Сверхвысокочастотное разделительно-суммирующее устройство

 

Заявляемое устройство может быть использовано в радиопередающих устройствах различного назначения для наращивания уровня выходной мощности по модульному принципу. В предложенном разделительно-суммирующем устройстве, содержащем идентичные N - канальные делитель и сумматор мощности, выполненные в виде цепочечного соединения (N -1) направленных ответвителей с различными переходными затуханиями, где N -натуральное число, больше 2; выходы делителя и входы сумматора соединены через N усилительных модулей, которые идентичны по схеме. При этом направленные ответвители выполнены деухшлейфными, а в крайние каналы устройства введены две одинаковые линии задержки. Техническим результатом является обеспечение требуемого фазирования в нагрузке отдельных составляющих суммарного сигнала и планарной топологии микрополосковых подложек делителя и сумматора при предельно высоких показателях надежности устройства из-за отсутствия операций сварки внутри направленных ответвителей. 2 ил.

Предлагаемое устройство относится к области техники сверхвысоких частот (СВЧ) и может быть использовано в выходных каскадах полупроводниковых усилителей и радиопередатчиков различного назначения для наращивания уровня выходной мощности за счет суммирования сигналов ряда идентичных радиочастотных блоков (модульный принцип наращивания мощности).

Актуальность разработки таких устройств обусловлена все возрастающими требованиями к полупроводниковым каскадам генерирования и формирования радиосигналов высоконадежных систем связи и телекоммуникаций в отношении их миниатюризаии и технологичности. Для выполнения предъявляемых ныне требований целесообразно создать полностью планарные (т.е. без каких-либо навесных или объемных (в теле подложки) перемычек и компонентов) разделительно-суммирующие устройства с произвольным числом каналов, пригодные для тонкопленочной технологии гибридных (ГИС) или полупроводниковых (ИС) интегральных схем СВЧ при возможно более низком проценте брака готовых керамических подложек или полупроводниковых GaAs-кристаллов. Использование только отрезков одиночных линий передачи и пленочных резисторов из материала подслоя упомянутых отрезков, а также планарность и высокая технологичность операций их реализации делает такие радиочастотные узлы весьма перспективными для твердотельных усилителей и передатчиков диапазона 10...20 ГГц.

Известно сверхвысокочастотное разделительно-суммирующее устройство, описанное в работе: Горбачев А.П., Романов А.Н. "Широкополосные разделительно-суммирующие устройства для сложения мощностей диапазона СВЧ", Известия ВУЗов СССР - Радиоэлектроника, 1975, N 12, с. 93-95. Это устройство содержит делитель и сумматор мощности, выполненные в виде цепочечного соединения направленных ответвителей на связанных линиях с различными переходными затуханиями. Выходы делителя соединены со входами сумматора через усилительные модули, а вход делителя и выход сумматора являются соответственно входом и выходом разделительно-суммирующего устройства. При практической реализации делителя и сумматора на керамических подложках в виде ГИС СВЧ часть направленных ответвителей неизбежно выполняется на встречно-штыревых структурах Ланге из трех, четырех или шести связанных линий, содержащих навесные проволочные или ленточные перемычки, соединенные с линиями термокомпрессионной сваркой. В результате не удается реализовать полностью планарную конструкцию разделительно-суммирующего устройства и использовать преимущества планарных топологий ГИС СВЧ, имеющих минимальный процент брака.

Известно также сверхвысокачастотное разделительно-суммирующее устройство, описанное в работе: Балакирев М.Б., Вохмяков Ю.С., Журиков А.С. и др. "Радиоперерающие устройства", М.: Радио и связь, 1982, с. 123. В этом устройстве делитель и сумматор мощности идентичны и выполнены по цепочечной схеме соединения двух направленных ответвителей с различными переходными затуханиями. При этом каждый направленный ответвитель реализован на четырех встречно-штыревых связанных линиях, образующих классическую структуру Ланге с проволочными навесными перемычками. В результате упомянутое разделительно-суммирующее устройство имеет заметный процент брака подложек ГИС СВЧ из-за ощутимого количества дефектов сварки навесных перемычек.

Известно также сверхвысокочастотное разделительно-суммирующее устройство, описанное в работе: Каганов В.И. "СВЧ полупроводниковые передатчики", М.: Радио и связь, 1981, с. 325. Это устройство содержит N - канальный делитель и сумматор мощности, где N = 2^к,к - целое число, выполненные в виде бинарного соединения (N-1) направленных ответвителей, нагруженных на 2(N-1) балластных резисторов. При этом выходы делителя и входы сумматора соединены через усилительные модули, а нагрузка подключена к выходу сумматора. Возбуждение подается на вход разделительно-суммирующего устройства, в качестве которого служит вход делителя. Переходные затухания всех ответвителей как в делителе, так и в сумматоре имеют величину порядка 3 дБ. Поэтому при реализации упомянутого разделительно-суммирующего устройства в виде ГИС СВЧ на керамике опять-таки приходится использовать встречно-штыревые структуры Ланге. В результате и это разделительно-суммирующее устройство имеет заметное число дефектов сварки навесных проволочных перемычек и не обеспечивает минимальный процент брака, присущий планарным топологиям.

Известно также сверхвысокочастотное суммирующее устройство, описанное в работе: Малорацкий Л.Г. "Микроминиатюризация элементов и устройств СВЧ", М.: "Советское радио", 1976, с. 161. Это устройство содержит три идентичных двухшлейфных направленных ответвителя, соединенных по схеме "елочка", и осуществляет суммирование в общей нагрузке, подключенной к выходу устройства, мощностей четырех автогенераторов. Для взаимной частотной и фазовой синхронизации автогенераторов используются замкнутые или разомкнутые отрезки линий передачи переменной длины, подключенные к соответствующим зажимам направленных ответвителей. Однако это устройство пригодно лишь для суммирования мощностей автогенераторов и не может быть использовано для сложения мощностей усилительных модулей с внешним возбуждением. К тому же схема "елочка" позволяет реализовать лишь N=2^к, к - целое число, т.е. N = 2,4,8,16 и т.д., что не всегда приемлемо в многоканальных устройствах, где весьма желательно иметь возможность реализации произвольного числа N каналов.

Прототипом предлагаемого изобретения является сверхвысокочастотное разделительно-суммирующее устройство, описанное в упомянутой второй работе Балакирева М.В. и др. "Радиопередающие устройства", М.: Радио и связь, 1982, с. 123-124. Как уже отмечалось топологии делителя и сумматора этого устройства идентичны и реализованы в виде ГИС СВЧ на керамических подложках размера 60х24 мм. Каждый направленный ответвитель цепочечной схемы делителя и сумматора выполнен на встречно-штыревых структурах Ланге, что не позволяет обеспечить низкий процент брака готовых керамических узлов.

Задачей предлагаемого изобретения является создание высокоэффективного планарного сверхвысокочастотного разделительно-суммирующего устройства.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в известное сверхвысокочастотное разделительно-суммирующее устройство, содержащее идентичные N-канальные делитель и сумматор мощности, выполненные в виде цепочечного соединения (N-1) направленных ответвителей с различными переходными затуханиями, где N = натуральное число более 2, 2 (N-I) балластных резисторов, N усилительных модулей, при этом выходы делителя и входы сумматора соединены усилительными модулями, балластные резисторы подключены к соответствующим зажимами направленных ответвителей, а вход делителя и выход сумматора служат соответственно входом и выходом разделительно-суммирующего устройства, дополнительно введены две одинаковые линии задержки, а направленные ответвители выполнены двухшлейфными, при этом одна линия задержки включена перед усилительным модулем наиболее удаленного, а другая линия задержки включена после усилительного модуля ближайшего ко входу устройства каналов.

На фиг. 1 изображена схема заявляемого разделительно-суммирующего устройства; на фиг. 2 - его конструкция для числа каналов N = 3.

Предлагаемое рездательно-суммирующее устройство содержит идентичные N-канальные делитель (ДЕЛ) и сумматор (СУМ) 1 мощности, выполненные в виде цепочечного соединения (N-1) двухшлейфных направленных ответвителей (НО) 2,3,4 с различными переходными затуханиями, где N - натуральное число. Вход 5 делителя (ДЕЛ) и выход 6 сумматора (СУМ) служат соответственно входом и выходом разделительно-суммирующего устройства. Балластные резисторы 7 подключены к соответствующим зажимам направленных ответвителей 2,3,4. Выходы делителя и входы сумматора соединены усилительными модулями (УМ) 8, которые идентичны. В качестве примера возможный вариант схемы модуля представлен на фиг. 1 для крайнего канала. Одна из двух одинаковых линий задержки 9 включена перед усилительным модулем наиболее удаленного, а другая - после усилительного модуля ближайшего ко входу 5 каналов. Сверхвысокочастотный возбудитель (В) 10 подключен ко входу 5, а полезная нагрузка 11 соединены с выходом 6 разделительно-суммирующего устройства, УМ 8 запитаны от источника коллекторного питания 12.

Принцип действия заявляемого сверхвысокочастотного разделительно-суммирующего устройства состоит в следующем.

Пусть ЭДС возбудителя 10 обозначена символом Е_г, а его внутреннее сопротивление - R_г, величину нагрузки 11 обозначим R_н. Предполагается, что величина ЭДС Е_г остается неизменной в полосе частот f_Н...f_В. Тогда ко входам УМ 8 будут приложены напряжения U_i, амплитуды и фазы которых определяются комплексными передаточными функциями t_Дi каждого канала делителя 1, где текущая нумерация i = 1,2,..., N каналов производится, начиная с наиболее удаленного от входа 5 канала: U_i =E_гt_Дi, i= 1,2,..., N.

Эти передаточные функции рассчитываются в привлечением аппарата ориентированных графов по элементам (S₁₁)_m, (S₁₂)_m, (S₁₃)_m, (S₁₄)_m матриц рассеяния [S]_m двухшлейфных направленных ответвителей: Переходные затухания ответвителей C_m различны и их величина в логарифмическом масштабе находится по формуле: C_m = 10 lg(m), дб, m ≥ 2 - целое число (2).

Числа m согласованы с позицией НО в цепочечном соединении. Так на фиг. 1 для ответвителя 2 число m принимает значение m = 2, так что соответствующее переходное затухание C₂=10lg(2), = 3 дБ. Аналогично для направленного ответвителя с позицией 3:m=3 и C₃=10lg(3)=4,77 дБ и т.д.

Напряжения U_i являются входными сигналами усилительных модулей 8 с коэффициентом G усиления напряжения. Тогда суммарное напряжение U_н на нагрузке 11 величиной R_н может быть найдено согласно принципа суперпозиции как сумма выходных напряжений УМ E_гGt_Дi, умноженных на соответствующие коэффициенты передачи по напряжению каналов сумматора: т. к. вследствие идентичности делителя (ДЕЛ) и сумматора (СУМ) имеет место равенство: t_ii=t_д(N+1-i).

Для суммирования без потерь сигналов усилителей на одной из частот рабочего диапазона f_н...f_в необходимо на этой частоте сфазировать соответствующие составляющие U_нi суммарного напряжения на нагрузке 11. В качестве такой частоты целесообразно выбрать центральную частоту f_о=(f_в+f_н)/2 диапазона и совместить ее с центральной частотой рабочей полосы двухшлейфных направленных ответвителей. В этом случае будет обеспечиваться высокая направленность ((S₁₄)_m/(S₁₂)_m = ∞ , m = 2,3,...,N) и хорошее согласование ((S₁₁)_m ≈ 0) выходов каждого ответвителя и, следовательно, хорошее согласование входа 5 с внутренним сопротивлением R_г возбудителя и выхода 6 с нагрузкой величиной R_н, а также высокая развязка между каналами разделительно-суммирующего устройства. В тоже время фазочастотные характеристики (ϕ₁₃)_m= arg(S₁₃)_m; (ϕ₁₄)_m= arg(S₁₄)_m отдельных двухшлейфных направленных ответвителей таковы, что для фазирования составляющих U_нi необходимы две идентичные линии задержки 9, включенные перед усилительным модулем наиболее удаленного и после усилительного модуля ближайшего ко входу 5 каналов. В этом случае уровень суммарного напряжения U_н на нагрузке 11 разделительно-суммирующего устройства близок к максимально возможному и слабо изменяется в полосе частот f_н...f_в. При этом двухшлейные ответвители обеспечивают планарность топологии делителя и сумматора и не содержат навесных или объемных перемычек, способствуя достижению предельно возможных показателей надежности из-за отсутствия технологических операций сварки.

Расчет геометрических размеров W_1m, W_2m, m = 2,3,..., N отдельных четвертьволновых линий двухшлейфных ответвителей 2, 3, 4 производится традиционными методами, описанными в справочной литературе по конструированию СВЧ-узлов. При этом используются величины переходных затуханий C_m, рассчитанные согласно (2). Геометрическая длина линий задержки 9 определяется численными методами в рамках разработанного заявителем пакета IВМ-программ в зависимости от диапазона рабочих частот, плотности компоновки отдельных двухшлейфных ответвителей на керамических подложках и расположения согласующих цепей усилительных модулей на свободной части подложек. Так, например, был изготовлен по тонкопленочной технологии на керамике типа "Поликор" (ε_r= 10) стандартных размеров образец заявляемого разделительно-суммирующего устройства на диапазон частот 1,9...2,1 ГГц. Волновое сопротивление тракта выбрано равным 50 Ом, поэтому геометрические размеры линий, указанные на фиг. 2, составили: (W₁)₂= 0,96 мм; (W₂)₂=1,56 мм; (W₁)₃=0,39 мм; (W₂)₃=1,36 мм. При этом электрическая длина линии задержки с волновым сопротивлением 50 Ом на центральной частоте 2 ГГц равна 196^o. Конструктивно разделительно-суммирующее устройство реализовано на трех подложках 60х24 мм, причем на центральной подложке размещены усилительные модули, согласующие цепи которых условно на фиг. 2 не показаны. Стрелками отмечено лишь направление распространения СВЧ энергии в модулях. Смежные участки 50-омных микрополосковых линий соседних подложек соединены между собой навесными проволочными перемычками.

Результаты экспериментальных исследований изготовленного разделительно-суммирующего устройства свидетельствуют о его эффективности при суммировании сигналов усилительных модулей. Потери суммарной мощности в нагрузке за счет расфазирования сигналов в упомянутой полосе частот не превышали 6% при предельно высоких показателях надежности за счет планарности топологий делителя и сумматора устройства и отсутствия технологических операций сварки внутри отдельных направленных ответвителей.

Формула изобретения

Сверхвысокочастотное разделительно-суммирующее устройство, содержащее идентичные N-канальные делитель и сумматор мощности, выполненные в виде цепочечного соединения N-1 направленных ответвлений с различными переходными затуханиями, где N - натуральное число более 2,2·(N-1) балластных резисторов, N усилительных модулей, при этом выходы делителя и входы сумматора соединены усилительными модулями, балластные резисторы подключены к соответствующим зажимам направленных ответвителей, а вход делителя и выход сумматора служат соответственно входом и выходом разделительно-суммирующего устройства, отличающееся тем, что в него дополнительно введены две одинаковые линии задержки, а направленные ответвители выполнены двухшлейфными, при этом одна линия задержки включена перед усилительным модулем наиболее удаленного, а другая линия задержки включена после усилительного модуля ближайшего ко входу устройства каналов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2