RU2815365C1

RU2815365C1 - Compact power amplifier

Info

Publication number: RU2815365C1
Application number: RU2023115280A
Authority: RU
Inventors: Вячеслав Ефимович Ионов; Александр Юрьевич Евграфов; Кирилл Андреевич Иванов; Алексей Владимирович Редька
Original assignee: Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Пульсар"
Filing date: 2023-06-09
Publication date: 2024-03-13

Abstract

FIELD: power engineering.

SUBSTANCE: invention relates to a compact power amplification device. The effect is achieved in that the amplification modules are installed on the side faces of a polygonal prism and each amplification module contains, in order of connection, an input connecting waveguide of a coaxial type, an output connecting waveguide, also of a coaxial type, and transitions are located at the outputs and inputs of the divider and adder. Also, in the output channels of the divider and the input channels of the adder in the transitions, the central conductors of the coaxial waveguides can be galvanically connected directly to the channel wall opposite the coaxial supply wall and, alternatively, through decoupling elements. Connection via decoupling elements allows DC voltage to be supplied to the amplifier modules through coaxial waveguides. As a result, the classic linear arrangement of the amplification modules is replaced by their location on the side faces of a multifaceted prism.

EFFECT: reduced dimensions of the device by approximately three times and ability to supply DC voltage to the amplification modules through waveguides also helping to reduce the dimensions of the device by reducing the dimensions of the amplification modules themselves.

3 cl, 6 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к компактному устройству усиления мощности. Изобретение может быть использовано в области сверхвысокочастотных полупроводниковых усилителей и, в частности, в системах суммирования мощности.The present invention relates to a compact power amplification device. The invention can be used in the field of ultra-high-frequency semiconductor amplifiers and, in particular, in power summing systems.

Ограничение выходной мощности полупроводниковых элементов, особенно при повышении рабочей частоты устройств усиления, приводит к необходимости объединения нескольких элементарных полупроводниковых усилителей, чтобы получить требующуюся большую выходную мощность, необходимую для некоторых приложений в области сверхвысоких частот. Как правило, уменьшение массогабаритных показателей устройств всегда желательно. Особенно эта проблема актуальна для мобильных радиолокационных систем. В основном достижения уменьшения массогабаритных показателей СВЧ-полупроводниковых усилителей можно добиться рациональным конструированием делителей/сумматоров, являющихся составной частью таких усилителей.The limitation of the output power of semiconductor elements, especially as the operating frequency of amplification devices increases, makes it necessary to combine several elementary semiconductor amplifiers to obtain the required high output power required for some microwave applications. As a rule, reducing the weight and size of devices is always desirable. This problem is especially relevant for mobile radar systems. Basically, achieving a reduction in the weight and size of microwave semiconductor amplifiers can be achieved by rationally designing dividers/adders that are an integral part of such amplifiers.

Системы деления/суммирования мощности, основанные на параллельных схемах или известных радиальных волноводах, не позволяют компактно компоновать усилители в ограниченном пространстве с выходом в виде прямоугольного волновода.Power division/summation systems based on parallel circuits or known radial waveguides do not allow amplifiers to be compactly packaged in a limited space with a rectangular waveguide output.

Так, например, в патенте US 4641107А делитель/сумматор мощности включает в себя радиальный волновод и коаксиальный общий порт, соединенный с центром радиального волновода. Радиальный волновод имеет множество линий передачи по своей периферии в местах, расположенных на равном расстоянии друг от друга. Из-за своей симметрии мощность на каждой из периферийных линий передачи связана с мощностью на общем порту обратно пропорционально количеству периферийных линий передачи. Для работы на высоких частотах радиальный волновод, линии передачи и переход от радиального волновода к линиям передачи имеют свои конструктивныеFor example, in US Pat. No. 4,641,107A, the power divider/combiner includes a radial waveguide and a coaxial common port connected to the center of the radial waveguide. A radial waveguide has multiple transmission lines around its periphery at locations equidistant from each other. Because of its symmetry, the power on each of the peripheral transmission lines is related to the power on the common port in inverse proportion to the number of peripheral transmission lines. For operation at high frequencies, the radial waveguide, transmission lines and the transition from the radial waveguide to transmission lines have their own design

детали, определенные печатной платой, имеющей низкотемпературный диэлектрический материал. Печатная плата включает в себя множество радиальных пазов для управления нежелательными окружными режимами. На открытом конце каждого радиального паза установлено устройство сопротивления для рассеивания окружной мощности. Устройство сопротивления включает в себя медное кольцо, включающее такое же количество радиальных пазов, и, по меньшей мере, один толстопленочный резистор, нанесенный при высокой температуре на кольцо вблизи открытого конца каждого радиального паза. Соединительный провод соединяет каждое устройство сопротивления толстой пленки через соответствующий слот. Кольцо с включенными резисторами приклеивается при низкой температуре к печатной плате с радиальными пазами в кольце, совпадающими с радиальными пазами на печатной плате.parts defined by a printed circuit board having a low temperature dielectric material. The printed circuit board includes multiple radial slots to control unwanted circumferential modes. A resistance device is installed at the open end of each radial slot to dissipate circumferential power. The resistor device includes a copper ring including an equal number of radial slots and at least one thick film resistor applied at high temperature to the ring near the open end of each radial slot. A connecting wire connects each thick film resistance device through its corresponding slot. The resistor-enabled ring is bonded at low temperature to the PCB with radial slots in the ring aligned with radial slots on the PCB.

Недостатками этого решения является применение радиального делителя/сумматора и расположение усилительных модулей в одной плоскости с плоскостью делителя/сумматора, что сильно увеличивает габариты конструкции по диаметру. Радиатор охлаждения можно пристыковывать к такой конструкции только по внешнему диаметру, что ещё больше увеличит общие габариты. Кроме того, применение микрополосковых линий в каналах подвода и отвода СВЧ сигнала к усилительным модулям вносят значительные нежелательные потери.The disadvantages of this solution are the use of a radial divider/adder and the location of the amplifier modules in the same plane as the plane of the divider/adder, which greatly increases the diameter dimensions of the structure. The cooling radiator can be docked to such a structure only along the outer diameter, which will further increase the overall dimensions. In addition, the use of microstrip lines in the channels for supplying and discharging microwave signals to amplifier modules introduces significant undesirable losses.

Кроме того, в радиальных делителях/сумматорах, как правило, возникают нежелательные моды электромагнитных волн.In addition, radial dividers/adders tend to introduce unwanted electromagnetic wave modes.

Известно применение другого типа делителя/сумматора.It is known to use another type of divider/adder.

Например, в патенте RU 2 546 060 С2 предлагается применить делитель/сумматор на основе волноводов прямоугольного сечения. Малогабаритное устройство усиления мощности, содержащее, по меньшей мере, одну область, параллельную плоскости XY, и, по меньшей мере, два усилительных модуля, установленных на этой области, при этом каждый усилительный модуль содержит усилительный элемент, входнойFor example, the patent RU 2 546 060 C2 proposes to use a divider/adder based on rectangular waveguides. A small-sized power amplification device comprising at least one region parallel to the XY plane and at least two amplification modules mounted on this region, wherein each amplification module contains an amplification element input

соединительный волновод и выходной соединительный волновод, ориентированный в том же направлении X, которое соответствует продольному направлению распространения, при этом элемент усилителя имеет входную и выходную оси, ориентированные в направлении Y, перпендикулярном направлению распространения X. Устройство характеризуется тем, что входные соединительные волноводы двух усилительных модулей различны, имеют разную длину и установлены параллельно друг другу; выходные соединительные волноводы двух усилительных модулей различны, имеют разную длину и установлены параллельно друг другу, при этом сумма длин входных и выходных соединительных волноводов одного модуля усилителя одинакова для каждого модуля усилителя.a coupling waveguide and an output coupling waveguide oriented in the same X direction, which corresponds to the longitudinal propagation direction, wherein the amplifier element has input and output axes oriented in the Y direction perpendicular to the X propagation direction. The device is characterized in that the input coupling waveguides of the two amplifiers the modules are different, have different lengths and are installed parallel to each other; The output connecting waveguides of the two amplifier modules are different, have different lengths and are installed parallel to each other, while the sum of the lengths of the input and output connecting waveguides of one amplifier module is the same for each amplifier module.

Недостатками этого решения является невозможность достижения предельной малогабаритности конструкции из-за последовательного расположения усилительных модулей друг за другом в линию. Это приводит к уменьшению габарита конструкции только в одном направлении, но одновременно к увеличению в другом.The disadvantages of this solution are the impossibility of achieving an extremely small design due to the sequential arrangement of amplifier modules one after another in a line. This leads to a decrease in the size of the structure only in one direction, but at the same time to an increase in the other.

Задачей настоящего изобретения является создание максимально компактного устройства усиления с наилучшими массогабаритными показателями, значительно превосходящими показатели существующих устройств.The objective of the present invention is to create the most compact amplification device with the best weight and size indicators, significantly exceeding those of existing devices.

Объектом изобретения является компактное устройство усиления мощности. Технический результат достигается тем, что усилительные модули установлены на боковых гранях многоугольной призмы и каждый усилительный модуль содержит по порядку подключения входной соединительный волновод коаксиального типа, выходной соединительный волновод также коаксиального типа, а волноводно-коаксиальные переходы расположены на выходах и входах делителей/сумматоров. Так же в выходных каналах делителя и входных каналах сумматора в переходах центральные проводники коаксиальных волноводов гальванически могут бытьThe object of the invention is a compact power amplification device. The technical result is achieved in that the amplification modules are installed on the side faces of a polygonal prism and each amplification module contains, in order of connection, an input connecting waveguide of a coaxial type, an output connecting waveguide also of a coaxial type, and waveguide-coaxial transitions are located at the outputs and inputs of dividers/adders. Also, in the output channels of the divider and the input channels of the adder in the transitions, the central conductors of the coaxial waveguides can be galvanically

непосредственно подключены к стенке канала противоположной стенке подвода коаксиала либо через развязывающие элементы: диэлектрическую прокладку и четвертьволновый разомкнутый шлейф. Такое подключение возможно при равенстве волновых сопротивлений коаксиального волновода и прямоугольного волновода, к которому подключается коаксиальный волновод. Подключение коаксиальных волноводов к прямоугольным волноводам через развязывающие элементы позволяет подвести к модулям постоянное напряжение через коаксиальные волноводы. В результате классическая линейная компоновка усилительных модулей заменяется расположением их на боковых гранях многогранной призмы, что примерно в три раза сокращает габариты устройства, и подвод постоянного напряжения к усилительным модулям через волноводы также способствует уменьшению габаритов устройства за счёт уменьшения габаритов самих усилительных модулей.directly connected to the channel wall opposite the coaxial supply wall or through decoupling elements: a dielectric gasket and a quarter-wave open loop. Such a connection is possible if the wave impedances of the coaxial waveguide and the rectangular waveguide to which the coaxial waveguide is connected are equal. Connecting coaxial waveguides to rectangular waveguides through decoupling elements allows DC voltage to be supplied to the modules through the coaxial waveguides. As a result, the classic linear arrangement of amplifier modules is replaced by their location on the side faces of a multifaceted prism, which reduces the dimensions of the device by approximately three times, and the supply of constant voltage to the amplifier modules through waveguides also helps to reduce the dimensions of the device by reducing the dimensions of the amplifier modules themselves.

На Фиг. 1 изображён усилитель в разрезе по оси призмы. Входной многоканальный волноводный делитель в Е-плоскости 1 с каналами прямоугольного сечения на каждом своем выходе через коаксиальноволноводный переход 2 стыкуется с коаксиальным волноводом 3, который в свою очередь подключён ко входу усилительного модуля 4. Далее с каждого усилительного модуля сигнал через свой коаксиальный волновод 5 и далее коаксиально-волноводный переход 6 поступает во входной канал выходного сумматора 7 с каналами прямоугольного сечения. Усилительные модули 4 смонтированы на гранях призмы 8, во внутреннем объёме которой находится радиатор охлаждения 9. Входной многоканальный делитель 1 и выходной сумматор 7 по конструкции одинаковы.In FIG. Figure 1 shows the amplifier in a section along the axis of the prism. The input multichannel waveguide divider in the E-plane 1 with rectangular cross-section channels at each of its outputs is connected through a coaxial waveguide junction 2 to a coaxial waveguide 3, which in turn is connected to the input of the amplifier module 4. Then from each amplifier module the signal through its own coaxial waveguide 5 and then the coaxial-waveguide junction 6 enters the input channel of the output adder 7 with channels of rectangular cross-section. Amplifier modules 4 are mounted on the faces of prism 8, in the internal volume of which there is a cooling radiator 9. The input multichannel divider 1 and the output adder 7 are identical in design.

На Фиг. 2 изображён усилитель видом сверху. Входной волновод прямоугольного сечения 10 переходит в многоканальный волноводный делитель в Е-плоскости 1. Далее через КВП 2 сигнал поступает в коаксиальный волновод 3 и потом в модуль усиления 4. В качестве примераIn FIG. Figure 2 shows the amplifier in a top view. The input waveguide of rectangular cross-section 10 goes into a multichannel waveguide splitter in the E-plane 1. Then, through the KVP 2, the signal enters the coaxial waveguide 3 and then into the amplification module 4. As an example

изображена шестигранная призма 8 с установленными на её гранях шести усилительных модулей 4.shows a hexagonal prism 8 with six amplifier modules 4 installed on its faces.

На Фиг. 3 изображена схема конструкции делителя/сумматора 1 и 7, каждый соответственно выходной/входной канал 11, содержащий, по меньшей мере, одну резистивную перегородку, перегородка делителя мощности и сумматора мощности продолжает металлические стенки делителя и сумматора, разделяющие N входных и выходных соединительных волноводов усилительных элементов, причем сумма длин входных и выходных волноводов каждого усилительного модуля является одинаковой для N усилительных модулей, заканчивается КВП 2 и 6. Из КВП сигнал поступает в коаксиальный волновод 3. Этот вариант относится к случаям подключения делителя/сумматора к регулярному волноводу прямоугольного сечения либо к плавному широкополосному волноводному переходу в Е- плоскости. При этом выходные/входные каналы 11 могут располагаться только параллельно, так как изгибы их не желательны.In FIG. 3 shows a diagram of the design of the divider/adder 1 and 7, each respectively output/input channel 11 containing at least one resistive partition, the partition of the power divider and power adder continues the metal walls of the divider and adder, separating the N input and output connecting waveguides of the amplifiers elements, and the sum of the lengths of the input and output waveguides of each amplifier module is the same for N amplifier modules, ends with KVP 2 and 6. From the KVP, the signal enters coaxial waveguide 3. This option applies to cases of connecting the divider/adder to a regular waveguide of rectangular cross-section or to smooth broadband waveguide transition in the E-plane. In this case, the output/input channels 11 can only be located in parallel, since their bends are not desirable.

На Фиг. 4 изображена также схема конструкции делителя/сумматора 1 и 7, но в варианте подключения к рупорному переходу. При такой конструкции выходные/входные каналы 11 расходятся веером и между ними появляются свободные пространства.In FIG. Figure 4 also shows a design diagram of the divider/adder 1 and 7, but in the version connected to a horn transition. With this design, the output/input channels 11 fan out and free spaces appear between them.

На Фиг. 5 показана схема коаксиально-волноводного перехода 2 где волновод прямоугольного сечения 12 состыкован с коаксиальным волноводом 3. При равенстве волновых сопротивлений центральный проводник коаксиального волновода 13 можно подключать к противоположной стенке волновода прямоугольного сечения. Продолжение волновода прямоугольного сечения 12 после места подключения коаксиального волновода 3 в виде короткозамкнутого шлейфа 15 служит для согласования перехода.In FIG. Figure 5 shows a diagram of a coaxial-waveguide transition 2 where a rectangular waveguide 12 is connected to a coaxial waveguide 3. If the wave impedances are equal, the central conductor of the coaxial waveguide 13 can be connected to the opposite wall of the rectangular waveguide. The continuation of the rectangular waveguide 12 after the connection point of the coaxial waveguide 3 in the form of a short-circuited loop 15 serves to match the transition.

На Фиг. 6 также показана схема коаксиально-волноводного перехода 2 где волновод прямоугольного сечения 12 состыкован с коаксиальным волноводом 3, но в варианте подключения центрального проводника коаксиального волновода 13 через четвертьволновый шлейф 14. Такое In FIG. Figure 6 also shows a diagram of a coaxial-waveguide transition 2 where a rectangular waveguide 12 is connected to a coaxial waveguide 3, but in the variant of connecting the central conductor of the coaxial waveguide 13 through a quarter-wave cable 14. This

подключение даёт возможность при необходимости подать постоянное напряжение на шлейф 14 и далее на центральный проводник коаксиального волновода и усилительный модуль.connection makes it possible, if necessary, to apply constant voltage to loop 14 and then to the central conductor of the coaxial waveguide and the amplifier module.

Варианты осуществления изобретения.Embodiments of the invention.

Усилительный модуль, обозначенный на Фиг. 1 номером 4 может содержать усилительный элемент (транзистор), входную и выходную микрополосковую плату, две платы подвода напряжений питания и управления (подачи смещения) в варианте с отсутствием подвода питания по схеме, показанной на Фиг. 6, при необходимости развязывающее устройство (вентиль) на входе. Все волноводы прямоугольного сечения целесообразно выполнить с заполнением диэлектриком, например, фторопластом, для придания им большей механической прочности и жёсткости. Входные и выходные каналы делителя/сумматора возможно изготавливать из двухсторонне фольгированного фторопласта. Возможно размещение предварительных каскадов усиления при многокаскадной схеме усилителя на общей многогранной поверхности призмы 8. Для изготовления коаксиальных волноводов целесообразно применить стандартные коаксиальные кабели. Волновое сопротивление каждого выходного/входного канала делителя/сумматора целесообразно выбрать равным входному/выходному волновому сопротивлению усилительного модуля (обычно равному 50 Ом). При этом волновое сопротивление входного/выходного волновода делителя/сумматора целесообразно применять равным Nx50 Ом где N желательно выбирать из ряда 2, 4, 8, 16 и т.д. Волновое сопротивление этих волноводов можно увеличивать до трёхкратного значения стандартного волновода без опасения появления значительной величины нежелательных мод. Увеличение волнового сопротивления может быть достигнуто переходами в Е-плоскости плавного или рупорного типа. Выравнивание фаз между каналами на входе в сумматор возможно путём коррекции длин как входных, так и выходных коаксиальных волноводов.The amplifier module indicated in FIG. 1 number 4 may contain an amplification element (transistor), an input and output microstrip board, two boards for supplying power and control voltages (bias supply) in the version with no power supply according to the circuit shown in Fig. 6, if necessary, a decoupling device (valve) at the inlet. It is advisable to make all rectangular waveguides filled with a dielectric, for example, fluoroplastic, to give them greater mechanical strength and rigidity. The input and output channels of the divider/adder can be made of double-sided fluoroplastic foil. It is possible to place preliminary amplification stages in a multistage amplifier circuit on the common multifaceted surface of the prism 8. For the manufacture of coaxial waveguides, it is advisable to use standard coaxial cables. It is advisable to select the characteristic impedance of each output/input channel of the divider/adder equal to the input/output characteristic impedance of the amplifier module (usually equal to 50 Ohms). In this case, it is advisable to use the impedance of the input/output waveguide of the divider/adder equal to Nx50 Ohm, where N is desirable to be selected from the series 2, 4, 8, 16, etc. The characteristic impedance of these waveguides can be increased to three times the value of a standard waveguide without fear of introducing significant amounts of unwanted modes. An increase in wave impedance can be achieved by smooth or horn-type transitions in the E-plane. Phase alignment between channels at the input to the adder is possible by correcting the lengths of both input and output coaxial waveguides.

Технический эффект от применения решений, предложенных в данном изобретении, заключается в том, что габариты устройства усиления могут быть уменьшены примерно в три раза по сравнению с аналогичными конструкциями с линейным расположением усилительных модулей. Некоторое снижение массовых показателей также возможно в основном за счёт уменьшения общих габаритов.The technical effect of using the solutions proposed in this invention is that the dimensions of the amplification device can be reduced by approximately three times compared to similar designs with a linear arrangement of amplification modules. Some reduction in mass indicators is also possible, mainly due to a reduction in overall dimensions.

Claims

1. A compact power amplification device containing N pads and N amplification modules installed on the pads, and N exceeds 1, with each amplification module containing, in order of connection, an input connecting waveguide with an input transition, an amplifying element, an output transition and an output connecting waveguide, wherein the input connecting waveguide and the output connecting waveguide are oriented in the same direction corresponding to the longitudinal direction of propagation, wherein the amplifying element has an input and output axis oriented in the direction perpendicular to the direction of propagation, further comprising an input power divider and an output power combiner, each of which contains at least one resistive partition, the partition of the power divider and power adder continues the metal walls of the divider and adder, separating the N input and output connecting waveguides of the amplifying elements, and the sum of the lengths of the input and output waveguides of each amplifier module is the same for the N amplification modules , characterized in that the amplification modules are installed on the side faces of a polygonal prism and each amplification module contains, in order of connection, an input connecting waveguide of a coaxial type, an output connecting waveguide also of a coaxial type, and transitions are located at the outputs and inputs of the divider and adder.

2. The amplification device according to claim 1, characterized in that in the output channels of the divider and the input channels of the adder in the transitions, the central conductors of the coaxial waveguides are galvanically directly connected to the channel wall opposite the coaxial supply wall.

3. The amplification device according to claim 1, characterized in that in the output channels of the divider and the input channels of the adder in the transitions, the central conductors of the coaxial waveguides are connected to the channel wall opposite the coaxial supply wall through decoupling elements: a dielectric spacer and a quarter-wave open loop.