О результатах разработки СВЧ-усилителей S- и C-диапазонов с выходной непрерывной мощностью 150–200 Вт

Схема и конструкция усилителей мощности

Усилители мощности (УМ) представлены в едином исполнении. Это настольные приборы для эксплуатации в лабораторных или цеховых условиях с подключением внешней системы жидкостного охлаждения и возможностью дополнительного воздушного охлаждения встроенными вентиляторами (рис. 1).

Рис. 1. Внешний вид усилителя мощности C-диапазона

Все УМ построены по схеме, показанной на рис. 2, включают в себя предварительный (ПУ) и выходной (ВУ) СВЧ-усилители, а также блоки контроля для управления устройством и индикации его параметров, к которым относятся текущие входная и выходная мощности, температура, аварийное событие и др. Все элементы находятся на радиаторе с жидкостным охлаждением и помещены в металлический корпус.

Рис. 2. Структурная схема усилителей мощности S- и C-диапазонов

В качестве ПУ используются серийно выпускаемые предприятием приборы S‑ и С‑диапазонов.

Основой ВУ S‑диапазона послужил макет усилителя, результаты разработки и исследования которого опубликованы в [1].

Выходной усилитель для С‑диапа­зона был разработан по аналогичной схеме суммирования при помощи квадратурных 3‑дБ мостов на основе секций с лицевой связью воздушной симметричной полосковой линии [2] восьми гибридно-интегральных модулей, состоящих из двух последовательно включенных балансных усилительных каскадов на основе нитрид-галлиевых транзисторов с шириной затвора 2,5 и 7 мм.

Для обеспечения работы усилителей мощности на рассогласованную нагрузку (режимы КЗ и ХХ) с целью защиты выходных каскадов гибридно-интегральных модулей в сумматоре мощности предусмотрены циркуляторы Drop-In.

Линия передачи

В качестве линии передачи в мощных трактах ВУ обоих диапазонов использовалась экспериментально отработанная симметричная планарная линия [1], потери которой составляют 0,007 дБ/cм на 4 ГГц и 0,03 дБ/cм на 8 ГГц.

Для улучшения теплоотвода в выходном тракте используются вставки из нитрида алюминия сечением 1 мм², припаянные одной стороной к линии передачи, а другой — к корпусу ВУ.

Компенсация вносимых неоднородностей в СВЧ-тракт осуществляется с помощью рассчитанного и экспериментально проверенного компенсирующего элемента — подрезки в линии 4×0,8 мм с двух сторон в местах установки вставок.

Как видно из рис. 3, этот элемент позволяет скомпенсировать влияние вставки из AlN в частотном диапазоне вплоть до 8 ГГц.

Рис. 3. КСВН макета линии передачи длиной 50 мм.

Квадратурные мосты S‑ и C‑ диапазонов

В схемах деления и суммирования мощностей ВУ обоих типов усилителей используются мосты с лицевой связью в виде секций воздушной симметричной полосковой линии. Фотографии макетов приведены на рис. 4.

Рис. 4. Фотографии макетов 3-дБ квадратурных мостов с лицевой связью для:
а) S- диапазона
б) C-диапазона

Конструктивно каждый из мостов представляет собой две медные посеребренные пластины, припаянные к плате, толщина которой (с учетом металлизации) определяет зазор между пластинами.

Воздух, как диэлектрик с наименьшей возможной диэлектрической проницаемостью, позволяет использовать пластину большей ширины, благодаря чему максимально уменьшается плотность тока в пластине при одном и том же уровне мощности.

На рис. 5–6 приведены потери на суммирование мостов S‑ и C‑диапазонов, соответственно.

Рис. 5. Потери на суммирование мостов S-диапазона

Рис. 6. Потери на суммирование моста C-диапазона

Параметры усилителя мощности

Основные параметры разработанных усилителей мощности приведены в таблице.

Зависимости выходной мощности от частоты приведены на рис. 7.

Рис. 7. Зависимости выходной мощности усилителей S- (а) и C-диапазонов (б) при номинальной входной мощности 5 мВт.

Вывод

В S‑ и С‑диапазонах реализованы усилители мощности непрерывного режима с выходной мощностью 150–200 Вт с жидкостным охлаждением для работы в условиях лабораторий и цехов.