Как усилитель мощности усиливает свч мощность

Усилитель свч высокого уровня мощности

Устройство относится к радиоэлектронике и может быть использовано в радиопередающих устройствах сверхвысоких частот (СВЧ) для современных радиотехнических систем связи, радиолокации, радионавигации при разработке твердотельных усилителей СВЧ высокого уровня мощности (ВУМ), выполненных по схеме синфазного суммирования мощности N усилительных модулей.

Техническим результатом является улучшение эксплуатационных характеристик усилителя СВЧ ВУМ: снижение потерь на суммирование; повышение КПД, 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.

Сущность полезной модели состоит в том, что в заявляемом усилителе СВЧ ВУМ усилительные модули на биполярных транзисторах, работающих в режиме В, заменены на усилительные модули, выполненные на мощных СВЧ LDMOS транзисторах нового поколения, работающих в режиме АВ. Для устранения взаимных влияний второго и третьего каскадов усиления на входе третьего усилительного каскада введен вентиль.

Особенностью усилительных модулей, выполненных на мощных СВЧ LDMOS транзисторах, работающих в режиме АВ, является то, что входное сопротивление транзисторов не меняется с изменением уровня входного сигнала и фаза выходного сигнала остается неизменной. Разброс фазового сдвига при регулировке составляет не более ±20°.

Замена усилительных модулей на биполярных транзисторах на усилители мощности СВЧ, выполненных на мощных СВЧ LDMOS транзисторах нового поколения, позволило снизить потери на суммирование в условиях серийного производства до 20-25% (в эту величину входят и диссипативные потери в линиях связи).

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.

Полезная модель относится к радиоэлектронике и может быть использована в радиопередающих устройствах сверхвысоких частот (СВЧ) для современных радиотехнических систем связи, радиолокации, радионавигации.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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°).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

Усилительный модуль обеспечивает выходную импульсную мощность не менее 110 Вт, неравномерность коэффициента усиления не более 1,0 дБ, разброс фазового сдвига не более ±20°.

Предлагаемый усилитель СВЧ ВУМ иллюстрируется чертежом, представленным на фиг.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 к параллельно 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.

Усилитель мощности СВЧ ВУМ работает следующим образом.

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.

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).

Для устранения взаимных влияний второго и третьего каскадов усиления между ними введен вентиль 3 (Y-циркулятор с балансной нагрузкой в третьем плече).

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.

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.

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:

где Р — мощность на выходе сумматора;

Р — мощность одного из сигналов, поступающих на вход сумматора;

— фазовый сдвиг между двумя равноамплитудными сигналами.

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.

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.

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.

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.

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 (m=2 к , 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=2 к параллельно включенных каскадов усиления, аналогичных третьему каскаду, N-канальный развязанный делитель и N-канальный выходной сумматор.

РМ818-1

Усилитель РМ818-1 предназначен для усиления и управления амплитудой непрерывных, импульсных и модулированных сигналов в диапазоне частот от 8 до 18 ГГц. Модуль построен на основе современных GaAs-транзисторов, монолитных и гибридных интегральных схем, обеспечивающих высокое и равномерное усиление в широкой полосе частот, широкий динамический и температурный диапазоны, высокую выходную мощность. Исключительные технические параметры и высокая надежность обеспечены использованием современной тонкопленочной ГИС технологии и технологии пассивных ИС на арсениде галлия, высоконадежными комплектующими ведущих мировых производителей, герметичной конструкцией. Усилитель предназначен для применения в качестве выходных канальных усилителей в твердотельных передатчиках, а также в измерительной технике, аппаратуре ЭМС-тестирования и т.д.

Основные особенности

• Октавная мгновенная полоса
• Малые габариты и масса
• Цифровое 4-разрядное управление усилением
• Тонкопленочная ГИС и МИС технология
• Встроенный детектор выходной мощности
• Встроенный скоростной (300 нс) модулятор питания
• Температурная компенсация усиления
• Нормированные ФЧХ
• Высокая надежность и стойкость к ВВФ

Электрические параметры при T=25°C, VDC+ =+9 В, VDC- = -6 В, 50 Ом

Параметры

Обозн.

Мин. Макс.

Ед. изм.

Рабочий диапазон частот

Как усилитель мощности усиливает свч мощность

Мощные СВЧ-усилители (СВЧ — это сокращение от «сверхвысокочастотные») представляют собой электронные устройства, спроектированные для усиления радиочастотных сигналов с высоким уровнем мощности. Они обычно применяются в приложениях, где требуется увеличение мощности сигнала перед передачей, излучением, обработкой или детекцией. Эти устройства спроектированы для работы в диапазоне частот СВЧ, который находится выше уровня УКВ (ультравысокой частоты) и ниже частот миллиметрового диапазона.

Основные характеристики мощных СВЧ-усилителей включают следующие:

• высокая мощность;
• широкий диапазон частот;
• низкая искаженность;
• высокая эффективность;
• устойчивость и надежность;
• охлаждение;
• защита.

Связь
В телекоммуникационных системах они могут использоваться для усиления сигналов перед передачей в микроволновых и СВЧ-линиях связи.

Радиолокация
В системах радиолокации они позволяют усилить сигналы перед их излучением и обработкой, что улучшает дальность обнаружения объектов.

Научные исследования
В экспериментах, требующих высокой мощности для генерации или усиления СВЧ-сигналов, мощные усилители используются в физике, астрономии и других областях.

Обработка сигналов
В системах обработки сигналов мощные СВЧ-усилители могут использоваться для увеличения амплитуды сигналов перед дальнейшей обработкой.

Медицинская техника
В некоторых медицинских приложениях, например, в нейростимуляторах, мощные СВЧ-усилители могут использоваться для генерации сигналов для стимуляции нервной системы.

Промышленность
В промышленности мощные СВЧ-усилители могут быть включены в системы нагрева, сушки, генерации плазмы и других процессов.

В целом, мощные СВЧ-усилители играют важную роль в различных приложениях, где требуется работа с высокими мощностями и радиочастотными сигналами в диапазоне СВЧ.

Стоимость мощных СВЧ-усилителей и цены на сопутствующие услуги

Компания ООО Мэтрикс вейв оказывает услуги по разработке, проектированию, созданию мощных СВЧ-усилителей, внедрению, модернизации.

Услуга;Цена

Консультация (кандидат технических наук, ведущий специалист);50 000 руб/час НИР (научно-исследовательские работы, разработка);от 1 700 руб/час ОКР (опытно-конструкторские работы, создание);от 1 900 руб/час НИОКР (научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы);от 3 100 руб/час Реверс-инжиниринг (обратная разработка, модернизация);от 2 900 руб/час Мощный СВЧ усилитель;по запросу Измерения;по запросу Испытания;по запросу

Российская компания

Наши решения соответствуют требованиям по импортозамещению и актуальным отечественным нормам, предъявляемым к устройствам.

Импортозамещение

Мы предлагаем качественные, надежные и безопасные российские решения в области радиотехники, спутниковой связи и телекоммуникаций.

Выгодные цены

Наши устройства в 2–2,5 раза дешевле зарубежных и продуктов, созданных на основе иностранных компонентов и комплектующих.

НИР, ОКР, НИОКР

Мы являемся научно-производственной компанией и выполняем полный цикл работ по разработке, проектированию и созданию устройств.

Точные решения

Устройства нашей компании успешно проходят тестирования, соответствуют заявленным характеристикам и уже внедряются в России.

Сложные задачи

Мы беремся за сложные задачи благодаря команде сотрудников, в том числе КТН, КФМН, и партнерам, ведущим научным и опытным площадкам.

Применение мощных СВЧ-усилителей

Мощные СВЧ-усилители (СВЧ — это сокращение от «сверхвысокочастотные») находят широкое применение в различных областях, где требуется усиление радиочастотных сигналов с высоким уровнем мощности. Вот некоторые из основных областей их применения.

Телекоммуникации
Мощные СВЧ-усилители используются в сетях связи для усиления радиочастотных сигналов перед передачей через микроволновые и СВЧ-линии связи. Они применяются в базовых станциях мобильных сетей (3G, 4G, 5G), беспроводных связях и спутниковой связи.

Радиолокация
В системах радиолокации мощные СВЧ-усилители используются для усиления сигналов, прежде чем они будут излучены в рамках радиолокационных импульсов. Это помогает увеличить дальность обнаружения объектов и повысить эффективность радиолокационных систем.

Медицинская диагностика
В медицинской технике мощные СВЧ-усилители могут использоваться в системах обработки сигналов, связанных с магнитно-резонансной томографией (МРТ), радиохирургией, радиотерапией и другими методами, где необходимо усиление и обработка радиочастотных сигналов.

Исследования и научные эксперименты
В научных исследованиях мощные СВЧ-усилители применяются в физических экспериментах, астрономии, плазменной физике и других областях, где требуется генерация и усиление высокочастотных сигналов для изучения физических процессов.

Промышленность
В промышленных приложениях мощные СВЧ-усилители используются для генерации мощных СВЧ-полей, используемых в процессах нагрева, сушки, стерилизации и сварки.

Аэрокосмическая промышленность
В космических и аэрокосмических системах мощные СВЧ-усилители применяются для усиления сигналов связи, радионавигации, радиолокации и других приложений.

Эксперименты с плазмой
В экспериментах с генерацией плазмы, таких как токамаки и стеллараторы, мощные СВЧ-усилители могут использоваться для нагрева и управления плазмой.

Тестирование и калибровка оборудования
В некоторых случаях мощные СВЧ-усилители применяются для тестирования и калибровки других радиочастотных устройств, таких как антенны, детекторы и другие.

Системы ждущего режима (standby)
Мощные СВЧ-усилители могут быть использованы в режиме ожидания для мгновенного усиления сигнала при необходимости, что полезно в приложениях, где требуется быстрая реакция.

Общая цель мощных СВЧ-усилителей состоит в том, чтобы предоставить усиление сигналов с высокой мощностью в различных технических и научных приложениях, где это критически важно для достижения определенных целей.

Усилитель СВЧ-мощности диапазона 5–18 ГГц с выходной мощностью более 10 Вт

В статье описана конструкция и приведены характеристики сверхширокополосного твердотельного усилителя СВЧ-мощности на основе современных монолитных интегральных схем, обеспечивающего в рабочем диапазоне частот 5–18 ГГц выходную мощность более 12–16 Вт и КПД 17–24%.

Необходимость уменьшения массогабаритных характеристик, снижения потребляемой мощности широкополосных радиопередающих устройств вынуждает разработчиков модулей СВЧ обращаться к применению в выходных каскадах усилителей мощности современных интегральных компонентов на основе технологии нитрида галлия [1]. Такой вариант значительно упрощает конструкцию усилителя по сравнению с решениями на основе дискретных GaAs-транзисторов [2] при одновременном улучшении основных параметров усилителя.

Конструкция усилителя

На рис. 1 показана структурная схема разработанного усилителя мощности.

Рис. 1. Структурная схема усилителя

• входной малошумящий усилительный каскад (МШУ);
• цифровой пятиразрядный аттенюатор (АТ);
• цепь управления уровнем усиления входного МШУ для плавной компенсации температурного дрейфа коэффициента усиления в диапазоне температур –40…+75 °C;
• предварительный усилитель мощности, корректор АЧХ и ФЧХ усилительного тракта (ПУМ);
• делитель и сумматор (Д518 и С518);
• два интегральных усилительных модуля, выполненных в металлокерамическом корпусе, которые содержат входной балансный монолитный GaAs-усилительный каскад собственной разработки, коммерчески доступный GaN-монолитный усилитель с распределенным усилением (УРУ) с выходной мощностью 7–10 Вт и направленный детектор выходной мощности;
• стабилизаторы питания, быстродействующий модулятор питания; буферные ТТЛ-логические элементы управления цифровым аттенюатором, схему управления аттенюатором термокомпенсации, датчик температуры, устройство защиты (устройство питания и управления).

На рис. 2 представлена фотография внутренней конструкции разработанного усилителя, а на рис. 3 — его внешний вид. Корпус усилителя герметичный, элементы устройства питания и управления размещены с нижней стороны корпуса. Габаритные размеры усилителя составляют 64,2×117×20 мм, масса 300 г.

Рис. 2. Конструкция усилителя

Рис. 3. Внешний вид усилителя УМ1710Б

На рис. 4 дана фотография выходного интегрального усилительного модуля М04С, который выполнен в герметичном металлокерамическом микрокорпусе и разработан совместно с компанией Kyocera [3]. Габаритные размеры корпуса составляют 10,8×26×2,6 мм, а масса менее 5 г.

Рис. 4. Конструкция интегрального усилительного модуля

Модуль обеспечивает в полосе рабочих частот 5–18 ГГц выходную мощность более 7 Вт при КПД 21–27%, малосигнальное усиление 18–20 дБ и КСВН входа и выхода не более 1,8. Были проведены испытания трех вариантов построения данного модуля:

1. GaAs-микросхема МС120 собственной разработки и выходной УРУ GaN (как показано на рис. 4).
2. 2‑Вт GaAs-микросхема УБВ и выходной УРУ GaN.
3. 2‑Вт GaN-микросхема УБВ и выходной УРУ GaN.

Исследования показали преимущество первого варианта построения. На рис. 5 изображен график КПД по добавленной мощности всех трех вариантов, из которого видно, что вариант с микросхемой МС120 не имеет провала по КПД в районе 13 ГГц, а также в среднем КПД выше на 2–3%. Модуль М04 С может применяться отдельно как самостоятельное изделие, например, в многоканальных усилительных трактах.

Рис. 5. КПД по добавленной мощности трех вариантов исполнения модуля М03С

Для суммирования мощностей двух интегральных модулей разработан квадратурный сумматор с тремя областями связи (общий вид показан на рис. 2). Расчетные параметры сумматора приведены на рис. 6.

Рис. 6. Расчетные параметры квадратурного сумматора, примененные в разработанном усилителе

Сильную связь обеспечивает центральная секция в виде моста Ланге с зазором между проводниками 13 мкм, а слабую связь создают широкие подводящие линии. Такая конструкция позволяет эффективно использовать его длину и увеличить широкополосность за счет применения областей с разным коэффициентом связи.

Основные характеристики усилителя

На рис. 7–9 приведены типовые характеристики пяти образцов разработанного усилителя мощности. Коэффициент передачи в малосигнальном режиме составляет 44–48 дБ при неравномерности около 3 дБ (рис. 7), КСВН входа и выхода усилителя не более 2,5.

Рис. 7. Малосигнальный коэффициент усиления серии усилителей (НКУ)

Усилитель содержит цепь управления уровнем усиления для плавной компенсации температурного дрейфа коэффициента усиления в диапазоне температур –40…+75 °C, которая обеспечивает дрейф амплитудно-частотной характеристики не более чем на 2 дБ.

Токи потребления по цепям питания и КПД усилителя представлены на рис. 8. В нормальных климатических условиях (НКУ) КПД составляет 17–24%, а при росте температуры до +75 °C не падает ниже 15%.

Рис. 8. Токи потребления по цепям питания в режиме насыщения (НКУ)

Усилитель обеспечивает выходную мощность 12–16 Вт (рис. 9) при входной мощности 2 мВт (компрессия усиления около 7 дБ) при эффективном охлаждении корпуса. В диапазоне температур –40…+75 °C усилитель поддерживает выходную мощность более 10 Вт.

Рис. 9. Типовая номинальная выходная мощность (при Рвх = 2 мВт) в НКУ (сплошные линии) и при температуре +75 °С на корпусе

Заключение

В работе приведены результаты разработки усилителя с выходной мощностью не менее 10 Вт, действующего в диапазоне частот 5–18 ГГц, который может применяться в качестве оконечного усилителя мощности в АФАР непрерывного режима. По удельным параметрам (масса на единицу выходной мощности, аппаратурный КПД [1], стоимость ватта выходной мощности) он имеет на 30–45% лучшие показатели, чем разработанный ранее GaAs-усилитель сравнимой полосы частот [2].

1. Кищинский А. А. Сверхширокополосные твердотельные усилители мощности СВЧ-диапазона: схемотехника, конструкции, технологии. Электроника и микроэлектроника СВЧ. Сборник статей VII Всероссийской конференции. СПб., Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2018.
2. Радченко А. В. Сверхширокополосный транзисторный усилитель диапазона 6–18 ГГц с выходной мощностью 6 Вт. Материалы 21‑й Международной Крымской конференции «CВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2011.
3. Маркинов Е. Г., Радченко А. В. Сверхшироко­полосные интегральные усилители мощности в корпусах поверхностного монтажа. Материалы 26‑й Международной Крымской конференции «CВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2016.