Полосковый делитель мощности
Владельцы патента RU 2392702:
Федеральное государственное научное учреждение Научно-исследовательский институт "СПЕЦВУЗАВТОМАТИКА" (RU)
Изобретение относится к технике сверхвысоких частот и может быть использовано для устройств распределения сигналов между линиями передачи с Т волной в сантиметровом диапазоне длин волн. Технический результат состоит в том, что повышается развязка между выходами синфазного делителя мощности. Технический результат достигается тем, что рядом с резистором делителя и параллельно ему дополнительно расположены одна или несколько проводящих полосок, концы которых находятся над выходными линиями. Эти полоски включены между выходными линиями делителя, расположенными симметрично относительно продольной оси делителя, поэтому они не влияют на синфазную волну. Полоски образуют дополнительную емкость между выходными линиями возле резистора, что уменьшает эффективное волновое сопротивление короткого отрезка линии передачи с большими потерями, которым является резистор на частотах сантиметрового диапазона. В результате обеспечивается согласование резистора с выходной линией передачи на частотах верхней части сантиметрового диапазона и улучшается развязка и согласование выходов делителя. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ) и предназначено для построения устройств распределения сигналов между линиями передачи в сантиметровом диапазоне длин волн.
Известен простейший синфазный полосковый делитель мощности [Wilkinson E.J. An n-way hybrid power divider // IRE Trans. 1960. Vol. MTT-8, № 1], содержащий один четвертьволновый трансформирующий участок и один резистор, который обеспечивает согласование и развязку его выходов на средней частоте диапазона. В расчетах этого делителя используется модель точечного резистора, поэтому согласование и развязка его выходов сохраняются до частот, на которых длина волны в линии передачи много больше размеров установленного в нем резистора. Однако реальные резисторы выпускаются с определенными стандартными размерами, обеспечивающими рассеивание заданной мощности. Расчеты и эксперименты показали, что в верхней части сантиметрового диапазона даже маленькие резисторы с размером резистивной площадки 0.6×1.0 мм нельзя считать точечными. На этих частотах они ведут себя как отрезок линии передачи с большими вносимыми потерями и не обеспечивают высокий коэффициент поглощения энергии противофазной волны, как это делает точечный резистор. Поэтому происходит частичное отражение противофазной волны, что ухудшает развязку между выходами делителя мощности и их согласование.
Известен широкополосный делитель мощности [Cohn S.В. A class of broad-band three port ТЕМ mode hybrids // IEEE Trans. 1968 Vol. MTT-16, № 23] [В.П.Мещанов, В.Д.Тупикин, С.Л.Чернышев. Коаксиальные пассивные устройства. Изд-во Саратовского университета. 1993. С.258-263], содержащий несколько четвертьволновых трансформирующих участков и резисторов. Несмотря на расширение полосы частот за счет увеличения количества резисторов развязка между выходами реальных делителей на высоких частотах также ухудшается, поскольку расчетная модель, так же как и в предыдущем случае, не учитывает реальные физические размеры используемых на практике резисторов.
Известен широкополосный делитель мощности [А.с. 1555732 СССР, МКИ Н01Р 5/12. Делитель мощности. /Следков В.А., Савченко Н.Ю., Топанов К.Л./], содержащий несколько четвертьволновых трансформирующих участков, линии которых связаны между собой, и один резистор. Этот делитель мощности имеет малые вносимые потери и расширенную полосу частот за счет увеличения количества трансформирующих секций. Но на высоких частотах развязка между выходами этих делителей ухудшается по той же причине - используемые в них резисторы имеют реальные физические размеры и поэтому не обеспечивают высокий коэффициент поглощения энергии противофазной волны.
Из известных решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является широкополосный делитель мощности [Cohn S.В. А class of broad-band three port ТЕМ mode hybrids // IEEE Trans. 1968. Vol. MTT-16, № 23], принимаемый за прототип. Это устройство содержит две выходные линии передачи 1 и 2 (см. фиг.1), каждая из которых соединена с входной линией передачи 3, и, по крайней мере, один резистор 4, включенный между выходными линиями передачи 1 и 2 на некотором расстоянии от точки разветвления 5. Согласование входа делителя с подводящей линией обеспечивается тем, что между точкой разветвления 5 и резистором 4 выходные линии содержат трансформирующие секции 7 с уменьшенной шириной полосковых линий, которые имеют увеличенное волновое сопротивление. Согласование выходов делителя и развязка между ними обеспечивается резистором 4. Недостатком известного устройства является ухудшение развязки между выходами и их согласования в верхней части сантиметрового диапазона. Это приводит к нежелательной связи между двумя фидерными трактами, которые подключены к выходам делителя. Например, такая связь может дестабилизировать работу двух передатчиков, подключенных к выходам делителя и работающих на одну антенну, подключенную к входу делителя.
Целью изобретения является улучшение развязки между выходами делителя и их согласования на частотах сантиметрового диапазона. Улучшение согласования и развязки выходов делителя улучшает работу СВЧ устройств, в состав которых входит делитель мощности. При этом снижаются потери мощности на отражение и уменьшается нежелательная связь между двумя линиями передачи.
Поставленная цель достигается за счет введения следующих изменений: в известном полосковом делителе мощности согласно изобретению рядом с резистором и параллельно ему расположена, по крайней мере, одна проводящая полоска, концы которой расположены напротив проводников выходных линий передачи и имеют с ними емкостную связь.
С помощью указанных изменений возле резистора образуется дополнительная емкость между выходными линиями передачи и уменьшается эффективное волновое сопротивление отрезка линии передачи, образуемого резистором. Эти изменения влияют только на противофазную волну и улучшают согласование резистора с выходными линиями на частотах верхней части сантиметрового диапазона. Изобретение применимо к делителям на любых типах линий передачи СВЧ с Т волной: полосковым, микрополосковым и коаксиальным.
На фиг.1 изображена конфигурация полосковых проводников и включенный между ними резистор взятого за прототип синфазного полоскового делителя мощности. Устройство содержит колосковые проводники, формирующие две выходные линии передачи 1 и 2, каждая из которых соединена с входной линией передачи 3 в точке разветвления 5, и резистор 4, включенный между выходными линиями на расстоянии четверти длины волны в линии передачи от точки разветвления. Согласование входа делителя с подводящей линией обеспечивается тем, что между точкой разветвления 5 и резистором 4 выходные линии содержат трансформирующие секции 7 с уменьшенной шириной полосковых линий, которые имеют увеличенное волновое сопротивление. Полосковые проводники расположены между диэлектрическими подложками 13 и 14. С внешней стороны подложек расположены экраны 15 и 16. Эти элементы показаны на фиг.2, где взятый за прототип синфазный делитель мощности изображен в поперечном сечении вдоль оси симметрии.
Сущность изобретения поясняется фиг.3 и фиг.4, на которых представлены конфигурация полосковых проводников синфазного делителя мощности с внесенным дополнительным элементом и его поперечное сечение вдоль оси симметрии. В исходную конструкцию делителя (см. фиг.1) добавлена проводящая полоска 8, расположенная параллельно резистору 4, включенному между выходными линиями передачи 1 и 2, и отделенная от него тонкой диэлектрической подложкой 6. Концы проводящей полоски 8 находятся над полосковыми проводниками выходных линий делителя 1 и 2, создавая между ними дополнительную емкость. Введение в конструкцию устройства проводящей полоски 8 создает дополнительную емкость между выходными линиями передачи. Тонкая подложка 6 расположена между толстыми диэлектрическими подложками 13 и 14, поддерживающими ее посередине между экранами 15 и 16, которые являются вторыми проводниками полосковых линий и полностью их экранируют, предотвращая излучение.
Устройство работает следующим образом. Когда сигнал подается на входную линию 3, он через точку разветвления 5 проходит в выходные линии 1 и 2. Согласование входа обеспечивается трансформирующими секциями 7 в выходных линиях 1 и 2, расположенными между точкой разветвления 5 и резистором 4. Поскольку линии 1 и 2 симметричны, волна пришедшего с входа 1 сигнала создает одинаковые потенциалы на концах резистора 4 и проводящей полоски 8. Благодаря равенству потенциалов ток синфазной волны не течет через резистор 4 и проводящую полоску 8, поэтому энергия этой волны в нем не рассеивается. Полоска 8 не оказывает влияния на входной сигнал по той же причине.
При подаче сигнала на выходную линию 1 он приходит в точку разветвления 5, из которой одна часть сигнала проходит на входную линию 3, а вторая часть попадает в линию 2 и доходит до резистора 4. Поскольку резистор 4 находится на расстоянии четверти длины волны от точки разветвления 5, то пришедшая к нему по линии 2 волна оказывается в противофазе волне, пришедшей к нему по линии 1. В результате на концах резистора образуется разность потенциалов и прошедший в линию 2 сигнал поглощается в резисторе 4. Однако на высоких частотах резистор неидеально согласован с выходными линиями, поэтому часть сигнала отражается от него в выходную линию 1 и проходит в выходную линию 2. С ростом частоты рассогласование резистора с выходной линией увеличивается. Электродинамические расчеты делителя показали, что для улучшения его согласования и развязки на высоких частотах необходимо уменьшить волновое сопротивление отрезка поглощающей линии передачи, образованной резистором 4. Введенная согласно изобретению проводящая полоска 8 создает возле резистора дополнительную емкость между линиями 1 и 2, которая уменьшает волновое сопротивление этого отрезка. В результате улучшается согласование резистора с выходной линией и развязка между выходами делителя. Данный факт подтверждается проведенными электродинамическими расчетами и экспериментальными частотными характеристиками делителей, содержащих проводящие полоски возле резисторов.
Количество полосок, их длина и ширина могут варьироваться в зависимости от конструкции делителя, его рабочего диапазона частот и других параметров. На фиг.5 представлена конфигурация полосковых проводников широкополосного делителя мощности, выполненного на полосковых линиях и имеющего участок связи между его выходными линиями. На фиг.6 изображено его поперечное сечение вдоль оси симметрии. Полосковые линии 1, 2, 3 и резистор 4 расположены на верхней поверхности тонкой диэлектрической подложки 6, а на ее нижней поверхности расположены полоски 8 и 9. Полоска 8 расположена напротив резистора 4, а полоска 9 перекрывает зазор 10 между связанными линиями. Выходные линии 1 и 2 содержат по три трансформирующие секции 7, 11 и 12, обеспечивающие согласование входа делителя в широкой полосе частот. Зазор 10 между выходными линиями уменьшается в направлении от выходов к резистору 4, обеспечивая согласование между резистором и выходами в широкой полосе частот. Тонкая подложка 6 расположена между толстыми диэлектрическими подложками 13 и 14, поддерживающими ее посередине между экранами 15 и 16, которые являются вторыми проводниками полосковых линий и полностью их экранируют, предотвращая излучение. Размеры полосок 8 и 9 подбираются так, чтобы противофазная составляющая обратного сигнала максимально поглощалась в резисторе 4 и не попадала на выход линии 2 во всей рабочей полосе частот. Введение полосок 8 и 9 позволило обеспечить развязку между выходами делителя выше 20 дБ в полосе 8-18 ГГц.
Перечень фигур
Фиг.1. Конфигурация полосковых проводников синфазного делителя мощности взятого за прототип изобретения.
Фиг.2. Поперечное сечение вдоль оси симметрии синфазного делителя мощности взятого за прототип изобретения.
Фиг.3. Конфигурация полосковых проводников синфазного делителя мощности с одной проводящей полоской напротив резистора.
Фиг.4. Поперечное сечение вдоль оси симметрии синфазного делителя мощности с одной проводящей полоской напротив резистора.
Фиг.5. Конфигурация полосковых проводников широкополосного синфазного делителя мощности делителя со связью между выходными линиями и двумя проводящими полосками.
Фиг.6. Поперечное сечение вдоль оси симметрии широкополосного синфазного делителя мощности делителя со связью между выходными линиями и двумя проводящими полосками.
Источники информации
1. Wilkinson E.J. An n-way hybrid power divider // IRE Trans. I960. Vol. MTT-8, № 1.
2. Cohn S.B. A class of broad-band three port ТЕМ mode hybrids // IEEE Trans. 1968. Vol. MTT-16, № 23.
3. В.П.Мещанов, В.Д.Тупикин, С.Л.Чернышев. Коаксиальные пассивные устройства. Издательство Саратовского университета. 1993. С.258-263.
4. А.с. 1555732 СССР, МКИ Н01Р 5/12. Делитель мощности. /Следков В.А., Савченко Н.Ю., Топанов К.Л./ Заявка 4413876/24-09. Заявл. 21.04.1988.
1. Полосковый делитель мощности, содержащий две выходные линии передачи, каждая из которых соединена с входной линией передачи, и, по крайней мере, один резистор, включенный между выходными линиями передачи на некотором расстоянии от точки разветвления, отличающийся тем, что рядом с резистором и параллельно ему дополнительно расположена проводящая полоска, концы которой находятся напротив проводников выходных линий передачи и имеют с ними емкостную связь.
2. Полосковый делитель мощности по п.1, отличающийся тем, что между его выходами и резистором выходные линии передачи имеют участок связи, вдоль которого перпендикулярно зазору между связанными линиями расположены дополнительные проводящие полоски, концы которых находятся напротив проводников выходных линий передачи и имеют с ними емкостную связь.
