СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ МОСТ Российский патент 2002 года по МПК H01P5/18 H03H7/48 

Устройство относится к области техники СВЧ и может быть использовано в радиотехнических системах различного назначения в качестве элементной базы коаксиальных и полосковых узлов, таких как делители-сумматоры мощностей высокочастотных колебаний, аналоговые и дискретные фазовращатели, радиочастотные мультиплексеры, фильтры и прочее.

Актуальность разработки таких мостов обусловлена дальнейшим ужесточением требований к сверхвысокочастотным узлам систем связи, телекоммуникаций и радиолокации в отношении их широкополосности, габаритов и массы, унификации и стандартизации комплектующих элементов. Для обеспечения всевозрастающих в метровом, дециметровом и сантиметровом диапазонах волн требований необходимо реализовать коаксиальные или полосковые мосты, обеспечивающие направленное деление входной мощности между двумя развязанными выходами в отношении 1:1 с незначительной неравномерностью в полосе частот не менее октавы (соответствующий коэффициент перекрытия диапазона не менее 2).

Известен так называемый "U-образный" сверхвысокочастотный мост, описанный в работе: "Устройства сложения и распределения мощностей высокочастотных колебаний". / Под ред. З.И. Моделя. - М.: Сов. Радио, 1980, стр. 11-12. Этот мост образован двумя отрезками линий передачи, концы которых соединены с общим сопротивлением нагрузки. Начала обоих отрезков образуют пару развязанных между собой входных плеч моста, между которыми включен балластный резистор. При длине отрезков линий, равной четверти длины волны сверхвысокочастотных колебаний, входные сопротивления моста вещественны, и он пригоден для суммирования мощностей синфазных генераторов с несимметричными относительно общего возвратного провода выходами.

Однако при отклонении частоты от той, при которой обеспечивается четвертьволновость отрезков, входные сопротивления моста становятся комплексными и эффективность его суммирования снижается. Поэтому мост в режиме деления мощности, когда источник сигнала подключен вместо общего сопротивления нагрузки, также характеризуется значительным снижением эффективности. В частности, развязка между выходами остается на приличном уровне (не менее 25 дБ) лишь в относительной полосе частот 17%. И хотя неравномерность деления мощности между каналами в этой полосе частот невелика (порядка 0,4 дБ), 17%-ой широкополосности моста по развязке совершенно недостаточно для современных широкодиапазонных радиотехнических систем.

Известен также сверхвысокочастотный мост, описанный в работе: "Радиопередающие устройства". / Под ред. О.А. Челнокова, М.: Радио и связь, 1982, стр. 109-110, рис. 5.2а. Этот мост содержит две пары отрезков линии передачи с различными волновыми сопротивлениями, соединенными в квадрат. Точки соединения отрезков в вершинах квадрата образуют общее (входное или выходное) плечо, два рабочих плеча и плечо балластного резистора. При включении моста в систему сложения подлежащие суммированию мощности генераторов высокочастотных колебаний подаются на зажимы рабочих плеч, а нагрузка подключается к общему плечу. Такой мост весьма удобен для полосковой реализации в диапазоне частот до 30 ГГц.

Однако этот мост характеризуется весьма малой относительной полосой частот по уровню 25 дБ развязки рабочих плеч, составляющей порядка 6%. Поэтому, несмотря на незначительную (около 0,3 дБ) неравномерность деления мощности в такой узкой полосе частот, описанный мост находит ограниченное применение в современных широкодиапазонных устройствах.

Известен также сверхвысокочастотный мост, описанный в работе: Д.М. Сазонов, А. Н. Гридин, Б.А. Мишустин "Устройства СВЧ", М.: Высшая школа, 1981, стр. 118-121, рис. 3.12а. Этот мост, являясь частным случаем направленного ответвителя на линиях передачи с Т-волной, образован двумя проводниками одинаковой электрической длины, окруженных сплошным металлическим экраном. Концы проводников служат рабочими плечами моста, к которым подключаются источники сверхвысокочастотных колебаний, балластная и полезная нагрузки. Такое конструктивное исполнение моста позволяет обеспечить как в коаксиальном, так и в полосковом вариантах постоянный, равный 90 градусов, сдвиг фаз между выходными сигналами во всем диапазоне рабочих частот.

Однако неравномерность амплитудно-частотной характеристики выходных сигналов существенно увеличивается по мере роста коэффициента перекрытия диапазона, достигая 1,5 дБ в октавной полосе частот, что не позволяет использовать упомянутый мост в широкополосных делителях-сумматорах, фазовращателях и фильтрах.

Известен также трансформаторный сверхвысокочастотный мост, описанный в АС СССР 527008, МПК Н 03 Н 7/48, 1976 год. Этот мост, содержащий пять отрезков коаксиального кабеля, намотанных на кольцевом ферритовом сердечнике, позволяет суммировать мощности двух сверхвысокочастотных генераторов с симметричными выходами. При этом одна из двух нагрузок - симметричная, а другая - несимметричная, причем каждая нагрузка может быть полезной или балластной в зависимости от разности фаз суммируемых сигналов. Несмотря на то, что рабочая полоса частот такого моста превышает октаву, имеет место значительная неравномерность деления мощности, достигающая 0,8 дБ, а отсутствие у симметричной относительно общего провода нагрузки точки заземления одного из выводов создает значительные трудности при ее размещении в аппаратуре в случае большой рассеиваемой мощности. К тому же наличие ферритового сердечника ограничивает уровни суммируемых мощностей из-за значительного его нагрева и не позволяет применять такие мосты на частотах выше 150 МГц.

Известен также сверхвысокочастотный мост, содержащий две многопроводные линии с несимметричными относительно общего провода полезными балластными нагрузками, описанный в АС СССР 664277, МПК Н 03 Н 7/48, 1979 год. Каждая из многопроводных линий состоит из (2N + 1) проводников, начала и концы которых соединены между собой, а также с генераторами и нагрузками в определенной Формулой изобретения последовательности, обеспечивающей повышение коэффициента полезного действия при одновременном расширении полосы частот складываемых электрических колебаний. При этом проводники с номерами 1...2N выполнены в виде внутренних проводников отрезков коаксиальных линий, а их оплетки соединены по всей длине между собой и образуют (2N + 1)-ые проводники соответствующих многопроводных линий. Такое построение моста позволяет обеспечить рабочие полосы частот несколько октав.

Однако при практической реализации моста, содержащего в общей сложности 4N (N - целое число) отрезков коаксиальных линий, возникают серьезные конструктивно-технологические трудности с размещением пучка отрезков в ограниченном объеме. Кроме того, необходимость соединения концов отрезков между собой и нагрузками (выполняемое, как правило, пайкой) приводит к появлению неоднородностей и реактивностей в точках соединения линий. Последнее обусловливает существенную неравномерность частотной характеристики мощности в нагрузках по диапазону, достигающую 1-1,2 дБ, что приемлемо далеко не всегда и ограничивает область применения таких мостов частотами 150 - 180 МГц.

Прототипом предлагаемого изобретения является мост из упомянутой работы Д. М. Сазонова, А. Н. Гридина, Б.Д. Мишустина "Устройства СВЧ", М.: Высшая школа, 1981, стр. 118 - 121. Как уже отмечалось, неравномерность частотной характеристики выходных сигналов моста достигает 1,5 дБ в октавной полосе частот, хотя он и обеспечивает хорошее согласование и приличную направленность в этой полосе.

Задачей предлагаемого изобретения является создание высокоэффективного сверхвысокочастотного моста, имеющего меньшую неравномерность частотной характеристики выходных мощностей.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в известный сверхвысокочастотный мост, содержащий два идентичных проводника одинаковой электрической длины, окруженных сплошным металлическим экраном, дополнительно введен расположенный вне экрана отрезок коаксиального кабеля с волновым сопротивлением, равным величине подключаемых нагрузок, и электрической длиной, равной электрической длине проводников, при этом концы центрального проводника кабеля, расположенного параллельно металлическому экрану, соединены с соответствующими торцами экрана, концы идентичных проводников, волновые сопротивления которых в раза меньше величин подключаемых нагрузок, образуют вход и выходы моста, общим возвратным проводом которого является оплетка кабеля.

На фиг. 1 изображен предлагаемый сверхвысокочастотный мост, на фиг.2 - частотные характеристики его коэффициента деления мощности.

Предлагаемый мост (фиг.1) содержит два идентичных проводника 1 и 2 одинаковой электрической длины, окруженных сплошным металлическим экраном 3. Параллельно металлическому экрану вне его расположен отрезок 4 коаксиального кабеля с волновым сопротивлением ρ_к, равным величине подключаемых нагрузок R. Электрическая длина кабеля равна электрической длине проводников, при этом концы 5, 6 центрального проводника 7 кабеля 4 соединены с соответствующими торцами 8, 9 экрана 3. Волновые сопротивления ρ_в идентичных проводников 1 и 2 относительно сплошного экрана 3 выбираются в раза меньше величин подключаемых нагрузок R. Оплетка 10 кабеля 4 является общим возвратным проводом моста и соединяется по всей длине с общей шиной устройства. Концы 11, 12, 13, 14 идентичных проводников 1 и 2 образуют вход и выходы моста, к зажимам которых подключаются генераторы и нагрузки в зависимости от того, в каком режиме: деления или суммирования мощности используется мост в радиоаппаратуре.

Принцип действия заявляемого сверхвысокочастотного моста состоит в следующем.

Пусть к концу (плечу) 11 моста от источника с эдс Е и внутренним сопротивлением R, равным величине вещественных нагрузок R₁₂, R₁₃, R₁₄, подключаемых к концам (плечам) 12, 13 и 14, подводится мощность сверхвысокочастотного сигнала. Полагаем, что величина эдс Е остается неизменной в широкой полосе рабочих частот f_Н...f_B с относительной величиной ξ= 2(f_B-f_H)/(f_B+f_Н) или коэффициентом перекрытия f= f_В/f_Н. Тогда при соответствующем выборе волновых сопротивлений ρ_в проводников 1 и 2 под сплошным экраном 3 и ρ_к коаксиального кабеля 4 сигнал распределяется поровну между нагрузками R₁₂ и R₁₄ плеч 12 и 14 и практически не ощущается на нагрузке R₁₃ плеча 13. Обозначив через U₁₂, U₁₃, U₁₄ напряжения, выделяющиеся соответственно на нагрузках R₁₂, R₁₃, R₁₄, можно охарактеризовать основные показатели моста:
а) коэффициент деления мощности M = |U₁₂/U₁₄|²;
б) развязка диагональных плеч I = 20lg|E/(2U₁₃)|;
в) коэффициент стоячей волны напряжения К_ст.u входного плеча 11 (определяется стандартной процедурой измерений).

Величины напряжений U₁₂, U₁₃, U₁₄, несмотря на то, что подключаемые нагрузки, как правило, равны внутреннему сопротивлению источника сигнала Е (R₁₂=R₁₃=R₁₄= R), изменяются по диапазону частот f_H...f_B и зависят от амплитудных и фазовых соотношений между составляющими сигналов, интерференция которых в сложной электродинамической системе "проводники - экран - кабель" определяет уровни этих напряжений. Оптимальный выбор волновых сопротивлений проводников и кабеля ρ_в, ρ_к позволяет обеспечить за счет противофазности полную компенсацию равноамплитудных составляющих сигнала в нагрузке R₁₃ плеча 13 и отраженного сигнала U_отр на входном плече 11. В результате U₁₃= U_отр= 0 во всей полосе частот и мост характеризуется идеальной развязкой (I = ∞) диагональных плеч 11, 13 и 12, 14, а также совершенным согласованием всех плеч с подключаемыми нагрузками R(К_ст.u ⁽¹¹⁾, =К_ст.u ⁽¹²⁾=K_ст.u ⁽¹³⁾= K_ст.u ⁽¹⁴⁾=1).

Отсутствие потерь энергии источника, сигнала Е за счет совершенного согласования и идеальной развязки плеч приводит к тому, что входная мощность плеча 11 перераспределяется лишь между нагрузками R₁₂ и R₁₄ плеч 12 и 14. Наличие коаксиального кабеля 4, расположенного параллельно металлическому экрану 3 вне его, способствует формированию более равномерной и широкополосной частотной характеристики коэффициента деления мощности M = |U₁₂/U₁₄|² при одинаковом с прототипом продольном геометрическом размере L (фиг.1) вследствие более благоприятных амплитудных и фазовых соотношений между интерферирующими составляющими волновых процессов.

Для расчета требуемых значений волновых сопротивлений ρ_в и ρ_к используется принцип декомпозиции моста на два фрагмента и описания обоих фрагментов матрицами сопротивлений [Z_В] и [Z_К]:


где α = -jctgθ; β = -jcosecθ; θ = (π/2)(f/f_o) - электрическая длина проводников 1, 2 и кабеля 4; f - текущая частота; f₀=(f_H+f_B)/2.

Итоговая матрица сопротивлений [Z] моста уже не будет содержать нулевые элементы, т.к. определяется по формуле:

поэтому Z₁₁ = (ρ_в+ρ_к)α; Z₁₂ = ρ_кα_, Z₁₃ = ρ_кβ; Z₁₄ = (ρ_в+ρ_к)β. (1)
С другой стороны, элементы матрицы [Z] моста можно выразить через его эквивалентные волновые сопротивления ρ⁺⁺ и ρ^+- соответственно при синфазном и противофазном возбуждениях плеч 11 и 12:
Z₁₁=Aα; Z₁₂=Bα; Z₁₃=Bβ; Z₁₄=Aβ; A = (ρ⁺⁺+ρ^+-)/2; B = (ρ⁺⁺-ρ^+-)/2. (2)
В то же время коэффициент деления мощности М₀ на центральной частоте f₀ может быть выражен через ρ⁺⁺ и ρ^+-:


Полагая М₀= 1 и учитывая, что при совершенном согласовании и идеальной развязке (K_ст.u= 1; I=∞) плеч моста параметры ρ⁺⁺, ρ^+- связаны соотношением ρ⁺⁺ρ^+- = R², получаем с учетом (1)....(3) выражения для расчета ρ_в и ρ_к:

ρ_к = R. (4)
В процессе реализации моста по заданной величине R нагрузок плеч рассчитываются геометрические размеры проводников, экрана и кабеля либо подбираются стандартные коаксиальные кабели. При этом структура заявляемого моста, отличительной особенностью которого является наличие электромагнитной связи торцов 8, 9 экрана 3 посредством коаксиального кабеля 4, такова, что при выполнении условий (4) удается обеспечить при одинаковом с прототипом продольном размере L в три раза меньшую неравномерность деления мощности, составляющую в октавной полосе частот f_H...f_B (f_B=2f_Н) величину 0,5 дБ. Сам продольный размер равен четверти длины волны λεo

Для экспериментальных исследований был выполнен мост, предназначенный для суммирования мощностей двух идентичных несимметричных относительно общей шины 75-омных (R= 75 Ом) генераторов в полосе частот f_H=400 МГц.....f_B=800 МГц (λ=2). Идентичность генераторов обусловливает значение М₀ = 1, и поэтому согласно (4) волновые сопротивления ρ_в проводников 1, 2 и ρ_к коаксиального кабеля 4 составили: ρ_к=75 Ом; ρ_в=31 Ом. Однако радиопромышленность не выпускает кабели с волновым сопротивлением 31 Ом. Поэтому было принято решение реализовать каждый из проводников 1 и 2 в виде параллельного соединения двух стандартных коаксиальных кабелей с волновыми сопротивлениями =50 Ом и = 75 Ом; что отличается от требуемого значения ρ_в= 31 Ом лишь на 3% и не приводит к заметному ухудшению характеристик моста.

Результаты экспериментальных исследований коэффициента деления мощности М изготовленного моста (фиг.2, поз. 15 - теория; поз. 16 - эксперимент) в сочетании с измеренными значениями развязки I плеч 11, 13 и 12, 14, а также К_ст.u входного плеча 11 (в более широкой, чем требовалось, полосе 200..... 1000 МГц измерено: I≥27 дБ; К_ст.u≤1,2) свидетельствуют о его перспективности для практического использования в качестве базового элемента в широкополосных устройствах связи, телекоммуникаций и радиолокации.

Таким образом, предлагаемый сверхвысокочастотный мост обеспечивает меньшую неравномерность частотной характеристики выходных мощностей в полосе частот одна октава.

Устройство может быть использовано в широкополостных системах радиосвязи, телекоммуникаций и радиолокации. В предложенном мосте, содержащем два идентичных проводника одинаковой электрической длины, окруженных сплошным металлическим экраном, задействован отрезок коаксиального кабеля с волновым сопротивлением, равным величине подключаемых нагрузок, и электрической длиной, равной электрической длине проводников. Кабель расположен параллельно металлическому экрану вне его, а концы центрального проводника кабеля соединены с соответствующими торцами экрана. Техническим результатом является обеспечение при одинаковом с прототипом продольном размере L в три раза меньшей неравномерности деления мощности 0,5 дБ на стандартных коаксиальных кабелях 50 и 75 Ом. 2 ил.

Сверхвысокочастотный мост, содержащий два идентичных проводника одинаковой электрической длины, окруженных сплошным металлическим экраном, при этом к концам идентичных проводников, образующих входы и выходы моста, подключаются соответственно генераторы и нагрузки, отличающийся тем, что в него дополнительно введен расположенный вне экрана отрезок коаксиального кабеля с волновым сопротивлением, равным величине подключаемых нагрузок, и электрической длиной, равной электрической длине проводников, при этом концы центрального проводника кабеля, расположенного параллельно металлическому экрану, соединены с соответствующими торцами экрана, волновые сопротивления идентичных проводников в раза меньше величин подключаемых нагрузок, а оплетка кабеля является общим возвратным проводом моста.