CC BY
27Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2004. Вып. 3======================================
Электроника СВЧ
УДК 621.396.67
Ю. И. Алексеев
Таганрогский государственный радиотехнический университет
Исследование усилителей мощности СВЧ на двух диодах Ганна в сантиметровом диапазоне
Обсуждается техническое решение по разработке усилителей мощности СВЧ на диодах Ганна с высоким уровнем насыщения. Приводятся основные характеристики усилителей в трех участках сантиметрового диапазона.
СВЧ, диод Ганна, усилитель мощности, двухдиодная схема
Необходимость разработки усилителей СВЧ на двух диодах Ганна продиктована рядом их преимуществ, основным из которых является высокий уровень мощности насыщения, позволяющий применять такие усилители в качестве промежуточных каскадов передатчиков, осуществляющих неискажающее линейное усиление мощности СВЧ-сигналов [1], [2]. Отсутствие специальных усилительных диодов Ганна заставляет исследователей искать пути создания усилителей на основе серийных диодов, предназначенных в основном для генерации колебаний.
В настоящей статье представляются результаты разработки усилителей мощности СВЧ в трех участках сантиметрового диапазона длин волн. В качестве базовой принята двухдиод-ная усилительная камера с поперечным включением диодов в резонатор. На рис. 1 показан эскиз конструкции исследуемой усилительной камеры, общей для усилителей трех диапазонов: два диода Ганна 1, включенные параллельно в поперечном сечении волновода 2, из которого образована колебательная система усилителя, предусматривают изолированное питание благодаря специально сконструированному узлу 3, позволяющему осуществлять как общую подачу напряжения смещения на диоды (от одного источника), так и независимое
питание диодов. Колебательный контур усилителя позволяет изменять его резонансную частоту изменением длины короткозамкнутой части волновода с помощью подвижного поршня 4. Поскольку диоды Ганна относятся к сильноточным приборам, конструкция усилителя предусматривает теплоотвод 5 в виде ребристого радиатора, плотно спаянного с корпусом резонатора.
Необходимость повышения выходной мощности твердотельных усилителей и генераторов продиктована их важным техническим назначе-
72
© Ю. И. Алексеев, 2004
======================================Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2004. Вып. 3
нием, поскольку именно эти активные элементы составляют базу при разработках модулей активных фазированных антенных решеток (АФАР) и повышение выходной мощности отдельных модулей приводит, таким образом, к повышению общего энергетического потенциала АФАР. Однако массогабаритные характеристики активных модулей при формировании АФАР играют не последнюю роль, в связи с чем существующие до настоящего времени технические решения, базирующиеся на последовательном продольном включении диодов по длине резонатора несмотря на неоспоримый выигрыш в выходной мощности приводят к резкому увеличения габаритов модулей [1]. В этой связи усилители, рассматриваемые в настоящей работе, имеют явное преимущество, поскольку поперечное включение диодов в плоскости резонатора не приводит к увеличению габаритов усилителя при том же выигрыше в выходной мощности.
Уже упоминалось, что предметом статьи является исследование общей (унифицированной) конструкции двухдиодного усилителя, пригодной для разработки твердотельных усилителей в весьма широком участке сантиметрового диапазона. С этой целью были разработаны три макета двухдиодных усилителей на основе волноводных каналов 28.5 х12.6, 23 х10 и 16 х 8 мм и подробно исследованы их частотные и амплитудные характеристики, а обобщенные результаты исследований представлены на рис. 2 в виде трех характеристик - амплитудно-частотной (АЧХ), динамической и амплитудной.
Усилитель 5-сантиметрового диапазона (рис. 2, а) (резонатор на основе волноводного канала 28.5 х12.6 мм) разработан на основе слаботочных диодов Ганна 3А705А, общее то-копотребление двух диодов не превышало 0.45 А, что создавало благоприятные условия для
а б в
Рис. 2
Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2004. Вып. 3======================================
теплоотвода и его стабильной работы. Как уже отмечалось, усилители создавались на основе генераторных камер (относительно высокодобротных), которые вводились в режим усиления подбором напряжения питания диодов на падающем участке их вольт-амперной характеристики (ВАХ). Усилитель показал достаточно высокое усиление, но только в узких участках упомянутого частотного диапазона. Динамическая характеристика - "мягкого" типа, уровень насыщения усилителя по амплитудной характеристике примерно на 20 дБ превышал уровень насыщения однодиодных усилителей этого диапазона [2], [3]. При работе усилителя проводился подбор "диодных пар". При перестройке усилительной камеры поршнем и последующей подстройке органами регулировки усилитель давал примерно те же характеристики в других участках 5-сантиметрового диапазона, оставаясь при этом узкополосным.
В 3-сантиметровом диапазоне (резонатор на основе волноводного канала 23 х10 мм) получены аналогичные АЧХ (рис. 2, б), подтверждающие узкополосность исследуемого усилительного устройства, также перестраиваемого поршнем. При этом исследовались диоды типов 3А715Е, 3А715В, которые, согласно их техническим характеристикам, предназначены для работы в различных узких участках 3-сантиметрового диапазона. Следует заметить, что усилитель на основе упомянутых диодов имеет динамическую характеристику "жесткого" типа, менее удобную при его применении в каскадах радиопередатчика, поскольку в малосигнальном режиме (малые входные сигналы) удавалось реализовать линейное усиление, но при весьма малых коэффициентах. Высокие коэффициенты усиления достигались в режиме больших входных сигналов на нелинейных участках амплитудной характеристики, где существует опасность искажения информации, передаваемой модулированными сигналами. Токо-потребление двухдиодной системы на диодах серий 3А715В, 3А715Е составляло 1.7 А, что требовало хороших теплоотводящих контактов от диодных держателей.
Усилитель 2-сантиметрового диапазона (резонатор на основе волноводного канала 16 х 8 мм) по его основной характеристике - АЧХ (рис. 2, в) уже нельзя отнести к узкополосным. Действительно, согласно рис. 2, в, полоса усиливаемых частот на уровне - 3 дБ составляет 4 %, а устойчивую работу с коэффициентом усиления не менее 10 дБ усилитель проявляет в 8%-й полосе, причем эти результаты повторяются при замене диодов. Таким образом, усилитель 2-сантиметрового диапазона - широкополосный. В этой связи необходимо подчеркнуть следующее. Поскольку, как отмечалось, при построении усилителей использовались базовые конструкции генераторов, то реализация широкополосного усиления в такой камере возможна только при резком изменении импедансных свойств резонатора усилителя. Если принять во внимание тот факт, что диодные держатели во всех трех конструкциях имели одни и те же геометрические размеры, то можно сделать вывод, что для усилителей с резонаторами "больших" поперечных сечений (28.5 х12.6 и 23 х10 мм) диодные держатели являлись всего лишь неоднородностями индуктивного характера, вносимыми вместе с диодами в резонатор усилителя, и их влияние сводилось к изменению собственной резонансной частоты усилительной камеры без существенного изменения ее добротности, а для усилителя на основе волноводного канала 16 х 8 мм поперечное сечение резонатора в месте включения диодов при тех же диаметрах диодных держателей оказалось сложной формы, близкой к двойному Н-волноводу, волновое сопротивление которого весьма мало в
======================================Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2004. Вып. 3
сравнении с обычным волноводом, что и привело автоматически к процессу импедансного согласования диодов с резонатором усилителя в широкой полосе частот.
Динамическая характеристика усилителя - также "жесткого" типа, область линейного усиления реализуется при низких коэффициентах, а для увеличения коэффициента усиления необходимо работать с уровнями входных сигналов, соответствующими нелинейному режиму. Усилитель реализован на сильноточных диодах Ганна типа 3А726А, общее токопотреб-ление составило 2.2 А, что приводило к значительно разогреву корпуса усилительной камеры.
Оценивая полученные результаты, следует отметить следующее. Как уже упоминалось, в настоящей работе исследовался вариант усилительной камеры с двумя диодами Ганна, включенными в одной плоскости резонатора, но пространственно разнесенными. Параллельное соединение активных элементов уменьшает общее сопротивление образующегося "сложного" диода, что затрудняет его согласование с резонатором. Именно этим обстоятельством объясняется сложность настройки и получения необходимой АЧХ усилителя. Поскольку "сложный" диод неизбежно вносит в резонатор существенные дополнительные реактивные элементы корпусов диодов, процесс настройки усилителя сопровождается некоторым нарушением устойчивости усилителя, которое устраняется регулировкой питания диодов и органов настройки усилительной камеры.
Тем не менее, упомянутые трудности при настройке окупаются существенным преимуществом двухдиодного усилителя - расширенным динамическим диапазоном в сторону больших входных сигналов приблизительно на два порядка (~ 20 дБ) [2], [3], что подтверждается амплитудными характеристиками усилителей во всех трех диапазонах.
Библиографический список
1. Давыдова Н. С., Данюшевский Ю. З. Диодные генераторы и усилители СВЧ. М. : Радио и связь, 1986. 184 с.
2. Полупроводниковые приборы в схемах СВЧ / Под ред. М. Хауэса, Д. Моргана. М.: Мир, 1979. 448 с.
3. Полупроводниковые приборы СВЧ / Под ред. Ф. Брэнда. М.: Мир, 1972. 148 с.
J. I. Alekseev
Taganrog state university of radioengineering
Investigation of SHF Gunn Double-Diode Power Amplifiers in the Centimetric Band
The technical decision on development of SHF Gunn power amplifier with high level of saturation is discussed. The principal characteristics of amplifiers in three section of centimeter band are given.
UHF, Gann diode, power amplifier, double diode scheme
Статья поступила в редакцию 22 января 2004 г.
