Управляемый делитель мощности

Изобретение относится к технике высоких и сверхвысоких частот (СВЧ) и может использоваться в системах, требующих управляемого распределения СВЧ мощности между двумя нагрузками. Техническим результатом является осуществление плавной регулировки коэффициента деления, уменьшение управляющей мощности и увеличение скорости регулирования. Управляемый делитель мощности содержит Т-разветвление, цепи управления и развязывающие емкости. Каждое плечо Т-разветвления представляет собой перестраиваемый фильтр, резонаторы которого образованы последовательным соединением двух отрезков линии передачи через варактор, а управляющее напряжение подается через резисторы. Деление осуществляется отстройкой частоты одного из фильтров подачей на его варакторы управляющего напряжения. 7 ил.

 

Изобретение относится к технике высоких и сверхвысоких частот и может использоваться в системах, требующих управляемого распределения СВЧ мощности между двумя нагрузками.

Известен делитель мощности [А.С. №1693665, кл. Н 01 Р 5/12, Бюл. №43, 23.11.91], содержащий диэлектрическую подложку, одна сторона которой полностью металлизирована и выполняет функцию заземляемого основания, а на второй расположены полосковые входной и два выходных проводника, электромагнитно связанные диэлектрическими резонаторами (ДР), имеющими скругленные верхние кромки и установленными на концах проводников. ДР, размещенные на выходных проводниках, имеют эллиптическое поперечное сечение и возможность вращения, что позволяет регулировать коэффициент передачи. Основными достоинствами такой конструкции являются малые размеры и простота изготовления. Однако управление в нем осуществляется механическим способом.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков аналогом является регулируемый делитель мощности [А.С. №1501199, кл. Н 01 Р 5/12, Бюл. №30, 15.08.89 (прототип)], содержащий Т-разветвление, состоящее из отрезков линии передачи с различными волновыми сопротивлениями, p-i-n-диоды, цепи подачи управляющего напряжения, развязывающие емкости и индуктивности, причем отрезки линии передачи, образующие плечи Т-разветвления, выполнены четвертьволновыми, а p-i-n-диоды подключены каждый параллельно входной и выходной линиям передачи. К достоинствам этой конструкции следует отнести электрический способ регулирования. Однако из-за того, что в качестве регулирующих элементов используются р-i-n-диоды, коэффициент деления в ней может принимать только два значения, кроме того, для управления требуется сравнительно большая мощность, а использование индуктивностей для развязки управляющих цепей ограничивает скорость регулирования.

Техническим результатом изобретения является осуществление плавной регулировки коэффициента деления, уменьшение управляющей мощности и увеличение скорости регулирования.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в управляемом делителе мощности, содержащем Т-разветвление, цепи управления и развязывающие емкости, новым является то, что каждое плечо Т-разветвления представляет собой перестраиваемый фильтр, а управление осуществляется перестройкой частотной характеристики фильтра, образующего то или иное плечо.

Отличия заявляемого устройства от наиболее близкого аналога заключаются в том, что в предлагаемой схеме каждое плечо Т-разветвления (т.е. канал делителя) представляет собой не четвертьволновой отрезок линии передачи, а перестраиваемый фильтр, каждое звено которого представляет собой резонатор с регулируемой собственной частотой, что позволяет вместо p-i-n-диодов в качестве регулирующих элементов использовать варакторы и, как следствие, вместо индуктивностей для развязки управляющих цепей использовать резисторы.

Изобретение поясняется чертежами, на которых изображены электрические схемы вариантов выполнения заявляемого делителя (Фиг.1, 3), схематические изображения амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) заявляемого делителя, поясняющие принцип его работы (Фиг.2), конструкции вариантов исполнения фильтра на отрезках микрополосковых линий (МПЛ) (Фиг.4, 5), АЧХ конкретной реализации заявляемой конструкции фильтра (Фиг.6).

Заявляемый делитель содержит Т-разветвление (Фиг.1), первое (левое) плечо которого образовано последовательным соединением отрезков линии передачи (ЛП) 2, 4, 6, 8, варакторов 3, 7 и связывающей емкости 5, а второе (правое) плечо образовано последовательным соединением отрезков ЛП 11, 13, 15, 17, варакторов 12, 16 и связывающей емкости 14. Развязка по управляющему напряжению с внешними линиями передачи осуществляется емкостями 1, 9, 10, и 18, а соответствующим выбором величин этих емкостей осуществляется согласование устройства внешними линиями передачи. Управляющее напряжение на варакторы подается через развязывающие резисторы 19-26.

Управляемый делитель мощности работает следующим образом.

Каждое плечо Т-разветвления (канал делителя) представляет собой перестраиваемый фильтр, по данной схеме двухзвенный, резонаторы которого образованы последовательным соединением двух отрезков ЛП через варактор (Фиг.1). Например, в левом плече первый резонатор образован отрезками ЛП 2, 4 и варактором 3, второй резонатор образован отрезками ЛП 6, 8 и варактором 7. Связь между резонаторами осуществляется емкостью 5. В исходом состоянии фильтры обоих каналов настроены на одинаковые частоты, их АЧХ практически идентичны (Фиг.2а), и СВЧ мощность, подаваемая на вход делителя, делится поровну между обоими каналами. При изменении управляющего напряжения на варакторах одного из каналов, например левого 3 и 7, их емкости изменятся, вследствие чего изменятся частоты резонаторов [Б.А.Беляев, В.В.Тюрнев и др., "Исследование микрополосковых резонаторов и устройств СВЧ на их основе", Препринт №468Ф, Институт физики, Красноярск, 1988 г.], в которые они включены, в результате сместится полоса пропускания образованного ими фильтра, и рабочая частота делителя окажется на склоне полосы пропускания этого фильтра (Фиг.2b). Это приведет к тому, что потери на отражение в левом канале возрастут, а отраженная СВЧ мощность поступит в правый канал. Регулируя напряжение на варакторах и таким образом меняя положение полосы пропускания фильтра в регулируемом канале, а, в конечном счете, устанавливая участок склона АЧХ этого фильтра с необходимым уровнем заграждения на рабочую частоту делителя, можно установить необходимый коэффициент деления. В данном случае рассматривался способ управления, при котором управление каналом осуществляется смещением полосы пропускания фильтра вниз по частотам. Фиг.2в иллюстрирует вариант управления, при котором полоса пропускания фильтра в регулируемом канале смещается вверх по частотам. Выбор того или другого способа управления определяется требованиями к неравномерности амплитудно-частотной характеристики в рабочей полосе регулируемого канала и крутизне перестройки, которые могут различаться вследствие асимметрии АЧХ в области полосы пропускания фильтра.

Связь между резонаторами в канале делителя именно через емкость не является обязательным условием его работы. При использовании в резонаторах отрезков открытой линии передачи, например микрополосковой, связь между резонаторами может быть распределенной.

Размеры устройства можно уменьшить, используя известное техническое решение, заключающееся в применении отрезков линии передачи со скачком волнового сопротивления, включив варактор между высокоомными участками. Еще более можно уменьшить размеры делителя, используя другое известное техническое решение, заключающееся в применении четвертьволновых резонаторов. На Фиг.3 приведена схема устройства, в котором каждый отрезок линии передачи (2, 4, 7, 9) вместе со своим варактором (соответственно 1, 5, 6, 9) образует четвертьволновой резонатор, при этом варактор включен между отрезком линии передачи и "землей". Емкость 3 обеспечивает взаимодействие между резонаторами первого канала, а емкость 8 - между резонаторами второго. Емкости 11-14 обеспечивают развязку по управляющему напряжению с внешними линиями передачи и согласование устройства с ними же, а резисторы 15-18 развязку цепей управления с резонаторами.

На Фиг.4 и 5 изображены конструкции управляемого делителя мощности в микрополосковом варианте исполнения, соответственно на полуволновых и четвертьволновых нерегулярных (со скачками волнового сопротивления) резонаторах. Обе конструкции содержат подложку, полностью металлизированную с одной стороны, служащей заземляемым основанием, на второй стороне которой сформированы полосковые проводники, образующие вместе с подключенными к ним варакторами перестраиваемые резонаторы. Цепи управления не показаны.

На Фиг.4, как и на Фиг.1, обозначены: 1, 9, 10, 18 - емкости согласования устройства с внешними линиями передачи, 5 и 14 - емкости связи между резонаторами в канале. Нерегулярные отрезки 2 и 4 микрополосковой линии (МПЛ), соединенные варактором 3, образуют первый резонатор левого канала, а нерегулярные отрезки МПЛ 6 и 7, соединенные варактором 7, образуют второй резонатор левого канала. Нерегулярные отрезки МПЛ 12 и 13, соединенные варактором 12, образуют первый резонатор правого канала, а нерегулярные отрезки МПЛ 15 и 17, соединенные варактором 16, образуют второй резонатор правого канала.

На Фиг.5 (как и на Фиг.3) обозначены: 1,9, 10, 18 - емкости согласования устройства с внешними линиями передачи, 5 и 14 - емкости связи между резонаторами в канале. Нерегулярный отрезок МПЛ 2, соединенный через варактор 3 с "землей", образует с ним первый четвертьволновый резонатор левого канала, а нерегулярный отрезок МПЛ 6, соединенный через варактор 7 с "землей", образует второй резонатор левого канала. Нерегулярный отрезок МПЛ 12, соединенный через варактор 12с "землей", образует первый резонатор правого канала, а нерегулярный отрезок МПЛ 15, соединенный варактором 16 с "землей", образует второй резонатор правого канала.

На Фиг.6 приведены АЧХ каналов управляемого делителя мощности, рабочая частота которого f≈1 ГГц, а конструкция изображена на Фиг.5. Делитель имел следующие конструктивные параметры: подложка из поликора (ε=9.8) толщиной 1 мм, длина нерегулярных отрезков МПЛ 20 мм, ширина их высокоомных участков 1 мм, низкоомных - 3 мм, емкости связи между резонаторами в каналах 0.9 пФ, емкости согласования с внешними 50-омными линиями 1.9 пФ. Варакторы типа 2А638А. Более толстой линией показаны АЧХ обоих каналов с одинаковой настройкой, т.е. когда напряжение на всех варакторах одинаковое (U=4 В), и мощность между каналами делится поровну. Тонкими линиями показаны АЧХ каналов, когда на варакторах одного из них напряжения изменяются в диапазоне 4-0 В. Видно, что полоса пропускания последнего смещается вниз по частотам (Фиг.6а), поэтому на рабочей частоте делителя прохождение в этом канале падает, при этом прохождение в другом канале растет (Фиг.6б).

Благодаря тому, что в заявляемом делителе управление осуществляется варакторами, а они потребляют малые токи и плавно меняют свои характеристики под действием управляющего напряжения, в отличие от p-i-n-диодов, то для развязки цепей управления и резонаторов канала делителя можно использовать резисторы, что, в свою очередь, позволяет снизить мощность управляющих сигналов, увеличить их частоту и плавно менять коэффициент деления.

Управляемый делитель мощности, содержащий Т-разветвление, цепи управления и развязывающие емкости, отличающийся тем, что каждое плечо Т-разветвления представляет собой перестраиваемый фильтр, а управление осуществляется перестройкой частотной характеристики фильтра, образующего то или иное плечо.