усилитель свч

Формула изобретения

Усилитель СВЧ, содержащий n = 2^k, где k = 2, 3,...,- целое число, идентичных усилителей мощности, n-канальные делитель и сумматор мощности, образованные квадратурными мостами-восьмиполюсниками, и балластные резисторы, в котором каждый усилитель мощности включен между соответствующими выходом делителя и входом сумматора, отличающийся тем, что и делитель, и сумматор выполнены в виде имеющего равное число n входов и выходов многополюсника, в котором квадратурные мосты расположены в k рядах по 0,5n мостов в каждом ряду, причем входы мостов первого ряда образуют n входов в делителе и n выходов в сумматоре, выходы мостов k-го ряда - n выходов в делителе и n входов в сумматоре, выходы мостов i-ro ряда, где i = 1, 2, .., k-1, соединены с входами мостов (i + 1)-го ряда по матричной схеме Батлера, а каждому m-му входу делителя, где m = 1, 2, ...n, в сумматоре соответствует тот его, (n - m + 1)-й, выход, коэффициент передачи к которому от m-го входа делителя близок по модулю к коэффициенту передачи усилителя мощности, при этом среди р входов делителя с номерами m₁, m₂, ..., m_p, где 2 р 0,5n, m₁-й вход делителя является входом усилителя СВЧ, р-1 других входов делителя, m₂-й, m₃-й, ..., m_p-й, соединены соответственно с (n - m₁+ 1)-м, (n - m₂+ 1)-м, ..., (n - m_p-1 + 1)-м выходами сумматора, (n -m_p + 1 )-й выход сумматора является выходом усилителя СВЧ, а к оставшимся n - p входам делителя, включая (n - m₁ + 1 )-й, (n - m₂ + 1 )-й, ..., (n - m_p+ 1)-й, и n-p выходам сумматора, включая m₁-й, m₂-й, ..., m_p-й, присоединены балластные резисторы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при создании усилителей СВЧ на электронных лампах, транзисторах, других активных элементах.

Известен балансный усилитель СВЧ (см. а.с. СССР N 466606), содержащий два идентичных усилителя мощности и два квадратурных моста-восьмиполюсника, один из которых является делителем, а второй сумматором мощности. Соединения усилителей мощности, делителя и сумматора таковы, что в этом устройстве осуществляется двукратная передача сигнала через каждый усилитель мощности. Это способствует увеличению коэффициента усиления (передачи) балансного усилителя СВЧ, поскольку модуль коэффициента передачи может достигать величины |K|², где |K| - модуль коэффициента передачи каждого из усилителей мощности.

Однако выходная мощность подобного усилителя не превышает суммы выходных мощностей двух усилителей мощности, модуль его коэффициента передачи не превышает |K|², а при работе с несогласованными нагрузкой и (или) источником входного сигнала усилитель склонен к самовозбуждению.

Последний из упомянутых недостатков устраняется в балансном усилителе СВЧ по патенту РФ N 2079966. Этот усилитель выполнен по той же схеме, что и упомянутый, но в нем использованы усилители мощности, согласованные как со стороны входа, так и со стороны выхода, а также введен полосовой фильтр в цепь связи между сумматором и делителем.

Однако остаются те же ограничения на величину выходной мощности и коэффициента усиления.

Известен усилитель СВЧ, принятый за прототип изобретения, в котором содержатся n=2^k, где k = 2, 3, ... - целое число, идентичных усилителей мощности, n-канальные делитель и сумматор мощности, образованные квадратурными мостами-восьмиполюсниками, и балластные резисторы, причем каждый усилитель мощности включен между соответствующими выходом делителя и входом сумматора (см. Каганов В.И. Транзисторные радиопередатчики. "Энергия", М., 1976, стр. 355, рис.9-9а).

Мосты в делителе и сумматоре усилителя-прототипа соединены по принципу попарного деления (сложения) мощности и расположены в k рядах (ступенях). В первом ряду делителя один мост, в каждом последующем ряду количество мостов удваивается и в k-м ряду используется 0.5n мостов, выходы которых образуют n выходов делителя. Выходы каждого моста i-го ряда соединены с одним из входов двух мостов (i+1)-го ряда (i-1,2,..., k-1), к вторым входам которых подключены балластные резисторы. Один вход моста, расположенного в первом ряду делителя, является входом усилителя СВЧ, к второму входу этого моста подключен балластный резистор. Сумматор выполнен по схеме, зеркально симметричной схеме делителя, то есть входам в сумматоре соответствуют выходы в делителе, а выходу сумматора - вход делителя, являющийся входом усилителя СВЧ.

В усилителе-прототипе мощность входного сигнала распределяется поровну между выходами делителя и усиливается каждым из усилителей мощности. Усиленные сигналы поступают на n входов сумматора и складываются синфазно на его выходе, являющемся выходом усилителя СВЧ. При этом выходная мощность равна сумме выходных мощностей п усилителей мощности, а коэффициент усиления равен (а с учетом потерь не превышает) коэффициенту усиления каждого из усилителей мощности.

Балластные резисторы, подключенные к мостам делителя, поглощают мощность, отраженную от входов усилителей мощности, благодаря этому вход усилителя-прототипа согласован при наличии внутренних отражений. Балластные резисторы, подключенные к мостам сумматора, во-первых, поглощают "разностные" сигналы, возникающие при неидентичности режимов усилителей мощности (разбалансе), а, во-вторых, поглощают мощность, отраженную от нагрузки после ее вторичного отражения от выходов усилителей мощности.

Недостаток усилителя-прототипа - ограниченная величина коэффициента усиления (модуля коэффициента передачи), не превышающая значение коэффициента усиления каждого из усилителей мощности.

Анализ уровня техники показывает актуальность задачи создания такого усилителя СВЧ, в котором наряду с увеличением выходной мощности путем сложения выходных мощностей n усилителей мощности в общей нагрузке достигалось бы увеличение коэффициента усиления за счет неоднократной (в том числе, более двух раз) передачи сигнала через усилители мощности. При этом должна сохраняться устойчивость усилителя СВЧ при его работе с несогласованными нагрузкой и (или) источником входного сигнала.

Поставленная задача достигается тем, что в известном усилителе СВЧ, содержащем n= 2^k идентичных усилителей мощности, где k=2,3,... - целое число, n-канальные делитель и сумматор мощности, образованные квадратурными мостами-восьмиполюсниками, и балластные резисторы, в котором каждый усилитель мощности включен между соответствующими выходом делителя и входом сумматора, и делитель, и сумматор выполнены в виде имеющего равное число n входов и выходов многополюсника, в котором квадратурные мосты расположены в k рядах по 0,5n мостов в каждом ряду, причем входы мостов первого ряда образуют n входов в делителе и n выходов в сумматоре, выходы мостов k-го ряда - n выходов в делителе и n входов в сумматоре, а выходы мостов i-го ряда, где i=1,2,..., k-1, соединены с входами мостов (i+1)-го ряда по матричной схеме Батлера.

(См. Сканирующие антенные системы СВЧ. Том 3. Изд. "Советское радио", М. , 1971, стр. 296-297, рис. 38, 39. См. также Каганов В.И. СВЧ полупроводниковые радиопередатчики. Изд. "Радио и связь", М., 1981, стр. 334, рис. 10.27б. Термин "Матричная схема Батлера" или "Матрица Батлера" после публикации Батлера в первом из указанных источников широко используется в литературе по фазированным антенным решеткам и помимо указанной здесь монографии Каганова В.И. известен и из других источников).

При этом каждому m-му входу делителя, где m=1,2,..., n, в сумматоре соответствует тот его выход, (n-m+1)-й, коэффициент передачи к которому от m-го входа делителя близок по модулю к коэффициенту передачи усилителя мощности, при среди p входов делителя с номерами m₁, m₂,..., m_p, где 2 p 0,5n, m₁-й вход делителя является входом усилителя СВЧ, p-1 других входов делителя, m₂-й, m₃-й,..., m_p-й, соединены соответственно с (n-m₁+1)-м, (n-m₂+2)-м, . . . , (n-m_p-1+1)-м выходами сумматора, (n-m_p+1)-й выход сумматора является выходом усилителя СВЧ, а к оставшимся n-p входам делителя, включая (n-m₁+1)-й, (n-m₂+1)-й, . . . ,(n-m_p+1)-й, и n-p выходам сумматора, включая m₁-й, m₂-й,...,m_p-й, присоединены балластные резисторы.

На фиг. 1 представлена схема усилителя СВЧ при n=2³=8, (k=3), р=4; на фиг. 2 - схема многополюсника с n входами и n выходами, необходимая для пояснения работы устройства.

Усилитель СВЧ содержит n=8 идентичных усилителей мощности 1, делитель мощности 2, сумматор мощности 3 и балластные резисторы 4. Делитель и сумматор образованы квадратурными мостами 5, выполненными в виде 3-децибельных направленных ответвителей на связанных линиях. Мосты 5 в делителе и сумматоре расположены в k=3 рядах по 4 моста в ряду. Выходы 6 мостов третьего ряда делителя 2 и входы 7 мостов первого ряда сумматора 3 образуют соответственно выходы делителя и входы сумматора, между которыми включены усилители мощности 1. Входы мостов первого ряда делителя 2 образуют его входы 8-15, а выходы мостов третьего ряда сумматора 3 - его выходы 16-23.

Выходы мостов i-го ряда, где i=1, 2, в делителе соединены с входами мостов (i+1)-го ряда по матричной схеме Батлера: один выход j-го моста, где j= 1, 2, . . ., 0,5n, i-го ряда соединен с входом j-го же моста (i+1)-го ряда, второй выход j-го моста первого ряда соединен с входом (j+1)-го при j=1, 3 или (j-1)-го при j= 2, 4 моста второго ряда, а второй выход j-го моста второго ряда - с входом (j+2)-го при j=1, 2 или (j-2)-го при j=3, 4 моста третьего ряда. При этом длина соединительных отрезков линии передачи, например коаксиального кабеля, выбрана одинаковой для всех отрезков. Сумматор идентичен делителю, но, как и в прототипе, включен зеркально симметрично делителю.

В схеме, представленной на фиг. 1, входам 8, 9,..., 15 делителя 2 в сумматоре 3 соответствуют выходы 23, 22,...,16, а число p выбрано равным 4. При этом m₁-й, m₂-й, m₃-й и m₄-й входы делителя 2 - это его первый - четвертый входы (8, 9, 10 и 11). Вход 8 делителя 2 является входом усилителя СВЧ, три других его входа (9, 10 и 11) соединены соответственно с выходами 23, 22 и 21 сумматора 3. Длина соединительных отрезков линии передачи, например коаксиального кабеля, может быть произвольной, одинаковой для всех отрезков. Выход 20 сумматора 3 является выходом усилителя СВЧ. Подчеркнем, что соответственными являются входы 8, 9, 10, 11 делителя 2 и выходы 23, 22, 21, 20 сумматора 3.

К оставшимся пятому - восьмому входам 12, 13, 14 и 15 делителя 2 и первому - четвертому выходам 16, 17, 18 и 19 сумматора 3 подключены балластные резисторы 4.

При p < 4, например при p=3, число входов делителя 2, соединенных с выходами сумматора 3, уменьшается на единицу, а при p = 2 - на две единицы. Так, например, при p=3 выходом усилителя СВЧ становится выход 21 сумматора 3, а к его выходу 20 и к входу 11 делителя 2 присоединяются балластные резисторы, а при p = 2 те же резисторы присоединяются и к входу 10 делителя 2 и к выходу 21 сумматора 3, а выход 22 сумматора становится выходом усилителя СВЧ.

Следует отметить, что выбор номеров m₁, m₂,..., m_p входов делителя в определенной степени произволен, необходимо лишь, чтобы наряду с m_i-м входом, где i =1, 2,..., р, среди этих входов не было (n-m₁+1)-го, к которому должен быть присоединен балластный резистор. Так, например, в схеме, показанной на фиг. 1 при р=4, в качестве m₂-го входа делителя можно выбрать не второй (9), а седьмой (14) вход делителя. В таком случае к второму входу (9) делителя следует присоединить балластный резистор, седьмой вход (14) делителя следует соединить с восьмым выходом (23) сумматора, а третий вход (10) делителя - соединить не с седьмым выходом (22) сумматора, к которому также должен быть присоединен балластный резистор, а с его вторым (17) выходом.

Особенности работы устройства обусловлены свойствами многополюсника, выполненного по матричной схеме Батлера. Эти свойства характеризуются нормированной матрицей рассеяния многополюсника, элементы которой есть нормированные коэффициенты передачи и отражения. При нумерации входящих и исходящих волн с нормированными комплексными амплитудами а₁, а₂, ..., a_2n и b₁, b₂,... , b_2n, (и соответствующей нумерации входов 1, 2,...,n и выходов n+1, n+2,... ,2n), показанной на фиг. 2, матрица рассеяния имеет вид:



где блочные матрицы [O],[S₁], [S₁]_t - квадратные, порядка n, при этом матрица состоит из нулевых элементов, матрица [S₁] - из комплексных чисел, а индексом t обозначена транспонированная матрица. В силу взаимности многополюсника элементы матрицы S, симметричные относительно главной диагонали, равны, поэтому блочная матрица [S₁]_t есть транспонированная матрица [S₁] (строки матрицы [S₁] _t являются столбцами матрицы [S₁]). Представленная матрица S описывает делитель, а в матрице рассеяния сумматора, где направление передачи обратно делителю, блоки [S₁]_t, и [S₁] меняются местами.

Нулевые элементы матрицы S означают, во-первых, идеальное согласование каждого входа и выхода многополюсника при подключении к остальным входам и выходам согласованных нагрузок, а, во-вторых, идеальную электромагнитную развязку между входами, а также между выходами многополюсника. При использовании мостов на связанных линиях эти свойства частотно независимы.

Блочные матрицы [S₁] и [S₁]_t характеризуют передачу соответственно от входов к выходам и от выходов к входам многополюсника. Если совокупность волн а₁, а₂, ...,a_n падает на входы делителя, то на его выходах формируются исходящие волны b_n+1, b_n+2,...,b_2n, определяемые матричным соотношением:



которые после передачи через усилители мощности с комплексным коэффициентом передачи К образуют совокупность волн Kb_n+1, Kb_n+2,..., Kb_2n, падающих на входы сумматора. При этом на выходах сумматора формируются исходящие волны b₁, b₂,..., b_n, определяемые как



где [1] - единичная матрица порядка n.

Можно показать, что при наличии отражений от входов усилителей мощности с комплексным коэффициентом отражения от каждого входа Г₁, волны, исходящие от входов делителя, выражаются аналогичным образом:



Как видно, результат передачи сигнала через делитель и сумматор или через делитель в прямом и обратном направлениях определяется произведением блочных матриц [S₁] _t и [S₁]. Элементы этих матриц на центральной частоте мостов по абсолютной величине одинаковы и имеют модули, равные , а аргументы (фазовые углы) без учета сдвига фаз в соединительных отрезках линии передачи равны 0, , 0,5 или - 0,5 . Так, например, при n = 8.

где j - мнимая единица, а угол учитывает фазовый сдвиг в соединительных отрезках линии передачи равной длины.

Структура блочной матрицы [S₁] такова, что склярное произведение векторов-столбцов с номерами m и n-m+1 равно , а для любых других пар столбцов это произведение равно нулю - любые другие пары векторов-столбцов ортогональны. Поэтому в произведении матриц [S₁]_t и [S₁] каждая строка содержит только один ненулевой элемент, расположенный на побочной диагонали, что и порождает указанную выше связь между номерами входа делителя и соответствующего выхода сумматора. Так, например, при n=8:



Таким образом, сигнал с комплексной амплитудой а_m, падающий на m-й вход делителя (m=1, 2,..., n), поступает на все выходы делителя с коэффициентами передачи, соответствующими m-му столбцу матрицы [S₁] и далее после усиления усилителями мощности - на все входы сумматора, а в результате отражения от входов усилителей мощности - вновь на все выходы делителя. От каждого входа сумматора к каждому его выходу сигнал передается с коэффициентами, соответствующими элементам матрицы [S₁]_t. На соответствующем, (n-m+1)-м, выходе сумматора происходит синфазное сложение n усиленных сигналов, на остальных выходах сумматора в силу ортогональности вектора-строки матрицы [S₁]_t, и вектора-столбца матрицы [S₁] происходит взаимное уничтожение n усиленных сигналов. Аналогично, n отраженных от входов усилителей мощности сигналов после вторичной передачи через делитель к его входам складываются синфазно на (n-m+1)-м входе делителя, а на остальных входах делителя, включая m-й, взаимно уничтожаются. Поэтому, несмотря на отражения от входов усилителей мощности, m-й вход делителя остается согласованным при условии подключения к его (n-m+1)-му входу балластного резистора, поглощающего отраженную мощность.

Рассмотрим далее работу усилителя СВЧ, основываясь на изложенных свойствах делителя и сумматора.

Входной сигнал с нормированной амплитудой а₁, поданный на вход 8 делителя 2, создает на выходах 6 делителя и на входах усилителей мощности 1 колебания с амплитудой и распределением фаз, соответствующим первому столбцу матрицы [S₁]. На входах 7 сумматора 3 амплитуда сигнала увеличивается в |K| раз, где |K| - модуль коэффициента передачи усилителей 1, а распределение фаз сохраняется. На выходе 23 сумматора 3, соответствующем входу 8 делителя 2, происходит синфазное сложение n колебаний, амплитуда становится равной ₁|K| , а на остальных выходах происходит взаимное уничтожение колебании и амплитуда равна нулю.

С выхода 23 сумматора однократно усиленный сигнал поступает на следующий вход 9 делителя. После повторного усиления колебания, поступившие на входы 7 сумматора, складываются синфазно на выходе 22 сумматора, соответствующем входу 9 делителя. В линейном (малосигнальном) режиме работы усилителей мощности 1, когда коэффициент передачи не зависит от амплитуды колебаний, двукратно усиленный сигнал на выходе 22 сумматора имеет амплитуду a₁|K|² . Далее происходит третья передача сигнала через усилители мощности 1: от выхода 22 сумматора к входу 10 делителя и далее к выходу 21 сумматора, где в линейном режиме амплитуда достигает величины a₁|K|³ . Последний, четвертый цикл усиления осуществляется путем подачи сигнала от выхода 21 сумматора к входу 11 делителя. Распределение фаз колебаний на выходах 6 делителя и входах 7 сумматора соответствует при этом четвертому столбцу матрицы [S₁], а синфазное сложение колебаний происходит на выходе 20 сумматора 3, который является выходом усилителя СВЧ и соответствует входу 11 делителя. Амплитуда колебаний на выходе 20 сумматора в линейном режиме достигает значения a₁|K|⁴ .

Таким образом, модуль комплексного коэффициента передачи усилителя СВЧ в линейном режиме составляет |K|⁴ , что в |K|³ раз больше, чем модуль |K| коэффициента передачи каждого из усилителей мощности 1.

Если входы усилителей мощности 1 не согласованы, то в каждом цикле усиления на выходы 6 делителя 2 со стороны усилителей 1 падает совокупность отраженных волн. В результате передачи к входам 8 - 15 делителя 2 происходит взаимное уничтожение этих волн на всех входах делителя кроме того, номер которого выражается через номер m_r входа делителя в r-м цикле усиления (r=1, 2, . ..,р) как n-m_r+1, и к которому, как было указано выше, присоединен балластный резистор. Таким образом, балластные резисторы 4, присоединенные к входам 15, 14, 13 и 12 делителя 2, поглощают мощность, отраженную от входов усилителей 1, соответственно в первом и последующих циклах усиления. Тем самым предотвращаются передача отраженных волн в сумматор 3, а также их воздействие на источник входного сигнала - вход усилителя СВЧ согласован даже при наличии отражений от входов усилителей мощности 1.

Если усилитель СВЧ работает с несогласованной нагрузкой, то на выход 20 сумматора падает волна, отраженная от нагрузки. После передачи ко всем входам 7 сумматора эта волна, поделившаяся на n каналов, претерпевает вторичное отражение от выходов усилителей мощности 1 (которые, как правило, не согласованы со стороны своих выходов) и после вторичного прохождения через сумматор поглощается балластным резистором 4, присоединенным к выходу 19 сумматора 3, на остальных же выходах сумматора вторично отраженные волны взаимно уничтожаются. Тем самым предотвращается нежелательное прохождение волны, отраженной от нагрузки усилителя СВЧ, к входам 9, 10 и 11 делителя, а значит, разрывается цепь паразитной обратной связи и предотвращается возможное самовозбуждение.

Балластные резисторы 4, присоединенные к выходам 16, 17 и 18 сумматора 3, служат для поглощения разностных выходных сигналов усилителей мощности 1, возникающих при неидентичности режимов работы (разбалансе) этих усилителей.

Таким образом, предложенный усилитель СВЧ позволяет увеличить модуль коэффициента передачи (усиления) устройства за счет р-кратной передачи сигнала через активные элементы усилителей мощности. Число циклов усиления может быть выбрано в пределах 2 p 0,5n. В линейном режиме работы усилителей мощности модуль коэффициента передачи достигает величины |K|^p , что в |K|^p-1 раз больше, чем у усилителя СВЧ, принятого за прототип, в котором модуль коэффициента передачи тот же, что и у каждого из усилителей мощности и равен |K| . В нелинейном режиме больших сигналов, когда по мере роста амплитуды уменьшается модуль коэффициента передачи усилителей мощности, выигрыш в коэффициенте усиления получается меньшим, однако и в этом случае p циклов усиления позволяют резко снизить величину мощности на входе усилителя СВЧ, необходимую для возбуждения активных элементов усилителей мощности на уровне их мощностного номинала.

Указанная особенность предложенного усилителя СВЧ позволяет использовать в усилителях мощности 1 активные элементы с невысокими усилительными свойствами, а значит, и более дешевые, например некоторые типы СВЧ транзисторов, триоды СВЧ, включенные по схеме с общей сеткой, пролетные клистроны с малым числом резонаторов. Кроме того, высокое усиление позволяет сократить число каскадов в усилительном тракте и тем самым ограничить количество и ассортимент используемых в нем активных элементов.

Существенно, что при увеличении коэффициента усиления сохраняется устойчивая работа усилителя СВЧ с несогласованной нагрузкой и (или) источником входного сигнала, что позволяет избежать применения в усилительном тракте развязывающих устройств (например, волновых вентилей).