CC BY
15
Секция
«ЭЛЕКТРОННАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ»
УДК 621.375.026
РАЗРАБОТКА ПРОСТРАНСТВЕННОГО СУММАТОРА МОЩНОСТИ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА
Ю. В. Братченко1, И. А. Довбыш2
1Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 2АО «Научно-производственное предприятие «Радиосвязь» Российская Федерация, 660021, г. Красноярск, ул. Декабристов, 19 Е-mail: yuliya.bratchenko@yandex.ru
Описан способ обхода ограничений работы твердотельных устройств в миллиметровом диапазоне при помощи пространственного суммирования мощностей. Приведены преимущест-ваи схемы пространственного суммирования.
Ключевые слова: СВЧ, усилитель, мощность, сумматор мощности, пространственное объединение, миллиметровый диапазон.
DEVELOPMENT OF SPATIAL POWER COMBINER
Y. V. Bratchenko1, I. A. Dovbysh2
1Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation 2Company "Scientific and Production Enterprise "Radiocommunication" 19, Decembristov Str., Krasnoyarsk, 660021, Russian Federation Е-mail: yuliya.bratchenko@yandex.ru
The article describes a method for bypassing the limitations of the operation of solid-state devices in the millimeter range by means of spatial summation of powers. Also the article describes the advantages and schemes of spatial combining.
Keywords: microwave, amplifier, power, power combiner, spatial combining, millimeter range.
Требования к уровню выходной мощности усилителей мощности миллиметрового диапазона длин волн постоянно повышаются, что превосходит возможности коммерчески доступных микросхем или модулей. При работе в миллиметровом диапазоне частот размер полупроводниковых устройств и, следовательно, их способность к подаче мощности снижаются. Поэтому нужно повышать уровень мощности усилителя, используя методы объединения, чтобы использовать преимущества важных характеристик твердотельных устройств, таких как малый размер и вес, надежность и производительность. Однако существуют фундаментальные ограничения мощности, которые могут генерироваться из одного транзистора, так как в транзисторных усилительных устройствах с увеличением частоты выходная мощность от одного транзистора быстро уменьшается. Достижимые уровни мощности могут быть значительно увеличены за счет объединения нескольких устройств, работающих когерентно или путем накопления мощности от нескольких дискретных устройств.
Основной целью работы является минимизация потерь и повышение мощности путем пространственного объединения энергии электромагнитных полей.
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2018. Том 1
Так как объединение мощности выполняется в свободном пространстве, потери становятся незначительными по сравнению с реализацией цепей сложения на печатной плате, что повышает коэффициент полезного действия цепи сложения [1].
В технике пространственного объединения мощности источник энергии подключается на входе и выходе вместе с излучающими элементами [1]. Входной сигнал подается на входную антенну, усиливается, излучается и объединяется в пространстве. В случае большого поперечного сечения луча большое количество усилителей мощности объединяются параллельно, и потери на объединение практически не зависят от количества усилителей.
Рис. 1. Схема пространственного объединения мощности
Рис. 2. Пространственный сумматор мощности в волноводном приборе
Технология пространственного суммирования мощностей имеет следующие преимущества перед схемным суммированием:
1. Результатом является очень высокая эффективность объединения для высокомощных усилителей порядка 95-100 % и очень низкие резистивные потери из-за гауссовского пучка / волновода с малыми потерями;
2. Для достижения очень высоких уровней выходной мощности можно объединить гораздо большее количество высокомощных усилителей;
3. Малая занимаемая площадь, малый вес и низкая стоимость;
4. Существует возможность применить встроенные радиаторы и антенны [3; 4].
Архитектуры пространственного объединения мощности бывают вида «плитка» и «лоток».
При использовании плитки, как показано на рис. 2, а, электромагнитная волна распространяется нормально на поверхность плитки. Плитка состоит из массива или сетки активных антенн. Активный элемент антенны состоит из дискретного транзистора или монолитной интегральной схемы (МИС) усилителя и двух антенн. Этот подход имеет узкую полосу пропускания и требует особого внимания к тепловому режиму активных элементов. В случае использования архитектуры лотка на рис. 2, б электромагнитная волна распространяется тангенциально к поверхности лотка и состоит из нескольких лотков. Каждый лоток имеет несколько усилителей вместе с приемными и излучающими элементами и имеет теплоотводную плоскость. С помощью этого способа сложения мощности возможно реализовать широкую полосу пропускания [2].
Секция «Электронная техника и технологии»
Активная
Рис. 3. Технологии пространственного суммирования: а -- «плитка»; б - «лоток»
а) б)
Рис. 4. Пространственный сумматор типа «лоток»: а - один «лоток», показывающий ячейки МИС и микрополосковые соединения; б - собранный макет усилителя
По мере увеличения спроса на полосу пропускания и использования более высоких частот, эти методы, вероятно, будут играть ключевую роль в будущей коммуникационной электронике.
Библиографические ссылки
1. Bahl I. J. Fundamentals of RF and Microwave Transistor Amplifiers. Wiley. 2009. Р. 671.
2. Quasi-Optical and Spatial Power Combining Michael P. DeLisio, Member, IEEE, and Robert A. York, Senior Member, IEEE, March 2002.
3.20 WATT SPATIAL POWER COMBINER IN WAVEGUIDE Nai-Shuo Cheng, AngelosAl-exanian, Michael G. Case*, Robert A. York, 1998
4. 40-W CW Broad-Band Spatial Power Combiner Using Dense Finline ArraysNai-Shuo Cheng, Student Member, IEEE, AngelosAlexanian, Member, IEEE, Michael G. Case, Senior Member, IEEE, David B. Rensch, and Robert A. York, Senior Member, IEEE, 1999.
© Братченко Ю. В., Довбыш И. А., 2018
