Делитель мощности

Изобретение относится к технике СВЧ и может найти применение в системах активных фазированных антенных решеток, радиопередающих и других устройствах и системах СВЧ. Предложен делитель мощности, содержащий входное плечо, подключенное через разветвитель из четвертьволновых отрезков линии передачи к выходным плечам с подключенными к ним балластными резисторами, соединенными звездой. При этом указанные балластные резисторы выполнены в виде отрезков линий передачи с потерями в форме квадрата, разделенного пополам металлизированной проводящей полоской с шириной, равной ширине присоединенного к ней короткозамкнутого шлейфа, длиной меньше четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона. Ширина участка сопряжения каждого балластного резистора с соответствующим выходным плечом делителя мощности и общей точкой звезды балластных резисторов равна ширине соединительных отрезка линии передачи с волновым сопротивлением, равным выходному сопротивлению делителя мощности. Участки сопряжения балластных резисторов с соответствующими выходными плечами и с общей точкой указанной звезды балластных резисторов расположены симметрично с противоположных сторон каждого балластного резистора в форме квадрата. Технический результат - повышение развязки между выходными плечами делителя мощности и коэффициента прямой передачи. 10 ил.

 

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

Известен делитель мощности, содержащий разветвитель, 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). Эта исходная схема делителя мощности принята заявителем в качестве устройства-прототипа. Принципиальным недостатком делителя мощности является невозможность использования его в мощных устройствах, в которых площади балластных резисторов в пленочном исполнении оказываются большими вследствие необходимости рассеяния значительной мощности при разбалансе схемы или выходе из строя одной или нескольких нагрузок. Паразитные параметры, прежде всего, паразитные емкости, таких балластных резисторов оказываются большими и существенно ухудшают технические характеристики устройства - согласование по входу и выходам, развязку между ними, снижение коэффициента прямой передачи, рост потерь в балластных резисторах, смещение по частоте минимумов КСВН и максимума развязки и др., так, что его практическое применение представляется затруднительным. В первую очередь, это связано с недостаточно высокими значениями развязки между выходными плечами устройства и его коэффициента прямой передачи. Вышеизложенное объясняет необходимость введения в схему элементов коррекции, компенсирующих указанное влияние паразитных емкостей балластных резисторов (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. 2011. - №6. С. 59 - 63).

Известен делитель мощности (см. авт. свид. СССР №1798840, Н01Р 5/12, БИ №8. 28.02.93), являющийся ближайшим аналогом предлагаемого изобретения и содержащий входное плечо, подключенное через четвертьволновые отрезки линии передачи к выходным плечам, между которыми включены балластные резисторы, соединенные в звезду и к их общей точке 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;

- волновое сопротивление и длина шлейфа. Этот короткозамкнутый шлейф с индуктивным входным сопротивлением частично компенсирует паразитную емкость всех балластных резисторов и улучшает технические характеристики устройства (см. 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). Однако, подобная компенсация паразитной емкости балластных резисторов оказывается неполной, вследствие чего полученные технические характеристики устройства, по-прежнему, недостаточно высоки, что, как указывалось, касается развязки между его выходными плечами и коэффициента прямой передачи.

Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является повышение развязки между выходными плечами делителя мощности и его коэффициента прямой передачи.

Поставленная задача достигается тем, что в делитель мощности, содержащий входное плечо, подключенное через разветвитель из четвертьволновых отрезков линии передачи к выходным плечам с подключенными к ним балластными резисторами, соединенными звездой, указанные балластные резисторы выполнены в виде отрезков линии передачи с потерями в форме квадрата, разделенного пополам металлизированной проводящей полоской с шириной равной ширине присоединенного к ней короткозамкнутого шлейфа длиной меньше четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона, при этом ширина участка сопряжения каждого балластного резистора с соответствующим выходным плечом делителя мощности и общей точкой упомянутой звезды балластных резисторов равна ширине соединительных отрезков линии передачи с волновым сопротивлением равным выходному сопротивлению делителя мощности, участки сопряжения балластных резисторов с соответствующими выходными плечами и с общей точкой указанной звезды балластных резисторов расположены симметрично с противоположных сторон каждого балластного резистора в форме квадрата.

На фиг. 1 приведена схема электрическая принципиальная предлагаемого n - канального делителя мощности, на фиг. 2 - предлагаемый балластный резистор в виде отрезка линии передачи с потерями в форме квадрата, разделенного пополам металлизированной проводящей полоской с присоединенным к ней короткозамкнутым шлейфом, на фиг. 3 - известный балластный резистор в виде отрезка линии передачи с потерями, на фиг. 4 - схема электрическая принципиальная предлагаемого трехканального делителя мощности с пленочными балластными резисторами (фиг. 2), на фиг. 5 - схема электрическая принципиальная трехканального делителя мощности-прототипа с балластными резисторами (фиг. 3), на фиг. 6 - схема электрическая принципиальная трехканального делителя мощности - аналога с балластными резисторами (фиг. 3), на фиг. 7 - частотные зависимости технических характеристик предлагаемого трехканального делителя мощности (фиг. 4), на фиг. 8 - частотные зависимости технических характеристик трехканального делителя мощности-прототипа с безреактивными балластными резисторами (идеализированный вариант схемы (фиг. 5), на фиг. 9 - частотные зависимости технических характеристик трехканального делителя мощности-прототипа с реальными распределенными пленочными балластными резисторами (фиг. 3), на фиг. 10 - частотные зависимости технических характеристик трехканального делителя мощности-аналога с такими же балластными резисторами.

Делитель мощности (фиг. 1) содержит входное плечо 1, подключенное через разветвитель 2 из четвертьволновых отрезков линии передачи 3 к выходным плечам 4 с подключенными балластными резисторами 5 соединенными звездой, каждый балластный резистор 5 выполнен в виде отрезка линии передачи с потерями в форме квадрата, разделенного пополам металлизированной проводящей полоской 6 с шириной равной ширине присоединенного к ней короткозамкнутого шлейфа 7 длиной меньше четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона. Выходные плечи 4 делителя мощности нагружены на сопротивления нагрузки 8.

Делитель мощности (фиг. 1) работает следующим образом. При поступлении входного СВЧ сигнала на входное плечо 1, его мощность равномерно распределяется через разветвитель 2 из одинаковых четвертьволновых отрезков линии передачи 3 по всем выходным плечам 4, так что при одинаковых и согласованных сопротивлениях нагрузки 8 эти мощности на всех выходных плечах 4 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 или нескольких 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-аналоге за счет подключения к общей точке, включенных звездой балластных резисторов, короткозамкнутого шлейфа, длиной меньше четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона (фиг. 6).

В предлагаемом делителе мощности использовано другое, более эффективное техническое решение указанной задачи, отличающееся введением в устройство n одинаковых короткозамкнутых шлейфов длиной также меньше четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона, каждый из которых подключен к металлизированной проводящей полоске, разделяющей пополам каждый из n балластных резисторов, выполненных в виде отрезка линии передачи с потерями в форме квадрата (фиг. 1).

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. вышеуказанные статьи: Радиотехника. - 2011. - №6. С. 59-63 и Вопросы радиоэлектроники, серия Общетехническая. - 2015. - Вып. 3. С. 102-114).

В предлагаемом делителе мощности балластные резисторы выполнены также в виде отрезков линии передачи с потерями квадратной формы с теми же размерами 4*4 мм и площадью 16 мм², но в отличие от известных, разделены пополам металлизированной проводящей полоской с присоединенным к ней корректирующим короткозамкнутым шлейфом (фиг. 2). Использование подобных балластных резисторов с индивидуальной, а не общей, как в устройстве-аналоге (фиг. 6), коррекцией их паразитных емкостей позволяет существенно улучшить технические характеристики предлагаемого делителя мощности.

Расчетные частотные зависимости технических характеристик предлагаемого делителя мощности (фиг. 4), устройства-прототипа (фиг. 5) и устройстве - аналога (фиг. 6) в трехканальном варианте в диапазоне частот 0.6-1.4 ГГц с центральной частотой f₀=1.0 ГГц представлены на фиг.7, 8, 9 и 10,

при этом фиг. 7 соответствует предлагаемому, а фиг. 8 и 9 - делителю мощности-прототипу с безреактивными (идеализированными) и с реальными распределенными балластными резисторами указанного 4*4 мм размера, фиг. 10 - делителю мощности - аналогу с такими же балластными резисторами.

Четвертьволновые отрезки линии передачи представлены идеализированными линиями с воздушным диэлектриком ε_r=1 длиной 75 мм и волновым сопротивлением Ом, где R₀=50 Ом - стандартное значение входного и выходных сопротивлений делителя мощности. Короткозамкнутые корректирующие шлейфы в предлагаемом и делителе мощности - аналоге с шириной полоска w=0.2 мм (=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 t=13.35 мм для предлагаемого и l=7.02 мм для устройства - аналога. В делителе мощности - прототипе корректирующие шлейфы отсутствуют.

Сравнение зависимостей на фиг. 8 и 9 для делителя мощности - прототипа с безреактивными (идеализированными) - (фиг. 8) и реальными распределенными балластными резисторами - (фиг. 9) показывает несостоятельность использования этой схемы в устройствах большой мощности. Действительно, все частотные зависимости для идеализированной схемы с безреактивными балластными резисторами (малосигнальный вариант устройства) симметричны относительно центральной частоты диапазона, коэффициент прямой передачи =4.77 дБ соответствует теоретическому значению во всей ±40% полосе частот, развязка между выходными плечами=70.1 дБ, i≠k если и не идеальна, то достаточно высока, ширина полосы пропускания по этому параметру по уровню - 25 дБ близка к ±12.5%. Ширина полосы согласования по входу по уровню KCBH₁=1.5 превышает ±22.9%, по выходу - более ±40%.

Частотные зависимости для варианта с реальными распределенными балластными резисторами размером 4*4 мм и площадью 16 мм² показывают снижение коэффициента прямой передачи - 5.54 дБ на 0.77 дБ (на 19%), уменьшение развязки =43.3 дБ на 26.7 дБ (в 21.6 раз), смещение вверх на 231.9 МГц (более, чем на 23%) частоты максимума развязки, существенное ухудшение характеристик согласования по входу и выходам устройства. Вышеизложенное подтверждает необходимость введения в схему делителя мощности - прототипа корректирующих элементов, снижающих нежелательное влияние паразитных емкостей балластных резисторов.

Сопоставим частотные зависимости технических характеристик предлагаемого делителя мощности (фиг. 7) с аналогичными зависимостями для устройства - прототипа (фиг. 9) и устройства - аналога (фиг. 10).

Из сравнения характеристик на фиг. 7 и 9 видно существенное повышение их симметрии относительно центральной частоты диапазона f₀=1.0 ГГц, повышение развязки между выходными плечами =54.4 дБ, i≠k на 11.1 дБ (в 3.6 раза), расширение полосы пропускания по развязке по уровню - 25 дБ на 391.7 МГц, или на 87.4%, увеличение коэффициента прямой передачи =4.96 дБ на 0.58 дБ (на 14%). Отметим также улучшение характеристик согласования по входу и выходам предлагаемого устройства.

Аналогичное улучшение технических характеристик предлагаемого делителя мощности наблюдается и при сравнении их с характеристиками устройства - аналога. Так, развязка между выходными плечами в предлагаемом делителе мощности на 16.1 дБ (в 6.4 раз) превышает таковую для устройства - аналога при расширении полосы пропускания по развязке на 403.7 МГц, или на 92.5%. Коэффициент прямой передачи повысился на 0.16 дБ, или на 3.7%.

Таким образом, предложенный делитель мощности обеспечивает повышение развязки между его выходными плечами и коэффициента прямой передачи.

Делитель мощности, содержащий входное плечо, подключенное через разветвитель из четвертьволновых отрезков линии передачи к выходным плечам с подключенными к ним балластными резисторами, соединенными звездой, отличающийся тем, что указанные балластные резисторы выполнены в виде отрезков линий передачи с потерями в форме квадрата, разделенного пополам металлизированной проводящей полоской с шириной, равной ширине присоединенного к ней короткозамкнутого шлейфа, длиной меньше четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона, при этом ширина участка сопряжения каждого балластного резистора с соответствующим выходным плечом делителя мощности и общей точкой звезды балластных резисторов равна ширине соединительных отрезка линии передачи с волновым сопротивлением, равным выходному сопротивлению делителя мощности, участки сопряжения балластных резисторов с соответствующими выходными плечами и с общей точкой указанной звезды балластных резисторов расположены симметрично с противоположных сторон каждого балластного резистора в форме квадрата.