Двухполосный усилитель мощности

 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в радиолокации, радиосвязи и других областях техники, в частности для создания мощных двухполосных транзисторных усилителей СВЧ диапазона. Мощный усилительный каскад включает усилительный элемент - транзистор, однополосные цепи на входе и выходе, согласующие усилительный элемент (УЭ) с сопротивлением источника возбуждения (ИВ) и нагрузкой (Н) в полосе первого частотного канала (СК). К входной и/или выходной однополосной цепи согласования подключается дополнительная фильтровая цепь (ДФЦ). В полосе первого ЧК ДФЦ обладает достаточно высоким входным сопротивлением, а в полосе второго ЧК она в совокупности с элементами однополосной цепи согласования первого ЧК обеспечивает достижения согласования выхода УЭ с полным сопротивлением Н, а входного сопротивления УЭ - с полным сопротивлением ИВ, причем это достигается без существенного нарушения согласования в полосе первого ЧК. Входное сопротивление ДФЦ в полосе первого ЧК должно быть достаточным для исключения влияния ДФЦ на этот канал. Технический результат: обеспечение возможности работы СВЧ усилительного каскада в двух разнесенных частотных каналах. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в радиолокации, радиосвязи и других областях техники, в частности для создания мощных двухполосных транзисторных усилителей СВЧ диапазона.

В настоящее время существует актуальная задача обслуживания двух разнесенных частотных каналов одним передающим трактом. Наибольшие проблемы возникают при создании мощных двухполосных транзисторных усилителей СВЧ диапазона.

В области относительно низких частот, например в радиодиапазоне, а также в области относительно малых мощностей усиливаемого сигнала, целесообразно использовать широкополосные усилительные каскады. В таких широкополосных усилительных каскадах могут располагаться два требуемых частотных канала. Однако сочетание высокой несущей частоты и высокой мощности не только приводит к сужению полосы пропускания транзисторных усилителей, но и сопровождается дефицитом усиления, повышением роли паразитных параметров, обострением проблемы разбросов параметров как транзисторов, так и конструктивных элементов усилителей. В результате этого практически все мощные транзисторные СВЧ усилители имеют элементы индивидуальной подстройки.

Известен многоканальный усилитель мощности [1], в котором использована идея переключения элементов цепи согласования транзистора с источником возбуждения и нагрузкой в зависимости от частоты усиливаемого сигнала. Изобретение используется в устройствах связи, работающих в системах AMPS или GSM-900 и РСS-1900.

Недостатками предлагаемой схемы является относительная сложность реализации и повышенные потери в "ключевых" элементах. Эти трудности будут непреодолимы при создании мощных двухполосных усилителей СВЧ диапазона.

Другая известная идея состоит в возможности синтеза таких согласующих цепей, которые обладают не широкополосными, а "двугорбыми" характеристиками в районах расположения рабочих частотных каналов.

Из уровня техники известно устройство [2], в котором внутренние цепи согласования транзистора могут быть интегрированы с внешними цепями для достижения упомянутой двухполосной характеристики согласования транзистора с источником возбуждения и нагрузкой.

Недостатком данного изобретения является исключительная сложность его реализации вследствие плохой сходимости алгоритма настройки при неизбежном разбросе параметров транзистора и схемы.

Наиболее близким по технической сущности является однополосный усилитель мощности [3].

Указанный усилитель мощности работает на центральной частоте 2,9 ГГц, имеет полосу пропускания 400 МГц и мощность 60 Вт. Отметим следующие особенности конструкции и схемы: во-первых, в реализованной схеме предусмотрен подстроечный конденсатор; во-вторых, на входе и выходе схемы использовано по два звена согласования типа фильтра низких частот (ФНЧ), причем индуктивности выполнены в виде отрезков микрополосковой линии, а емкости - в виде площадок на общей микрополосковой плате.

К недостатку усилителя относится ограниченная возможность разнесения используемых частотных каналов полосой пропускания однополосного усилителя, составляющей не более 15%. Для более мощных усилителей эта полоса сужается до 10% и менее.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в обеспечении возможности работы мощного, порядка сотен ватт, СВЧ усилительного каскада в двух разнесенных частотных каналах.

Указанный технический результат достигается тем, что в мощном усилительном каскаде, включающем: усилительный элемент - транзистор, однополосные цепи на входе и выходе, согласующий усилительный элемент с сопротивлением источника возбуждения и нагрузкой в полосе первого частотного канала. К входной и/или выходной однополосной цепи согласования подключается дополнительная фильтровая цепь (ДФЦ). В полосе первого частотного канала ДФЦ обладает достаточно высоким входным сопротивлением, и в полосе второго частотного канала она в совокупности с элементами однополосной цепи согласования первого частотного канала обеспечивает достижения согласования выхода усилительного элемента с полным сопротивлением нагрузки, а входного сопротивления усилительного элемента - с полным сопротивлением источника возбуждения, причем это достигается без существенного нарушения согласования в полосе первого частотного канала. Входное сопротивление ДФЦ в полосе первого частотного канала должно быть достаточным для исключения влияния ДФЦ на этот канал.

Сущность изобретения заключается в следующем: для создания двухполосного усилителя СВЧ мощности предлагается использовать однополосный усилитель мощности, настроенный на центральную частоту первого частотного канала средствами согласования однополосных цепей. К имеющимся однополосным входной и/или выходной цепям согласования подключается соответствующая входная и/или выходная ДФЦ, выполненные, например, из L- и С-элементов, причем ДФЦ выполнены с параметрами, удовлетворяющими условию: полное входное сопротивление ДФЦ в полосе первого частотного канала достаточно велико, чтобы не нарушать согласование в этом частотном канале, а в полосе второго частотного канала выходная ДФЦ совместно с элементами однополосной цепи обеспечивает достижение согласования выхода усилительного элемента с полным сопротивлением нагрузки. Аналогично входная ДФЦ совместно с элементами входной однополосной цепи обеспечивает согласование входного сопротивления усилительного элемента с полным сопротивлением источника возбуждения. Таким образом, в полосе первого частотного канала ДФЦ практически не влияет на работу усилителя, а в полосе второго частотного канала за счет результирующей реактивной проводимости элементов ДФЦ и в совокупности с элементами однополосных цепей согласования обеспечивается согласование.

Существует несколько возможных вариантов достижения необходимых параметров у ДФЦ в полосе первого и второго частотных каналов.

ДФЦ может состоять из последовательно включенного параллельного резонансного контура с центральной частотой первого частотного канала и реактивного элемента, например емкости С₂ (фиг.1). В качестве первого частотного канала выбран частотный канал с наивысшей частотой. Таким образом, сопротивление ДФЦ, подключенной к однополосной согласующей цепи при условии надлежащего выбора величины параметров элементов ДФЦ в полосе первого частотного канала возрастает и ДФЦ практически не влияет на работу усилителя в первом частотном канале. В полосе второго частотного канала сопротивление параллельного резонансного контура уменьшается, и реактивный элемент совместно с элементами однополосной цепи согласования обеспечивает согласование выхода усилительного элемента во втором частотном канале с полным сопротивлением нагрузки и входного сопротивления усилительного элемента с полным сопротивлением источника возбуждения.

ДФЦ может содержать два реактивных элемента разных типов, например, емкостного С₃ и индуктивного L₂, которые включены параллельно между собой (фиг. 2). В этом варианте в качестве первого выбран частотный канал с низшей частотой. Упомянутые два элемента образуют параллельный резонансный контур на центральной частоте первого частотного канала, а во втором частотном канале результирующая реактивная проводимость обеспечивает согласование усилительного элемента с сопротивлением нагрузки и сопротивлением источника возбуждения, при этом согласование в первом частотном канале остается на исходном уровне.

В качестве примера рассмотрим реализацию двухполосного усилителя мощности на транзисторе с отдаваемой радиоимпульсной мощностью 350 Вт в дециметровом диапазоне длин волн. Разнесение двух заданных частотных каналов составляет 30%, что существенно больше возможной полосы пропускания однополосного каскада. Центральная частота первого частотного канала 1,45 ГГц, а центральная частота второго частотного канала 1,09 ГГц.

Принципиальная схема двухполосного каскада, построенного в соответствии с предлагаемым изобретением, представлена на фиг.3. Пунктирными рамками выделены дополнительные фильтровые цепи 1 и 2 на входе и на выходе каскада соответственно.

Как видно, входная и выходная однополосные цепи включают по два звена типа ФНЧ, которые обеспечивают согласование транзистора с сопротивлением источника сигнала и сопротивлением нагрузки.

Дополнительная фильтровая цепь имеет параллельный резонансный контур из элементов L₃, С₄ единой конструкции для входного и выходного вариантов фильтровой цепи. Контур настроен на центральную частоту первого частотного канала.

Третий элемент фильтровальных цепей - емкость С₅ для входного варианта ДФЦ и С₆ для выходного варианта ДФЦ. Эти емкости разные, и каждая из них может быть изменена в процессе настройки согласования во втором частотном канале.

Основу конструкции согласующих цепей представляют две микрополосковые платы. Конденсаторы С₅ и С₆ образованы площадками на платах, изменение емкостей этих конденсаторов достигается присоединением того или иного количества соседствующих площадок. Конструкция узла параллельного резонансного контура представляет собой керамическую пластину - конденсатор с присоединенной к ней петлей из полоски металлической фольги, сформированной на диэлектрическом бруске.

Присоединение ДФЦ к однополосной согласующей цепи осуществляется коротким плоским проводником с верхнего электрода конденсатора С₄ на отрезок полосковой линии, образующей индуктивность L₄, L₅ внешнего звена согласования однополосной цепи. Место подключения ДФЦ может быть изменено перемещением проводника в другую точку полосковой линии.

На фиг. 4 представлены частотные характеристики выходной мощности каскада при постоянной мощности источника сигнала при проектных значениях параметров согласующих цепей. Частотная характеристика при подключенной ДФЦ - I, частотная характеристика при отключенной ДФЦ - II. Как видно, подключение ДФЦ превращает исходную однополосную характеристику каскада в искомую двухполосную характеристику.

На базе подобного каскада создаются образцы многокаскадных усилителей сложного функционального назначения.

Источники информации 1. Патент US 5774017 от 30.06.1998, МКИ Н 03 F 1/14.

2. Патент RU 2089014, МКИ Н 01 L 29/73, опубл. 27.08.97, 24.

3. Discrete Semiconductors "BLS2731-50 Microwave power transistor" 30 January 1998 year, (PHILIPS).

Формула изобретения

1. Усилитель мощности, включающий усилительный элемент, однополосные цепи согласования на входе и выходе, согласующие усилительный элемент с сопротивлением генератора возбуждения и нагрузкой в первом частотном канале, отличающийся тем, что к входной и/или выходной однополосной цепи согласования подключается дополнительная фильтровая цепь, обладающая достаточным входным сопротивлением в полосе первого частотного канала, чтобы не нарушать согласования в этом частотном канале, а в совокупности с элементами однополосных цепей согласования она обеспечивает согласование усилительного элемента на входе и/или выходе в полосе второго частотного канала.

2. Усилитель мощности по п.1, отличающийся тем, что дополнительная фильтровая цепь состоит из параллельного резонансного контура, настроенного на центральную частоту первого частотного канала.

3. Усилитель мощности по п.1, отличающийся тем, что дополнительная фильтровая цепь состоит из последовательно включенных параллельного резонансного контура, настроенного на центральную частоту первого частотного канала, и реактивного элемента.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4