в месте их сочленения диэлектрической втулкой 3 сокращены габариты и масса твердотельного усилителя СВЧ с пространственным суммированием мощности.