Регулируемый усилитель мощности

 

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в радиопередающих устройствах с регулируемой мощностью излучения. Устройство содержит N каскадов усиления (КУ) (1.1...1.N.) первого усилительного тракта (УТ) со своими блоками питания (БП) (2.1...2.N.) и переключателями питания (ПП) (3.1. . . 3.N), блок управления (4), М КУ (5.1...5.М) второй УТ со своими БП (6.1. ..6.М) и ПП (7.1...7.М), делитель мощности (ДМ) (8), мост деления мощностей (МДМ) (9), моcт сложения мощностей (МСМ) (10), два фазовых детектора (ФД) (11.1, 11.2), два управляемых фазовращателя (УФ) (12.1, 12.2), балластная нагрузка (13), а КУ выполнены на амплитронах. Регулирование выходной мощности осуществляется путем включения питания на те КУ, которые обеспечивают на выходе регулируемого усилителя мощности необходимую мощность, и выключения питания на неиспользуемые КУ без разрыва СВЧ тракта. Технический результат: повышение надежности устройства при увеличении числа ступеней регулирования без потери информации. 2 ил.

Изобретение относится к технике радиосвязи и может быть использовано в радиопередающих устройствах сверхвысоких частот.

Известен регулируемый усилитель мощности, содержащий N усилительных модулей, управляемый сумматор мощности, переключаемый согласующий трансформатор и блок управления. Регулировка мощности в нем осуществляется путем изменения числа активных (работающих) усилительных модулей с последующим сложением мощностей этих модулей в управляемом сумматоре (см. А.с. СССР.N 131924, МКИ H 03 F 1/30 от 23.06.87, Бюл. N 23). Недостатками такого усилителя являются небольшое число градаций мощности, определяемое числом усилительных модулей, необходимость использования N-канального управляемого сумматора, что усложняет устройство, а наличие в нем ВЧ переключателей приводит к снижению технической надежности регулируемого усилителя мощности.

Известен малошумящий усилитель СВЧ, содержащий N каскадов усиления, соединенных между собой через управляемые блоки коммутации (управляемые переключатели), переключатели питания усилительных каскадов и блок управления. Регулировка уровня выходного сигнала в нем может быть осуществлена путем изменения числа используемых каскадов усиления (см. Пат. РФ. N 210858, МПК⁶ H 03 G 3/20 от 10.04.98 г. Бюл. N 10). Недостатками такого устройства являются небольшое число уровней выходной мощности, определяемое числом усилительных каскадов, низкая техническая надежность вследствие последовательного соединения усилителей через управляемые СВЧ переключатели.

Наиболее близким по числу сходных признаков является устройство автоматической регулировки усиления, содержащее многокаскадный усилитель, в котором между каскадами установлены управляемые переключатели, обеспечивающие включение того или иного каскада в тракт усиления, либо исключение его из тракта, источник питания, переключатели питания, обеспечивающие включение питания на усилители, включенные в тракт усиления, и отключение питания от усилителей, исключенных из тракта усиления и блок управления, осуществляющий управление вышеназванными переключателями. С помощью межкаскадных переключателей и линий, соединяющих один из выходов предыдущего переключателя с входом последующего переключателя, обеспечивается обход исключенного каскада усиления (см. Ас.СССР, N 1617622, МКИ H 03 G 3/20 от. 10.08. 1990 г. Бюл. N 48).

Это устройство и примем в качестве прототипа.

К недостаткам прототипа относится: 1. Низкая техническая надежность вследствие наличия последовательно соединенных межкаскадных переключателей 2. Потери информации при переключениях, связанных с регулировкой усиления 3. Малое число градаций выходной мощности, равное числу усилительных каскадов.

Целью изобретения является разработка устройства, обеспечивающего регулирование выходной мощности усилителя при повышении технической надежности, увеличении числа градаций выходной мощности, без потери информации, проходящей через регулируемый усилитель при изменениях (регулировках) выходной мощности.

Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство, содержащее N-каскадный усилительный тракт, N блоков питания, N переключателей питания и блок управления, причем блок питания каждого каскада соединен с питающим входом своего каскада через переключатель питания, вход управления которого соединен с управляющим выходом блока управления, дополнительно введены второй многокаскадный усилительный тракт, содержащий М каскадов усиления, М блоков питания, М переключателей питания, делитель мощности, мост деления мощностей, два фазовых детектора, два управляемых фазовращателя, фазовращатель на 90^o и балластная нагрузка, при этом вход делителя мощности является входом регулируемого усилителя мощности, первый выход делителя мощности через первый управляемый фазовращатель соединен с входом первого каскада первого (N-каскадного) усилительного тракта, а второй выход делителя мощности соединен с входом первого каскада второго (М-каскадного) усилительного тракта, выход N-го каскада первого усилительного тракта соединен с первым входом моста деления мощностей и с первым входом первого фазового детектора, выход М-го каскада второго усилительного тракта соединен с вторым входом моста деления мощностей и с вторым входом первого фазового детектора, выход которого соединен с входом управления первого управляемого фазовращателя, первый выход моста деления мощностей через второй управляемый фазовращатель соединен с первым входом моста сложения мощностей и с первым входом второго фазового детектора, выход которого соединен с входом управления второго управляемого фазовращателя, второй выход моста деления мощностей соединен с вторым входом моста сложения мощностей и через фазовращатель на 90^o с вторым входом второго фазового детектора, первый выход моста сложения мощностей является выходом регулируемого усилителя мощности, а второй соединен с балластной нагрузкой, блоки питания каскадов соединены с питающими входами своих каскадов через соответствующие переключатели питания, входы управления которых соединены с соответствующими дополнительными управляющими выходами блока управления, усилительные каскады выполнены на ампллитронах.

Благодаря новой совокупности существенных признаков за счет введения второго многокаскадного усилительного тракта с блоками питания и переключателями питания делителя мощности, мостов деления и сложения мощностей, двух фазовых детекторов, фазовращателя на 90^o и двух управляемых фазовращателей предлагаемое устройство обеспечит возможность дискретного регулирования выходной мощности усилителя при повышении технической надежности и без потери информации (за счет непосредственного соединения каскадов в усилительных трактах вследствие использования амплитронов в качестве усилительных элементов), увеличении числа ступеней регулирования выходной мощности при одинаковом с прототипом числе усилительных каскадов (за счет введения второго многокаскадного усилительного тракта, делителя мощности и мостов деления и сложения мощностей). Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного устройства условию патентоспособности "новизна". Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного устройства, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".

Заявленное устройство поясняется схемами: фиг. 1 - функциональная схема регулируемого усилителя мощности; фиг. 2 - схема блока управления.

Регулируемый усилитель мощности (см. фиг. 1) состоит из первого усилительного тракта, содержащего N усилительных каскадов 1.1...1.N, N блоков питания 2.1...2N, соединенных через переключатели питания 3.1...3.N с питающими входами своих усилительных каскадов, второго усилительного тракта, содержащего М усилительных каскадов 5.1...5М, М блоков питания 6.1...6М, соединенных через переключатели питания 7.1...7М с питающими входами своих усилительных каскадов, блока управления 4, делителя мощности 8, моста деления мощностей 9, моста сложения мощностей 10, фазовых детекторов 11.1 и 11.2, фазовращателя на 90^o14, управляемых фазовращателей 12.1 и 12.2 и балластной нагрузки 13. Вход делителя мощности 8 является входом регулируемого усилителя мощности. Первый выход делителя мощности 8 соединен с входом первого усилительного каскада 1.1 первого усилительного тракта через управляемый фазовращатель 12.1, а второй выход делителя мощности 8 - непосредственно с входом первого усилительного каскада 5.1 второго усилительного тракта. Выход N-го усилительного каскада 5.N первого усилительного тракта соединен с первым входом моста деления мощностей 9 и с первым входом первого фазового детектора 11.1. Выход М-го усилительного каскада 5.М соединен с вторым входом моста деления мощностей 9 и с вторым входом фазового детектора 11.1. Выход фазового детектора 11.1 соединен с входом управления управляемого фазовращателя 12.1. Первый выход моста деления мощностей 9 через второй управляемый фазовращатель 12.2 соединен с первым входом моста сложения мощностей и с первым входом второго фазового детектора 11.2. Второй выход моста деления мощностей 9 соединен с вторым входом моста сложения мощностей 10 и через фазовращатель на 90^o 14 с вторым входом второго фазового детектора 11.2, выход которого соединен с входом управления второго управляемого фазовращателя 12.2. Первый выход моста сложения мощностей 10 является выходом регулируемого усилителя мощности, а второй соединен с балластной нагрузкой 13. Управляющие выходы блока управления 4 соединены с входами управления соответствующих переключателей питания 3.1...3N, 7.1...7.М.

Блок управления 4 (см. фиг. 2) в своем составе содержит источник постоянного напряжения 15 и N+M переключателей 16.1.1...16.1.N, 16.2.1...16.2. M. Источник постоянного напряжения 15 соединен с входами переключателей 16.1.1. . . 16.1. N, 16.2.1...16.2.M, выходы которых соединены с соответствующими управляющими выходами блока управления 4. В качестве переключателей 16.1...16.N+M в случае ручного управления могут быть использованы переключатели перекидные (типа Тумблер) (см. Справочник разработчика и конструктора РЭА. Элементная база. Масленников М.Ю., Соболев Б.А, Соколов Г.В. и др.М.: ИТАР ТАСС, 1993, с. 33.).

В качестве делителя мощности 8 могут быть использованы шестиполюсники Т - либо Y-образного соединения (см. Ж.Будурис, П.Шеневье. Цепи сверхвысоких частот. Пер. с. франц. Под. ред.А.Л.Зиновьева. - М.: Сов. радио, 1979, стр. 165 - рис. 6.2.1 и 6.2.2, стр.169. рис.6.2.7). В качестве мостов деления 9 и сложения 10 мощностей можно использовать щелевое волноводное мостовое устройство, описанное в книге: Устройства сложения и распределения мощностей высокочастотных колебаний / В.В.Зайцев, В.М.Катушкина, С.Е.Лондон, З.И.Модель; Под. ред. З.И.Моделя. - М.: Сов.радио, 1980. - 296 с., рис.6.24 на стр.97, рис.6.26 на стр.98.

В качестве управляемых фазовращателей 12.1 и 12.2 может быть использован управляемый ферритовый фазовращатель Реджиа-Спенсера, описанный в книге Сазонова Д.М., Гридина А.И. и Мишустина Б.А. Устройства СВЧ. Учебное пособие / Под ред. Д.М.Сазонова - М.: Высшая школа, 1981, - 295 с., рис. 9.15 и 9.16 стр. 282, 283.

В качестве фазовращателя на 90^o 14 может быть использован отрезок линии (коаксиального кабеля или волновода) с длиной, обеспечивающей фазовую задержку сигнала на 90^o.

В качестве фазовых детекторов 11.1 и 11.2 можно использовать устройство, описанное в книге: Ж.Будурис и П.Шеневье. Цепи сверхвысоких частот Пер. с франц. / Под. ред. А. Л. Зиновьева.- М.: Сов.радио, 1979. - 288 с., рис. 7.3.4. на стр. 198.

В качестве усилительных трактов (1.1...1,N; 5.1...5.М) могут быть использованы, например, схемы усилительных устройств на двухкаскадной амплитронной цепочке, описанные в книге М.Б.Цейтлина, М.А. Фурсаева, О.В.Бецкого. Сверхвысокочастотные усилители со скрещенными полями. / Под. ред. М.Б. Цейтлина. -М.: Сов. радио, 1978-280 с, рис. 8.15 на стр. 234 и рис. 8.16 на стр. 235.

В качестве переключателей питания 3.1...3.N, 7.1...7.М могут быть использованы реле, описанные в Справочнике разработчика и конструктора РЭА. Масленникова М.Ю., Соболева Е.Н., Соколова Г.В. и др. - М.: ИТАР-ТАСС, 1993 г., на стр.36-51.

Отличительным свойством амплитрона является его незначительное ослабление в "холодном", то есть выключенном состоянии, благодаря чему для дискретного регулирования выходной мощности нет необходимости использовать в усилительных трактах переключатели и дополнительные соединительные линии в обход усилительных каскадов. Для ступенчатого изменения выходной мощности регулируемого усилителя достаточно просто включать анодное питание на используемые каскады и отключить его от неиспользуемых каскадов. Благодаря этому дискретное (ступенчатое) регулирование выходной мощности в каждом усилительном тракте осуществляется без разрыва СВЧ тракта.

Регулируемый усилитель мощности работает следующим образом. На вход делителя мощности 8 поступает СВЧ сигнал, например, с выхода предварительного каскада усиления (на схеме не показан), выполненного на лампе бегущей волны. С выходов делителя мощности 8 СВЧ сигналы с равными мощностями Р_{вых.дм 1}= Р_{выхюдм 2}= 0.5Р_вх.дм поступают на вход первого каскада усиления 1.1 первого усилительного тракта через управляемый фазовращатель 12.1, а на вход первого каскада усиления 5.1 второго усилительного тракта - непосредственно. Усиленные СВЧ сигналы поступают с выхода N-го каскада усиления 1.N первого усилительного тракта на первый вход (вх.1) моста деления мощностей 9, а с выхода М-го каскада усиления 5. М. второго усилительного тракта - на второй вход (вх. 2) моста деления мощностей 9. На входы Вх.1 и Вх.2 моста деления мощностей 9 поступают СВЧ сигналы, в общем случае с различными мощностями и с различными фазами. Для того чтобы независимо от соотношений мощностей и фаз СВЧ сигналов, поступающих на входы Вх.1 и Вх.2. моста деления мощностей 9, вся мощность СВЧ сигнала, равная сумме выходных мощностей обоих усилительных трактов, поступала только на первый выход моста сложения мощностей 10, то есть выход регулируемого усилителя мощности, следует обеспечить необходимое соотношение амплитуд (мощностей) и фаз СВЧ сигналов на входах моста сложения 10. В случае выбора в качестве моста деления 9 и моста сложения 10 мостовых устройств квадратурного типа, для сложения мощностей СВЧ сигналов только на первом выходе (вых. 1) моста сложения 10, на его входах СВЧ сигналы должны иметь равные амплитуды (мощности) и разность фаз, равную 90^o. Разность фаз 90^o на входах моста сложения 10 обеспечивает система фазирования, состоящая из фазового детектора 11.2, управляемого фазовращателя 12.2 и фазовращателя на 90^o 14. Равенство амплитуд (мощностей) СВЧ сигналов на входах моста сложения 10 обеспечивают мост деления мощностей 9 и система фазирования, состоящая из фазового детектора 11.1 и управляемого фазовращателя 12.1. Система фазирования 11.1 и 12.1 обеспечивает равенство фаз СВЧ сигналов на входах (Вх. 1 и Вх.2) моста деления 9. При подаче СВЧ сигналов на входы мостового устройства квадратурного типа с любым (произвольным) соотношением амплитуд (мощностей), но с одинаковыми фазами, на его выходах будут СВЧ сигналы с равными амплитудами (мощностями), но разными фазами. Эти СВЧ сигналы поступают на входы моста сложения 10 через систему фазирования (блоки 11.2, 12.2 и 14), благодаря чему их амплитуды и фазы имеют соотношения (U_вх1=U_вх2, Δϕ = 90^o), необходимые для выделения суммарной мощности обоих усилительных трактов на первом выходе (Вых. 1) моста сложения 10.

Регулирование выходной мощности осуществляется путем включения питания на те каскады усиления, которые обеспечивают на выходе регулируемого усилителя необходимую мощность, и выключения питания на неиспользуемые каскады. Включение и выключение питания соответствующих каскадов осуществляется с помощью переключателей 16.1. . . 16.N+M блока управления 4, обеспечивающих подачу, либо отключение управляющих напряжений от источника напряжения 15 блока управления 4 на управляющие входы (обмотки реле) переключателей питания 3.1...3N и 7.1...7.М.

В режиме использования полной мощности регулируемого усилителя питание подается на все каскады усиления 1.1...1.N первого усилительного тракта и на все каскады усиления 5.1...5М второго усилительного тракта. В этом случае на первый вход (Bx.1) моста деления 9 подается СВЧ сигнал с мощностью, равной выходной мощности N-го каскада усиления 1.N первого усилительного тракта, а на второй вход (Вх.2) моста деления 9 - СВЧ сигнал с мощностью, равной выходной мощности М-го каскада усиления 5.М второго усилительного тракта. На выходе регулируемого усилителя мощности (Вых.1 моста сложения мощностей 10) получаем мощность СВЧ сигнала _вых = Р_{вых.ум.1.N} + Р_{вых.ум.5.M}.

При необходимости снижения выходной мощности выключается питание на каскад усиления 1.N первого усилительного тракта, либо на каскад усиления 5.М второго усилительного тракта. В первом случае на выходе регулируемого усилителя мощности будет мощность Р_вых.=Р_вых.1.N-1 + Р_{вых.ум.5.M}, а во втором Р_вых= Р_{вых.ум.1.N}+Р_{вых.ум.5.M-1}. При необходимости дальнейшего уменьшения выходной мощности выключают питание на каскады усиления 1.N и 1.N-1, 5.М и 5. М-1 и так далее. При выключении питания от всех каскадов усиления первого и второго усилительных трактов мощность СВЧ сигнала на выходе регулируемого усилителя будет равна его входной мощности, Р_вых = Р_вх..

Оценим эффект, получаемый от предлагаемого технического решения, в сравнении с прототипом.

1. Поскольку изменения числа используемых каскадов усиления осуществляются без разрыва СВЧ трактов, заявленное техническое решение обеспечивает регулирование выходной мощности без потери информации, проходящей через регулируемый усилитель мощности. Регулирование выходной мощности в прототипе осуществляется с разрывом СВЧ тракта, что приводит к потере информации во время регулировок выходной мощности.

2. Наличие двух усилительных трактов и исключение межкаскадных переключателей обеспечивает повышение технической надежности заявленного регулируемого усилителя мощности по сравнению с прототипом.

3. При одинаковом числе каскадов усиления в прототипе и в заявленном техническом решении в последнем обеспечивается большее число ступеней регулирования выходной мощности.

Сравним числа ступеней регулирования при четырех каскадах усиления (пусть в обоих усилительных трактах заявленного устройства имеется по два каскада, N= 2 и М=2, а в прототипе 4 последовательно соединенных каскада). Тогда в прототипе обеспечивается 5 ступеней регулирования выходной мощности: Р_вых={Р_вых.ум4; Р_вых.ум3; Р_вых.ум2; Р_вых.ум1 и Р_вх}. Заявленный регулируемый усилитель мощности обеспечивает 9 ступений регулирования выходной мощности. Обозначим: Р_дм1, Р_дм2 - мощности СВЧ сигнала соответственно на первом и втором выходах делителя мощности 8, Р_ум.1.1, Р_ум.1.2 - мощности СВЧ сигнала на выходах первого и второго каскадов первого усилительного тракта, Р_ум.2.1., Р_ум.2.2 - мощности на выходах первого и второго каскадов второго усилительного тракта. Тогда множество выходных мощностей для заявленного устройства будут иметь следующие значения: Р_вых = { 1) Р_дм.1 + Р_дм.2; 2) Р_ум.1.1 + Р_дм.1.2.; 3) Р_ум.1.2. + Р_ум.1.2.; 4) Р_ум.2.1. + Р_дм.1; 5) Р_ум.2.2. + Р_дм.1; 6) Р_ум.1.1. + Р_ум.2.1; 7) Р_ум.1.1. + Р_ум.2.2; 8) Р_ум.1.2. + Р_ум.2.1; 9) Р_ум.1.2. + Р_ум.2.2}

Формула изобретения

Регулируемый усилитель мощности, содержащий усилительный тракт из N последовательно соединенных каскадов усиления, каждый из которых имеет свой блок питания, соединенный с питающим входом соответствующего каскада усиления через управляемый переключатель питания, и блок управления, выходы которого соединены с входами управления переключателей питания соответствующих каскадов усиления, отличающийся тем, что в него дополнительно введены второй усилительный тракт из М последовательно соединенных каскадов, каждый из которых имеет свой блок питания, соединенный с питающим входом соответствующего каскада усиления через управляемый переключатель, делитель мощности, мост деления мощностей, мост сложения мощностей, первый и второй фазовые детекторы, первый и второй управляемые фазовращатели, фазовращатель на 90^o и балластная нагрузка, при этом входы управления управляемых переключателей питания дополнительных каскадов усиления соединены с соответствующими дополнительными выходами блока управления, вход делителя мощности является входом регулируемого усилителя мощности, первый выход делителя мощности через первый управляемый фазовращатель соединен с входом первого каскада усиления первого усилительного тракта, выход последнего каскада усиления этого тракта соединен с первым входом моста деления мощностей и с первым входом первого фазового детектора, второй выход делителя мощности соединен с входом первого каскада усиления второго усилительного тракта, выход второго усилительного тракта соединен с вторым входом моста деления мощностей и с вторым входом первого фазового детектора, выход которого соединен с входом управления первого управляемого фазовращателя, первый выход моста деления мощностей через второй управляемый фазовращатель соединен с первым входом моста сложения мощностей, к первому входу моста сложения мощностей подсоединен первый вход второго фазового детектора, выход которого соединен с входом управления второго управляемого фазовращателя, второй выход моста деления мощностей соединен с вторым входом моста сложения мощностей, к второму входу моста сложения мощностей через фазовращатель на 90^o подсоединен второй вход второго фазового детектора, первый выход моста сложения мощностей является выходом регулируемого усилителя мощности, а второй - соединен с балластной нагрузкой, усилительные каскады выполнены на амплитронах.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2