Малошумящий усилитель

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ(73) Патентообладатели Горбачев Константин Леонидович, Рощупкин Андрей Валентинович,Онищук Александр Григорьевич(57) Малошумящий усилитель, содержащий последовательно соединенные ферритовый циркулятор, вход которого является входом устройства, и мощное усилительное звено, отличающийся тем, что введены последовательно соединенные малошумящее усилительное звено, направленный ответвитель и согласованная нагрузка, причем вход малошумящего усилительного звена соединен со вторым выходом ферритового циркулятора, второй вход направленного ответвителя соединен с выходом мощного усилительного звена, а второй выход направленного ответвителя является выходом устройства.(56) 1. Шварц Н.З. Усилители СВЧ на полевых транзисторах.-М. Радио и связь, 1987.-200. 2. Активные передающие антенны/В.В. Должиков, А.И. Лучанинов, С.Н. Сакало и др. Под ред. В.В. Должикова и Б.Г. Цыбаева.-М. Радио и связь, 1984.-144 с. 3.,//.-1989.-.32, 2.-.166-170. 4. Проектирование радиопередающих устройств Учебное пособие для вузов / В.В. Шахгильдян, М.С. Шумилин, И.А. Попов и др. Под ред. В.В. Шахгильдяна.-М. Радио и связь, 1984.-424 с. 5. Петров Г.В., Толстой А.И. Линейные балансные СВЧ усилители.-М. Радио и связь, 1983.-176 с. 6. Устройства СВЧ Учебное пособие / Под ред. Д.М. Сазонова.-М. Высшая школа, 1981.- 295 с. 1836 1 Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в СВЧ радиоприемных устройствах, в частности во входных усилителях радиочастоты, в измерительной технике. Известно устройство, содержащее усилитель диапазона СВЧ 1. Данный усилитель может быть спроектирован по двум методам согласования с источником сигнала в первом случае критерием служит минимальная величина входного коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) (так называемое согласование по мощности 1) во втором случае критерием служит минимальная величина коэффициента шума (КШ) усилителя (так называемое согласование по шумам 1). В общем случае указанные условия согласования не совпадают, таким образом недостатком устройства является невозможность одновременного достижения малого входного КСВН и минимально возможного для используемых усилительных приборов КШ. Проблема особо остро стоит при проектировании высоколинейных усилителей применение мощных усилительных приборов (транзисторов) приводит к увеличению КШ устройства по сравнению с усилителями, построенными на менее линейных малошумящих транзисторах, которые, однако, не обеспечивают необходимой линейности усилителя 2. Известно устройство 3, содержащее последовательно соединенные первый усилитель, выходной направленный ответвитель (НО) и первую согласованную нагрузку (СН), причем второй выход выходного НО является выходом устройства. Вход первого усилителя соединен с первым выходом входного НО, первый вход которого является входом устройства, со вторым входом входного НО соединена вторая СН, а второй выход входного НО соединен со входом второго усилителя, выход которого соединен со вторым входом выходного НО. Первый и второй усилители идентичны. Свойства НО таковы, что если оба выхода входного НО нагружены на одинаковые импедансы, то отраженные от них волны суммируются в фазе и рассеиваются на второй СН, даже если данные импедансы варьируются от короткого замыкания до холостого хода. Оба усилителя согласованы по шумам, что позволяет обеспечить минимально возможный КШ устройства (равного КШ отдельного усилителя) а так как усилители идентичны, то их входные импедансы соответственно одинаковы и отраженные от них сигналы не поступают на первый вход входного НО, т.е. на вход устройства. Таким образом в устройстве одновременно достигаются малая величина входного КСВН и минимально возможный КШ. Однако подобное решение не может уменьшить КШ устройства ниже КШ исходных усилителей. Известно устройство, содержащее усилитель 4, рис.12.3. Выход усилителя является выходом устройства, вход усилителя соединен с выходом ферритового вентиля, вход которого является входом устройства. Отраженные от входа усилителя сигналы поглощаются в ферритовом вентиле, являющемся однонаправленным элементом, таким образом обеспечивается малая величина входного КСВН устройства независимо от согласования в сечении выход ферритового вентиля - вход усилителя. Вследствие этого усилитель может быть согласован по шумам, что обеспечит минимально возможный для использованного усилительного прибора КШ устройства. Однако, подобно предыдущему случаю, данное решение не может уменьшить КШ устройства ниже КШ исходного усилителя. Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство, содержащее последовательно соединенные ферритовый циркулятор (ФЦ), вход которого является входом устройства и сигнал в котором передается в направлении вход - первый выход - второй выход, и усилитель (мощное усилительное звено (УЗ 3. Со вторым выходом ФЦ соединена СН, выходом устройства является выход усилителя (мощного УЗ). ФЦ в данном случае включен в режиме вентиля и предназначен для передачи отраженных от входа усилителя (мощного УЗ) сигналов на СН. Это позволяет согласовать усилитель по шумам и одновременно обеспечить малую величину входного КСВН устройства и минимально возможный КШ. Недостатком устройства-прототипа является невозможность снижения КШ ниже минимально возможного КШ, используемого в мощном УЗ усилительного прибора (транзистора). Причем особо остро проблема стоит в усилителях, к которым предъявляются повышенные требования к линейности (верхней границе динамического диапазона). Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в улучшении шумовых свойств(снижении КШ) устройства при сохранении преимуществ, обеспечиваемых применением развязывающего ФЦ (малая величина входного КСВН устройства в широком диапазоне частот). Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в увеличении динамического диапазона устройства за счет уменьшения нижней его границы (улучшения шумовых свойств - снижения КШ) при неизменной верхней границе и сохранении положительных свойств устройства-прототипа(малая величина входного КСВН). Решение поставленной задачи достигается тем, что в известное устройство, содержащее последовательно соединенные ФЦ, вход которого является входом устройства, и мощное УЗ, дополнительно введены последовательно соединенные малошумящее УЗ, НО и СН, причем вход малошумящего УЗ соединен со вторым 1836 1 выходом ФЦ, второй вход НО соединен с выходом мощного УЗ, а второй выход НО является выходом устройства. Сущность изобретения заключается в том, что предложенное включение малошумящего УЗ, НО и СН позволяет компенсировать на выходе устройства часть шумов мощного УЗ, так что КШ устройства в идеальном случае будет в основном определяться КШ малошумящего УЗ. Вместе с тем остальные характеристики устройства (коэффициент усиления, нелинейные искажения - верхняя граница динамического диапазона - и т.д.) по-прежнему определяются мощным УЗ. Из принципа работы ФЦ 6 следует, что при согласовании по импедансу в сечении первый выход ФЦ - вход мощного УЗ весь входной сигнал устройства поступает на вход мощного УЗ, где и усиливается. Таким образом малошумящее УЗ не вносит вклада в нелинейные искажения и не влияет на коэффициент передачи устройства, поскольку на его вход не поступает входной сигнал устройства. Вследствие этого малошумящее УЗ может быть построено на маломощном усилительном приборе (транзисторе), обеспечивающем малый КШ УЗ в ущерб его линейности. Физический смысл снижения КШ заявляемого устройства заключается в следующем. Шумовые волны, отраженные от входа и выхода мощного УЗ, коррелированы между собой (степень корреляции определяется величиной нормирования взаимной спектральной плотности мощности). Шумовая волна, отраженная от входа мощного УЗ, за счет специфических свойств ФЦ поступает на вход малошумящего УЗ, и далее на НО, работающий в качестве сумматора. На второй вход НО поступает шумовая волна, отраженная от выхода мощного УЗ. При определенных соотношениях амплитуд и фаз коэффициентов передач по цепям вход мощного УЗ - ФЦ - малошумящее УЗ - НО и выход мощного УЗ - НО происходит частичная компенсация шумов мощного УЗ. При этом шумы на выходе устройства представляют собой сумму шумов малошумящего УЗ и остатка шумов мощного УЗ. При значительной разнице шумовых свойств мощного и малошумящего УЗ КШ заявляемого устройства может быть ниже КШ мощного УЗ и устройства-прототипа. На фиг.1 представлена структурная схема устройства-прототипа на фиг.2 - структурная схема заявляемого устройства на фиг.3 - принципиальная схема устройства, служащего примером конкретного исполнения структурной схемы фиг.2. На фиг.1 представлена структурная схема устройства-прототипа. Устройство содержит ФЦ, мощное УЗ 2 и СН 3. Входом устройства является вход ФЦ, с первым выходом которого соединен вход мощного УЗ 2, а со вторым выходом - СН 3. Выходом устройства является выход мощного УЗ 2. Согласно 5, КШ УЗ при оптимальном согласовании по шумам с источником сигнала- коэффициент отражения по входу мощного УЗ 11 - нормированная спектральная плотность мощности шумовой волны, отраженной от входа мощного УЗ 22 - нормированная спектральная плотность мощности шумовой волны, отраженной от выхода мощного УЗ 12 - нормированная взаимная спектральная плотность мощности шумовых волн, отраженных от входа и выхода мощного УЗ. С учетом затухания в ФЦ по цепи вход - первый выход КШ устройства-прототипа пр- -параметры ФЦ (с учетом нумерации выводов на фиг.1 и фиг.2). На фиг.2 представлена структурная схема заявляемого устройства. Малошумящий усилитель содержит ФЦ 1, мощное УЗ 2, малошумящее УЗ 3, НО 4 и СН 5. Входом устройства является вход ФЦ 1, с первым выходом которого соединен вход мощного УЗ 2, а со вторым выходом - вход малошумящего УЗ 3. Выход мощного УЗ 2 соединен со вторым входом НО 4, первый вход которого соединен с выходом малошумящего УЗ 3, а первый выход - с СН 5. Выходом устройства является второй выход НО 4. 3 1836 1 Нормированная спектральная плотность мощности шумов на выходе заявляемого устройства равна (при условии полного согласования по импедансам во всех сечениях)-параметры НО (с учетом нумерации выводов на фиг.2) 22 - нормированная спектральная плотность мощности шумовой волны, отраженной от выхода малошумящего УЗ. При использовании равноплечего НО 6 его-параметры подчиняются соотношениям 2 КШ заявляемого устройства соответственно равен 3 Минимум КШ заявляемого устройства достигается при следующих условиях Разность в КШ заявляемого устройства и с устройства-прототипа равна пр-3 Как следует из (9), выигрыш в КШ заявляемого устройства по сравнению с устройством-прототипом достигается при выполнении следующего условия На фиг.3 представлена принципиальная схема устройства, служащего примером конкретного исполнения структурной схемы фиг.1. 1 - ФЦ, мощное УЗ выполнено на мощных линейных полевых транзисторах 1, Т 2, малошумящее УЗ - на малошумящем полевом транзисторе 3, сумматор - на НО 2. Резисторы 1, 2, 6 согласованные нагрузки, 4, 5, 7 - нагрузки в цепях стока транзисторов 1-3, 3 - сопротивление обратной связи, конденсаторы С 1, 2, С 3 - разделительные. Устройство работает следующим образом. Входной сигнал поступает на вход ФЦ А 1 и далее на вход усилителя на 1, 2. Вследствие согласования в сечении первый выход ФЦ А 1 - затвор 1, обеспечиваемого шунтирующим резистором 1, практически весь входной сигнал устройства 1836 1 поступает на Т. В то же время шумовое напряжение, действующее на входе 1, по цепи первый выход - второй выход ФЦ А 1 поступает на вход усилителя на 3. Если коэффициенты передач по цепям затвор 1 - выход устройства и затвор 1 - затвор 3 - выход устройства одинаковы по модулю и противоположны по фазе, то на выходе устройства происходит компенсация действующих на входе транзистора 1 мощного УЗ шумов и шумовые свойства устройства (шумовое напряжение на выходе) полностью определяются шумовыми свойствами усилителя на Т 3. Поскольку последний усилитель не усиливает входного сигнала устройства, то его КШ может быть выбран достаточно малым в ущерб остальным характеристикам. Максимальный выходной сигнал и нелинейные искажения устройства полностью определяются усилителем на Т, 2. Заказ 7021 Тираж 20 экз. Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.