СПОСОБ УСИЛЕНИЯ МОЩНОСТИ РАДИОЧАСТОТНОГО СИГНАЛА
METHOD OF RADIO FREQUENCY SIGNAL POWER INCREASING

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано для усиления мощности радиочастотного сигнала в приемо-передающем СВЧ-модуле активной фазированной антенной решетки.
Известен способ усиления мощности радиочастотного сигнала в приемо-передающем СВЧ-модуле активной фазированной антенной решетки, включающем в себя, по меньшей мере, один приемо-передающий канал, содержащий приемный и передающий тракты, включающий подачу радиочастотного сигнала на вход передающего тракта, включающего в себя предварительный, промежуточный и выходной усилители мощности, содержащие транзисторы, работающие в режиме глубокого насыщения, и управление каждым из упомянутых усилителей мощности (см. US 5093667, H03F 3/68, 03.03.1992).
Известный способ принят в качестве ближайшего аналога заявленного способа.
Недостатки известного способа заключаются в низкой эффективности усиления мощности радиочастотного сигнала в силу отсутствия возможности обеспечения работы выходного усилителя с максимальным КПД.
Технической проблемой, решаемой настоящим изобретением, является создание способа усиления мощности радиочастотного сигнала в приемо-передающем СВЧ-модуле активной фазированной антенной решетки, в частности, используемой в радиолокационной станции, работающей в импульсном режиме, лишенного указанных недостатков.
В результате достигается технический результат, заключающийся в повышении эффективности усиления мощности радиочастотного сигнала и, как следствие, уменьшении энергопотребления и тепловых потерь.
Конкретно, технический результат достигается путем осуществления способа усиления мощности радиочастотного сигнала в приемо-передающем СВЧ-модуле активной фазированной антенной решетки, включающем в себя, по меньшей мере, один приемо-передающий канал, содержащий приемный и передающий тракты, включающего подачу радиочастотного сигнала на вход передающего тракта, включающего в себя, по меньшей мере, предварительный и выходной усилители мощности, содержащие транзисторы, работающие в режиме глубокого насыщения, и управление каждым из упомянутых усилителей мощности. Предварительно формируют калибровочную таблицу, отражающую зависимость между мощностью на выходе приемо-передающего канала и соответствующим напряжением питания каждого из упомянутых усилителей мощности. Напряжение питания выходного усилителя мощности выбирают из условия получения заданной мощности на выходе приемо-передающего канала, а напряжение питания предварительного усилителя мощности выбирают из условия получения максимального значения КПД выходного усилителя мощности. Затем на выходе приемо-передающего канала получают радиочастотный сигнал заданной мощности путем подачи на каждый из упомянутых усилителей мощности соответствующего напряжения питания, выбираемого в соответствии с упомянутой калибровочной таблицей.
Согласно частному варианту выполнения, упомянутая калибровочная таблица дополнительно отражает зависимость между напряжением питания каждого из упомянутых усилителей мощности и частотой радиочастотного сигнала и/или температурой в зоне усилителей мощности.
На фиг. 1 показано схематичное изображение приемо-передающего СВЧ-модуля в режиме калибровки, согласно частному варианту выполнения.
На фиг. 2 показано схематичное изображение приемо-передающего СВЧ-модуля в рабочем режиме, согласно частному варианту выполнения.
На фиг. 3 представлены экспериментальные зависимости выходной мощности усилителя мощности на базе транзистора IGN2932M75 на частоте 3 ГГц от входной мощности при различных значениях напряжения питания.
На фиг. 4 представлены экспериментальные зависимости выходной мощности усилителя мощности на базе транзистора IGN2932M75 на частоте 3 ГГц от напряжения питания при различных значениях входной мощности.
На фиг. 5 представлены экспериментальные зависимости КПД усилителя мощности на базе транзистора IGN2932M75 на частоте 3 ГГц от входной мощности при различных значениях напряжения питания.
Приемо-передающий СВЧ-модуль (далее - ППМ) активной фазированной антенной решетки, в частности радиолокационной станции, работающей в импульсном режиме, показанный на фиг. 1 и 2, содержит приемо-передающий канал I, включающий в себя передающий тракт II, содержащий соединенные последовательно фазовращатель 1, предварительный и выходной усилители мощности 2а и 2b и вентиль 3, расположенный между ними, и приемный тракт III, включающий в себя соединенные последовательно защитное устройство 4, малошумящий усилитель (МШУ) 5, вентиль 6, фазовращатель 7 и аттенюатор 8.
Предварительный и выходной усилители мощности 2а и 2b содержат транзисторы, работающие в режиме глубокого насыщения.
Приемо-передающий канал I также включает в себя циркуляторы 9 и 10, обеспечивающие разделение приемного (III) и передающего (II) трактов, и вентиль 11. Вход 9а циркулятора 9 соединен с выходом аттенюатора 8 (являющимся выходом приемного тракта III), а выход 9b соединен с входом фазовращателя 1 (являющимся входом передающего тракта II). Циркулятор 9, кроме этого, имеет вход-выход 9с, соединенный с СВЧ-соединителем 12, который, в свою очередь, соединен с устройством формирования и обработки радиочастотного сигнала 13.
Вход защитного устройства 4 (являющийся входом приемного тракта III) соединен с выходом вентиля 11, вход которого соединен с выходом 10b циркулятора 10, вход 10а которого соединен с выходом усилителя мощности 2b (являющимся выходом передающего тракта II). Циркулятор 10, кроме этого, имеет вход-выход 10с, соединенный с СВЧ-соединителем 14, который, в свою очередь, может быть соединен с излучателем 15.
В качестве СВЧ-соединителей 12 и 14 могут быть использованы участки СВЧ-линий (например, полосковых линий), неразрывно соединенные, например, путем сварки или пайки, или разъемные соединители (например, СВЧ-разъемы).
Кроме этого, ППМ содержит систему управления 16, управляемые источники питания 17а и 17b и модуляторы 18а и 18b, обеспечивающие режим импульсного питания. Один из входов каждого из модуляторов 18а и 18b соединен с выходом соответствующего управляемого источника питания 17а и 17b, другой вход соединен с одним из соответствующих выходов системы управления 16, а выход соединен с входом питания соответствующего усилителя мощности 2а и 2b.
Управляющий вход каждого из управляемых источников питания 17а и 17b соединен с соответствующим выходом системы управления 16. Каждый из управляемых источников питания 17а и 17b снабжен входом питания от внешнего источника питания (не показан).
В качестве каждого из управляемых источников питания 17а и 17b может быть использован управляемый преобразователь напряжения.
Система управления 16 выполнена с возможностью ввода информации о температуре t в зоне усилителей мощности (от датчика температуры 19) и имеет вход 16а для подсоединения устройства формирования и обработки радиочастотного сигнала 13 или калибровочного устройства 20 (в частности, для получения информации о частоте f радиочастотного сигнала).
Система управления 16, кроме этого, связана с запоминающим устройством 21, предназначенным для хранения данных калибровочной таблицы, отражающих зависимость между мощностью на выходе приемо-передающего канала I и напряжением питания каждого из усилителей мощности 2а и 2b.
Запоминающее устройство 21 также предназначено для хранения данных калибровочной таблицы, отражающих зависимость между напряжением питания каждого из усилителей мощности 2а и 2b и частотой радиочастотного сигнала и/или температурой в зоне усилителей мощности.
В общем случае в состав ППМ могут входить два и более одинаковых приемо-передающих канала. При этом система управления 16 и запоминающее устройство 21 могут являться общими для всех каналов ППМ.
Заявленный способ усиления мощности радиочастотного сигнала осуществляют следующим образом.
Предварительно производят калибровку ППМ при его работе на передачу (при помощи калибровочного устройства 20, подключаемого к ППМ через СВЧ-соединители 12 и 14).
Для каждого значения мощности на выходе приемо-передающего канала I подбирают соответствующее значение напряжения питания каждого из усилителей мощности 2а и 2b.
ВУМ
Напряжение питания выходного усилителя мощности 2b (обозначаемое U), подбирают из условия получения заданной мощности на выходе приемо-передающего канала I (исходя из зависимостей между параметрами типовых усилителей, содержащих транзисторы, работающие в режиме глубокого насыщения, показанных на фиг. 3 и 4 и раскрытых в патентном документе US 5093667 на фиг. 13).
ПУМ
ВУМ
ПУМ
ПУМ
ВУМ
Напряжение питания предварительного усилителя мощности 2а (обозначаемое U) подбирают из условия получения максимального значения КПД выходного усилителя мощности 2b (исходя из зависимостей между параметрами типовых усилителей, содержащих транзисторы, работающие в режиме глубокого насыщения, см. там же). Для каждого значения мощности на выходе приемо-передающего канала I (и соответствующему ему значения U) варьируют U с шагом, задаваемым калибровочным устройством 20. Затем для каждого значения U рассчитывают значение КПД выходного усилителя 2b (равное отношению значения выходной мощности выходного усилителя мощности 2b к значению мощности питания, подаваемой на выходной усилитель мощности 2b). При этом значение мощности питания, подаваемого на выходной усилитель мощности 2b, рассчитывают как произведение U и силы тока, потребляемого выходным усилителем мощности 2b.
ПУМ
ПУМ
Из полученного массива значений U и соответствующих им значений КПД выходного усилителя мощности 2b для каждого значения мощности на выходе приемо-передающего канала I выбирают посредством калибровочного устройства 20 такое значение U, которому соответствует максимальное значение КПД выходного усилителя 2b.
Формируют калибровочную таблицу, отражающую зависимость между мощностью на выходе приемо-передающего канала I и напряжением питания усилителя мощности 2а и между мощностью на выходе приемо-передающего канала I и напряжением питания усилителя мощности 2b, данные которой подают с калибровочного устройства 20 на вход 16а системы управления 16 и записывают в запоминающее устройство 21.
Упомянутая сформированная калибровочная таблица дополнительно может отражать зависимость между напряжением питания каждого из упомянутых усилителей мощности и частотой радиочастотного сигнала и/или температурой в зоне усилителей мощности.
В рабочем режиме при работе ППМ на передачу радиочастотный сигнал подают из устройства формирования и обработки радиочастотного сигнала 13 в фазовращатель 1, посредством которого выставляют необходимую фазу радиочастотного сигнала. Далее радиочастотный сигнал подают в предварительный усилитель мощности 2а и затем в выходной усилитель мощности 2b, где усиливают до требуемого уровня, и затем подают через циркулятор 10 в излучатель 15.
Усиление мощности радиочастотного сигнала на каждом из усилителей мощности 2а и 2b обеспечивают за счет управления напряжением питания каждого из усилителей мощности 2а и 2b (посредством управляющего сигнала, например, в виде цифрового кода, подаваемого на соответствующий управляемый источник питания 17а или 17b от системы управления 16 в соответствии с калибровочной таблицей).
Если в передающем тракте между предварительным усилителем 2а и выходным усилителем 2b дополнительно расположены еще один или более усилителей, то управление предварительным усилителем 2а производят с учетом последующего дополнительного усиления перед поступлением радиочастотного сигнала на вход выходного усилителя 2b.
При работе ППМ на прием отраженный сигнал подают через излучатель 15 и циркулятор 10 в защитное устройство 4, которое защищает приемный тракт от воздействия мощностей большого уровня. Затем сигнал подают в МШУ 5, где усиливают, затем - в фазовращатель 7 и аттенюатор 8, посредством которых выставляют необходимую фазу сигнала, и затем - в устройство формирования и обработки радиочастотного сигнала 13.