RU2506693C1

RU2506693C1 - Balanced microwave amplifier

Info

Publication number: RU2506693C1
Application number: RU2012123897/08A
Authority: RU
Inventors: Александр Анатольевич Григорьев; Владимир Ильич Тян; Алексей Сергеевич Петров
Original assignee: Открытое акционерное общество "ОКБ-Планета" (ОАО "ОКБ-Планета")
Priority date: 2012-06-08
Filing date: 2012-06-08
Publication date: 2014-02-10
Also published as: RU2012123897A

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.

SUBSTANCE: invention relates to radio engineering and can be used as a receiving amplifier of active phased antenna arrays with a built-in test and calibration system, where high sensitivity is required. The balanced microwave amplifier comprises two amplifiers having identical parameters, connected between cascade-connected input and output 3 dB directional couplers; the ballast circuit of the input 3 dB directional coupler comprises a unit for inputting a calibration signal, and each output arm of the output 3 dB directional coupler can be connected through a controlled switch to either the output of the balanced microwave amplifier or to a matched ballast load, wherein the amplifiers with identical parameters have reflection-type power limiters at their inputs.

EFFECT: broader functional capabilities by limiting power of the input signal and switching the input signal to a calibration signal without deterioration of input signal sensitivity.

3 dwg

Description

Предлагаемое техническое решение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве приемного усилителя активных фазированных антенных решеток (АФАР) со встроенной системой тестирования и калибровки, где требуются высокие показатели чувствительности.The proposed technical solution relates to radio engineering and can be used as a receiving amplifier for active phased antenna arrays (AFAR) with an integrated testing and calibration system where high sensitivity values are required.

Как известно, чувствительность приемника, в основном, определяется прямыми потерями сигнала на пути от антенны до входа малошумящего усилителя (МШУ) приемного усилителя и собственным шумом МШУ.As you know, the sensitivity of the receiver is mainly determined by the direct signal loss on the way from the antenna to the input of the low-noise amplifier (LNA) of the receiving amplifier and the LNA's own noise.

В настоящее время большое распространение получают АФАР с цифровым формированием диаграммы направленности и со встроенной системой тестирования и калибровки аналоговых приемных усилителей, во входной тракт которых введена схема переключения источника входного сигнала [В.Ю.Кочетков «Структура канальных трактов цифровых антенных решеток», Известия вузов. ЭЛЕКТРОНИКА №5 (79) 2009, с.68]. При этом потери, вносимые переключателем, приводят к снижению чувствительности приемника.At present, AFAR with digital beamforming and with a built-in testing and calibration system of analog receiving amplifiers are widely used, the input path of which is introduced a switching circuit of the input signal source [V. Yu. Kochetkov “The structure of channel paths of digital antenna arrays”, Izvestiya Vuzov . ELECTRONICS No. 5 (79) 2009, p.68]. In this case, the losses introduced by the switch lead to a decrease in the sensitivity of the receiver.

Также довольно широко известен метод ввода калибровочного (тестового) сигнала в приемные усилители посредством направленного ответвителя [А.В. Кондратенко, А.И. Миллер, Э.Н. Сунгатуллин, М.Л. Шевляков «Двадцатичетырехканальное частотно-разделительное устройство», Техника и приборы СВЧ, 2008, №2 с.6]. Поскольку тестовый сигнал достаточно мощный, связь направленного ответвителя со входом слабая, практически не вносящая потерь. Таким образом, снижения чувствительности приемника не происходит. Однако поскольку вход приемника от антенны не отключен, то в условиях помех тестирование затруднено, а калибровка вряд ли возможна.Also quite widely known is the method of inputting the calibration (test) signal into the receiving amplifiers by means of a directional coupler [A.V. Kondratenko, A.I. Miller, E.N. Sungatullin, M.L. Shevlyakov “The twenty-four-channel frequency separation device”, microwave equipment and devices, 2008, No. 2 p.6]. Since the test signal is powerful enough, the coupling of the directional coupler to the input is weak, with virtually no loss. Thus, a decrease in receiver sensitivity does not occur. However, since the receiver input is not disconnected from the antenna, testing is difficult under the conditions of interference, and calibration is hardly possible.

На практике существуют промежуточные варианты. Например, калибровочный сигнал заводят на вход МШУ приемного усилителя через направленный ответвитель, а антенну при этом отключают входным ключом, являющимся элементом защиты (ограничителем мощности), присутствие которой все равно обязательно в приемном усилителе. В этом случае недостатком является то, что тестированию и калибровке не подвергается тракт от антенны до входа МШУ, и это при том что узел входной защиты (ограничитель мощности) является самым ненадежным элементом приемного усилителя.In practice, there are intermediate options. For example, a calibration signal is fed to the input of the LNA of the receiving amplifier through a directional coupler, and the antenna is turned off with the input key, which is a protection element (power limiter), the presence of which is still necessary in the receiving amplifier. In this case, the disadvantage is that the path from the antenna to the LNA input is not subjected to testing and calibration, and this despite the fact that the input protection unit (power limiter) is the most unreliable element of the receiving amplifier.

Наибольшее применение в качестве входного приемного СВЧ усилителя нашел балансный усилитель [Л.Г. Малорацкий Микроминиатюризация элементов и устройств СВЧ, М.: «Советское радио», 1976, с.197, 198.], являющийся наиболее близким аналогом (прототипом) заявленного технического решения. Балансный усилитель содержит два идентичных по параметрам усилителя, которые включены между каскадно-соединенными входным и выходным трехдецибельными направленными ответвителями. Сигнал, поступивший на входное плечо входного трехдецибельного направленного ответвителя, разделяется по мощности на равные части, причем сигналы на выходах трехдецибельного направленного ответвителя приобретают 90-градусный сдвиг относительно друг друга. Далее сигналы поступают на входы идентичных по параметрам усилителей. При этом отраженная волна от рассогласованных (в связи с настройкой на минимум шума) входов усилителей проходит входной трехдецибельный направленный ответвитель в обратном направлении, и за счет приобретения дополнительного 90-градусного фазового сдвига в одном из плеч выделяется на согласованной балластной нагрузке, обеспечивая тем самым хорошее согласование по входу балансного усилителя (Эти рассуждения также справедливы и относительно выхода балансного усилителя). Далее усиленные сигналы с выходов идентичных по параметрам усилителей поступают на выходной трехдецибельный направленный ответвитель и (благодаря имеющемуся фазовому сдвигу) суммируются в одном его выходном плече, идущем на выход балансного усилителя, и вычитаются в другом выходном плече, идущем на согласованную балластную нагрузку. К недостаткам балансного усилителя следует отнести его аппаратную избыточность. По сути балансный усилитель состоит из двух независимых идентичных каналов усиления, из которых один усиливает полезный сигнал, а другой по сути усиливает шум согласованной балластной нагрузки входного трехдецибельного направленного ответвителя (Усиленный шум и часть собственных шумов усилителей выделяются на согласованной балластной нагрузке выходного трехдецибельного направленного ответвителя).The greatest application as an input receiving microwave amplifier was found by a balanced amplifier [L.G. Maloratsky Microminiaturization of microwave elements and devices, M .: “Soviet Radio”, 1976, p.197, 198.], which is the closest analogue (prototype) of the claimed technical solution. The balanced amplifier contains two identical in parameters amplifiers, which are connected between the cascade-connected input and output three-decibel directional couplers. The signal received at the input arm of the input three-decibel directional coupler is divided into equal parts by power, and the signals at the outputs of the three-decibel directional coupler acquire a 90-degree shift relative to each other. Next, the signals are fed to the inputs of amplifiers identical in parameters. In this case, the reflected wave from the mismatched (in connection with the minimum noise level) inputs of the amplifiers passes the input three-decibel directional coupler in the opposite direction, and due to the acquisition of an additional 90-degree phase shift in one of the arms, it is allocated to the matched ballast load, thereby ensuring good matching at the input of the balanced amplifier (These considerations are also valid with respect to the output of the balanced amplifier). Further, the amplified signals from the outputs of amplifiers identical in parameters are fed to the output three-decibel directional coupler and (due to the existing phase shift) are summed in one of its output arms, which go to the output of the balanced amplifier, and are subtracted in the other output arms, which go to the matched ballast load. The disadvantages of a balanced amplifier include its hardware redundancy. In fact, a balanced amplifier consists of two independent identical amplification channels, one of which amplifies the useful signal, and the other essentially amplifies the noise of the matched ballast load of the input three-decibel directional coupler (Amplified noise and part of the noise of the amplifiers are allocated to the matched ballast load of the output three-decibel directional coupler) .

Задачей разработанного технического решения является расширение функциональных возможностей балансного усилителя СВЧ за счет ограничения мощности входного сигнала и переключения входного сигнала на калибровочный сигнал без ухудшения чувствительности по входному сигналу.The objective of the developed technical solution is to expand the functionality of a balanced microwave amplifier by limiting the power of the input signal and switching the input signal to a calibration signal without compromising the sensitivity of the input signal.

Поставленная задача достигается тем, что балансный усилитель СВЧ содержит два идентичных по параметрам усилителя, включенных между каскадно-соединенными входным и выходным трехдецибельными направленными ответвителями, причем балластная цепь входного трехдецибельного направленного ответвителя содержит узел ввода калибровочного сигнала, а каждое выходное плечо выходного трехдецибельного направленного ответвителя через управляемый переключатель может быть подключено либо на выход балансного усилителя СВЧ, либо к согласованной балластной нагрузке, при этом идентичные по параметрам усилители на своих входах содержат ограничители мощности отражательного типа. Изобретение поясняется чертежами.The problem is achieved in that the balanced microwave amplifier contains two identical in parameters amplifiers connected between the cascade-connected input and output three-decibel directional couplers, and the ballast circuit of the input three-decibel directional coupler contains a calibration signal input unit, and each output arm of the three-decibel directional coupler output through a controlled switch can be connected either to the output of a balanced microwave amplifier, or to a matched ball at the same time, at the same time, amplifiers identical in parameters to their inputs contain reflective power limiters. The invention is illustrated by drawings.

На фигуре 1 изображена электрическая принципиальная схема балансного усилителя СВЧ.The figure 1 shows an electrical schematic diagram of a balanced microwave amplifier.

На фигуре 2 изображена электрическая схема практической реализации балансного усилителя СВЧ с направленным ответвителем в качестве узла ввода калибровочного сигнала.The figure 2 shows a circuit diagram of a practical implementation of a balanced microwave amplifier with a directional coupler as the input node of the calibration signal.

На фигуре 3 изображена электрическая схема практической реализации балансного усилителя СВЧ с аттенюатором, в качестве узла ввода калибровочного сигнала.The figure 3 shows a circuit diagram of a practical implementation of a balanced microwave amplifier with an attenuator, as the input node of the calibration signal.

Балансный усилитель СВЧ содержит два идентичных по параметрам усилителя 1 и 2, включенных между каскадно-соединенными входным и выходным трехдецибельными направленными ответвителями 3 и 4 соответственно. Балластная цепь входного направленного ответвителя 3 содержит узел ввода калибровочного сигнала 5 и согласованную балластную нагрузку 6, а каждое выходное плечо выходного направленного ответвителя 4 может быть подключено либо на выход балансного усилителя СВЧ, либо к согласованной балластной нагрузке 7 через управляемый переключатель 8. Идентичные по параметрам усилители 1 и 2 на своих входах содержат ограничители мощности отражательного типа 9 и 10.The balanced microwave amplifier contains two identical in parameters amplifier 1 and 2, connected between the cascade-connected input and output three-decibel directional couplers 3 and 4, respectively. The ballast circuit of the input directional coupler 3 contains a calibration signal input unit 5 and a matched ballast load 6, and each output arm of the output directional coupler 4 can be connected either to the output of a balanced microwave amplifier or to a matched ballast load 7 via a controlled switch 8. Identical in parameters amplifiers 1 and 2 at their inputs contain reflective power limiters of type 9 and 10.

Балансный усилитель СВЧ работает следующим образом. В режиме приема сигнал, поступивший на входное плечо трехдецибельного направленного ответвителя 3, разделяется по мощности на равные части, причем сигналы на выходах трехдецибельного направленного ответвителя 3 приобретают 90 градусный сдвиг относительно друг друга. Далее через ограничители мощности отражательного типа 9 и 10 сигналы поступают на входы идентичных по параметрам усилителей 1 и 2. При этом из за рассогласования входов усилителей 1 и 2 (связанного, как правило, с настройкой на минимум шума) или срабатывания отражательных ограничителей входной мощности 9 и 10 (при высоком уровне входной мощности) отраженная волна от входов усилителей 1 и 2 проходит трехдецибельный направленный ответвитель 3 в обратном направлении, и за счет приобретения дополнительного 90-градусного фазового сдвига в одном из плеч выделяется на согласованной балластной нагрузке 6, обеспечивая тем самым хорошее согласование по входу балансного усилителя СВЧ. Далее усиленные сигналы с выходов идентичных по параметрам усилителей 1 и 2 поступают на выходной трехдецибельный направленный ответвитель 4, где благодаря имеющемуся фазовому сдвигу суммируются в одном из выходных плеч «выходном» и вычитаются в другом выходном плече «балластном». Причем в режиме приема управляемый переключатель 8 подключает «выходное» плечо выходного трехдецибельного направленного ответвителя 4 на выход балансного усилителя СВЧ, а «балластное» плечо к согласованной балластной нагрузке 7. Поэтому усиленный сигнал проходит на выход балансного усилителя СВЧ, а усиленный шум балластной нагрузки входного трехдецибельного направленного ответвителя 3 и часть собственных шумов усилителей 1 и 2 выделяется на согласованной балластной нагрузке 7. В режиме калибровки или тестирования управляемый переключатель 8 по внешней команде подключает «балластное» плечо выходного трехдецибельного направленного ответвителя 4 на выход балансного усилителя СВЧ, а «выходное» плечо, напротив, к согласованной балластной нагрузке 7. Поскольку в режиме тестирования и калибровки вход балансного усилителя СВЧ остается подключенным к источнику сигнала, то происходит усиление входного сигнала, точно так же, как в режиме приема, с той только разницей, что усиленный входной сигнал не попадает на выход балансного усилителя СВЧ, а выделяется на согласованной балластной нагрузке 7. Калибровочный сигнал, поступающий через узел ввода 5 в балластное плечо первого трехдецибельного направленного ответвителя 3, в силу идентичности усилителей 1 и 2 и симметрии плеч трехдецибельных направленных ответвителей 3 и 4 усиливается точно так же, как и входной сигнал, но суммируется в «балластном» плече выходного трехдецибельного направленного ответвителя 4 и далее через переключатель 8 поступает на выход балансного усилителя СВЧ, где продолжает принимать участие в дальнейшем тестировании и калибровке аналоговой части приемного тракта. Поскольку у балансного усилителя СВЧ отсутствует переключатель источника входного сигнала, нет и потерь, связанных с ним. Для последующих каскадов приемного тракта роль переключателя источника входного сигнала выполняет переключатель 8, который не влияет на чувствительность приемника, а ограничители мощности 9 и 10 при калибровке безусловно тестируются, поскольку являются частью балансного усилителя.The balanced microwave amplifier operates as follows. In the receiving mode, the signal received at the input arm of the three-decibel directional coupler 3 is divided into equal parts by power, and the signals at the outputs of the three-decibel directional coupler 3 acquire a 90 degree shift relative to each other. Then, through the power limiters of the reflective type 9 and 10, the signals are fed to the inputs of amplifiers 1 and 2 identical in parameters. In this case, due to a mismatch in the inputs of the amplifiers 1 and 2 (usually associated with tuning to a minimum noise) or the operation of reflective limiters of the input power 9 and 10 (at a high input power level) the reflected wave from the inputs of amplifiers 1 and 2 passes a three-decibel directional coupler 3 in the opposite direction, and due to the acquisition of an additional 90-degree phase shift in one of the h stands for coherent ballast load 6, thereby providing good matching of the microwave input of the balanced amplifier. Further, the amplified signals from the outputs of amplifiers 1 and 2, identical in parameters, are fed to the output three-decibel directional coupler 4, where, thanks to the existing phase shift, they are summed in one of the output arms “output” and subtracted in the other output arm “ballast”. Moreover, in the receive mode, the controlled switch 8 connects the “output” arm of the output three-decibel directional coupler 4 to the output of the balanced microwave amplifier, and the “ballast” arm to the matched ballast load 7. Therefore, the amplified signal passes to the output of the balanced microwave amplifier, and the amplified ballast noise of the input a three-decibel directional coupler 3 and part of the intrinsic noise of the amplifiers 1 and 2 is allocated to the matched ballast load 7. In the calibration or testing mode, controlled switching Atelier 8, by an external command, connects the “ballast” arm of the output three-decibel directional coupler 4 to the output of the balanced microwave amplifier, and the “output” arm, on the contrary, to the matched ballast load 7. Since the input of the balanced microwave amplifier remains connected to the signal source in the testing and calibration mode , then the input signal is amplified, just like in the reception mode, with the only difference being that the amplified input signal does not reach the output of the balanced microwave amplifier, but is allocated to a consistent score 7, the calibration signal entering through the input unit 5 to the ballast arm of the first three-decibel directional coupler 3, due to the identity of the amplifiers 1 and 2 and the symmetry of the arms of the three-decibel directional couplers 3 and 4, is amplified in the same way as the input signal, but is summed in The “ballast” arm of the output three-decibel directional coupler 4 and then through the switch 8 is fed to the output of the balanced microwave amplifier, where it continues to participate in further testing and calibration of the analog parts of the receiving path. Since the balanced microwave amplifier does not have an input source switch, there are no losses associated with it. For subsequent stages of the receiving path, the role of the input source switch is played by switch 8, which does not affect the sensitivity of the receiver, and power limiters 9 and 10 are definitely tested during calibration, as they are part of a balanced amplifier.

(Следует заметить, что калибровочный сигнал подается по кабелю в такте приема работы АФАР. В такте передачи вследствие взаимного влияния излучателей часть передаваемой мощности возвращается в приемники, где, отразившись от закрытых ограничителей мощности, в основном, выделяется на балластных резисторах, а часть этой мощности через узел ввода калибровочного сигнала проникает в кабель калибровочного сигнала и в принципе может быть использована, например, для оперативной коррекции передающей диаграммы направленности, поскольку несет в себе информацию о модуле и фазе отраженного от антенн сигнала в такте передачи).(It should be noted that the calibration signal is fed through the cable in the reception cycle of the AFAR operation. In the transmission cycle, due to the mutual influence of the emitters, part of the transmitted power is returned to the receivers, where, reflected from the closed power limiters, it is mainly allocated to ballast resistors, and part of this power penetrates the calibration signal cable through the input node of the calibration signal and, in principle, can be used, for example, for operational correction of the transmitting radiation pattern, since it carries with baa information about the module and phase of the reflected signal from the antenna in the transmission cycle).

Предлагаемое техническое решение предполагает многообразие его реализации в зависимости от вариантов построения узла ввода калибровочного сигнала. Были опробованы два варианта балансного усилителя СВЧ диапазона 430 МГц. В первом варианте в качестве узла ввода калибровочного сигнала использован направленный ответвитель со слабой связью (Фиг 2), а во втором варианте использован аттенюатор (Фиг 3). Первый вариант ориентирован на работу с большим уровнем входной мощности, когда отраженная мощность отводится в мощную балластную нагрузку, расположенную за пределами приемного усилителя. Второй вариант более компактный, однако он ориентирован на работу с меньшими входными мощностями.The proposed technical solution involves the diversity of its implementation, depending on the options for constructing the input node of the calibration signal. Two versions of the balanced amplifier of the microwave range 430 MHz were tested. In the first embodiment, a weak coupled directional coupler was used as the calibration signal input node (Fig. 2), and in the second embodiment, an attenuator was used (Fig. 3). The first option is oriented to work with a high level of input power, when the reflected power is transferred to a powerful ballast load located outside the receiving amplifier. The second option is more compact, but it is focused on working with lower input capacities.

Оба варианта практической реализации схемы балансного усилителя СВЧ показали, что при сохранении параметров, присущих прототипу, эта схема имеет дополнительные функциональные возможности, обеспечивающие ограничение мощности входного сигнала и переключение входного сигнала на калибровочный сигнал, без ухудшения чувствительности по входному сигналу, при этом подавление входного сигнала, просачивающегося на выход балансного усилителя СВЧ в режиме тестирования и калибровки, не менее 20 дБ.Both options for the practical implementation of the balanced microwave amplifier circuit showed that while preserving the parameters inherent in the prototype, this circuit has additional functionality that limits the power of the input signal and switches the input signal to the calibration signal, without compromising the sensitivity of the input signal, while suppressing the input signal leaking to the output of a balanced microwave amplifier in testing and calibration mode, at least 20 dB.

Таким образом, применение балансного усилителя СВЧ разработанной конструкции в АФАР со встроенной системой тестирования и калибровки позволяет повысить чувствительность АФАР.Thus, the use of a balanced microwave amplifier of the developed design in the AFAR with an integrated testing and calibration system can increase the sensitivity of the AFAR.

Claims

A microwave balanced amplifier containing two amplifier identical in parameters connected between a cascade-connected input and output three-decibel directional couplers, characterized in that the ballast circuit of the input three-decibel directional coupler contains a calibration signal input unit, and each output arm of the three-decibel directional coupler output through a controllable switch can be connected either to the output of a balanced microwave amplifier, or to a matched ballast load, at Ohms, identical in parameters, at their inputs contain reflective power limiters.