Двунаправленный СВЧ-усилитель

В [1] была 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 представлены на рис. 1.

Рис. 1. Функциональные схемы одноантенных ретрансляторов с использованием двунаправленных усилителей в фидерном тракте: 1 – антенна; 2 – циркулятор; 3 – усилитель; 4 – направленный ответвитель; 5 – двунаправленный усилитель

Двунаправленный СВЧ-усилитель может быть построен на основе все тех же 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.

Сложнее обстоит дело с той частью ответного сигнала, который по ступает 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 дополни- тельного вентиля на выходе правого верхнего усилителя 2.

Параметры фильтра верхних частот 3 и фильтра нижних частот 4 подобраны 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.

Рис. 3. Внешний вид 8-секционного направленного сумматора-разветвителя на микрополосковой линии

Для проверки работоспособности предложенной схемы двунаправленного СВЧ-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 Mini-Circuits, а также восьмисекционные направленные сумматоры-разветвители, внешний вид и топология которых приведена на рис. 3.

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. Как следует из приведенных АЧХ передачи между входами 1 и 2 в диапазоне частот от 450 МГц до 2000 МГц, макет работает как двунаправленный СВЧ-усилитель с суммарным коэффициентом усиления при прохождении сигнала в обоих направлениях порядка 15 дБ.

Заметная по графикам изрезанность АЧХ связана с тем обстоятельством, что для макетирования использовались отдельные функциональные узлы, соединенные весьма протяженным СВЧ- трактом. Из-за возникающих в тракте фазовых набегов обратная связь в двунаправленном усилителе имеет знакопеременный характер, что и является причиной изрезанности АЧХ. Очевидно, что для получения возможно более гладкой характеристики необходимо строить двунаправленные СВЧ-усилители минимально возможной электрической длины. Требуемая минимальная электрическая длина может быть достигнута при конструировании двунаправленного усилителя в виде одноплатного комплексированного микро-полоскового устройства, содержащего все необходимые функциональные элементы.

rff 1 "" STI ""    ?S11    - •" isn -. Ill

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

Очевидным недостатком использования направленных сумматоров-разветвителей в схеме двунаправленного усилителя является наличие в них потерь на суммирование-разветвление сигналов 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 (не более 1дБ), следует ожидать, что двунаправленный усилитель, построенный с использованием фер- ритовых циркуляторов, будут 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

Рис. 7. АЧХ передачи со ВХОДА-2 на ВХОД-1 макета двунаправленного СВЧ-усилителя на ферритовых циркуляторах

Для проверки этого предположения был изготовлен и испытан макет двунаправленного СВЧ-усилителя с использованием широкополосных ферритовых циркуляторов типа ФЦК2-69 производства НПО «Феррит», г. Санкт-Петербург.

Ферритовые циркуляторы ФЦК2-69 обеспечивают развязку порядка 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 был использован полосно-пропускающий фильтр на полосу частот 8-12 ГГц. 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 данных, 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 АЧХ объясняется использованием аттенюаторов на входе и выходе полосового фильтра для его согласования в полосе заграждения

Выводы

• 1.    Коэффициент усиления одноантенного ретранслятора может быть существенно увеличен путем включения в его фидерный тракт двунаправленного СВЧ-усилителя, построенного на основе направленных сумматоров-разветвителей или ферритовых циркуляторов.

• 2.    Двунаправленные усилители, построенные на основе ферритовых циркуляторов, уступая по широкополосности двунаправленным СВЧ-уси-

• лителям на направленных сумматорах-разветвителях, значительно превосходят их по коэффициенту усиления.