Способ построения компактных делителей мощности свч сигналов

Изобретение относится к области сверхвысокочастотной радиотехники, в частности к делителям мощности. Способ построения компактных делителей мощности сверхвысокочастотных сигналов основан на объединении транснаправленных ответвителей в делитель, собираемый по квазицепочечной схеме с учетом заданного расположения выходных каналов по критериям минимальных потерь, максимальной развязки между выходными каналами и минимального коэффициента стоячей волны на всех его плечах. При этом выполняют деление сигналов с помощью гибридного транснаправленного ответвителя на две равные части. Дополнительно осуществляют деление мощности на две неравные части с помощью дополнительных транснаправленных ответвителей с сильной и слабой связью. Технический результат - увеличение количества выходных каналов. 9 ил.

 

Изобретение относится к области сверхвысокочастотной (СВЧ) радиотехники и может быть использовано при построении делителей мощности на два, три и более выходных каналов, согласованных по входу делителей мощности, балансных СВЧ усилителей, фазовращателей, смесителей, мультиплексоров, схем формирования излучения антенных решеток.

Задача построения делителей на полосковых линиях существует давно и предложено множество вариантов ее решения. Так, известен классический делитель мощности на два канала Уилкинсона [1] с равным делением мощности и развязкой между выходными каналами. В [2] предложена схема построения и дана методика расчета модифицированного делителя типа Уилкинсона с неравным делением, уступающего классическому в компактности из-за наличия согласующих отрезков на входе и выходах делителя. В работе [3] рассмотрен способ реализации развязанного делителя типа Уилкинсона с тремя выходными каналами и равномерным делением мощности, содержащего резисторы, которые соединены со схемой навесными мостами или перемычками. Существенным недостатком всех делителей этого типа является использование для обеспечения развязки внутренних резисторов, работающих в режиме четырехполюсника. Такие резисторы вследствие конечности (неточечности) их размеров привносят дополнительные тепловые потери при делении.

Другим типом делителей мощности, свободным от отмеченного выше недостатка, можно считать делители Гайсела, у которых развязывающие резисторы работают в режиме двухполюсника [4]. Они менее компактны по сравнению с делителями Уилкинсона, однако при реализации в интегральном исполнении позволяют при неравном делении на два канала получать существенное различие в уровнях выходных мощностей [5].

К третьему типу устройств, на основе которых разрабатываются делители, можно отнести согласованные четырехплечие устройства в виде направленных ответвителей (НО) и прежде всего шлейфных ответвителей, гибридных колец и НО на связанных микрополосковых линиях передачи. Существует множество схемотехнических приемов уменьшения их габаритных размеров, расширения рабочей полосы частот, улучшения технологичности конструкций [6].

Среди отмеченных следует выделить НО на связанных линиях и прежде всего НО типа Ланге, так как они отличаются малыми габаритами, широкополосностью по согласованию и развязке, а также возможностью объединения в цепочечную схему. Недостатком НО типа Ланге можно считать практическую невозможность реализовывать сильную связь между микрополосковыми линиями, превышающую -3 дБ, нетехнологичность конструкции из-за наличия воздушных проволочных перемычек для обеспечения гальванического контакта между проводниками, а также отсутствие развязки по постоянному току между входным и одним из выходных каналов. К примеру, компактный делитель мощности с равномерным делением между тремя выходными каналами получается соединением по цепочечной схеме двух противонаправленных НО типа Ланге с переходными ослаблениями -4.8 дБ и -3 дБ. Здесь нужно упомянуть и о согласованных по входу делителях мощности при подключении к их выходным плечам одинаковых рассогласованных нагрузок [7].

При построении делителя на большее число каналов целесообразно применять квазицепочечную схему, когда некоторые НО включаются в схему каскадно. В отличие от цепочечной схемы входящие в нее выходные плечи этих НО заменяются другими выходными плечами того же НО, а прежние выходные плечи подключаются к выходным каналам делителя. Эту схему можно считать обобщением цепочечной. Разумеется, что рассматриваемым делителям присущи те же недостатки, что и ответвителям, и к ним еще добавляется повышенная неравномерность деления в полосе частот, превышающая неравномерность каждого из входящих в него НО.

Следовательно, ставя задачу создания простой, компактной, технологичной, максимально приспособленной для объединения в единую схему с полупроводниковыми элементами плоскостной конструкции делителя на заземленной диэлектрической подложке, целесообразно остановиться на ответвителях на связанных линиях передачи.

Относительно недавно был предложен и активно исследуется новый тип компактных НО, который предполагает использование композитных элементов на основе искусственно создаваемых периодических структур. Так, в [8] показана топология, дан расчет схемы и приведены результаты экспериментальной проверки гибридного транснаправленного ответвителя (ТНО), когда в оба плеча вторичного канала ответвляется по -3 дБ падающей мощности. В нем две одинаковые параллельные микрополосковые линии расположены на заземленной диэлектрической подложке и связаны друг с другом не только электромагнитной связью, но дополнительно и электрической связью посредством включаемых между линиями и располагаемых эквидистантно вдоль ответвителя одинаковых конденсаторов С1 малой емкости и малых размеров (фиг. 1).

Этот гибридный ТНО, рассматриваемый как делитель мощности на два выходных канала с одинаковой мощностью, которые подключаются к плечам вторичного канала ТНО, и принимается за прототип. Важное достоинство прототипа хорошо известно: это отсутствие гальванической связи между входным и выходными каналами. Основным же достоинством прототипа является обнаруженная авторами заявки возможность модификации ответвителя: его реализация в виде двух конструкций с неравным делением мощности между плечами вторичного канала. Так, если более половины падающей на плечо а мощности поступает в плечо b, а менее половины - в плечо d (см. фиг. 1), то получаем ТНО с сильной связью, в противном случае - ТНО со слабой связью, при этом плечо с, к которому подключается балластный резистор (равный по величине волновому сопротивлению тракта Z), считается развязанным. К примеру, на фиг. 2а, б показаны топологии ТНО со слабой и сильной связью (обозначаемые как THO1 и ТНO2 и учитывающие особенности установки навесных конденсаторов), когда в плечо b вторичного канала b-d поступают соответственно -4.8 дБ и -1.8 дБ мощности, падающей на плечо а (вход) основного канала а-с, то есть отношение мощностей в плечах вторичного канала составляет 2:1. Это отношение, записанное одним числом (в данном случае 2), будем называть коэффициентом деления, а максимальное его значение, при котором параметры ТНО (ширина полосковых проводников и расстояние между ними) еще удовлетворяют технологическим допускам - предельным коэффициентом деления. На фиг. 2в приведена топология гибридного THO3 с коэффициентом деления 1. Здесь нужно отметить, что понятийная база для описания подобных структур еще не устоялась.

На фиг. 3а, 3б и 3в приведены блок-схемы соответствующих делителей на основе ТНО1, THO2 и THO3, цифрами обозначены номера входных и выходных плеч делителей. Балластный резистор Z конструктивно может быть как внешним, так и внутренним, а функционально - только внутренним. Он обеспечивает согласование с трактом и развязку между выходными плечами 2 и 3 делителя. На фиг. 4а, б, в показаны частотные зависимости модулей элементов |Sij| матрицы рассеяния S рассматриваемых делителей как трехплечих устройств, в которых j и i означают номера плеч, куда поступает и откуда выходит СВЧ сигнал соответственно. Все вычисления проведены с использованием пакета схемотехнического и электродинамического моделирования Microwave Office [9]. Видно, что из трех приведенных вариантов делитель на основе THO2 с сильной связью является наиболее широкополосным по развязке (по уровню -20 дБ). Расчеты проводились при подложке толщиной 2 мм и диэлектрической проницаемости 10; зазоры между связанными линиями, ширины линий и значения емкостей для всех трех случаев получились различными и, соответственно, равными: 3 мм, 0.38 мм и 2.8 пф - для THO1; 0.27 мм, 0.36 мм и 5.9 пф - для THO2; 1.0 мм, 0.45 мм и 4 пф - для THO3.

Существенным недостатком прототипа является малое число его выходных каналов (только два).

Достигаемым техническим результатом предлагаемого изобретения является построение на основе ТНО делителя мощности на несколько (N≥2) выходных каналов по заданному распределению мощностей в них с сохранением развязки по постоянному току между входным и выходными каналами.

Разработка способа построения на основе ТНО делителя мощности на несколько выходных каналов по заданному распределению мощностей в них основана на возможности модификации гибридного ТНО в ответвители с сильной и слабой связью и на объединении их в делитель с помощью квазицепочечной схемы.

Указанный технический результат достигается тем, что при осуществлении способа построения делителя, где требуемое распределение мощности между выходными каналами, развязанными по постоянному току с входным каналом, реализуют с помощью транснаправленных ответвителей (ТНО), каждый из которых представляет собой две микрополосковые линии передачи, расположенные параллельно на заземленной диэлектрической подложке и связанные друг с другом электромагнитной связью и дополнительно электрической связью с помощью одинаковых эквидистантно устанавливаемых конденсаторов малой емкости и малых размеров, согласно изобретению, сначала задают в программном пакете рабочую полосу частот и параметры диэлектрической подложки (толщину подложки, ее диэлектрическую проницаемость), затем вычисляют предельный, общий для всех ТНО, коэффициент деления между выходными плечами при оптимальных характеристиках ТНО по критерию максимальной развязки в заданной полосе частот, после этого, исходя из заданного распределения мощностей в выходных каналах делителя, удобству расположения выходов делителя и компактности схемы в целом, выбирают квазицепочечную схему построения делителя из ТНО, из которой находят коэффициенты деления каждого ТНО с учетом того, что эти коэффициенты не должны превышать их предельных значений, и решают оптимизационную задачу по варьированию геометрических размеров линий и величин емкостей конденсаторов при найденных коэффициентах деления каждого ТНО по критериям максимальной развязки и минимального коэффициента стоячей волны (КСВ) в заданной полосе частот и через матрицы рассеяния ТНО, объединенные квазицепочечной схемой, производят окончательный расчет делителя, включающий в себя дополнительную оптимизацию схемы делителя по тем же, вышеописанным, варьируемым параметрам, но по критериям максимальной развязки между выходными каналами делителя, минимального КСВ на всех его плечах, минимальных потерях в режиме деления при требуемых значениях коэффициентов передачи между входным и выходными плечами в заданной полосе частот.

Достаточность приведенных выше требований вытекает из симметрии входящих в состав делителя ТНО, для которых справедливо утверждение: «если в электрически симметричном восьмиполюснике имеется хотя бы одна пара плеч, полностью развязанных между собой, то это устройство является идеальным направленным ответвителем» [10].

Осуществление способа продемонстрируем на нескольких примерах. Так, фиг. 5а и 5б, на которых изображены блок-схемы соединения двух различных ТНО, иллюстрируют варианты способа построения делителей с равным делением -4.8 дБ на три выходные канала: первый вариант предполагает подачу входного сигнала на делитель через ответвитель со слабой связью (THO1 фиг. 2а), то есть по классической цепочечной схеме, а второй вариант - через ответвитель с сильной связью (ТНО2 фиг. 2б) - по квазицепочечной. На фиг. 6а и 6б показаны частотные зависимости коэффициентов деления и развязок между каналами для первого варианта, а на фиг. 6в и 6г - для второго. Из этих зависимостей видно, что делитель, в котором применен THO2 с сильной связью, является более широкополосным по развязке по сравнению с делителем на основе ТНО1.

На фиг. 7 показана блок-схема делителя на 4 выходных канала с неравным делением мощности, а именно, в пропорции 1:2:3:4. Складывая первые три цифры в пропорции, получаем 6:4, что дает приемлемый коэффициент деления первого ТНО в квазицепочечной схеме, не превышающий предельный. Каждый ТНО представлен прямоугольником, внутри которого показано отношение мощностей, поступающих на выходы второго и четвертого плеч ТНО, соответственно, при условии падения на вход ТНО мощности, равной сумме мощностей на выходах. Из схемы видно, что, с учетом расположения входного плеча делителя, первый ТНО является ответвителем с сильной связью.

Делитель работает следующим образом. Сигнал поступает на вход 1 делителя и после деления в первом ТНО на две части, сигнал меньшей мощности поступает в выходное плечо 5 делителя, а сигнал большей мощности - на гибридный ТНО, после которого, разделившись, он в равных долях идет в выходное плечо 4 делителя и на сильно связанный ТНО с коэффициентом деления 2, откуда в соотношении по мощности 1:2 поступает в плечи 2 и 3 делителя, соответственно. В результате получаем квазицепочечную схему деления, которая делит входной сигнал в заданной пропорции и объединяет воедино один гибридный ТНО и два ТНО с сильной связью с коэффициентами деления 1.5 и 2.

На фиг. 8а показаны частотные зависимости коэффициентов передачи (модули элементов матрицы рассеяния S) при возбуждении делителя со стороны входа (плечо 1), включая плечи с балластными резисторами, на фиг. 8б приведены аналогичные кривые, характеризующие развязку между выходными каналами, а на фиг. 8в изображены зависимости КСВ со стороны входа и всех выходов делителя.

Альтернативный вариант построения показанного на фиг. 7 делителя получается в случае, если первый ТНО с коэффициентом деления 1.5 заменить на ТНО со слабой связью с тем же коэффициентом деления, а вход 1 делителя и балластный резистор Z поменять местами; при этом квазицепочечная схема превращается в цепочечную (фиг. 9).

Таким образом, предложенный способ построения компактных делителей мощности СВЧ сигналов на N≥2 выходных каналов по заданному распределению мощностей в них, основанный на использовании известного способа деления СВЧ мощности на две равные части с помощью гибридного ТНО и способа деления СВЧ мощности на две неравные части с помощью ТНО с сильной и слабой связью путем объединения этих ТНО в делитель, собираемый по квазицепочечной схеме, позволяет создавать простые, компактные, технологичные, приспособленные для объединения в единую схему с полупроводниковыми элементами плоскостные конструкции делителей на заземленной диэлектрической подложке.

Источники информации

1. Cohn S. В. A New Class of Broadband Three-Port TEM-Mode Hybrids (Новый класс широкополосных трехплечих ТЕМ гибридных устройств), IEEE Trans, on Microwave Theory and Techniques, 1968, vol. MTT-16, no. 2, pp. 110-116.

2. Ahn H.-R. and Wolf I. General Design Equations, Small-Sized Impedance Transformers and Their Application to Small-Sized Three-Port 3-dB Power Dividers (Общие расчетные формулы, малогабаритные трансформаторы импеданса и их применение в малогабаритных трехплечих 3 дБ-ных делителях мощности), IEEE Trans, on Microwave Theory and Techniques, 2001, vol. MTT-49, no. 7, pp. 1277-1288.

3. Maurin D. and Wu K. A Compact 1.7-2.1 GHz Three-Way Power Combiner Using Microstrip Technology with Better Than 93.8% Combining Efficiency (Компактные 1,7-2,1 ГГц сумматоры мощности с тремя входами, выполненные по микрополосковой технологии, с КПД выше 93,8%), IEEE Microwave and Guided Wave Letters, vol. 6, No. 2, February 1996, pp. 106-108.

4. Ooi Ban-Leong, Palei W., Leong M.S. Broad-banding technique for in-phase hybrid ring equal power divider // IEEE Trans, on Microwave Theory and Techniques. 2002. V. 50. No. 7. P. 790-794. (Метод создания широкополосного синфазного равноамплитудного делителя мощности на основе гибридного кольца).

5. Андрюшина В.Ю., Темнов В.М. Разработка микрополосковых делителей мощности для передающих ФАР // Электромагнитные волны и электронные системы - 2011 - №6, - Т. 16, С. 67-75.

6. Печурин В.А., Петров А.С. Делители-сумматоры мощности СВЧ-диапазона, Успехи современной радиоэлектроники, 2010, №2, С. 5-42.

7. Темнов В.М. Согласованный делитель мощности сверхвысокочастотных квазигармонических сигналов // Патент на полезную модель №161585, опубл. 27.04.2016. Бюл. №12.

8. Shie С.-I., Cheng J.C., Chou S.-C, and Chiang Y.-C. Transdirectional Coupled-Line Couplers Implemented by Periodical Shunt Capacitors (Транснаправленные ответвители на связанных линиях передачи с периодически включенными шунтирующими конденсаторами), IEEE Trans, on Microwave Theory and Techniques, 2009, vol. 57, No. 12, pp. 2981-2988 (прототип)

9. Разевиг В.Д., Потапов Ю.В., Курушин А.А. Проектирование СВЧ устройств с помощью Microwave Office / Под ред. В.Д. Разевига, М.: СОЛОН-Пресс, 2003, 496 с.

10. Будурис Ж., Шеневье П. Цепи сверхвысоких частот. (Теория и применение): Пер. с франц. / Под ред. проф. А.Л. Зиновьева, М.: «Советское радио», 1979, 288 с.

Способ построения компактных делителей мощности сверхвысокочастотных (СВЧ) сигналов, основанный на известном способе деления с помощью гибридного транснаправленного ответвителя (ТНО) входной СВЧ мощности на две равные части, отличающийся тем, что дополнительно используются его модификации, обеспечивающие деление СВЧ мощности на две неравные части с помощью ТНО с сильной и слабой связью путем объединения этих ТНО в делитель, собираемый по квазицепочечной схеме с учетом заданного расположения выходных каналов по критериям минимальных потерь, максимальной развязки между выходными каналами и минимального коэффициента стоячей волны на всех его плечах.



 

Похожие патенты:

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

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

Изобретение относится к области мощных микроволновых генераторов и может использоваться при создании схем объединителей/делителей мощности. Устройство для объединения радиочастотной мощности содержит волновод 1, выполненный, например, прямоугольным, центральный цилиндрический проводник (2) со средней частью (3), имеющей увеличенный радиус, индуктивные петли связи (4) для ввода радиочастотной мощности от источников (5) в резонатор, размещенные в максимуме амплитуды магнитного поля, подвижный элемент (6) вывода объединенной радиочастотной мощности, выполненный в форме петли связи и закрепленный на осевом центральном цилиндрическом проводнике.

Изобретение относится к области радиосвязи и техники СВЧ и предназначено для работы в составе антенных решеток и систем, количество каналов которых кратно трем. Предложена плата деления и суммирования, характеризующаяся тем, что содержит общий канал, вынесенный на обратную сторону платы через сквозное отверстие, и три канала, разнесенных на плате симметрично относительно друг друга под углом 120° и соединенных микрополосковыми линиями с резисторами.

Изобретение относится к устройствам сверхвысокочастотной техники (СВЧ) и может быть применено в области радиолокации, радионавигации. Сверхширокополосный микрополосковый делитель мощности содержит прямоугольный металлический корпус и крышку, микрополосковые линии, развязывающие резисторы, две платы с топологическим рисунком подводящих линий, плату с нанесенным на одной стороне топологическим рисунком делителя мощности, которая содержит входное и два выходных плеча.

Изобретение относится к конструкции фильтра высших гармоник, в частности к радиочастотному сумматору мощности, функционирующему как фильтр высших гармоник. Устройство содержит, по меньшей мере, одну пару установленных соосно металлических проводников в форме диска, по меньшей мере, один из которых имеет центральное осевое отверстие для размещения волновода.

Изобретение относится к высокочастотному (ВЧ) генератору. Технический результат изобретения заключается в создании устройства, генерирующего и направляющего ВЧ мощность.

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к волноводным элементам, и может быть использовано в волноводной, антенной и СВЧ измерительной технике. Техническим результатом заявляемого волноводного Е-плоскостного Т-образного разветвления является его конструктивное упрощение при одновременном сохранении технических характеристик.

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

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к волноводной и антенной технике, и может быть использовано в качестве устройства в длинных магистральных волноводных линиях связи.

Настоящее изобретение относится к элементам радиотехнического оборудования. Раскрыты узел для связывания радиочастотной (РЧ) мощности и способ использования этого узла в стойке. Узел для связывания радиочастотной (РЧ) мощности состоит из сумматора и/или делителя мощности прямоугольной формы с разъемами (1, 4) для ввода и вывода РЧ-мощности. Проводниками (3) в корпусе обеспечивают электрическое соединение разъемов (1) с центральным проводником (2) и с внешним проводником (5). Внешний проводник является корпусом прямоугольной формы. Центральный проводник (2) имеет форму пластины, размещенной параллельно плоскости заземления сумматора и/или делителя мощности прямоугольной формы. Проводники (3) внутри корпуса выполнены в форме гнутых прутков, согнутых в направлении плоской стороны центрального проводника (2). 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области сверхвысокочастотной радиотехники, в частности к делителям мощности. Способ построения компактных делителей мощности сверхвысокочастотных сигналов основан на объединении транснаправленных ответвителей в делитель, собираемый по квазицепочечной схеме с учетом заданного расположения выходных каналов по критериям минимальных потерь, максимальной развязки между выходными каналами и минимального коэффициента стоячей волны на всех его плечах. При этом выполняют деление сигналов с помощью гибридного транснаправленного ответвителя на две равные части. Дополнительно осуществляют деление мощности на две неравные части с помощью дополнительных транснаправленных ответвителей с сильной и слабой связью. Технический результат - увеличение количества выходных каналов. 9 ил.

Наверх