RU132650U1

RU132650U1 - HIGH POWER MICROWAVE AMPLIFIER

Info

Publication number: RU132650U1
Application number: RU2012154922/08U
Authority: RU
Inventors: Виталий Викторович Фролов; Валентина Юрьевна Каряева; Иван Николаевич Кириллов; Ирина Викторовна Фролова; Владимир Сергеевич Ваньков
Original assignee: Открытое акционерное общество "Муромский завод радиоизмерительных приборов"
Priority date: 2012-12-18
Filing date: 2012-12-18
Publication date: 2013-09-20

Abstract

Усилитель СВЧ высокого уровня мощности, содержащий последовательно соединенные каскады усиления, при этом каждый каскад усиления содержит N-канальный делитель мощности, N-канальный сумматор мощности и N СВЧ-усилителей, где N=2(m=2, где к=1, 2, 3, … и т.д.), при этом каждый выход N-канального делителя мощности соединен через СВЧ-усилитель с соответствующим входом N-канального сумматора мощности, отличающийся тем, что он выполнен четырехкаскадным, усилительные модули выполнены на мощных СВЧ LDMOS транзисторах нового поколения, работающих в режиме АВ, на входе третьего усилительного каскада для увеличения развязки введен вентиль, в усилительных каскадах на выходе m-канального развязанного делителя/сумматора установлены Y-циркуляторы, четвертый усилительный каскад содержит N=2параллельно включенных каскадов усиления, аналогичных третьему каскаду, N-канальный развязанный делитель и N-канальный выходной сумматор.A high-power microwave amplifier containing serially connected amplification stages, each amplification stage contains an N-channel power divider, an N-channel power adder, and N microwave amplifiers, where N = 2 (m = 2, where k = 1, 2 , 3, ..., etc.), while each output of the N-channel power divider is connected through a microwave amplifier to the corresponding input of the N-channel power adder, characterized in that it is made in four stages, the amplification modules are made on high-power microwave LDMOS transistors new generation operating in AB mode, n A gate is introduced at the input of the third amplifier stage to increase the isolation, Y-circulators are installed in the amplifier stages at the output of the m-channel decoupled divider / adder, the fourth amplifier stage contains N = 2 parallel-connected amplification stages similar to the third stage, an N-channel decoupled divider and N- channel output adder.

Description

Полезная модель относится к радиоэлектронике и может быть использована в радиопередающих устройствах сверхвысоких частот (СВЧ) для современных радиотехнических систем связи, радиолокации, радионавигации.The utility model relates to radio electronics and can be used in ultra-high frequency (microwave) radio transmitting devices for modern radio engineering communication systems, radiolocation, and radio navigation.

Современное состояние радиопередающих устройств характеризуется переходом от использования мощных электровакуумных приборов к твердотельным передатчикам на базе транзисторных усилителей (усилительных модулей), в которых требуемый уровень мощности СВЧ достигается суммированием мощности большого числа усилительных модулей.The current state of radio transmitting devices is characterized by a transition from the use of powerful electric vacuum devices to solid-state transmitters based on transistor amplifiers (amplifier modules), in which the required microwave power level is achieved by summing the power of a large number of amplifier modules.

Общие принципы суммирования мощности усилителей СВЧ и разновидности возможных схем суммирования мощности приведены в книге «Устройства сложения и распределения мощностей высокочастотных колебаний». / Под редакцией З.И.Моделя, М.: «Советское радио», 1980 г.The general principles of summing the power of microwave amplifiers and varieties of possible schemes for summing power are given in the book “Devices for adding and distributing high-frequency oscillation powers”. / Edited by Z. I. Model, M .: "Soviet Radio", 1980

В ходе практической реализации усилителя СВЧ высокого уровня мощности (ВУМ), выполненного на транзисторных усилительных модулях, основные потери мощности при суммировании происходят из-за разброса фазы и амплитуды выходных сигналов усилительных модулей, входящих в состав усилителя СВЧ ВУМ. Идентичность выходной амплитуды усилительных модулей зависит от типа примененных транзисторов, качества изготовления, и, как правило, удается обеспечить небольшой разброс амплитуд выходных сигналов усилительных модулей. Обеспечение же фазовой идентичности усилительных модулей является более сложной задачей. Ее решение позволяет существенно уменьшить потери при суммировании мощности усилительных модулей и, следовательно, повысить уровень выходной мощности усилителя с ВЧ ВУМ.In the course of the practical implementation of the high power microwave amplifier (VAM), performed on transistor amplifier modules, the main power losses during the summation are due to the spread of the phase and amplitude of the output signals of the amplifier modules included in the microwave VUM amplifier. The identity of the output amplitude of the amplifier modules depends on the type of transistors used, the quality of manufacture, and, as a rule, it is possible to ensure a small variation in the amplitudes of the output signals of the amplifier modules. Ensuring the phase identity of the amplifier modules is a more difficult task. Its solution can significantly reduce losses when summing the power of the amplifier modules and, therefore, increase the output power level of the amplifier with RF VUM.

Известен твердотельный усилитель мощности Х-диапазона (патент на изобретение RU №234625), содержащий предварительный усилитель, подключенный к микрополосковому делителю мощности, N входов которого соединены с входами N СВЧ-усилителей, выходы СВЧ-усилителей подключены к N-канальному сумматору, выполненному в виде тем-мостов, соединенному с детекторной головкой. Микрополосковый делитель мощности содержит элементы коррекции фазы для каждого усилительного канала.Known solid-state power amplifier X-band (patent RU No. 234625) containing a preamplifier connected to a microstrip power divider, N inputs of which are connected to inputs of N microwave amplifiers, the outputs of microwave amplifiers are connected to an N-channel adder made in view of the bridges connected to the detector head. The microstrip power divider contains phase correction elements for each amplifier channel.

Недостатком такого усилителя является необходимость последовательной ступенчатой настройки фазы каждой пары СВЧ-усилителей в развязанных устройствах, а также негативное влияние уменьшения уровня входной мощности на уровень выходной мощности усилителей каналов. В частности, уменьшение мощности на входе предварительного усиления ведет к увеличению токов потребления в усилителях канала и дополнительному тепловыделению. Значительное уменьшение мощности на входе предварительного усилителя может привести к возникновению в отдельных усилителях канала паразитных генераций и искажению спектра выходных сигналов.The disadvantage of this amplifier is the need for sequential stepwise adjustment of the phase of each pair of microwave amplifiers in decoupled devices, as well as the negative effect of reducing the input power level on the output power level of the channel amplifiers. In particular, a decrease in the power at the pre-amplification input leads to an increase in the consumption currents in the channel amplifiers and additional heat dissipation. A significant decrease in the power at the input of the preamplifier can lead to the appearance of spurious generations in individual amplifiers of the channel and distortion of the spectrum of output signals.

Аналогом заявляемого устройства является многокаскадное устройство суммирования мощности СВЧ-усилителей (патент RU №2339157), содержащее последовательно соединенные каскады усиления, при этом каждый каскад усиления содержит N-канальный делитель мощности, N - канальный сумматор мощности и N СВЧ-усилителей, где N=2^m. При этом каждый выход N-канального делителя мощности соединен через СВЧ-усилитель с соответствующим входом N - канального сумматора мощности. В каждом каскаде усиления, кроме выходного, к одному выходу в каждой паре выходов N-канального делителя мощности подключен фазовращатель.An analogue of the claimed device is a multi-stage device for summing the power of microwave amplifiers (patent RU No. 2339157), containing serially connected amplification stages, each amplification stage contains an N-channel power divider, N is a channel power adder and N microwave amplifiers, where N = 2 ^m . Moreover, each output of the N-channel power divider is connected through a microwave amplifier with the corresponding input of the N-channel power adder. In each amplification stage, except the output, a phase shifter is connected to one output in each pair of outputs of the N-channel power divider.

Недостатком данного устройства является усложнение конструкции, сложная регулировка по фазе, низкая взаимозаменяемость усилительных модулей - невозможность оперативной замены отказавшего модуля без подстройки по фазе в составе стенда, что возможно только в заводских условиях, а также большие потери мощности при суммировании. Суммарные потери складываются из потерь в выходных фазовращателях, потерь из-за разброса уровней выходных мощностей усилителей и разброса фаз выходных сигналов (±30°).The disadvantage of this device is the complexity of the design, difficult phase adjustment, low interchangeability of the amplifier modules - the impossibility of rapid replacement of a failed module without phase adjustment in the stand, which is possible only in the factory, as well as large power losses during summation. The total losses are the sum of the losses in the output phase shifters, losses due to the spread of the output power levels of the amplifiers and the phase spread of the output signals (± 30 °).

Предлагаемой полезной моделью решается задача обеспечения уровня выходной мощности усилителя СВЧ ВУМ не менее 5 кВт улучшение его эксплуатационных характеристик: уменьшение потерь мощности при суммировании, уменьшения разброса фаз выходных сигналов усилительных модулей, обеспечение их взаимозаменяемости, повышение КПД усилителя СВЧ ВУМ, повышение надежности работы усилителя СВЧ ВУМ, снижение эксплуатационных расходов (за счет большего срока эксплуатации и меньшей стоимости изделия), а также обеспечение стабильности и повторяемости технических характеристик в рабочем диапазоне частот в условиях серийного производства.The proposed utility model solves the problem of providing the output power level of the microwave VUM amplifier at least 5 kW; improving its operational characteristics: reducing power losses during summation, reducing the phase spread of the output signals of the amplifier modules, ensuring their interchangeability, increasing the efficiency of the microwave VUM amplifier, increasing the reliability of the microwave amplifier VUM, reduction of operating costs (due to longer life and lower cost of the product), as well as ensuring stability and repeatability technical characteristics in the operating frequency range in the conditions of mass production.

Поставленная задача решается тем, что в заявляемом усилителе СВЧ ВУМ применены усилительные модули, выполненные на мощных СВЧ LDMOS транзисторах нового поколения, работающих в режиме АВ.The problem is solved in that the inventive microwave VUM amplifier uses amplification modules made on powerful new generation LDMOS microwave transistors operating in AB mode.

Усилительный модуль представляет собой герметичный корпус-радиатор с врубными герметичными переходами, для ввода и вывода СВЧ сигналов с низкочастотным соединителем для подачи питающего напряжения, внутри которого расположена микрополосковая печатная плата, на которой собран двухкаскадный усилитель мощности.The amplifier module is a sealed enclosure-radiator with hermetically sealed junctions for input and output of microwave signals with a low-frequency connector for supplying voltage, inside which there is a microstrip printed circuit board on which a two-stage power amplifier is assembled.

Первый каскад выполнен на транзисторе 2П998А АЕЯР.432150.541 ТУ, второй - на балансном полевом транзисторе 2П980БС АЕЯР.432140.316 ТУ (мощном СВЧ LDMOS транзисторе). Оба транзистора представляют собой мощные СВЧ LDMOS транзисторы, работают в режиме АВ. Элементы схемы выполнены на несимметричной микрополосковой линии.The first cascade is made on a 2P998A AEYAR.432150.541 TU transistor, the second - on a balanced field-effect transistor 2P980BS AEYAR.432140.316 TU (high-power microwave LDMOS transistor). Both transistors are powerful microwave LDMOS transistors that operate in AB mode. Elements of the circuit are made on an asymmetric microstrip line.

Особенностью усилительных модулей, выполненных на мощных СВЧ LDMOS транзисторах, работающих в режиме АВ, является то, что входное сопротивление транзисторов практически не меняется с изменением уровня входного сигнала и фаза выходного сигнала остается неизменной.A feature of the amplification modules made on high-power microwave LDMOS transistors operating in AB mode is that the input resistance of the transistors practically does not change with a change in the input signal level and the phase of the output signal remains unchanged.

Требование по разбросу фазового сдвига от образца к образцу для усилительных модулей - не более ±20°. Выполнение данного требования необходимо для синфазного сложения мощности включенных параллельно усилительных модулей в составе усилителя СВЧ ВУМ.The requirement for the spread of the phase shift from sample to sample for amplification modules is not more than ± 20 °. Fulfillment of this requirement is necessary for the in-phase addition of power of parallel-connected amplifier modules as part of the microwave amplifier VUM.

Для обеспечения требуемого фазового сдвига на входе каждого усилительного модуля установлены регулируемые дискретные фазовращатели. Дискретный фазовращатель выполнен в виде линии передачи с переключаемыми отрезками различной длины, что позволяет изменять геометрическую длину линии передачи включением отрезков разной длины для коррекции разброса электрической длины усилителей относительно друг друга (разброса фазового сдвига).To provide the required phase shift, adjustable discrete phase shifters are installed at the input of each amplifier module. The discrete phase shifter is made in the form of a transmission line with switchable segments of various lengths, which allows you to change the geometric length of the transmission line by including segments of different lengths to correct the spread of the electric length of the amplifiers relative to each other (phase shift spread).

Компенсация разброса параметров входных и выходных плеч выходного транзистора 2П980БС АЕЯР.432140.316 ТУ и регулировка амплитуды и наклона фазы коэффициента передачи усилительного модуля ведется подстроечными конденсаторами на входе и выходе усилительного модуля. Окончательная настройка по фазе коэффициента передачи осуществляется изменением геометрической длины линии передачи входного фазовращателя.Compensation of the spread in the parameters of the input and output arms of the output transistor 2P980BS AEYAR.432140.316 TU and adjustment of the amplitude and slope of the phase of the transfer coefficient of the amplifier module is carried out by tuning capacitors at the input and output of the amplifier module. The final adjustment of the phase of the transmission coefficient is carried out by changing the geometric length of the transmission line of the input phase shifter.

Усилительный модуль обеспечивает выходную импульсную мощность не менее 110 Вт, неравномерность коэффициента усиления не более 1,0 дБ, разброс фазового сдвига не более ±20°.The amplifier module provides an output pulse power of at least 110 W, gain unevenness of not more than 1.0 dB, phase shift spread of not more than ± 20 °.

Предлагаемый усилитель СВЧ ВУМ иллюстрируется чертежом, представленным на фиг.2.The proposed microwave amplifier VUM is illustrated in the drawing shown in figure 2.

Усилитель СВЧ ВУМ выполнен четырехкаскадным и состоит из: входного усилительного каскада 1; второго усилительного каскада 2; третьего усилительного каскада (на фиг.2 показан штрихпунктирной линией), состоящего из входного и выходного m-канального (m=2^к, где к=1, 2, 3 … и т.д.) развязанного делителя/сумматора 4, с установленными на выходе сумматора 4 Y-циркулятором 6, m синфазных усилительных модулей 5, включенных между соответствующими выходами делителя и входами сумматора по параллельной схеме; четвертого усилительного каскада - N=2^кпараллельно включенных каскадов усиления аналогичных третьему каскаду с синфазными усилительными модулями 8 (на фиг.2 четвертый каскад показан пунктирной линией). В качестве делителя мощности четвертого каскада используется N-канальный развязанный делитель 7, N-канальный выходной сумматор четвертого каскада 9. Для увеличения развязки на входе третьего усилительного каскада усиления введен вентиль 3.The microwave VUM amplifier is four-stage and consists of: an input amplifier stage 1; second amplification stage 2; the third amplification stage (Fig. 2 is shown by a dash-dot line), consisting of an input and output m-channel (m = 2 ^k , where k = 1, 2, 3 ... etc.), an isolated divider / adder 4, with installed at the output of the adder 4 by the Y-circulator 6, m in-phase amplifier modules 5 connected between the respective outputs of the divider and the inputs of the adder in a parallel circuit; the fourth amplifier stage - N = 2 ^to parallel-connected amplification stages similar to the third stage with common-mode amplifier modules 8 (in Fig. 2, the fourth stage is shown by a dashed line). As a power divider of the fourth stage, an N-channel decoupled divider 7, an N-channel output adder of the fourth stage 9 is used. To increase the isolation at the input of the third amplification amplification stage, a valve 3 is introduced.

Усилитель мощности СВЧ ВУМ работает следующим образом.The power amplifier microwave VUM works as follows.

СВЧ сигнал с импульсной мощностью Р_вх=0,1±0,02 Вт поступает на входной усилительный каскад 1, в котором СВЧ сигнал усиливается до уровня импульсной мощности не менее 4 Вт и передается на вход второго усилительного каскада - вход усилительного модуля 2, где усиливается до уровня (80±10) Вт, и далее, через вентиль 3, на третий усилительный каскад - m-канального делителя/сумматора 4, который обеспечивает равномерное деление поступающей на него мощности на m выходов. С m выходов делителя/сумматора 4 сигналы передаются на m усилительных модулей 5 включенных по параллельной схеме.A microwave signal with a pulsed power P _I = 0.1 ± 0.02 W is fed to the input amplifier stage 1, in which the microwave signal is amplified to a level of pulse power of at least 4 W and transmitted to the input of the second amplifier stage — the input of the amplifier module 2, where amplified to the level of (80 ± 10) W, and then, through valve 3, to the third amplifier stage - the m-channel divider / adder 4, which ensures even division of the power supplied to it into m outputs. From m outputs of the divider / adder 4, the signals are transmitted to m amplifier modules 5 connected in parallel.

На фиг.1 приведена амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) коэффициента передачи между входами усилительных модулей 5 третьего каскада усиления, включенного без вентиля 3, на которой отмечены области искажения (излома) огибающей СВЧ сигнала. Рабочие частоты, на которых возникали искажения огибающей СВЧ сигнала, соответствуют наименьшей развязке между входами усилительных модулей (менее 20 дБ).Figure 1 shows the amplitude-frequency characteristic (AFC) of the transfer coefficient between the inputs of the amplification modules 5 of the third amplification stage, switched on without valve 3, which shows the distortion (kink) region of the envelope of the microwave signal. The operating frequencies at which distortion of the envelope of the microwave signal occurred correspond to the smallest isolation between the inputs of the amplifier modules (less than 20 dB).

Для устранения взаимных влияний второго и третьего каскадов усиления между ними введен вентиль 3 (Y-циркулятор с балансной нагрузкой в третьем плече).To eliminate the mutual effects of the second and third amplification stages, a valve 3 was introduced between them (a Y-circulator with a balanced load in the third arm).

На фиг.3 приведена АЧХ коэффициента передачи между входами усилительных модулей 2 третьего каскада усиления после введения развязывающего устройства на входе третьего усилительного каскада - вентиля 3. Из приведенной АЧХ видно, что при введении вентиля 3 развязка между входами усилительных модулей 5 третьего усилительного каскада в диапазоне рабочих частот составляет более 25 дБ.Figure 3 shows the frequency response of the transfer coefficient between the inputs of the amplifier modules 2 of the third amplification stage after the introduction of the decoupling device at the input of the third amplifier stage - valve 3. From the given frequency response it is seen that when the valve 3 is introduced, the isolation between the inputs of the amplifier modules 5 of the third amplifier stage is in the range operating frequencies is more than 25 dB.

В каждом из усилительных модулей 5 происходит усиление СВЧ сигнала до уровня (80±10) Вт, при этом разброс фазового сдвига усилительных модулей 5 составляет не более ±20°. После суммирования СВЧ сигналов с m усилительных модулей 5 в делителе/сумматоре 4, сигнал через Y-циркулятор 6, уровнем не менее 500 Вт поступает на N-канальный развязанный делитель 7, обеспечивающий равномерное деление СВЧ сигнала на N каналов оконечного каскада усиления. Каждый из N каналов представляет из себя усилительный блок, аналогичный третьему каскаду усиления с усилительными модулями 8, имеющими выходную мощность не менее 110 Вт и разброс фазового сдвига между усилительными модулями не более ±20°. Усиленные в N каналах СВЧ сигналы суммируются в выходном N-канальном сумматоре 9 четвертого каскада и выходной сигнал с мощностью Р_вых не менее 7 кВт передается на выход усилителя СВЧ ВУМ.In each of the amplifier modules 5, the microwave signal is amplified to a level of (80 ± 10) W, while the phase shift of the amplifier modules 5 is no more than ± 20 °. After summing the microwave signals from m amplifier modules 5 in the divider / adder 4, the signal through the Y-circulator 6 with a level of at least 500 W is fed to the N-channel decoupled divider 7, which ensures uniform division of the microwave signal into N channels of the final amplification stage. Each of the N channels is an amplification unit similar to the third amplification stage with amplifying modules 8 having an output power of at least 110 W and a phase shift between amplifying modules of no more than ± 20 °. The microwave signals amplified in the N channels are summed in the output N-channel adder 9 of the fourth stage and the output signal with a power P _{out of} at least 7 kW is transmitted to the output of the microwave amplifier VUM.

Положительный эффект от внедрения новых усилительных модулей вытекает из следующего. Величина потерь на суммирование двух сигналов равных по амплитуде и отличных по фазе определяется следующим соотношением:The positive effect of the introduction of new amplifier modules follows from the following. The magnitude of the loss by the summation of two signals of equal amplitude and different phase is determined by the following relationship:

P_Σ=P(1+cosΔφ),P _Σ = P (1 + cosΔφ),

где Р_Σ - мощность на выходе сумматора;where P _Σ is the output power of the adder;

Р - мощность одного из сигналов, поступающих на вход сумматора;P is the power of one of the signals supplied to the input of the adder;

Δφ - фазовый сдвиг между двумя равноамплитудными сигналами.Δφ is the phase shift between two equally amplitude signals.

На Фиг.4 приведен график соотношения величины потерь на суммирование двух равноамплитудных сигналов от величины фазового сдвига между ними, полученного из данного выражения. Отмеченную закономерность можно использовать для оценки полученного выигрыша по мощности.Figure 4 shows a graph of the ratio of the magnitude of the loss in the summation of two equal-amplitude signals from the magnitude of the phase shift between them, obtained from this expression. The noted pattern can be used to evaluate the resulting power gain.

Замена усилительных модулей на биполярных транзисторах на усилители мощности СВЧ, выполненные на мощных СВЧ LDMOS транзисторах нового поколения и введение вентиля 3 между вторым и третьим усилительными каскадами позволило снизить потери на суммирование в условиях серийного производства до 20-25% (в эту величину входят и диссипативные потери в линиях связи). Это, наряду с увеличением выходной мощности, позволило увеличить КПД усилителя, повысить надежность его работы за счет уменьшения потерь на нагрев из-за потерь в балластных резисторах сумматоров мощности. Снижение эксплуатационных расходов происходит за счет увеличения срока эксплуатации и меньшей стоимости примененных усилительных модулей.The replacement of amplifying modules on bipolar transistors with microwave power amplifiers made on new generation high-power LDMOS microwave transistors and the introduction of gate 3 between the second and third amplifier stages allowed to reduce the summation losses in serial production up to 20-25% (this also includes dissipative losses in communication lines). This, along with an increase in the output power, made it possible to increase the efficiency of the amplifier and increase the reliability of its operation by reducing heat losses due to losses in the ballast resistors of the power combiners. Lower operating costs are due to an increase in the operating life and lower cost of the applied amplification modules.

Изготовленный опытный образец передающего устройства на базе заявляемого четырехкаскадного усилителя СВЧ ВУМ в соответствии с ГОСТ РВ 15.307-2002 прошел типовые испытания в составе РЛС и внедрен в производство.The manufactured prototype of the transmitting device based on the inventive four-stage microwave amplifier VUM in accordance with GOST RV 15.307-2002 passed type tests as part of the radar and was put into production.

Серийные образцы передающего устройства на базе заявляемого четырехкаскадного усилителя СВЧ ВУМ, обеспечивают на выходе передающего устройства в рабочей полосе частот импульсную мощность не менее 7 кВт.Serial samples of a transmitting device based on the inventive four-stage microwave VUM amplifier provide a pulse power of at least 7 kW at the output of the transmitting device in the working frequency band.

Claims

A high-power microwave amplifier containing serially connected amplification stages, each amplification stage containing an N-channel power divider, an N-channel power adder and N microwave amplifiers, where N = 2 ^m (m = 2 ^k , where k = 1 , 2, 3, ..., etc.), with each output of the N-channel power divider connected via a microwave amplifier to the corresponding input of the N-channel power adder, characterized in that it is made in four stages, the amplification modules are made on high-power microwave Next Generation LDMOS Mode A Transistors B, the inlet of the third amplifier stage to increase decoupling introduced valve in the amplifier stages at the output m-channel decoupled divider / combiner mounted Y-circulators, the fourth amplifier stage comprises N = 2 ^for parallel amplification stages, similar to the third cascade, N-channel decoupled divider and N-channel output adder.