BIDIRECTIONAL MICROWAVE AMPLIFIER

Abstract

The article research questions the possibilities of building bidirectional microwave amplifier which works without timers or frequencies divided amplifiers signals where considered. The characteristics of bidirectional amplifier on bases directional coupler and ferrites circulators are discovered and analyzed.

Full Text

В [1] показана возможность построения одноантенного ретранслятора с коэффициентом усиления больше единицы. Там же одноантенные ретрансляторы были названы низкопотенциальными и изложены причины, ограничивающие потенциал. В условиях недостаточной развязки, обеспечиваемой применяемыми невзаимными устройствами типа направленных ответвителей и циркуляторов, задача увеличения коэффициента усиления одноантенного ретранслятора может быть решена путем включения в фидерный тракт ретранслятора некоего гипотетического двунаправленного усилителя. Функциональные схемы таких усовершенствованных ретрансляторов с использованием циркулятора и направленного ответвителя приведены на рис 1. Рис. 1. Функциональные схемы усовершенствованных одноантенных ретрансляторов с использованием двунаправленных усилителей в фидерном тракте: 1 - антенна; 2 - циркулятор; 3 - усилитель; 4 - направленный ответвитель; 5 - двунаправленный усилитель Ниже рассматривается возможность построения двунаправленного СВЧ-усилителя, который может быть построен на основе невзаимных устройств типа циркуляторов или направленных ответвителей. Функциональная схема двунаправленного усилителя с использованием направленных сумматоров-разветвителей приведена на рис. 2. Рис. 2. Функциональная схема двунаправленного СВЧ-усилителя на основе направленных сумматоров-разветвителей: 1 - сумматор-разветвитель; 2 -усилитель; 3 - фильтр нижних частот; 4 - фильтр верхних частот; 5 - регулируемый аттенюатор Двунаправленный усилитель работает следующим образом. При поступлении облучающего сигнала из антенны ретранслятора на вход 1 двунаправленного усилителя он разветвляется на две равные части. Та часть облучающего сигнала, которая поступает в нижнюю ветвь схемы, рассеивается в выходных цепях нижнего левого усилителя 2, не оказывая заметного влияния на его работу в силу своей малости. Та часть облучающего сигнала, которая ответвляется в верхнюю ветвь схемы, поступает на вход верхнего левого усилителя 2, усиливается в нем и через фильтр верхних частот 3 и регулируемый аттенюатор 5 поступает на вход правого верхнего усилителя 2. Усиленный облучающий сигнал с выхода верхней ветви схемы поступает на верхний суммирующий вход правого сумматора-разветвителя 1 и далее на вход 2 двунаправленного усилителя. Усиленный и промодулированный в схеме циркуляции ответный сигнал возвращается на вход 2 двунаправленного усилителя, вновь разветвляется и поступает на вход нижней ветви усиления. Усиленный в правом нижнем усилителе 2 ответный сигнал через фильтр нижних частот 4 поступает на левый нижний усилитель 2, дополнительно усиливается в нем, через нижний суммирующий вход левого сумматора-разветвителя 1 поступает на вход 1 и далее на антенну для излучения в эфир. «Инфокоммуникационные технологии» Том 10, № 4, 2012 64 Хуако Р.А. Сложнее обстоит дело с той частью ответного сигнала, который поступает в верхнюю ветвь схемы. Поскольку уровень ответного сигнала, поступающего на выход правого верхнего усилителя 2, превышает уровень имеющегося в этом месте принятого сигнала, это может негативно сказаться на работе правого верхнего усилителя 2. Проблема может быть устранена путем включения дополнительного вентиля на выходе правого верхнего усилителя 2. Параметры фильтра верхних частот 3 и фильтра нижних частот 4 подобранны таким образом, чтобы обеспечивалась необходимая развязка за пределами рабочего диапазона частот направленных сумматоров-разветвителей 1. Место включения этих фильтров между двумя усилительными каскадами выбрано таким образом, чтобы вносимое ими в полосе заграждения рассогласование не нарушало работу сумматоров-разветвителей. В свою очередь, применяемые усилители должны иметь хорошее согласование по входу и выходу. Регулируемые аттенюаторы 5 предназначены для точной настройки коэффициентов усиления верхней и нижней ветвей двунаправленного усилителя так, чтобы достигнуть максимального усиления при сохранении устойчивости системы. Для проверки работоспособности предложенной схемы двунаправленного усилителя был изготовлен и испытан соответствующий макет. В макете были использованы твердотельные усилительные модули типа NBB-310 компании RFnitro, фильтры HFCN-440 и LFCN-2250 компании MiniCircuits, а также восьмисекционные направленные сумматоры-разветвители, внешний вид и топология которых приведена на рис. 3. Рис. 3. Внешний вид 8-секционного направленного сумматора-разветвителя на микрополосковой линии Результаты измерения амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) передачи со входа 1 на вход 2 и передачи со входа 2 на вход 1 приведены на рис. 4 и рис. 5 соответственно. 24 22 20' 500 -1 ООО -1 500 2 000 2 500 3 000 3 500 4 000 Частота, МГц Рис. 4. АЧХ передачи со входа 1 на вход 2 макета двунаправленного СВЧ-усилителя на направленных сумматорах-разветвителях Рис. 5. АЧХ передачи со входа 2 на вход 1 макета двунаправленного СВЧ-усилителя на направленных сумматорах-разветвителях Как следует из приведенных амплитудночастотных характеристик передачи, между входами 1 и 2 в диапазоне частот от 450 МГц до 2 ГГц макет работает как двунаправленный СВЧ-усилитель с суммарным коэффициентом усиления при прохождении сигнала в обоих направлениях около 15 дБ. Заметная на графиках изрезанность АЧХ связана с тем обстоятельством, что для макетирования использовались отдельные функциональные узлы, соединенные весьма протяженным СВЧ-трактом. Из-за возникающих в протяженном тракте фазовых набегов обратная связь в двунаправленном усилителе имеет знакопеременный характер, что и является причиной изрезанно сти АЧХ. Очевидно, что для получения возможно более гладкой АЧХ необходимо строить двунаправленные СВЧ-усилите-ли минимально возможной электрической длины. Требующаяся минимальная электрическая длина может быть достигнута при конструировании двунаправленного усилителя в виде одноплатного ком-плексированного микрополоскового устройства, содержащего все необходимые функциональные элементы. «Инфокоммуникационные технологии» Том 10, № 4, 2012 Хуако Р.А. 65 Очевидным недостатком использования направленных сумматоров-разветвителей в схеме двунаправленного усилителя является наличие в них потерь на суммирование/разветвление с величиной (3-4) дБ. Наличие этих потерь приводит к снижению суммарного коэффициента усиления двунаправленного усилителя на (12-16) дБ. Поскольку ферритовые циркуляторы имеют значительно меньшие прямые потери ( менее 1 дБ), следует ожидать, что двунаправленный усилитель, построенный с использованием феррито-вых циркуляторов, будет иметь значительно большее суммарное усиление - порядка 30 дБ. Рис. 6. АЧХ передачи со входа 1 на вход 2 макета двунаправленного СВЧ-усилителя на ферритовых циркуляторах Для проверки этого предположения был изготовлен и испытан макет двунаправленного СВЧ-усили-теля с использованием широкополосных феррито-вых циркуляторов типа ФЦК2-69 производства НПО «Феррит», г. Санкт-Петербург. Ферритовые циркуляторы ФЦК2-69 обеспечивают развязку около 20 дБ в диапазоне частот 6-12 ГГц при прямых потерях не более 1 дБ в том же диапазоне. Для обеспечения устойчивости за пределами указанного диапазона частот был использован полосно-пропускающий фильтр на полосу частот 8-12 ГГц. Графики АЧХ прохождения сигнала со входа 1 на вход 2 и в обратном направлении приведены на рис. 6 и рис. 7 соответственно. Как следует из приведенных характеристик, в диапазоне частот 8-12 ГГц макет работает как двунаправленный СВЧ-усилитель с суммарным коэффициентом усиления порядка 28 дБ при прохождении сигнала в обоих направлениях. Имеющая место асимметрия характеристик объясняется использованием аттенюаторов на входе и выходе полосового фильтра для его согласования в полосе заграждения. Рис. 7. АЧХ передачи со входа 2 на вход 1 макета двунаправленного СВЧ-усилителя на ферритовых циркуляторах Выводы Коэффициент усиления одноантенного ретранслятора может быть существенно увеличен путем включения в его фидерный тракт двунаправленного усилителя, построенного на основе направленных сумматоров-разветвителей или ферритовых циркуляторов. Двунаправленные усилители, построенные на основе ферритовых циркуляторов, уступая по широкополосности двунаправленным усилителям на направленных сумматорах-разветвителях, значительно превосходят их по коэффициенту усиления.