RU2732902C1 - Microwave power amplifier - Google Patents

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: invention relates to design of low-noise amplifiers for transceiving modules with frequency selection of amplification factor when using radial divider-adders (RDA), which provide high level of amplification factor in K_u- and K_a-frequency ranges at reduced level of noise introduced by amplifier. Frequency selection is achieved due to alternate arrangement of waveguide channels for transmitting power of amplified in RDA signals with sections of short-circuited waveguides, which play the role of efficient wave reflectors in resonators with axial symmetry. There is an azimuthal connection of wave packets propagating in radial delay lines on one side and in resonators formed by said reflectors and a central zone for outputting the power of the wave fluxes being summed therein. At resonant natural frequencies energy of wave flows does not penetrate into partial channels of power amplification of input signal.

EFFECT: technical result consists in provision of frequency isolation of amplification channels, preventing self-excitation of undesirable oscillations in them and thus increasing stability of RPM operation, in which similar amplifiers are used.

1 cl, 4 dwg, 1 tbl

Description

Усилители СВЧ-мощности являются основными элементами всех приемопередающих модулей (ППМ). Традиционно для создания больших мощностей в передатчиках всех типов используются электровакуумные усилители - магнетроны, клистроны, лампы бегущей волны (ЛБВ), - преобразующие энергию пучка электронов в электромагнитную энергию (см. например, «Передатчик СВЧ сантиметрового диапазона», патент РФ №2477565, опубл. 2013.04.27). Принципиально важно, что при работе электровакуумных устройств используются высокие напряжения питания и управления - 5-25 кВ, создающие существенные трудности при эксплуатации ППМ.Microwave power amplifiers are the main elements of all transceiver modules (TPM). Traditionally, to create high powers in transmitters of all types, vacuum amplifiers are used - magnetrons, klystrons, traveling wave tubes (TWT) - that convert the energy of an electron beam into electromagnetic energy (see, for example, "Microwave transmitter of centimeter range", RF patent No. 2477565, publ. . 2013.04.27). It is fundamentally important that during the operation of electrovacuum devices, high supply and control voltages are used - 5-25 kV, which create significant difficulties in operating the PPM.

В связи с бурным развитием микроэлектроники последних лет, созданием новых материалов и технологий нитрида галлия, появилась возможность разработки и изготовления твердотельных монолитно-интегральных схем (МИС) - кристаллов, позволяющих получать сигналы с большой выходной импульсной и непрерывной мощностью. В настоящее время известны примеры достижения в одном кристалле следующих уровней мощности выходного сигнала [2, 3]: 400 Вт -в L -диапазоне, 100-200 Вт - в Х-диапазоне, 60 Вт - в К_u-диапазоне, 25-30 Вт - в К_а-диапазоне, 2-3 Вт - в W-диапазоне. Последние годы связаны с формированием общемирового тренда, основанного на создании твердотельных усилителей мощности, представляющих собой сумматоры сигналов при использовании большого числа такого рода МИС.In connection with the rapid development of microelectronics in recent years, the creation of new materials and technologies for gallium nitride, it became possible to develop and manufacture solid-state monolithic integrated circuits (MIS) - crystals that allow obtaining signals with a high output pulse and continuous power. At present, there are known examples of achieving the following output signal power levels in one crystal [2, 3]: 400 W in the L-band, 100-200 W in the X-band, 60 W in the K _u -band, 25-30 W - in the K _a- range, 2-3 W - in the W-range. Recent years have been associated with the formation of a global trend based on the creation of solid-state power amplifiers, which are signal combiners when using a large number of such MISs.

Твердотельные усилители обладают существенными преимуществами перед электровакуумными аналогами, такими как:Solid state amplifiers have significant advantages over electrovacuum analogs, such as:

- отсутствие высоковольтного питания;- lack of high-voltage power supply;

- повышенная надежность;- increased reliability;

- улучшенная электромагнитная совместимость;- improved electromagnetic compatibility;

- улучшенные спектральные и флуктуационные характеристики;- improved spectral and fluctuation characteristics;

- снижение массогабаритных показателей;- decrease in weight and dimensions;

- снижение цены.- price drop.

Наиболее близким к заявляемому устройству является твердотельный усилитель мощности на основе радиального делителя-сумматора (РДС) - P. Khan, L. Epp, and A. Silva. A Ka-Band Wide-Bandgap Solid-State Power Amplifier: Architecture Performance Estimates. IPN Progress Report 42-163. November 15, 2005). Он содержит набор радиально направленных волноводов с установленными в них МИС усилителями мощности, позволяющий разветвлять, усиливать и затем суммировать волновые потоки СВЧ-мощности, обеспечивая высокий уровень парциальных волновых потоков в суммарный выходной поток мощности усилителя (S₂).Closest to the claimed device is a solid-state power amplifier based on a radial divider-adder (RDS) - P. Khan, L. Epp, and A. Silva. A Ka-Band Wide-Bandgap Solid-State Power Amplifier: Architecture Performance Estimates. IPN Progress Report 42-163. November 15, 2005). It contains a set of radially directed waveguides with MIS power amplifiers installed in them, which allows branching, amplifying and then summing the wave flows of microwave power, providing a high level of partial wave flows into the total output power flow of the amplifier (S ₂ ).

Недостатком известной конструкции усилителя на основе РДС является слабая развязка между каналами усиления, что при значительном коэффициенте усиления в каждом из его плеч приводит к возникновению положительных обратных связей и самовозбуждению приемопередающего модуля в целом.The disadvantage of the known amplifier design based on RDS is the weak isolation between the amplification channels, which, with a significant gain in each of its arms, leads to positive feedbacks and self-excitation of the transceiver module as a whole.

Кроме того, при нелинейном взаимодействии спектральных составляющих широкополосных сигналов происходит расширение спектра и появление паразитных интермодуляционных искажений. Поэтому актуальной является задача частотной селекции мощных широкополосных сигналов.In addition, nonlinear interaction of spectral components of wideband signals results in spectrum broadening and the appearance of parasitic intermodulation distortions. Therefore, the problem of frequency selection of powerful broadband signals is urgent.

Техническим эффектом, на достижение которого направлено предлагаемое техническое решение, является улучшение уровня развязки между каналами РДС, обеспечивающее повышение устойчивости работы усилителя. Этот эффект достигается тем, что в усилителе СВЧ-мощности на основе РДС, содержащем множество радиально направленных - по отношению к коаксиальному входу/выходу мощности - волноведущих каналов с установленными в них МИС усилителей мощности, согласно изобретению, упомянутые волноводные каналы передачи мощности размещаются поочередно с короткозамкнутыми отрезками радиальных волноводов.The technical effect to achieve which the proposed technical solution is aimed at is to improve the level of isolation between the RDS channels, which increases the stability of the amplifier. This effect is achieved by the fact that in a microwave power amplifier based on an RDS, which contains a plurality of radially directed - with respect to the coaxial power input / output - waveguide channels with installed MIS power amplifiers, according to the invention, said waveguide power transmission channels are arranged alternately with short-circuited sections of radial waveguides.

Принцип действия подобных систем заключается в следующем. Заявляемое устройство (Фиг. 2) представляет радиальную конструкцию, в которой волновая мощность, поступающая в усилитель через коаксиальный вход (1), попадает сначала в «цилиндрическую» промежуточную зону (Фиг. 2а), а затем - минуя «заглушки» (4) при частичном отражении от них - в радиальные «активные» волноводы, по которым после прохождения через МИС (3) усиленные волновые пакеты поступают в область суммирования (5), а затем - на выход усилителя (2) при частичном формировании квазистоячих волн внутри РДС (Фиг. 2б). В то же время «активные» волноводы, обеспечивающие переход волновых потоков из области разделения в область их суммирования после усиления чипами МИС, чередуются с заглушками в виде радиально расположенных короткозамкнутых отрезков волноводов (4), которые играют роль отражателей, формируемых в этой области квазицилиндрических мод электромагнитных волн. В результате образуется последовательность связанных друг с другом (в азимутальном направлении) волновых каналов двух типов: каналов усиления как линий задержки волновых пакетов и радиальных резонаторов. На собственных частотах этих резонаторов образуются стоячие моды электромагнитных полей, т.е. энергия возникающих колебаний локализуется (запирается) внутри резонаторных фрагментов РДС и не проникает на выход усилителя, обеспечивая тем самым необходимую частотную избирательность суммарного коэффициента усиления (см. Фиг. 3). Последовательное чередование каналов усиления волн с каналами их «запирания», в силу симметрии системы, определяет эффективность процесса образования стоячих волн, а, следовательно, улучшает частотную избирательность заявленного усилителя СВЧ-мощности.The principle of operation of such systems is as follows. The claimed device (Fig. 2) is a radial structure in which the wave power entering the amplifier through the coaxial input (1) enters first into the "cylindrical" intermediate zone (Fig. 2a), and then bypassing the "plugs" (4) with partial reflection from them - into radial "active" waveguides, through which, after passing through the MIS (3), amplified wave packets enter the summation region (5), and then - to the output of the amplifier (2) with partial formation of quasi-stationary waves inside the RDS ( Fig.2b). At the same time, "active" waveguides, providing the transition of wave flows from the separation region to the region of their summation after amplification by MIS chips, alternate with plugs in the form of radially located short-circuited waveguide segments (4), which play the role of reflectors formed in this region of quasi-cylindrical modes electromagnetic waves. As a result, a sequence of two types of wave channels connected to each other (in the azimuthal direction) is formed: amplification channels as delay lines of wave packets and radial resonators. Standing modes of electromagnetic fields are formed at the natural frequencies of these resonators, i.e. the energy of the arising oscillations is localized (locked) inside the resonator fragments of the RDS and does not penetrate to the amplifier output, thereby providing the necessary frequency selectivity of the total gain (see Fig. 3). The sequential alternation of channels of amplification of waves with channels of their "blocking", due to the symmetry of the system, determines the efficiency of the process of formation of standing waves, and, consequently, improves the frequency selectivity of the declared microwave power amplifier.

Фиг. 4 иллюстрирует результаты измерения выходной мощности сложения десяти 30-ваттных усилителей при чередовании волноводных каналов усиления с радиальными сегментами, образованными короткозамкнутыми отрезками волноводов. АЧХ усилителя мощности имеет характерные интервалы режекции, которые снижают вероятность возбуждения устройства на нежелательных частотах. При этом частотная селекция достигается не за счет дополнительных внешних фильтрующих компонентов, а является следствием предложенного конструктивного решения, непосредственно интегрированного с конструкцией РДС.FIG. 4 illustrates the results of measuring the output power of adding ten 30-watt amplifiers when alternating waveguide amplification channels with radial segments formed by short-circuited waveguide segments. The frequency response of the power amplifier has characteristic notch intervals that reduce the likelihood of exciting the device at unwanted frequencies. In this case, frequency selection is achieved not due to additional external filtering components, but is a consequence of the proposed design solution, directly integrated with the design of the RDS.

На основе проведенных расчетов спроектированы и реализованы усилители с выходной мощностью 300 Вт - в К_u-диапазоне и 120 Вт - в К_а-диапазоне. С их использованием изготовлены полнофункциональные передающие модули с параметрами, представленными в таблице.On the basis of the calculations performed, amplifiers with an output power of 300 W in the K _u- range and 120 W in the K _a- range have been designed and implemented. With their use, fully functional transmitting modules with the parameters presented in the table were made.

Предложенная конструкция обеспечивает интеграцию двух важных свойств - усиления и дополнительной частотной селекции паразитных спектральных составляющих широкополосных СВЧ-сигналов, что позволяет повысить устойчивость работы твердотельного СВЧ-усилителя в заданной полосе частот.The proposed design provides the integration of two important properties - amplification and additional frequency selection of the parasitic spectral components of broadband microwave signals, which makes it possible to increase the stability of the solid-state microwave amplifier in a given frequency band.

Источники информацииSources of information

1. «Передатчик СВЧ сантиметрового диапазона», патент РФ №2477565, опубл. 2013.04.271. "Microwave transmitter centimeter range", RF patent №2477565, publ. 2013.04.27

2. METDA Technology Co., LTD, www.metdac.com2. METDA Technology Co., LTD, www.metdac.com

3. QORVO Inc wwvv.qorvo.com3. QORVO Inc wwvv.qorvo.com

Claims (1)

Усилитель СВЧ-мощности на основе радиального делителя-сумматора, содержащего множество радиально направленных - по отношению к коаксиальному входу/выходу мощности - волноведущих каналов с установленными в них МИС усилителей мощности, отличающийся тем, что упомянутые волноводные каналы передачи мощности размещены поочередно с короткозамкнутыми отрезками радиальных волноводов.A microwave power amplifier based on a radial divider-combiner containing a plurality of radially directed - with respect to the coaxial input / output of power - waveguide channels with installed MIS power amplifiers, characterized in that the mentioned waveguide power transmission channels are arranged alternately with short-circuited radial segments waveguides.

Images