RU223818U1 - Усилитель с пространственным суммированием мощности - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области радиотехники, а именно к усилителям мощности сверхвысокой частоты на полупроводниковых приборах. Технический результат заключается в уменьшении массогабаритных характеристик усилителя с пространственным суммированием мощности. Такой результат обеспечивается за счет того, что в усилителе с пространственным суммированием мощности волноводно-полосковые переходы и полосково-волноводные переходы выполнены на диэлектрических подложках и содержат расширяющуюся щелевую линию и симметрирующий трансформатор, причем расширяющаяся щелевая линия и симметрирующий трансформатор расположены по нормали друг к другу, входы одиночных усилителей мощности подключают непосредственно к симметрирующим трансформаторам волноводно-полосковых переходов, а выходы одиночных усилителей мощности подключают непосредственно к симметрирующим трансформаторам полосково-волноводных переходов. 3 ил.

Description

Полезная модель относится к области радиотехники, а именно к усилителям мощности сверхвысокой частоты на полупроводниковых приборах, и может найти применение в составе систем связи, радиолокации, радионавигации и комплексов для проведения испытаний на электромагнитную совместимость.

Известна конструкция усилителя мощности сверхвысокой частоты [патент US №10812021 B2, МПК H03F 1/02, H03F 3/195 опубл. 20.10.2020]. Устройство содержит бинарный волноводный делитель мощности, волноводно-полосковых переходов, одиночные твердотельные усилители, полосково-волноводных переходов, бинарный волноводный сумматор мощности.

Недостатком данного технического решения является невозможность работы в широкой полосе частот из-за ограничений, присущих прямоугольным волноводам. Наличие верхней границы полосы рабочих частот делителя и сумматора мощности в составе усилителя обусловлено распространением высших типов волн в прямоугольном волноводе. Для более длинных волн у нижней границы рабочей полосы частот волноводы являются запредельными. Кроме этого, бинарные волноводные делители и сумматоры мощности не обеспечивают развязки между плечами, что может привести к неустойчивой работе одиночных твердотельных усилителей и снижает устойчивость к отказам всего устройства.

Известен твердотельный усилитель сверхвысокой частоты с пространственным суммированием мощности [патент RU №189022 U1, МПК H03F 3/19 опубл. 06.05.2019]. Устройство содержит входной коаксиальный ступенчатый трансформатор сопротивлений, радиальную коническую линию, сочлененные между собой посредством диэлектрической втулки. Радиальная коническая линия переходит в сверхразмерный коаксиальный волновод, в котором симметрично по окружности сверхразмерного коаксиального волновода на основаниях с высокой теплопроводностью расположены N плат одиночных усилителей. Ко входам одиночных усилителей подключены волноводно-полосковые переходы, а к выходам - полосково-волноводные переходы. В объеме между проводниками сверхразмерного коаксиального волновода происходит пространственное сложение усиленных сигналов. Просуммированный сигнал попадает в выходной плавный коаксиальный трансформатор сопротивлений, выход которого является выходом твердотельного усилителя сверхвысокой частоты.

Недостатком описанного устройства является недостаточно широкая, по сравнению с достижимой, полоса рабочих частот, ограниченная характеристиками входного коаксиального ступенчатого трансформатора сопротивлений, сочленённого с радиальной конической линией.

Известен широкополосный усилитель сверхвысокой частоты с пространственным суммированием мощности [H. Javadi-Bakhsh, et al., “A wideband twenty-element microwave spatial power combiner”, Scientia Iranica D, pp. 853-860, Mar. 2014]. Описанное устройство содержит входной трансформатор сопротивления, пространственный делитель мощности на основе коаксиального волновода с расположенными по окружности волноводно-полосковыми переходами, 20 одиночных твердотельных усилителей, пространственный сумматор мощности на основе коаксиального волновода с расположенными по окружности полосково-волноводными переходами, выходной трансформатор сопротивления. Усилитель работает в полосе частот от 6 до 18 ГГц (перекрытие по частоте 3:1). Волноводно-полосковые и полосково-волноводные переходы выполнены на диэлектрических подложках и состоят из трёх частей: расширяющейся щелевой линии, симметрирующего трансформатора и полосковой линии передачи. В каждом переходе все три части расположены последовательно друг за другом на продольной оси.

Недостатком данного технического решения является высокая тепловая нагрузка одиночных твердотельных усилителей. В описанном устройстве теплоотвод производится через металлические стенки, толщина которых ограничена физически малым диаметром коаксиального волновода при большом количестве одиночных усилителей. Структура волноводно-полосковых и полосково-волноводных переходов в делителе и сумматоре мощности не предусматривает возможность выноса активных элементов в радиальных направлениях для улучшения условий теплоотвода. Высокая тепловая нагрузка ограничивает максимальный уровень выходной мощности устройства. Кроме того, волноводно-полосковые и полосково-волноводные переходы, составные части которых расположены последовательно друг за другом вдоль продольной оси, являются протяженными, что увеличивает длину пространственного делителя и пространственного сумматора мощности, что, в свою очередь, приводит к избыточным массе и габаритам всего усилителя.

Известен широкополосный усилитель сверхвысокой частоты с пространственным суммированием мощности [Lee Ho-Seon, Park Kwan-Young, Kong Tong-Ook, Chun Jong-Hoon. Development of Wideband Spatial Combined High Power Amplifier. J. Korean Inst. Electromagn. Eng. Sci. 2017; 28(4):286-297], который принят за прототип, как наиболее близкий по технической сущности к заявляемому объекту. Прототип содержит входной плавный трансформатор сопротивления, пространственный делитель мощности на основе сверхразмерного коаксиального волновода с расположенными по окружности волноводно-полосковыми переходами, одиночные усилители, пространственный сумматор мощности на основе сверхразмерного коаксиального волновода с расположенными по окружности полосково-волноводными переходами, выходной плавный трансформатор сопротивления. Устройство работает в полосе частот от 6 до 18 ГГц (перекрытие по частоте 3:1). Волноводно-полосковые и полосково-волноводные переходы выполнены на диэлектрических подложках и состоят из трёх частей: расширяющейся щелевой линии, симметрирующего трансформатора и полосковой линии передачи. В каждом переходе три части расположены последовательно друг за другом на продольной оси, однако полосковая линия передачи дополнительно содержит изгиб для обеспечения возможности удаления одиночных усилителей в радиальных направлениях для улучшения условий теплоотвода.

Недостатком данного технического решения являются избыточная масса и габариты усилителя. В волноводно-полосковых и полосково-волноводных переходах расширяющиеся щелевые линии, симметрирующие трансформаторы и части полосковых линий передачи расположены последовательно друг за другом вдоль продольной оси, что увеличивает длину и массу пространственного делителя и пространственного сумматора мощности, а следовательно, и всего устройства. Помимо этого, наличие дополнительных потерь, вносимых полосковыми линиями передачи в составе волноводно-полосковых и полосково-волноводных переходов, приводит к уменьшению коэффициента полезного действия усилителя.

Техническим результатом, на достижение которого направлена предлагаемая полезная модель, является уменьшение массогабаритных характеристик усилителя с пространственным суммированием мощности.

Технический результат достигается тем, что в усилителе с пространственным суммированием мощности волноводно-полосковые переходы и полосково-волноводные переходы выполнены на диэлектрических подложках и содержат расширяющуюся щелевую линию и симметрирующий трансформатор, причем расширяющаяся щелевая линия и симметрирующий трансформатор расположены по нормали друг к другу, входы одиночных усилителей мощности подключают непосредственно к симметрирующим трансформаторам волноводно-полосковых переходов, а выходы одиночных усилителей мощности подключают непосредственно к симметрирующим трансформаторам полосково-волноводных переходов.

Сущность предлагаемой полезной модели поясняется фиг. 1, 2а и 2б. На фиг. 1 представлено схематичное изображение усилителя с пространственным суммированием мощности в разрезе. На фиг. 2а показана фронтальная сторона волноводно-полосковых и полосково-волноводных переходов, оборотная сторона показана на фиг. 2б.

Усилитель с пространственным суммированием мощности содержит (см. фиг. 1) входной трансформатор сопротивления 1 и сверхразмерный коаксиальный волновод 2. Во внутреннем пространстве между внутренним проводником 3 и внешним проводником 4 сверхразмерного коаксиального волновода 2 симметрично по окружности расположены волноводно-полосковые переходы 5. Волноводно-полосковые переходы 5 (см. фиг. 2а и 2б) содержат диэлектрическую подложку 6, расширяющуюся щелевую линию 7 и симметрирующий трансформатор 8, причем расширяющаяся щелевая линия 7 и симметрирующий трансформатор 8 расположены по нормали друг к другу. Выходы 9 волноводно-полосковых переходов 5 соединены со входами одиночных усилителей мощности 10. Выходы одиночных усилителей мощности 10 соединены с полосково-волноводными переходами 11, структура которых аналогична структуре волноводно-полосковых переходов 5. Полосково-волноводные переходы 11 расположены по окружности во внутреннем пространстве между внутренним проводником 12 и внешним проводником 13 второго сверхразмерного коаксиального волновода 14, соединенного с выходным трансформатором сопротивления 15, выход которого является выходом усилителя с пространственным суммированием мощности.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявленное устройство отличается тем, что изменены форма выполнения элемента, связи между элементами и их взаимное расположение:

расширяющиеся щелевые линии и симметрирующие трансформаторы в волноводно-полосковых и полосково-волноводных переходах расположены по нормали друг к другу;

входы и выходы одиночных твердотельных усилителей подключаются непосредственно к симметрирующим трансформаторам волноводно-полосковых и полосково-волноводных переходов.

Предложенное устройство работает следующим образом: сигнал поступает на входной трансформатор сопротивления 1 и далее – в сверхразмерный коаксиальный волновод 2. Во входном трансформаторе сопротивления 1 осуществляется трансформация волнового сопротивления входного сигнала и его согласование с волновым сопротивлением сверхразмерного коаксиального волновода 2. Далее в объеме между внутренним проводником 3 и внешним проводником 4 сверхразмерного коаксиального волновода 2 посредством волноводно-полосковых переходов 5 осуществляется пространственное деление мощности сигнала, причем волноводно-полосковые переходы 5 выполнены на диэлектрических подложках 6 и содержат расширяющуюся щелевую линию 7 и симметрирующий трансформатор 8, расположенные по нормали друг к другу. Структура и принцип работы симметрирующего трансформатора 8 известны из текущего уровня техники.

За счёт взаимного расположения элементов волноводно-полосковых переходов 5 и отсутствия необходимости в дополнительной полосковой линии передачи для соединения с одиночными усилителями 10, уменьшается длина и масса волноводно-полосковых переходов 5 и сверхразмерного коаксиального волновода 2, образующих пространственный делитель мощности.

Усиленные одиночными усилителями 10 сигналы выводятся в объем между внутренним проводником 12 и внешним проводником 13 сверхразмерного коаксиального волновода 14 при помощи полосково-волноводных переходов 11, причем волноводно-полосковые переходы 11 выполнены на диэлектрических подложках 6 и содержат расширяющуюся щелевую линию 7 и симметрирующий трансформатор 8, расположенные по нормали друг к другу. За счёт взаимного расположения элементов полосково-волноводных переходов 11 и отсутствия необходимости в дополнительной полосковой линии передачи для соединения с выходами одиночных усилителей 10, уменьшается длина и масса полосково-волноводных переходов 11 и сверхразмерного коаксиального волновода 14, образующих пространственный сумматор мощности. Взаимным расположением элементов 7 и 8 на диэлектрических подложках 6 полосково-волноводных переходов 11 обеспечивается возможность удаления одиночных усилителей 10 в радиальных направлениях от оси сверхразмерного коаксиального волновода 2 для улучшения условий теплоотвода и снижения тепловой нагрузки всего усилителя с пространственным суммированием мощности. После этого просуммированный сигнал попадает в выходной трансформатор сопротивления 15, где происходит согласование волнового сопротивления сверхразмерного коаксиального волновода 14 с волновым сопротивлением выхода усилителя с пространственным суммированием мощности.

Таким образом, становится возможна разработка усилителей с пространственным суммированием мощности, в которых пространственный делитель и пространственный сумматор мощности имеют меньшие габаритные размеры и массу, что в свою очередь, обеспечивает меньшие габариты и массу всего устройства. При этом, как и у прототипа, обеспечивается работа в широкой полосе частот и сохраняется возможность удаления одиночных усилителей в радиальных направлениях для улучшения условий теплоотвода в целях оптимизации теплового режима работы усилительных элементов и повышения надежности усилителя.

Настоящая полезная модель может быть использована при создании усилителей мощности сверхвысокой частоты с уменьшенными массогабаритными характеристиками и может найти применение в составе систем радиолокации, радионавигации, связи и комплексов для проведения испытаний на электромагнитную совместимость.

Claims (1)

1. Усилитель с пространственным суммированием мощности, содержащий входной трансформатор сопротивления, сверхразмерный коаксиальный волновод, во внутреннем объеме которого симметрично по окружности расположены волноводно-полосковые переходы, выходы волноводно-полосковых переходов соединены со входами одиночных усилителей мощности, выходы одиночных усилителей мощности соединены с полосково-волноводными переходами, расположенными симметрично по окружности во внутреннем объеме второго сверхразмерного коаксиального волновода, соединенного с выходным трансформатором сопротивления, отличающийся тем, что волноводно-полосковые переходы и полосково-волноводные переходы выполнены на диэлектрических подложках и содержат расширяющуюся щелевую линию и симметрирующий трансформатор, которые расположены по нормали друг к другу, причем входы одиночных усилителей мощности подключают непосредственно к симметрирующим трансформаторам волноводно-полосковых переходов, а выходы одиночных усилителей мощности подключают непосредственно к симметрирующим трансформаторам полосково-волноводных переходов.