МНОГОКАСКАДНЫЙ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к сверхширокополосным (с полосой пропускания больше двух октав) усилителям. Предназначено для усиления сигналов сверхвысокой частоты (СВЧ) от нескольких МГц до нескольких ГГц в радиоэлектронной аппаратуре и может быть использовано, в частности, в системах спутниковой навигации ГЛОНАСС-NAVSTAR и в системах непосредственного спутникового телевидения.

В системах спутниковой навигации в качестве антенного усилителя и в системах непосредственного спутникового телевидения в качестве усилителя промежуточной частоты СВЧ конвертора применяются малошумящие многокаскадные усилители сигналов СВЧ, работающие в диапазоне частот от 0,9 до 1,7 ГГц.

К усилителю предъявляются требования обеспечения заданных коэффициента шума и коэффициента передачи усилителя, стабильности работы в широком диапазоне температур окружающей среды (обычно от -50°С до +50°С ).

Современные биполярные СВЧ транзисторы позволяют получить требуемые параметры усилителя по шумам и усилению при количестве каскадов обычно от трех и более, но одна из проблем проектирования усилителя заключается в том, что область потенциальной неустойчивости транзисторов, где инвариантный коэффициент устойчивости транзистора меньше единицы, занимает весьма широкую область, примерно от сотен МГц до единиц ГГц.

В области потенциальной неустойчивости транзистора невозможно обеспечить двухстороннее согласование транзистора, реализовав, таким образом, максимально возможное усиление, затрудняется возможность построения многокаскадных усилителей из-за возможности неустойчивой работы. Подключение внешних нагрузок усилителя, имеющих значения модуля коэффициента отражения, близкие к единице, к усилителю на потенциально неустойчивом транзисторе приводит к самовозбуждению усилителя (Шварц Н.З. Линейные транзисторные усилители СВЧ, Москва, «Советское радио», 1980 г., [1]).

Получение абсолютно устойчивого усилительного каскада возможно при подключении к транзистору выходной цепи с диссипативными потерями [1] или при использовании обратной связи (М.Б. Толстихин и др. Анализ и расчет транзисторного СВЧ-усилителя с параллельной обратной связью. Электронная техника, сер.1. Электроника СВЧ, вып.4, 1984 г.).

Второй проблемой проектирования таких усилителей является значительный перепад в коэффициенте передачи транзистора на крайних частотах рабочего диапазона частот.

В четырехкаскадном усилителе промежуточной частоты конвертора приемника непосредственного спутникового телевизионного вещания (Гу Молин и др. Блок интегральных микросхем СВЧ-диапазона для приемника непосредственного спутникового телевизионного вещания на 12 ГГц (IEEE, MTT-S JNTERNFTIONAL MICROWAVE SYMPOSIUM, Digest, ST-Louis, 1985, June 4-6 )) [2] устойчивость достигается, в основном, следующим образом:

1) между коллектором транзистора каждого из усилительных каскадов и корпусом включены стабилизирующие цепи, каждая из которых состоит из последовательно соединенных резистора, четвертьволнового микрополоскового шлейфа и конденсатора;

2) на выходе четырехкаскадного усилителя включен П-образный резистивный аттенюатор, ослабляющий влияние нагрузки на параметры усилителя.

В усилительных каскадах использованы состоящие из отрезков микрополосковых линий (МПЛ) Г-образные и Т-образные согласующие цепи. Обычно такие согласующие цепи создают достаточно близкие к единице значение модуля собственного коэффициента отражения согласующей цепи вне диапазона рабочих частот узкополосного усилителя, а в случае сверхширокополосного усилителя это происходит внутри рабочего диапазона частот, что отрицательно влияет на его устойчивость. Кроме этого к недостаткам усилителя [2] можно отнести трудность обеспечения малой неравномерности коэффициента передачи в широком диапазоне рабочих частот, большое количество элементов и большие габаритные размеры усилителя.

Данный транзисторный усилитель является наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемого изобретения.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является расширение арсенала технических средств указанного назначения с одновременным улучшением его эксплуатационных характеристик.

Техническими результатами при реализации изобретения являются, в частности, обеспечение абсолютной устойчивости усилителя и малой неравномерности коэффициента передачи в широком диапазоне частот, упрощение конструкции и уменьшение габаритных размеров усилителя.

Влияние на достижение указанных технических результатов оказывают нижеприведенные отличительные признаки.

Многокаскадный сверхширокополосный усилитель содержит, как минимум, два аналогичных транзисторных усилительных каскада и межкаскадную согласующую цепь. Усилительный каскад содержит четырехполюсник, содержащий первый резистор, первый вывод которого подключен к первому входу четырехполюсника, а второй вывод первого резистора подключен к точке соединения первых выводов второго и третьего резистора, первого конденсатора и первой микрополосковой линии, второй вывод второго резистора соединен со вторым входом и первым выходом четырехполюсника и подключен к корпусу, вторые выводы третьего резистора и первого конденсатора и первой микрополосковой линии соединены вместе и подключены к второму выходу четырехполюсника, причем первый вход четырехполюсника является входом усилительного каскада и подключен к выводу базы транзистора, второй выход четырехполюсника подключен к выводу коллектора транзистора и является выходом усилительного каскада. Межкаскадная согласующая цепь содержит второй отрезок микрополосковой линии, первый вывод которого является входом межкаскадной согласующей цепи, а второй вывод которого подключен к первому выводу второго конденсатора, а второй вывод второго конденсатора подключен к первому выводу третьего отрезка микрополосковой линии, второй вывод которого является выходом межкаскадной согласующей цепи, причем второй и третий отрезки микрополосковых линий имеют равную длину и расположены параллельно друг другу, а второй конденсатор установлен в зазоре между вторым выводом второго отрезка микрополосковой линии и первым выводом третьего отрезка микрополосковой линии.

На чертеже приведена схема многокаскадного сверхширокополосного усилителя СВЧ.

Поскольку каскады усилителя однотипны, то с целью упрощения изложения показан усилитель, состоящий только из двух каскадов. Усилитель состоит из следующих элементов в порядке, показанном на фиг.1, четырехполюсника 1, транзистора 2, межкаскадной согласующей цепи 3, четырехполюсника 4, транзистора 5. Транзисторы включены по схеме с общим эмиттером. Диссипативные четырехполюсники 1 и 4 осуществляют стабилизирующе-выравнивающую функцию. Каждый из четырехполюсников 1 и 4 состоит из резисторов 6 (первый резистор), 7 (второй резистор) и из резистора 8 (третий резистор), конденсатора 9 (первый конденсатор) и отрезка МПЛ 10 (первая микрополосковая линия), образующих резонансный контур с заданной полосой пропускания. Резистор 6 является элементом обратной связи. Резистор 7 нагрузка. Эмиттеры транзисторов 2 и 5 подключены к корпусу. Второй вывод резистора 7 (второй резистор) является точкой соединения второго входа и первого выхода четырехполюсников 1, 4 и подключен к корпусу.

Межкаскадная согласующая цепь 3 усилителя состоит из двух последовательно включенных отрезков МПЛ 11 (вторая микрополосковая линия) и 12 (третья микрополосковая линия). Модуль коэффициента отражения от такой согласующей цепи на любой частоте всегда меньше единицы, что, в общем случае, не ухудшает устойчивость усилителя. Межкаскадная согласующая цепь конструктивно выполнена в виде двух отрезков МПЛ 11 и 12 равной длины, расположенных параллельно друг другу, на минимальном расстоянии, пригодном для установки разделительного конденсатора 13 (второй конденсатор), установленного в зазоре между концом отрезка 11 и началом отрезка 12, что позволяет уменьшить площадь, занимаемую согласующей цепью усилителем.

В каждом из усилительных каскадов четырехполюсник создает частотно-зависимые нагрузки цепей базы и коллектора транзистора и частотно-зависимую обратную связь, что обеспечивает заданную устойчивость каждого из усилительных каскадов в отдельности и совместно с межкаскадной согласующей цепью 3 абсолютную устойчивость многокаскадного усилителя и заданную неравномерность коэффициента передачи в полосе рабочих частот.

Исключение из многокаскадного сверхширокополосного усилителя СВЧ стабилизирующих цепей, состоящих из четвертьволновых шлейфов и конденсаторов; резистивного аттенюатора на выходе усилителя, и конструктивное исполнение согласующей цепи 3 позволяют уменьшить габаритные размеры усилителя.