Широкополосный балансный усилитель сверхвысокой частоты

Широкополосный балансный усилитель сверхвысокой частоты

Реферат

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к усилителям сверхвысокой частоты (СВЧ), и может быть использовано для усиления сигналов СВЧ в радиоэлектронной аппаратуре.

Известны балансные усилители СВЧ (Шварц Н.З. Линейные транзисторные усилители СВЧ, Москва, «Советское радио», 1980; Каганов В.И. СВЧ полупроводниковые радиопередатчики, Москва, «Радио и связь», 1981; Радиопередающие устройства, под ред. О.А.Челнокова, Москва, «Радио и связь», 1982, состоящие из двух одинаковых усилительных каскадов на транзисторах и двух одинаковых направленных ответвителей. Направленным ответвителем (НО) (Д.М.Сазонов, А.Н.Гридин, Б.А.Мишустин Устройства СВЧ, под ред. проф. Д.М.Сазонова, Москва, «Высшая школа», 1981) называют реактивный восьмиполюсник, имеющий две пары идеально согласованных и взаимно развязанных входов. К числу направленных ответвителей, чаще всего используемых в микрополосковом исполнении, можно отнести шлейфный направленный ответвитель, гибридное кольцо, направленный ответвитель на связанных линиях, кольцевой делитель с дополнительным четвертьволновым отрезком линии и др. В связи с тем, что балластный резистор является обязательным элементом балансного усилителя, и тем, что в некоторых направленных ответвителях балластный резистор является его составной частью, здесь и далее для единообразия под термином направленный ответвитель будем понимать шестиполюсник (Радиопередающие устройства, под ред. О.А.Челнокова, Москва «Радио, и связь», 1982), состоящий из одного из направленных ответвителей, указанных выше, и балластного резистора, при этом балластный резистор либо является его составной частью, либо подключен к четвертому развязанному плечу направленного ответвителя, и обладающий переходным затуханием 3 дБ между первым и вторым, между первым и третьим плечами, и с разностью фаз 90° между вторым и третьим выходными плечами в рабочей полосе частот.

Каждый из двух усилительных каскадов состоит из входной согласующей цепи, транзистора и выходной согласующей цепи. Согласующие цепи усилителей трансформируют комплексные входное и выходное сопротивления транзистора в стандартное активное сопротивление, равное 50 Ом. Входные сопротивления плеч направленных ответвителей также равны 50 Ом. Балансная схема усилителя позволяет обеспечить реализацию минимального коэффициента шума транзистора при низких значениях коэффициента стоячей волны по напряжению входа и выхода балансного усилителя, абсолютную устойчивость усилителя, в том числе и в области частот потенциальной неустойчивости транзистора, а также удвоение выходной мощности. К недостатку балансной схемы усилителя можно отнести удвоение количества элементов и увеличенные габаритные размеры по сравнению с одиночным усилительным каскадом.

Известен балансный транзисторный усилитель (Шафро Б.И. Малошумящий балансный транзисторный усилитель // «Вопросы судостроения», Москва, серия Радиолокация, вып.13, 1981), в котором в качестве направленных ответвителей применены синфазные кольцевые делители, дополненные фазосдвигающим четвертьволновым отрезком микрополосковой линии (Радиопередающие устройства, под ред. О.А.Челнокова, Москва, «Радио и связь», 1982), создающим 90-градусный фазовый сдвиг на средней частоте рабочего диапазона частот. Направленный ответвитель, выполненный на основе кольцевого делителя, по сравнению с направленным ответвителем на связанных линиях имеет более равное деление и меньшие потери и, кроме того, более технологичен. По сравнению с шлейфным направленным ответвителем и гибридным кольцом направленный ответвитель, выполненный на основе кольцевого делителя, имеет более широкую полосу пропускания. Транзисторы усилительных каскадов включены по схеме с общим эмиттером. Каждая из согласующих цепей усилительных каскадов так называемого Г-образного типа состоит из двух отрезков микрополосковой линии. Один из них - включенный в линию передачи последовательно, выполняет функцию трансформации входного (выходного) сопротивлений транзистора, другой, включенный в линию передачи параллельно, является шлейфом и выполняет функцию компенсации реактивной составляющей входного (выходного) сопротивления транзистора. Недостатком такого решения является недостаточно широкая полоса рабочих частот. Данный балансный транзисторный усилитель является наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемого изобретения.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является расширение арсенала технических средств указанного назначения с одновременным улучшением его эксплуатационных характеристик. Техническими результатами при реализации изобретения являются, в частности, расширение полосы рабочих частот, уменьшение числа элементов электрической схемы, упрощение конструкции, уменьшение габаритных размеров усилителя.

Влияние на достижение указанных технических результатов оказывают нижеприведенные отличительные признаки. Четвертьволновые трансформаторы направленных ответвителей, обеспечивающие функционирование направленных ответвителей, используются в том числе и для согласования входного и выходного сопротивлений транзисторов усилительных каскадов совместно с согласующими цепями усилительных каскадов и таким образом вводятся в состав согласующих цепей путем изменения волновых сопротивлений этих четвертьволновых трансформаторов. Причем при изменении волновых сопротивлений четвертьволновых трансформаторов таким образом, чтобы сопротивления плеч направленных ответвителей, подключенных к усилительным каскадам, были равны активной части входного сопротивления транзистора для направленного ответвителя, подключенного к входной согласующей цепи, и активной части выходного сопротивления транзистора для направленного ответвителя, подключенного к выходной согласующей цепи, во входных и выходных согласующих цепях усилителя исключаются отрезки микрополосковых линий, служащих для трансформации входного и выходного сопротивлений транзисторов, что позволяет расширить полосу рабочих частот и уменьшить количество элементов согласующей цепи. Под термином четвертьволновый трансформатор (Д.М.Сазонов, А.Н.Гридин, Б.А.Мишустин Устройства СВЧ, под ред. проф. Д.М.Сазонова, Москва, «Высшая школа», 1981) здесь и далее будем понимать отрезок микрополосковой линии передачи электрической длины, равной четверти длины волны на средней частоте рабочего диапазона частот, обладающего, как известно, трансформирующими свойствами.

Использование измененных сопротивлений четвертьволновых трансформаторов направленных ответвителей позволяет улучшить параметры широкополосного балансного усилителя СВЧ, поскольку порядок звеньев согласующей цепи за счет включения в ее состав четвертьволновых трансформаторов направленных ответвителей увеличивается на единицу, что позволяет, например, или повысить точность согласования в полосе рабочих частот, или расширить полосу рабочих частот, или уменьшить количество элементов согласующей цепи самого усилительного каскада.

На чертеже приведена схема широкополосного балансного усилителя СВЧ. Широкополосный балансный усилитель СВЧ, выполненный на микрополосковых линиях, состоит из направленных ответвителей 1 и 10 и усилительных каскадов 7. Направленные ответвители 1 и 10 состоят из кольцевых синфазных делителей 2 и 12 и четвертьволновых отрезков микрополосковых линий 3 и 11, создающих 90-градусный фазовый сдвиг на средней частоте рабочего диапазона частот. Усилительные каскады 7 состоят из транзисторов 6, включенных по схеме с общим эмиттером, входных согласующих цепей 4, состоящих из отрезков микрополосковых линий 5, и выходных согласующих цепей 9, состоящих из отрезков микрополосковых линий 8.

Каждая из объединенных согласующих цепей транзисторов 6 широкополосного балансного усилителя сверхвысокой частоты состоит из четвертьволновых трансформаторов 13 и 14, принадлежащих направленным ответвителям 1 и 10, и параллельно включенных в линию передачи отрезков микрополосковых линий 5 и 8 (шлейфов), принадлежащих согласующим цепям 4 и 9 усилительных каскадов 7.

При этом значения входных сопротивлений второго и третьего плеч направленных ответвителей, подключенных к усилительным каскадам, значения входных и выходных сопротивлений усилительных каскадов отличаются от стандартного значения 50 Ом. В то же время значения входного и выходного сопротивлений широкополосного балансного усилителя СВЧ равны стандартному сопротивлению. Шлейфы 5 и 8 предназначены для компенсации реактивной составляющей входного и выходного сопротивлений транзисторов.

Расчет измененных параметров элементов направленных ответвителей широкополосного балансного усилителя СВЧ осуществляется следующим образом:

1. Для направленного ответвителя 1

Волновое сопротивление отрезков микрополосковых линий 13 (четвертьволновых трансформаторов)

ρ_тр=(2·50·R1)^1/2

Волновое сопротивление отрезка микрополосковой линии 3 (фазосдвигающая линия)

ρ_ф=R1

Сопротивление балластного резистора 15

R_бал=2·R1

где R1 - выбранное в результате расчета входной объединенной согласующей цепи транзистора значения входных сопротивлений второго и третьего плеч направленного ответвителя 1.

2. Для направленного ответвителя 10

Волновое сопротивление отрезков микрополосковых линий 14 (четвертьволновых трансформаторов )

ρ_тр=(2·50·R2)^1/2

Волновое сопротивление отрезка микрополосковой линии 11 (фазосдвигающая линия)

ρ_ф=R2

Сопротивление балластного резистора 16

R_бал=2·R2

где R2 - выбранное в результате расчета выходной объединенной согласующей цепи транзистора значения входных сопротивлений второго и третьего плеч направленного ответвителя 10.

При использовании в широкополосном балансном усилителе СВЧ других, указанных выше, направленных ответвителей необходимо изменить волновые сопротивления четвертьволновых трансформаторов направленных ответвителей таким образом, чтобы значения входных сопротивлений второго и третьего плеч направленных ответвителей, подключенных к усилительным каскадам, были равны значениям, выбранным в результате расчета объединенных согласующих цепей, а значения входных сопротивлений первых плеч направленных ответвителей остались равными стандартному сопротивлению.

Широкополосный балансный усилитель СВЧ работает следующим образом. Мощность сигнала, поступающего на вход усилителя, делится пополам в направленном ответвителе 1 благодаря свойствам направленного ответвителя и трансформируется с помощью четвертьволновых трансформаторов 13 направленного ответвителя 1, усиливается транзисторами 6 совместно с согласующими цепями 4 и 9, трансформируется с помощью четвертьволновых трансформаторов 14 направленного ответвителя 10 и синфазно суммируется в направленном ответвителе 10, и затем поступает на выход широкополосного балансного усилителя СВЧ.

Широкополосный балансный усилитель сверхвысокой частоты, состоящий из двух направленных ответвителей и двух усилительных каскадов, каждый из которых состоит из входной согласующей цепи, транзистора и выходной согласующей цепи, отличающийся тем, что в состав согласующих цепей усилительных каскадов вводятся путем изменения их волновых сопротивлений четвертьволновые трансформаторы направленных ответвителей, причем при равенстве сопротивления плеч направленных ответвителей активной части входного сопротивления транзистора для направленного ответвителя, подключенного к входной согласующей цепи и активной части выходного сопротивления транзистора, для направленного ответвителя, подключенного к выходной согласующей цепи, во входных и выходных согласующих цепях усилителя исключаются отрезки микрополосковых линий, служащих для трансформации активной части входного и выходного сопротивлений транзисторов.