ШИРОКОПОЛОСНОЕ ГИБРИДНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1997 года по МПК H01P5/12 H03H7/48 

Изобретение относится к радиотехническим устройствам, работающим в диапазонах длинных, средних, коротких и ультракоротких волн, в частности к классу гибридных устройств без потерь, имеющих четыре попарно развязанных входа. С помощью таких устройств можно, например, суммировать мощность двух генераторов в общей нагрузке без взаимосвязи между этими генераторами. Можно также делить мощность одного генератора поровну между двумя нагрузками, исключив взаимное влияние последних.

Кроме того, можно создавать широкополосные фазовращатели, частотно-разделительные системы, измерительные "мосты" и многое другое.

Существуют разнообразные схемные и схемно-конструктивные варианты построения таких устройств [1, 2] Широкополосные выполняются с использованием отрезков длинных линий, в частности коаксиальных кабелей, размещенных в полости наборов кольцевых сердечников из ферромагнитного материала (магнитопроводов) или намотанных на них [1, 2]
На высоких частотах при большой передаваемой мощности ферромагнитные материалы имеют весьма ограниченное применение, ввиду значительных потерь в них и чаще всего создаются структуры только из соединенных различным образом между собой линий передачи [2] При этом, естественно, ширина рабочей полосы частот не может быть столько широкой, как при наличии магнитопроводов из ферромагнитного материала. В устройствах, содержащих магнитопроводы из ферромагнитных материалов и в устройствах, использующих только линии передачи есть много общего; различия часто лишь в выполнении "магнитной цепи", исключающей недопустимое индуктивное шунтирование входов устройства, и в конструкции линий передачи. При этом, несмотря на исключительное многообразие схемных и конструктивных решений, не может быть таких, которые обеспечивали бы, пусть лишь теоретически, идеальные характеристики: независимые от частоты согласование на всех четырех входах и полную попарную развязку между ними. Однако приблизиться к таким характеристикам удается в широком (многооктавной) полосе частот и нельзя утверждать, что наилучшие решения уже известны.

По мере того как находятся все более совершенные решения, возрастают и требования к ним, в частности из-за расширения сферы использования рассматриваемых устройств. Поэтому актуальность задачи создания устройств рассматриваемого класса с улучшенными их частотными или технико-экономическими характеристиками не снижается.

Известные широкополосные гибридные устройства, использующие линии, размещенные на магнитопроводе, наиболее полно представлены в [1, 2] Среди них в классе устройств с четырьмя в значительной мере согласованными и попарно развязанными входами сложнее всего реализовать наиболее широкую полосу частот, когда все входы являются несимметричными относительно общей шины [1, 2] Самым близким к предлагаемому является широкополосное устройство с четырьмя попарно развязанными несимметричными относительно общей шины входами [1, с. 161] схема которого приведена (фиг. 1), и которое реализовано совокупностью следующих существенных признаков.

Устройство содержит шесть коаксиальных линий передачи единого волнового сопротивления 1 6, объединенных в три группы: (1, 2, 3), (4, 5) и 6 и соединенных в каждой группе своими наружными проводниками с обоих концов, причем все начала последних соединены с общей шиной 7.

Линии 1, 2, 3 расположены на общем магнитопроводе 8, линии 4, 5 на том же магнитопроводе 8 или на отдельном общем магнитопроводе 9, линия 6 на магнитопроводе 10.

При этом длины всех линий 1 6, а также индуктивности, образованные наружными проводниками в группах из линий 1, 2, 3, линий 4, 5 и линии 6 - одинаковые.

Начала внутренних проводников линий 2 и 5 образуют потенциальные зажимы входов 11 и 12 устройства.

Начала внутренних проводников линий 1 и 6, а также линий 3 и 4 соединены попарно и образуют потенциальные зажимы входов 13 и 14 устройства.

Концы внутренних проводников линий 2, 4, 6 соединены друг с другом.

Конец внутреннего проводника линии 1 соединен с концом спаренных наружных проводников линий 4 и 5.

Концы внутренних проводников линий 3, 5 соединены друг с другом и с концом наружного проводника линии 6.

Недостатком устройства (фиг. 1) является то, что его нижняя рабочая частота ограничена значением развязки между входами 12 и 11, 14 и 13, причем эта развязка уменьшается по мере снижения частоты. Это вызывает необходимость увеличения объема магнитопроводов и (или) длин линий, наматываемых на них, что приводит к увеличению габаритов и стоимости устройств. При этом все равно не достигается полная (практически весьма высокая) развязка между входами в широкой рабочей полосе частот.

Задача изобретения создание устройства, имеющего четыре несимметричных относительно общей шины входа, которые полностью попарно развязаны между собой вне зависимости от объема магнитопроводов и равных длин размещаемых на них линий. Кроме того, в предлагаемом устройстве достигается высокая степень согласования на всех входах.

Эта задача решается широкополосным гибридным устройством с четырьмя попарно развязанными несимметричными относительно общей шины входами (фиг. 2) реализуемым следующей совокупностью существенных признаков.

1.Устройство содержит шесть коаксиальных линий передачи единого волнового сопротивления 1 6, объединенных в три группы: (1, 2, 3), (4, 5) и 6, и соединенных в каждой группе своими наружными проводниками с обоих концов, причем все начала последних соединены с общей шиной 7.

2. Устройство содержит также дополнительный проводник 15, начало которого соединено с общей шиной 7.

3. Линии 1, 2, 3 расположены на общем магнитопроводе 8, линии 4, 5 на магнитопроводе 9, линия 6 на магнитопроводе 10, а проводник 15 на магнитопроводе 16.

4. При этом длины всех линий 1 6, а также индуктивности, образованные наружными проводниками в группах из линий 1, 2, 3, линий 4, 5, линии 6 и проводника 15 одинаковые.

5. Начала внутренних проводников линий 2 и 5 образуют потенциальные зажимы входов 11 и 12 устройства.

6. Начала внутренних проводников линий 1 и 6, а также линий 3 и 4 соединены попарно и образуют потенциальные зажимы входов 13 и 14 устройства.

7. Концы внутренних проводников линий 2, 4, 6 и проводника 15 соединены между собой.

8. Концы внутренних проводников линий 3, 5 и наружного проводника линии 6 соединены между собой.

9. Конец внутреннего проводника линии 1 соединен с концами наружных проводников линий 4 и 5.

Отличительными признаками являются пп. 2, 3, 4, 7, 8.

Анализ известного уровня науки и техники показал отсутствие информации о широкополосном гибридном устройстве, характеризуемом совокупностью перечисленных существенных признаков.

Нет информации, раскрывающей отдельные отличительные признаки предлагаемого устройства. Приведенный анализ показал, что заявленное решение характеризуется требованиям "новизна" и "изобретательский уровень", поскольку достигнут результат, удовлетворяющий давно существующую потребность, получить который до сих пор не удавалось.

Чтобы пояснить работу предлагаемого устройства обратимся к схеме замещения устройства (фиг. 2), представленной на фиг. 3. Прежде чем рассматривать работу этой схемы целесообразно отметить одно известное обстоятельство. На высоких частотах коаксиальная линия характеризуется тремя проводниками. Два из них образуют непосредственно линию передачи и соответствуют: один внутреннему проводнику коаксиальной линии, а другой - внутренней поверхности наружного проводника. По этим проводникам и происходит передача колебаний в линии, как таковой. В силу того, что глубина проникновения поля в проводнике на высоких частотах всегда много меньше чем толщина наружного проводника используемой коаксиальной линии, внешняя сторона этого проводника действует, по сути дела, как самостоятельный проводник.

В предлагаемом устройстве он представляет собой шунтирующую индуктивность, и причем большую, так как каждый из четырех таких проводников связан с соответствующим магнитопроводом. Использование идеальных трансформаторов в изображении схемы замещения коаксиальной линии (фиг. 3) необходимо для того, чтобы проводники линии не шунтировали больше индуктивности, обусловленные наружными проводниками (точнее их внешними поверхностями) и магнитопроводами [1] Теперь становится ясной схема (фиг. 3), где линии 1, 2, 3 и индуктивный элемент 17 отображают, соответственно, "внутренности" коаксиальных линии 1, 2, 3 и индуктивность их объединенных наружных проводников относительно общей шины 7. Аналогично этому линии 4 и 5 и индуктивный элемент 18 отвечают коаксиальным линиям 4 и 5 и внешней стороне их объединенных наружных проводников. Линия 6 и индуктивный элемент 19 соответствуют коаксиальной линии 6 с ее наружной индуктивностью. Наконец, индуктивный элемент 20 соответствует проводнику 15.

Из схемы (фиг. 3) следует, что при введении дополнительного индуктивного элемента, т. е. проводника 15 на магнитопроводе 16 и при выполнении линий 1, 2, 3, линий 4 и 5, линии 6 и проводника 15 на раздельных магнитопроводах, соответственно 8, 9, 10 и 16, или в самом общем случае просто магнитно не связанными, получим четыре взаимонесвязанные (раздельные) равные индуктивности 17 20 (фиг. 3). В этом случае, ввиду симметрии схемы относительно входов любой пары 11 и 12, 13 и 14 они полностью развязаны между собой вне зависимости от частоты.

Другим достоинством устройства изобретения, вытекающим из его симметрии, и полной попарной развязки между входами, является то, что независимо от сигналов, подводимых ко входам для каждого из них, имеет место единая по структуре цепь. Различие лишь в постоянном коэффициенте, равном двум для входов 11 и 12 по отношению ко входам 13 и 14. Это означает, что вводя однотипную низкочастотную коррекцию, можно значительно сдвинуть начальную рабочую частоту в сторону нижних частот. Для пояснения этого факта обратимся к схеме (фиг. 4), отражающей структуру такой цепи для каждого входа. Здесь линии 21 и 22 имеют единое волновое сопротивление равное волновому сопротивлению каждой из линий устройства в случае входов 11 и 12 и вдвое меньшее его значение в случае входов 13 и 14. Соответственно значение индуктивности 23 равно удвоенному значению любой из этих равных индуктивностей 17 20 в случае входов 11 и 12 и значению любой из этих равных индуктивностей для схемы (фиг. 4), относящейся ко входам 13 и 14. Поэтому, вводя на каждом входе продольную ветвь 24 в виде емкости, равной С в случае входов 11 и 12, и равной 2С в случае входов 13 и 14, перейдем от фильтра первого порядка с одной шунтирующей индуктивностью 23, к фильтру третьего порядка, нижняя рабочая частота уменьшается приблизительно в 2,5 раза. Это позволяет за счет коррекции существенно уменьшить общий объем магнитопровода, скомпенсировав с избытком введенный по отношению к прототипу дополнительный магнитопровод 16. Естественно, что нагрузка 25, как и входное сопротивление Z_вх, будут для входов 13 и 14 равны половинному значению волнового сопротивления каждой из линий устройства 1 6, а для входов 11 и 12 волновому сопротивлению каждой из этих линий.

Устройство можно использовать и без магнитопроводов, что оказывается целесообразным в случае большого уровня мощности на коротких и ультракоротких волнах и когда не требуется весьма широкая рабочая полоса частот. В этом случае достаточно в устройстве (фиг.2) исключить магнитопроводы а линию 6, объединенные линии 1, 2, 3, объединенные линии 4, 5 и проводник 15 выполнить как внутренние проводники четырех коаксиальных линий, короткозамкнутых со стороны общей шины и не связанных электромагнитно между собой.

Для оценки эффективности по предлагаемому изобретению рассмотрим конкретный пример реализации (фиг. 2).

Пример. В качестве каждого из четырех магнитопроводов 8, 9, 10 и 16 использовался набор идентичных кольцевых ферритовых сердечников типоразмеров К-12х6х4,5 из материала 300 ВНС.

В каждом наборе было 30 колец, а в их полости прямолинейные участки коаксиальных кабелей. Все коаксиальные кабели 1 6 были типа РК-50-2-21. Проводник 15 был из того же кабеля, точнее его наружного проводника.

В результате экспериментальной проверки было получено, что значение развязки между входами составляло не менее 30 дБ в интервале частот от 0,01 МГц до 100 МГц и не менее 26 дБ до 160 МГц. Значение КСВ на любом из входов составляло не более 1,2 в интервале частот 10-110 МГц при отсутствии коррекции, а при простой н.ч. коррекции нижняя рабочая частота снижается до 3,5 МГц. Полученные практические результаты для одного из вариантов исполнения устройства существенно превышают таковые для прототипа: по меньшей мере увеличение развязки вдвое при расширении более чем вдвое рабочей полосы частот в которой реализована высокая развязка между входами для каждой из пары.

Использование: в радиотехнических устройствах для развязанного суммирования и деления мощности. Сущность изобретения: устройство содержит шесть коаксиальных линий передачи равной длины и единого волнового сопротивления, объединенных в три группы и дополнительный проводник. В каждой группе коаксиальные линии передачи соединены между собой наружными проводниками по всей длине передачи. Начала наружных проводников и начало дополнительного проводника соединены с общей шиной. Каждая группа коаксиальных линий передачи и дополнительный проводник расположены на своем магнитопроводе. Начала внутренних проводников коаксиальных линий передачи образуют соответствующие потенциальные зажимы. Концы внутренних проводников второй, четвертой и шестой коаксиальных линий передачи и дополнительного проводника соединены между собой. Концы внутренних проводников третьей и пятой коаксиальных линий передачи и наружного проводника шестой линии соединены между собой. Конец внутреннего проводника первой линии соединен с концами наружных проводников четвертой и пятой коаксиальных линий передачи. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Широкополосное гибридное устройство, содержащее четыре попарно развязанных несимметричных относительно общей шины входа, шесть коаксиальных линий передачи равной длины и единого волнового сопротивления, начала наружных проводников которых соединены с общей шиной, первая, вторая и третья коаксиальные линии передачи имеют соединенные по всей длине наружные проводники и расположены на первом магнитопроводе, четвертая и пятая коаксиальные линии передачи имеют соединенные по всей длине наружные проводники и расположены на втором магнитопроводе, при этом начала внутренних проводников второй и пятой коаксиальных линий передачи образуют потенциальные зажимы первого и второго входов, а соединенные между собой начала внутренних проводников первой коаксиальной линии передачи и шестой коаксиальной линии передачи, расположенной на третьем магнитопроводе, а также третьей и четвертой коаксиальных линий передачи образуют зажимы двух других входов, причем концы внутренних проводников второй, шестой и четвертой коаксиальных линий передачи соединены между собой, концы внутренних проводников третьей и пятой коаксиальных линий передачи соединены с концом наружного проводника шестой коаксиальной линии передачи и конец внутреннего проводника первой коаксиальной линии передачи соединен с концами соединенных наружных проводников четвертой и пятой коаксиальных линий передачи, отличающееся тем, что введен размещенный на отдельном магнитопроводе дополнительный проводник, начало которого соединено с общей шиной, а конец подключен к соединенным вместе концам внутренних проводников второй, четвертой и шестой коаксиальных линий передачи. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что к каждому потенциальному зажиму входов подключен один зажим соответствующего конденсатора.