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.

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).