Делитель мощности

Изобретение относится к технике СВЧ и может найти широкое применение в системах активных фазированных антенных решеток, радиопередающих устройствах и системах, использующих мощность СВЧ. Предложен делитель мощности, содержащий входное плечо, подключенное через четвертьволновые отрезки линии передачи к выходным плечам, между которыми включены балластные резисторы, выполненные в виде отрезков линии передачи с потерями и соединенные в звезду, к общей точке которых подключен короткозамкнутый шлейф длиной меньше четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона, отличающийся тем, что указанные отрезки линии передачи с потерями выполнены неоднородными в форме круга, при этом ширина участка сопряжения каждого балластного резистора с соответствующим выходным плечом делителя мощности равна ширине соединительного отрезка линии передачи с волновым сопротивлением, равным выходному сопротивлению делителя мощности, ширина участка сопряжения каждого балластного резистора с короткозамкнутым шлейфом равна ширине этого шлейфа, упомянутые участки сопряжения балластных резисторов с соответствующими выходными плечами и с короткозамкнутым шлейфом расположены симметрично с обоих концов диаметра каждого балластного резистора в форме круга. Техническим результатом является повышение развязки между выходными плечами делителя мощности и расширение полосы пропускания устройства по этому параметру. 6 ил.

 

Изобретение относится к технике СВЧ и может найти широкое применение в системах активных фазированных антенных решеток, радиопередающих устройствах и системах, использующих мощность СВЧ.

Известен делитель мощности, содержащий разветвитель из четвертьволновых отрезков линий передачи, к выходам которого подключены балластные развязывающие резисторы, включенные звездой (Wilkinson E.J. An N-hybrid power divider // IRE Trans. on microwave theory and techniques. 1960, v. MTT-8, N 1. p. 116-118). За прошедшие более чем 50 лет это устройство многократно усовершенствовалось и составило основу большого числа авторских свидетельств и патентов. Будучи линейным и взаимным делитель Уилкинсона может равноправно использоваться и в качестве сумматора мощности.

Известен делитель мощности (см. Устройство сложения мощности, авт. свид. СССР №1170534, Н01Р 5/12, БИ №28. 30.07.85), содержащий входные плечи, каждое из которых подключено к балластному резистору и четвертьволновому отрезку линии передачи, при этом балластные резисторы соединены в звезду, концы четвертьволновых отрезков линий передачи подключены к выходному плечу и к общей точке балластных резисторов подключен короткозамкнутый четвертьволновый шлейф. Подавление четных гармоник суммируемых генераторов успешно выполняется на центральной частоте диапазона, для которой входное сопротивление четвертьволнового шлейфа бесконечно велико и, следовательно, этот шлейф не влияет на работу устройства. При этом четные гармоники суммируемых генераторов закорачиваются на землю, поскольку для них длина шлейфа не четверть-, а полуволновая, либо кратная ей, а входное сопротивление такого шлейфа равно нулю.

При работе на большом уровне мощности площади балластных резисторов в пленочном исполнении и, как следствие, их паразитные параметры, увеличиваются, что приводит к резкому ухудшению технических характеристик устройства - согласования по входам, развязки между ними, снижению коэффициента прямой передачи, росту потерь в балластных резисторах, смещению по частоте минимумов КСВН и максимума развязки и др.

Известен также делитель мощности (см. авт. свид. СССР №849342, Н01Р 5/12, БИ №27. 25.07.81), содержащий разветвитель, к выходным плечам которого подключены развязывающие резисторы, включенные звездой; ко входу и к каждому из выходов плеч разветвителя подключены короткозамкнутые шлейфы, а в каждое плечо разветвителя включен конденсатор, причем емкость конденсатора и длина каждого из короткозамкнутых шлейфов определяются соответственно из соотношений

где n - число плеч;

f₀ - центральная частота рабочего диапазона;

R₀ - выходное сопротивление каждого плеча делителя;

λ₀ - длина волны в делителе мощности;

ρ - волновое сопротивление короткозамкнутого шлейфа.

Уменьшение потерь и сокращение габаритов устройства достигается эквивалентной заменой четвертьволновых трансформирующих отрезков линии передачи разветвителя П-образными полураспределенными звеньями, составленными из двух короткозамкнутых шлейфов в параллельных ветвях и сосредоточенной емкости в последовательной ветви каждого П-звена.

Однако выбор элементов П-звеньев по приведенным соотношениям не позволяет скомпенсировать ухудшение технических характеристик устройства большой мощности с увеличенной площадью балластных резисторов в пленочном исполнении. Как и в предыдущем случае, достижение высоких значений указанных выше технических характеристик не может быть реализовано в данном устройстве.

Кроме того, известен делитель мощности (см. авт. свид. СССР №1798840, Н01Р 5/12, БИ №8. 28.02.93), являющийся прототипом предлагаемого изобретения и содержащий входное плечо, подключенное через четвертьволновые отрезки линии передачи к выходным плечам, при этом между выходными плечами включены балластные резисторы, соединенные в звезду и к общей точке которых подключен короткозамкнутый шлейф, при этом балластные резисторы выполнены в виде отрезков линии передачи с потерями, длина шлейфа выбрана меньше четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона, а его входное сопротивление выбрано из соотношений:

где Z_C, L - волновое сопротивление и длина отрезка линии передачи с потерями;

γ - постоянная распространения в линии с потерями;

Z_ш, - волновое сопротивление и длина шлейфа.

В прототипе увеличение рабочей мощности достигается подключением к общей точке соединенных в звезду балластных резисторов короткозамкнутого шлейфа с длиной меньшей четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона. Индуктивное входное сопротивление шлейфа компенсирует паразитную емкостную составляющую всех балластных резисторов и улучшает согласование по входу и выходам, повышает развязку между выходными плечами устройства и, как следствие, его выходную мощность (см. К.Я. Аубакиров, В.И. Говорухин, Л.Г. Плавский, М.Г. Рубанович Двухканальный синфазный сумматор-делитель мощности с компенсацией паразитных параметров балластного резистора. - Радиотехника, №6, 2011, с. 59-63).

Однако, несмотря на существенное улучшение указанных технических характеристик, их значения недостаточно высоки, что, в первую очередь, касается развязки между выходными плечами делителя мощности, то есть обеспечения их независимой работы при различных условиях нагрузки и эксплуатации.

Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является повышение развязки между выходными плечами делителя мощности и расширение полосы пропускания по этому параметру.

Поставленная задача достигается тем, что в делитель мощности, содержащий входное плечо, подключенное через четвертьволновые отрезки линии передачи к выходным плечам, между которыми включены соединенные в звезду балластные резисторы, выполненные в виде отрезков линии передачи с потерями, и к общей точке которых подключен короткозамкнутый шлейф, длина которого меньше четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона, указанные отрезки линии передачи с потерями выполнены неоднородными в форме круга, при этом ширина участка сопряжения каждого балластного резистора с соответствующим выходным плечом делителя мощности равна ширине соединительного отрезка линии передачи с волновым сопротивлением равным выходному сопротивлению делителя мощности, ширина участка сопряжения каждого балластного резистора с короткозамкнутым шлейфом равна ширине этого шлейфа, упомянутые участки сопряжения балластных резисторов с соответствующими выходными плечами и с короткозамкнутым шлейфом расположены симметрично с обоих концов диаметра каждого балластного резистора в форме круга.

На фиг. 1 приведена схема электрическая принципиальная предлагаемого n-канального делителя мощности, на фиг. 2 - предлагаемый балластный развязывающий резистор в виде отрезка неоднородной линии передачи с потерями в форме круга, на фиг. 3 - балластный развязывающий резистор в виде отрезка однородной линии передачи с потерями в форме квадрата в делителе мощности-прототипе, на фиг. 4 - схема электрическая принципиальная предлагаемого трехканального делителя мощности, на фиг. 5 - частотные зависимости технических характеристик предлагаемого трехканального делителя мощности с балластными резисторами в форме круга, на фиг. 6 - частотные зависимости технических характеристик трехканального делителя мощности-прототипа с балластными резисторами в форме квадрата.

Делитель мощности (фиг. 1) содержит входное плечо 1, подключенное через четвертьволновые отрезки линии передачи 2 к выходным плечам 3, к каждому из которых подключен балластный резистор 4, выполненный в виде неоднородного отрезка линии передачи с потерями в форме круга (фиг. 2), все балластные резисторы соединены в звезду и к их общей точке подключен короткозамкнутый шлейф 5 с длиной меньшей четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона. Выходные плечи 3 делителя мощности нагружены на сопротивления нагрузки 6.

Делитель мощности (фиг. 1) работает следующим образом. При поступлении входного СВЧ сигнала на входное плечо 1, его мощность равномерно распределяется через одинаковые четвертьволновые отрезки линии передачи 2 по всем выходным плечам 3, так что при одинаковых и согласованных сопротивлениях нагрузки 6 эти мощности на всех выходных плечах 3 равны по величине и синфазны. Для случая минимальной площади балластных резисторов делитель мощности представляет собой симметричный многополюсник и на центральной частоте является полностью согласованным, а его выходы развязаны практически идеально. В устройствах большой мощности оказывается необходимым использовать балластные резисторы с большой площадью для рассеяния значительной мощности в случае рассогласования или выхода из строя одной из нагрузок. Технические характеристики таких делителей мощности значительно ухудшаются, а, следовательно, для обеспечения их работоспособности необходимо скорректировать влияние эффекта, связанного с использованием балластных резисторов с большой площадью. Это частично реализовано в устройстве-прототипе за счет подключения к общей точке, включенных в звезду балластных резисторов, короткозамкнутого шлейфа 5, длиной меньше четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона.

В известных схемах многоканальных делителей мощности, реализованных на керамических подложках из поликора толщиной 1 мм с диэлектрической проницаемостью ε=9.6, в качестве балластных резисторов используют отрезки однородной линии передачи с потерями квадратной формы (фиг. 3) с размерами 4*4 мм и площадью 16 мм² (см. вышеуказанную статью К.Я. Аубакиров, В.И. Говорухин, Л.Г. Плавский и др. Двухканальный синфазный сумматор-делитель мощности… - Радиотехника, №6, 2011, с. 59-63 и В.И. Говорухин, М.Г. Рубанович, Н.Э. Унру Многоканальные синфазные сумматоры-делители мощности Уилкинсона с компенсацией паразитных параметров балластных резисторов. - Вопросы радиоэлектроники, серия Общетехническая, 2015, вып. 3, с. 102-114).

В предлагаемом делителе мощности балластные развязывающие резисторы выполнены в виде отрезков неоднородной линии передачи с потерями в форме круга (фиг. 2) с диаметром 4.52 мм и той же площадью 16 мм². Одинаковые площади балластных резисторов в предлагаемом и известном делителях мощности обеспечивают одинаковые значения емкостей плоского конденсатора, но краевая составляющая общей паразитной емкости в предлагаемой схеме делителя мощности с балластными резисторами в форме круга меньше, чем в известной, вследствие меньшей длины его периметра (примерно на 11.3%), что и определяет выигрыш в частотных свойствах предлагаемой схемы.

Расчетные частотные зависимости технических характеристик предлагаемого делителя мощности и устройства-прототипа в трехканальном варианте (фиг. 4) в диапазоне частот 0.6-1.4 ГГц с центральной частотой f₀=1.0 ГГц представлены на фиг. 5 и 6, при этом фиг. 5 соответствует предлагаемому, а фиг. 6 - делителю мощности-прототипу.

Четвертьволновые отрезки линии передачи представлены идеализированными линиями с воздушным диэлектриком ε_r=1 длиной 75 мм и волновым сопротивлением Ом, где R₀=50 Ом. Короткозамкнутые корректирующие шлейфы в обеих схемах с шириной полоска w = 0.2 мм (ρ_ш=90 Ом), как и балластные резисторы, выполнены на подложке из поликора с h=1 мм и толщиной полоска t=0.0083 мм, расчетные значения длин шлейфов для известного и мм для предлагаемого вариантов исполнения балластных резисторов. Более чем двухкратное уменьшение длины корректирующих шлейфов характеризует существенное повышение эффективности коррекции паразитной емкости балластных резисторов в предлагаемой схеме по сравнению с известной.

Сравнение зависимостей на фиг. 5 и 6 показывает значительное повышение развязки между выходными плечами |S_ik|, i, k=2, …,4, i≠k предлагаемого трехканального делителя мощности на 25.91 дБ (в 19.75 раза) по сравнению с устройством-прототипом при расширении его полосы пропускания по развязке по уровню -25 дБ на 350 МГц, или на 86%. Для четырех- и пятиканального делителей мощности выигрыш в развязке повысился, соответственно, на 32.03 дБ (в 39.9 раз) и 31.98 дБ (в 39.7 раз) при расширении полосы пропускания по развязке для обеих схем на 430 МГц или на 90%.

Таким образом, использование в качестве балластных развязывающих резисторов отрезков неоднородной линии передачи с потерями в форме круга позволяет повысить развязку между выходными плечами делителя мощности и расширить полосу пропускания устройства по этому параметру.

Делитель мощности, содержащий входное плечо, подключенное через четвертьволновые отрезки линии передачи к выходным плечам, между которыми включены балластные резисторы, выполненные в виде отрезков линии передачи с потерями и соединенные в звезду, к общей точке которых подключен короткозамкнутый шлейф длиной меньше четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона, отличающийся тем, что указанные отрезки линии передачи с потерями выполнены неоднородными в форме круга, при этом ширина участка сопряжения каждого балластного резистора с соответствующим выходным плечом делителя мощности равна ширине соединительного отрезка линии передачи с волновым сопротивлением, равным выходному сопротивлению делителя мощности, ширина участка сопряжения каждого балластного резистора с короткозамкнутым шлейфом равна ширине этого шлейфа, упомянутые участки сопряжения балластных резисторов с соответствующими выходными плечами и с короткозамкнутым шлейфом расположены симметрично с обоих концов диаметра каждого балластного резистора в форме круга.