ДЕЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ (ЕГО ВАРИАНТЫ) Российский патент 1998 года по МПК H01P5/12 

Группа изобретений относится к области радиотехники, а именно к высокочастотным (в.ч.) делителям мощности, и. в частности, заявляемые делители мощности могут быть использованы в трактах питания фазированных антенных решеток.

Известны делители мощности, выполненные на основе шестиплечих мостовых устройств, состоящих из отрезков линий передач (см. А.С. СССР N 675497, МПК H 01 P 5/12, 1979; А.С. СССР N 1094093, МПК H 01 P 5/12, 1984).

Недостатком указанных делителей является малый рабочий диапазон частот и их способность деления подводимый мощности только между тремя выходами.

Наиболее близким по своей технической сущности к заявленным является многоканальный делитель мощности на связанных линиях (см. Научно-технический сборник МПСС. Средства связи, N 2, -М., ЦООНТИ "ЭКОС", 1989, с.3-6).

Устройство прототип состоит из круглого цилиндрического резонатора, во внутренней полости которого установлены несколько отрезков линий передач. Один из отрезков размещен на оси резонатора, а остальные симметрично и на равном удалении от него, параллельно оси резонатора. Одни концы всех отрезков линий передач подключены к реактивным нагрузкам. Второй конец центрального отрезка является входом, а вторые концы остальных отрезков являются соответствующими выходами делителя мощности.

Наличие реактивных нагрузок обеспечивает возможность путем изменения их параметров устанавливать требуемую амплитудно-фазовое распределение мощности на выходах делителя.

Однако устройство-прототип имеет недостатки: относительно малый частотный рабочий диапазон делителя, обусловленный сильной частотной зависимостью коэффициента деления мощности из-за наличия в его схеме реактивных нагрузок.

Целью изобретения является разработка диапазонных делителей мощности на пять нагрузок.

Поставленная цель в варианте 1 заявленного устройства достигается тем, что в известном делителе мощности, содержащем круглый цилиндрический резонатор с внутренним радиусом поперечного сечения R и размещенным в его полости параллельно продольной оси отрезками линий передач, один из которых соединен с входом, а остальные с соответствующими выходами делителя мощности, три отрезка линий передач размещены симметрично относительно продольной оси резонатора. Длина резонатора L_p выбрана в пределах (0,15 ...0,35) λ_cp , где λ_cp - средняя длина волны рабочего диапазона волн. Радиус R= (0,15 . . . 0,25)L_p. Один конец первого отрезка линии передачи подключен к входу. Второй конец первого и концы второго и третьего отрезков линий передач подключены к соответствующим выходам делителя мощности.

Отрезки линий передач могут быть выполнены различным образом.

В первом случае отрезки выполнены в виде проводников, поперечное сечение каждого из которых имеет форму сектора круга радиусом r и углом ϕ, вершины которых обращены к продольной оси резонатора. Расстояние между примыкающими плоскими поверхностями двух проводников выбрано в пределах (0,15 ... 0,2) r. Отношение радиусов r/R составляет 0,1 ... 0,8. Угол ϕ выбран в интервале 100 ... 120^o.

Во втором случае отрезки линий передач выполнены в виде изогнутых в поперечном сечении ленточных проводников с частично перекрывающимися поверхностями, разделенными диэлектрическим зазором. Ширина B каждого ленточного проводника выбрана в пределах (0,5 ...3)R. Поверхности примыкающих ленточных проводников перекрывают друг друга в пределах (0,3... 0,8)B. Изгиб каждого ленточного проводника в поперечном сечении выполнен по дуге окружности радиуса r₀= (0,15...0,85)R. Центры окружностей, по дугам которых изогнуты ленточные проводники, размещены симметрично относительно продольной оси резонатора и отстоят от нее на расстояние Δr = (0,05...0,1)r₀.

Поставленная цель в варианте II заявленного устройства достигается тем, что в известном делителе мощности, содержащем прямой цилиндрический резонатор с размещенными в его полости параллельно продольной оси отрезками линий передач, один из которых соединен с входом, а остальные с соответствующими выходами делителя мощности, прямой цилиндрический резонатор выполнен в форме прямой треугольной призмы длиной L_p= (0,15...0,35)λ_cp и с шириной грани A = (0,3... 0,5)L_p. Три отрезка линий передач размещены симметрично относительно продольной оси резонатора и выполнены в виде изогнутых в поперечном сечении ленточных проводников с частично перекрывающимися поверхностями, разделенными диэлектрически зазором. Один конец первого отрезка линий передачи подключен к входу резонатора. Второй конец первого и концы второго и третьего отрезков линий передач подключены к соответствующим выходам делителя мощности. Ленточные проводники, образующие отрезки линий передач, изогнуты вдоль своих продольных осей. Причем части общей ширины ленточного проводника по обе стороны изгиба соотносятся как 0,6 ...0,7, а их поверхности параллельны плоскостям соответствующих граней прямой треугольной призмы. Ширина B каждого ленточного проводника выбрана в пределах B = (0,6... 1,5)A. Поверхности примыкающих ленточных проводников установлены с диэлектрическим зазором, равным (0,05...0,08)B, и взаимным перекрытием друг друга в пределах (0,15... 0,45)B.

В вариантах I и II при выполнении отрезков линий передач в виде перекрывающихся проводников они могут быть выполнены с возможностью изменения величины взаимного перекрытия, что облегчит настройку делителя на заданные параметры.

Благодаря указанной новой совокупности существенных признаков в делителях мощности I-го и II-го вариантов реализуется зеркальная симметрия относительно плоскости, проходящей через середину продольной оси резонатора параллельно плоскостям его оснований, и симметрия вращения с осью 3-го порядка, т.е. при повороте конструкции вокруг продольной оси на угол 360^o/3 = 120^o она полностью совмещается со своим исходным положением. Это обеспечивает одинаковую электромагнитную связь отрезков линий передач между собой и равное деление подводимой мощности между пятью нагрузками. Причем величина коэффициента деления остается практически неизменной в широкой полосе частот.

На фиг.1 показан общий вид делителя мощности (вариант I, первая модификация); на фиг.2 - общий вид делителя мощности (вариант I, вторая модификация); на фиг.3 - общий вид делителя мощности (вариант II); на фиг.4 - результаты экспериментальных исследований заявленных устройств.

Заявленное устройство (вариант I, первая модификация), показанное на фиг.1, состоит из круглого цилиндрического резонатора 1, длиной L_p и с внутренним радиусом поперечного сечения R. Во внутренней полости резонатора 1 параллельно его продольной оси (ось 0-0') размещены три отрезка линий передач (ОЛП) 2, длиной L₀ каждый. ОЛП 2 установлены симметрично относительно продольной оси резонатора 1 и его оснований. Торцы ОЛП 2 с помощью соединительных проводников 3 длиной δ (см. фиг. 1в). Через отверстия 4 в основании резонатора 1 подключены к центральным проводникам 5 в.ч. разъемов, закрепленных на основаниях резонатора 1. Внешние проводники 6 в.ч. разъемов имеют электрический контакт с основаниями резонатора 1.

Каждый из отрезков линий передач 2 выполнен в виде проводника с поперечным сечением в форме сектора круга радиусом r и углом ϕ, вершина которого обращена к продольной оси резонатора 1 (см. фиг.1б). Примыкающие плоские поверхности двух ОЛП 2 отстоят друг от друга на расстояние d. В общем случае, когда угол ϕ ≠ 120^o, примыкающие плоские поверхности могут быть не параллельны, при ϕ = 120^o - параллельны. При непараллельности плоских поверхностей под расстоянием d следует понимать минимальное расстояние между примыкающими плоскими поверхностями.

Входом устройства может быть любой из в.ч. разъемов, например, обозначенный на фиг.1 словом "вход". Остальные пять в.ч. разъемов являются выходами делителя мощности.

На фиг.2 показана вторая модификация варианта I заявленного делителя мощности. Отличие от первой модификации заключается в форме выполнения ОЛП 2. Каждый из ОЛП 2 выполнен в виде изогнутых в поперечном сечении ленточных проводников шириной B с частично перекрывающимися поверхностями ΔB, разделенными диэлектрическим зазором (см. фиг.2б,в). Форма изгиба может быть различной. На фиг.2 ленточные проводники изогнуты в поперечном сечении по дугам окружностей радиусом r₀. Для обеспечения необходимого диэлектрического зазора между перекрывающимися поверхностями ленточных проводников, они установлены так, что центры соответствующих окружностей (обозначены на фиг.2а, б индексами а₁, a₂, a₃, по дугам которых изогнуты ленточные проводники, смещены от оси резонатора на расстояние Δr и расположены симметрично относительно этой оси (см. фиг.2а).

В процессе исследования определены соотношения геометрических размеров конструкции делителя мощности, которые необходимо соблюдать для достижения большего рабочего частотного диапазона устройства (в сравнении с прототипом), а именно: Lp = (0,15...0,35)λ_cp L_o/L_p = 0,9...0,95; δ/L_p = 0,025... 0,05; R/L_p = 0,15...0,25; r/R = 0,1...0,8; d/r = 0,1...0,2; r_o/R = 0,15... 0,85; Δr/r_o = 0,05...0,1; B/R = 0,5...3; ΔB/B = 0,3...0,8.

Величина угла ϕ может быть выбрана в пределах 100...120^o. Однако с технологической точки зрения целесообразно выбирать ϕ = 120^o, т.к. при этом проще результируется симметрия конструкции.

Проводники ОЛП 2 могут быть установлены с возможностью измерения их взаимного перекрытия, т.е. изменения величины ΔB.

Заявленное устройство (Вариант 2), показанное на фиг.3, состоит из прямого цилиндрического резонатора 1, выполненного в форме прямой треугольной призмы с шириной грани А и длиной L_p. В поперечном сечении грани образуют равносторонний треугольник (фиг.3б). Во внутренней полости резонатора 1 размещены симметрично относительно его продольной оси три отрезка линий передач 2, каждый длиной L₀. Концы ОЛП 2 с помощью соединительных проводников 3, длиной δ через отверстия 4 в основаниях резонатора 1 подключены к центральным проводникам 5 в.ч. разъемов, закрепленных на основаниях резонатора 1. Внешние проводник 6 в.ч. разъемов имеют с резонатором 1 электрический контакт. Входом устройства может быть любой из в.ч. разъемов, например, обозначенный на фиг. 3 словом "вход". Остальные пять в.ч. разъемов являются выходами делителя мощности. Каждый из ОЛП 2 выполнен в виде изогнутых в поперечном сечении ленточных проводников шириной B (см. фиг. 3б, в) с частично перекрывающимися поверхностями ΔB , разделенными диэлектрическим зазором d.

Каждый ленточный проводник, образующий ОЛП 2, в поперечном сечении изогнут параллельно своей продольной оси. Причем отношение ширин B₁ и B₂ ленточного проводника по обе стороны изгиба выбрано в пределах B₁/B₂ = 0,6...0,7, а угол изгиба γ выбран равным углу между гранями резонатора, т.е. равным 60^o (см. фиг. 3в). Изогнутые ленточные проводники установлены так, что их поверхности по обе стоны изгиба параллельны соответствующим плоскостям примыкающих граней резонатора.

По результатам исследования делителя мощности Варианта II установлены соотношения геометрических размеров его элементов, при которых реализуется большая, чем у прототипа полоса рабочих частот.

L_p = (0,15...0,35) λ_cp ; L₀/L_p = 0,9...0,95; δ L_p = 0,025...0,05; A/L_p = 0,3. ..0,5; B/A = 0,6...1,5; d/B = 0,05...0,08; ΔΒ /B = 0,15...0,45; B₁/B₂ = 0,6...0,7.

Средние значения указанных интервалов соотношений элементов конструкции делителей мощности как для варианта I, так и варианта II являются оптимальными, и при их соблюдении достигается набольший частотный рабочий диапазон устройств.

Заявленное устройство работает следующим образом. Конструкция делителя зеркально симметрична относительно плоскости, проходящей через середину продольной оси резонатора параллельно плоскостям его оснований, и кроме того обладает симметрией вращения с осью 3-го порядка. Такая конструкция обусловливает равнозначность всех выходов и входа устройства, а так же одинаковую электромагнитную связь всех ОЛП между собой.

Исполнение ОЛП в виде проводников с примыкающими друг к другу плоскими или изогнутыми перекрывающимися поверхностями при малом диэлектрическим зазоре между ними позволяет реализовать сильную связь между ОЛП и при выборе геометрических размеров (в пределах указанных значений) добиться, чтобы матрица нормированных волновых проводников имела вид:

Матрица рассеяния многополюсника, не имеющего потерь и нагруженного на линии передачи с одинаковой волновой проводимостью, унитарна, т.е. произведение матрицы рассеяния [S] на эрмитово сопряженную с ней матрицу [S^*] дает единичную матрицу:
[S] [S*] = [1]
(см. кн. Машковцев Б.М., Цибизов К.Н., Емелин Б.Ф. Теория волноводов, М. - Л.: Наука 1996, стр. 235).

С учетом ограничений, накладываемых унитарностью матрицы и симметрией конструкции делителя, можно показать, что матрица рассеяния 12-полюсника из параллельных четверть волновых связанных линий, при наличии указанных зеркальной симметрии и симметрии вращения, будет иметь вид:
,
где
- мнимая единица, означающая сдвиг фазы на π/2 .

Элементы матрицы рассеяния обозначены через S_nm, где n, m = 1, 2, 3, 4, 5, 6. При этом индексам 1, 2, 3, 4, 5, 6 соответствуют аналогичные выводы (пары полюсов). Под парой полюсов здесь следует понимать проводники 5, 6 соответствующего в.ч. разъема.

В рассматриваемых делителях мощность сигнала, поступающая на любую пару полюсов (в.ч. разъем) делится между пятью нагрузками, так как

Все пары полюсов делителей согласованы, т.к. из матрицы рассеяния видно, что
S₁₁ = S₂₂ = S₃₃ = S₄₄ = S₅₅ = S₆₆ = 0
Из выполненного анализа матриц рассеяния [S] и волновых проводимостей [Y] ОЛП делителя следует, что равноамплитудное деление мощности на его выходах достигается только благодаря принятой симметрии конструкции.

Необходимое соотношение между собственными (в матрице [Y] - диагональные элементы 1) и взаимными (в матрице [Y] - элементы вида )) проводимостями реализуется за счет сильной взаимной связи ОЛП (плоские примыкающие поверхности в варианте 1 и перекрывающиеся ленточные ОЛП - в вариантах I и II). Для обеспечения равенства волновых проводимостей ОЛП и волновых проводимостей фидерных линий в конструкции делителя предусмотрена возможность регулирования степени связи между ОЛП и волновой проводимости ОЛП путем изменения взаимного перекрытия ленточных проводников.

Проверка теоретических предпосылок выполнена на опытных образцах заявляемых устройств, предназначенных для работы на средней частоте F_cp = 395 МГц, что соответствует λ_cp= 0,76 м.
Резонаторы были выполнены из медных пластин толщиной 0,2 мм. ОЛП в варианте I (первая модификация) из бронзовых прутков. ОЛП в варианте I (вторая модификация) и варианте II выполнены из медной фольги толщиной 0,1 мм. Размеры остальных элементов конструкции рассчитаны с учетом средних значений указанных интервалов соотношений.

В устройстве по Варианту I (первая модификация) элементы имели следующие размеры, (в мм):
L_p = 190; L₀ = 177; δ = 6,5; R = 38; r = 17; d = 2.

В устройстве по Варианту I (вторая модификация):
L_p = 190; L₀ = 177; δ = 6,5; R = 38; r₀ = 19; Δr = 1,5; B = 66; ΔB = 36.

В устройстве по Варианту II:
L_p = 190; L₀ = 177; δ = 6,5; A = 76; B = 80; d = 5; B₁/B₂ = 0,65; ΔB = 24.

В процессе исследований были измерены коэффициенты передачи при n = m и коэффициенты отражения .

Результаты измерений, показанные на фиг. 4, дают основания для следующих выводов.

Рабочий диапазон делителя с практически неизменными коэффициентами передачи ( изменяется в пределах не более 1 дБ) определяется интервалом частот F_мин - F_макс, для коэффициентов передачи и , т.к. менее критичны к изменению частоты. Из графика на фиг. 4а, б следует, что делитель может работать в полосе частот с перекрытием F_мин/F_макс = 2,3. Измерения полосы рабочих частот устройства-прототипа показали, что она не превышает 40%, что примерно в 6 раз меньше, чем у заявленных делителей мощности.

Из графика на фиг. 4 г следует, что коэффициент отражения в этом же диапазоне обеспечивается на уровне - 21 дБ, что соответствует практически идеальному качеству согласования с входным фидером.

Изобретения относятся к высокочастотным делителям мощности и могут быть использованы в трактах питания фазированных антенных решеток. Целью изобретений является создание диапазонных делителей мощности на пять нагрузок. Для достижения этой цели делители выполнены симметричными в поперечном сечении и обладающими симметрией вращения с осью 3-го порядка. Делители состоят из резонатора в виде прямого цилиндра 1 (круглого в 1 Варианте и треугольного во II Варианте). Во внутренней полости резонатора установлены параллельно продольной оси и симметрично относительно этой оси три отрезка линий передач 2 (ОЛП). Один конец первого ОЛП является входом делителя, второй конец первого и концы второго и третьего ОЛП являются выходами делителя. Благодаря симметрии конструкции в делителе достигается одинаковая электромагнитная связь ОЛП, равноамплитудное деление мощности на пять нагрузок в более, чем 2-кратном частотном диапазоне. Приведены оптимальные размеры элементов конструкции. 2 с. и 6 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Делитель мощности, содержащий круглый цилиндрический резонатор с внутренним радиусом поперечного сечения R и размещенными в его полости параллельно продольной оси отрезками линий передач, один из которых соединен с входом, а остальные - с соответствующими выходами делителя мощности, отличающийся тем, что три отрезка линий передач размещены симметрично относительно продольной оси резонатора, длина L_p которого выбрана в пределах 0,15 - 0,35 средней длины волны рабочего диапазона волн и радиусом R = (0,15 - 0,25) • L_p, причем один конец первого отрезка линии передачи подключен к входу, а его второй конец и концы второго и третьего отрезков линий передач подключены к соответствующим выходам делителя мощности. 2. Делитель по п.1, отличающийся тем, что каждый из отрезков линий передач выполнен в виде проводника с поперечным сечением в форме сектора круга радиусом r и углом ϕ, вершина которого обращена к продольной оси резонатора, причем расстояние между примыкающими плоскими поверхностями двух проводников выбрано в пределах (0,05 - 0,2)r, отношение радиусов r/R - в интервале 0,1 - 0,8, а угол ϕ = 100 - 120^o. 3. Делитель по п.1, отличающийся тем, что отрезки линий передач выполнены в виде изогнутых в поперечном сечении ленточных проводников с частично перекрывающимися поверхностями, разделенными диэлектрическим зазором, причем ширина B каждого ленточного проводника выбрана в пределах (0,5 - 3)R, а поверхности примыкающих ленточных проводников перекрывают друг друга в пределах (0,3 - 0,8)B. 4. Делитель по п.3, отличающийся тем, что изгиб каждого ленточного проводника в поперечном сечении выполнен по дуге окружности радиуса r_о = (0,15 - 0,85)R, причем центры окружностей размещены симметрично относительно оси резонатора и отстоят от нее на расстояние Δr = (0,05 - 0,1) • r_о. 5. Делитель по п.3 или 4, отличающийся тем, что ленточные проводники, образующие отрезки линий передач, установлены с возможностью изменения величины взаимного перекрытия их поверхностей. 6. Делитель мощности, содержащий прямой цилиндрический резонатор с размещенными в его полости параллельно продольной оси отрезками линий передач, один из которых соединен с входом, а остальные - с выходами делителя мощности, отличающийся тем, что прямой цилиндрический резонатор выполнен в форме прямой треугольной призмы длиной L_p, выбранной в пределах 0,15 - 0,35 средней длины рабочего диапазона волн, и с шириной грани A = (0.3 - 0,5) • L_p, три отрезка линий передач размещены симметрично относительно продольной оси резонатора и выполнены в виде изогнутых в поперечном сечении ленточных проводников с частично перекрывающимися поверхностями, разделенными диэлектрическим зазором, причем один конец первого отрезка линии передачи подключен к входу, а его второй конец и концы второго и третьего отрезков линий передач подключены к соответствующим выходам делителя мощности. 7. Делитель по п.6, отличающийся тем, что ленточные проводники, образующие отрезки линий передач, изогнуты вдоль своих продольных осей, так что ширины ленточных проводников по обе стороны изгиба соотносятся как 0,6 - 0,7, а их поверхности параллельны плоскостям соответствующих граней прямой треугольной призмы, причем ширина B каждого ленточного проводника выбрана в пределах B = (0,6 - 1,5)A, а поверхности примыкающих ленточных проводников установлены с диэлектрическим зазором, равным (0,05 - 0,8)B, и взаимным перекрытием друг друга в пределах (0,15 - 0,45)B. 8. Делитель по п.6 или 7, отличающийся тем, что ленточные проводники установлены с возможностью изменения взаимного перекрытия их поверхностей.