МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ДЕЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ Российский патент 2014 года по МПК H01P5/00 

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

Известен многоканальный синфазный делитель мощности, содержащий разветвитель на основе четвертьволновых отрезков линии передачи, к выходным плечам 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). Конструкция такого делителя сложна и представляет собой многосекционную объемную квазикоаксиальную структуру, в которой металлический кожух цилиндрической формы выполняет функцию наружного проводника линии передачи, а размещенные по окружности внутри кожуха на определенном расстоянии от его внутренней стенки закругленные по сечению пластины четвертьволновой длины выполняют функцию внутренних проводников n-канальной линии передачи. Для обеспечения независимой работы каналов (отсутствия взаимосвязи или развязки) расстояние между соседними пластинами коаксиальных секций должно в 2-3 раза превышать ширину этих пластин, что требует увеличения диаметра кожуха при увеличении числа каналов n. Волновое сопротивление каждой коаксиальной секции выбирается из соотношения $${\rho }_i=R_0\sqrt{n}=\sqrt{5}\cdot 50$$ , Ом, где R₀=50 Ом - стандартное значение входного и выходного сопротивлений n - каскадного делителя мощности. Для приведенного в работе Wilkinson EJ. An N-hybrid power divider // IRE Trans, on microwave theory and techniques. 1960. v. MTT-8, N 1. p.116-118 примера реализации делителя на n=8 каналов $${\rho }_i=\sqrt{8}\cdot 50=141.42$$ Ом, что, очевидно, затрудняет реализацию делителя с высокими техническими характеристиками, заставляя обеспечивать строгую геометрию сложной объемной конструкции предложенного делителя мощности.

В литературе отсутствуют сведения о практическом использовании делителей в представленном исполнении. В то же время сама идея построения многоканального синфазного делителя мощности на основе четвертьволновых отрезков линии передачи оказалась чрезвычайно плодотворной и составила основу большого числа авторских свидетельств, патентов, отечественных и зарубежных публикаций (см., например, Заенцев В.В., Катушкина М.В., Лондон С.Е., Модель З.И. Устройства сложения и распределения мощностей высокочастотных колебаний / под ред. З.И.Моделя. - М.: Сов. радио, 1980. - 296 с.).

Будучи устройством линейным и взаимным, делитель Уилкинсона может равноправно использоваться и в качестве сумматора мощности.

Также известен делитель мощности (см. Устройство сложения мощности, авт.свид. СССР №1170534, Н01Р 5/12, БИ №28. 30.07.85), содержащий входные плечи, каждое из которых подключено к балластному резистору и четвертьволновому отрезку линии передачи, при этом балластные резисторы соединены в звезду, концы четвертьволновых отрезков линий передачи подключены к выходному плечу, а к общей точке балластных резисторов подключен короткозамкнутый четвертьволновой шлейф. Подавление четных гармоник суммируемых генераторов успешно выполняется на центральной частоте диапазона. Все остальные технические характеристики устройства не отличаются от характеристик исходного делителя [сумматора] Уилкинсона.

Серьезным недостатком этих делителей мощности является необходимость использования линий передачи с нестандартным и большим по величине значением волнового сопротивления. Действительно, трудно представить использование коаксиальной линии с волновым сопротивлением, как указывалось, ρ_i=141.42 Ом.

Наиболее просто задача получения произвольного значения волнового сопротивления может быть решена по отношению к полосковым (микрополосковым - МПЛ) линиям передачи. Изменяя ширину полоска, размещенного на подложке из материала с малыми диэлектрическими потерями на СВЧ, можно обеспечить требуемое значение волнового сопротивления линии передачи (см., например, Малорацкий Л.Г., Явич Л.Р. Проектирование и расчет СВЧ элементов на полосковых линиях. - М.: Сов. радио, 1972. - 232 с.). Однако и здесь существуют известные ограничения, связанные с технологическими трудностями получения МПЛ с шириной полоска меньше W<0.2 мм (W=0.2 мм соответствует ρ=90 Ом для МПЛ на поликоре ε_r=9.6 с толщиной подложки h=1 мм), а также с реализацией МПЛ с волновым сопротивлением, меньшим 20 Ом (Бахарев С.И., Вольман В.И., Либ Ю.Н. и др. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств / под ред. В.И.Вольмана. - М.: Радио и связь, 1982. - 328 с). Таким образом, на практике получили применение МПЛ на поликоре с h=1 мм с волновыми сопротивлениями в границах 20…90 Ом. Для расширения этих пределов требуется использовать подложки большей толщины либо материалы с меньшим ε_r, например, брокерита с ε_r=6.6. Требуемое для n=5 волновое сопротивление $${\rho }_i=\sqrt{5}\cdot 50=111.8$$ Ом реализуется на подложке из брокерита МПЛ с шириной полоска W≅0.16 мм; при реализации такой МПЛ на поликоре ширина полоска W≅0.0775 мм. Вышеизложенное позволяет сделать вывод о невозможности реализации делителей мощности с числом каналов больше пяти.

Казалось бы, проблему увеличения числа каналов делителей мощности можно решить, используя материалы с ε_r=2.2…2.5, например, на основе фторопласта. Действительно, расчеты показывают, что используя материал с ε_r=2.2 и полосок с шириной W=0.2 мм можно реализовать делитель с n=11. Однако такие материалы, в отличие от поликора, и, тем более, брокерита, имеют низкую теплопроводность и не способны обеспечить надежную работу устройств с большим уровнем мощности сигнала.

При увеличении числа каналов уменьшается развязка между каналами, ухудшается согласование по входу, полоса пропускания оказывается недостаточно широкой.

Известен также многоканальный делитель мощности (см. авт. свид. СССР №849342, Н01Р 5/12, БИ №27. 25.07.81), содержащий разветвитель, к выходам плеч которого подключены развязывающие резисторы, включенные звездой, при этом ко входу и к каждому из выходов плеч разветвителя подключены короткозамкнутые шлейфы, а в каждое плечо разветвителя включен конденсатор, причем емкость конденсатора и длина каждого из короткозамкнутых шлейфов определяются соответственно из соотношений

$$C=\frac{1}{\sqrt{n}\cdot 2\pi f_0{R}_0}$$ ; $$l=\frac{{\lambda }_0}{2\pi }arctg\left(\frac{\sqrt{n}{R}_0}{\rho }\right)$$ ,

где n - число плеч;

f₀ - центральная частота рабочего диапазона;

R₀ - выходное сопротивление каждого плеча делителя;

λ₀ - длина волны в делителе мощности;

ρ - волновое сопротивление короткозамкнутого шлейфа.

Уменьшение потерь и сокращение габаритов устройства достигается эквивалентной заменой трансформирующих отрезков линии передачи разветвителя П-образными полураспределенными звеньями, составленными из двух короткозамкнутых шлейфов в параллельных ветвях и сосредоточенной емкости в последовательной ветви каждого П-звена. Однако выбор элементов П-звеньев по приведенным соотношениям не позволяет скомпенсировать ухудшение технических характеристик делителя мощности при увеличении числа каналов. Кроме того, такой многоканальный делитель мощности рассчитан на использование только в метровом и нижней части дециметрового диапазона длин волн, где геометрическая длина четвертьволновых отрезков линии передачи велика.

Известен многоканальный делитель мощности, содержащий разветвитель из четвертьволновых отрезков линии передачи, к выходным плечам которого подключены балластные развязывающие резисторы, соединенные в звезду, являющийся прототипом предлагаемого изобретения.

Технические характеристики такого делителя мощности: ширина полосы пропускания, развязка между каналами, согласование устройства по входу недостаточно велики и требуют существенного повышения даже при небольшом числе каналов. При увеличении числа каналов эти характеристики значительно ухудшаются. Реализация делителей с большим числом каналов затруднительна по технологическим причинам, что ограничивает области их применения.

Задачей предлагаемого изобретения является улучшение технических характеристик многоканального делителя мощности: расширение его полосы пропускания, повышение развязки между каналами, улучшение согласования по входу, а также выполнение делителей мощности с большим числом каналов при использовании реализуемых на практике значений волновых сопротивлений четвертьволновых отрезков линии передачи, что расширяет области их применения.

Поставленная задача достигается тем, что в многоканальный делитель мощности, содержащий разветвитель из четвертьволновых отрезков линии передачи, к выходам которого подключены балластные развязывающие резисторы, соединенные в звезду, между входом делителя мощности и входом разветвителя введен четвертьволновой отрезок линии передачи, волновое сопротивление которого ρ₁ выбирается из соотношения

$${\rho }_1={\rho }_2/\sqrt{n{R}_0/R_{вх}}$$ ,

при равенстве R₀=R_вх,

$${\rho }_1={\rho }_2/\sqrt{n}$$ ,

где n - число каналов делителя мощности;

ρ₂ - реализуемое волновое сопротивление четвертьволновых отрезков разветвителя;

R₀ - сопротивление каждого выхода разветвителя;

R_вх - входное сопротивление делителя мощности.

На фиг.1 приведена схема электрическая принципиальная предлагаемого многоканального делителя мощности на n каналов, на фиг.2 - расчетные частотные зависимости технических характеристик пятиканального делителя мощности - прототипа - на фиг.3 и 4 - технические характеристики предлагаемого делителя мощности с двумя наборами значений: фиг.3 - ρ₂=90 Ом, ρ₁=40.25 Ом, фиг.4 - ρ₂=75 Ом, ρ₁=33.5 Ом.

Многоканальный делитель мощности (фиг.1) содержит вход 0, подключенный через четвертьволновый отрезок линии передачи 1 ко входу 2 разветвителя из четвертьволновых отрезков линии передачи 3, концы четвертьволновых отрезков линии передачи подключены к выходам 4, к каждому из которых подключен балластный резистор 5, все балластные резисторы соединены в звезду, выходы 4 нагружены на сопротивления нагрузки 6.

Многоканальный делитель мощности (фиг.1) работает следующим образом. При поступлении входного СВЧ-сигнала на вход 0 его мощность через четвертьволновый отрезок линии передачи 1 поступает на вход 2 разветвителя и равномерно распределяется через одинаковые четвертьволновые отрезки линии передачи 3 по всем выходам 4, так что при одинаковых и согласованных сопротивлениях нагрузки 6 эти мощности на всех выходах 4 равны по величине и синфазны. Устройство представляет собой многополюсник, симметричный относительно горизонтальной оси, и на центральной частоте является полностью согласованным, а его выходы развязаны между собой идеально.

Волновые сопротивления ρ₂ четвертьволновых отрезков разветвителя, как известно, выбираются из соотношения

$${\rho }_2=\sqrt{n{R}_{вх\rho }{R}_0}$$

где R_вxρ - входное сопротивление разветвителя;

R₀ - сопротивление нагрузок.

Отсюда

$$R_{вх\rho }={\rho }_2^2/n{R}_0$$ .

Аналогично, волновое сопротивление ρ₁ четвертьволнового отрезка линии передачи, введенного между входом делителя мощности и входом разветвителя, равно

$${\rho }_1=\sqrt{R_{вх}{R}_{вх\rho }}={\rho }_2/\sqrt{n{R}_0/R_{вх}}$$ ,

при R₀=R_вх, что обычно имеет место на практике,

$${\rho }_1={\rho }_2/\sqrt{n}$$ .

Максимальное число каналов, которое может быть получено в предлагаемом делителе мощности n_max=(ρ_2max/ρ_lmin)², определяется реализуемыми на практике значениями волновых сопротивлений четвертьволновых отрезков линии передачи. При выполнении их на подложке из поликора с h=1 мм n_тах=(90/20)²≅20, что в 4 раза превышает значение n_mах=5 для делителя мощности - прототипа.

Если для делителя мощности - прототипа - число каналов определяется топологическими возможностями выполнения МПЛ с шириной полоска меньшей W=0.2 мм, то для предлагаемого устройства это ограничение принципиально отсутствует. Волновые сопротивления четвертьволновых отрезков линии передачи в разветвителе могут быть выбраны с точки зрения удобства и простоты реализации и часто их значения могут быть стандартными, например 75 Ом. При n=10 и стандартных значениях R₀=R_вх=50 Ом, $${\rho }_2=\sqrt{n{R}_{вх\rho }{R}_0}=\sqrt{10\cdot 50\cdot 50}=158.1$$ Ом, что невозможно реализовывать на подложке из поликора с h=1 мм (см. Бахарев С.И., Вольман В.И., Либ Ю.Н. и др. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств / под ред. В.И.Вольмана. - М.: Радио и связь, 1982. - 328 с). В предлагаемом делителе мощности можно задать значение ρ₂=90 Ом (W=0.2 мм) либо ρ₂=75 Ом (W=0.355 мм), при этом проблемы реализации МПЛ с такой шириной полоска отсутствуют. Входное сопротивление разветвителя при ρ₂=90 Ом составит $$R_{вх\rho }={\rho }_2^2/n{R}_0={90}^2/10\cdot 50=16.2$$ Ом, и волновое сопротивление отрезка, введенного между входом делителя мощности и входом разветвителя, равно $${\rho }_1=\sqrt{R_{вх}\cdot R_{вх\rho }}=\sqrt{50\cdot \mathrm{16,2}}\cong 28.5$$ Ом. Для ρ₂=75 Ом эти значения равны R_вхρ=11.25 Ом и ρ₁=23.7 Ом.

Таким образом, в предлагаемом делителе мощности снимаются проблемы реализации МПЛ с шириной полоска, меньшей W=0,2 мм, что удешевляет стоимость устройства и позволяет повысить его мощностные показатели.

Расчетные частотные зависимости технических характеристик пятиканальной схемы предлагаемого и делителя мощности - прототипа - в диапазоне частот 600…1400 МГц с центральной частотой 1000 МГц представлены на фиг.2…4, при этом фиг.2 соответствует делителю мощности - прототипу - с R_вх=R₀=50 Ом, ρ₂=111.8 Ом; фиг.3 и 4 - предлагаемому делителю мощности с R_вх=R₀=50 Ом и двумя наборами значений: б) - ρ₂= 90 Ом, ρ₁=40.25 Ом; в) - ρ₂=75 Ом, ρ₁=33.5 Ом.

Сравнение зависимостей на фиг.2…4 показывает:

- коэффициент прямой передачи $$\left|S_{10}\right|$$ незначительно отличается от идеального значения -6.99 дБ во всей ±40% полосе частот для всех анализируемых вариантов делителей мощности;

- параметры $$\left|S_{21}\right|$$ , $$\left|S_{31}\right|$$ , характеризующие развязку между каналами, имеют значение ниже -100 дБ на центральной частоте;

- полоса пропускания по уровню - 25 дБ расширяется в 1.4 раза для варианта ρ₂=90 Ом и в 1.67 раза - для варианта ρ₂=75 Ом. Наблюдается существенное улучшение этого параметра для предлагаемого делителя мощности;

- коэффициент стоячей волны напряжения по входу КСВН₀=1 на центральной частоте, полоса пропускания по уровню КСВН₀=1.2 расширяется в 2 раза для варианта с ρ₂=90 Ом и в 3.2 раза - для варианта ρ₂=75 Ом. И по этому параметру предлагаемый делитель мощности существенно превосходит прототип.

Таким образом, введение между входом делителя мощности и входом разветвителя четвертьволнового отрезка линии передачи, волновое сопротивление которого выбирается из соотношения

$${\rho }_1={\rho }_2/\sqrt{n{R}_0/R_{вх}}$$ ,

при равенстве R₀=R_вх,

$${\rho }_1={\rho }_2/\sqrt{n}$$ ,

существенно улучшило технические характеристики многоканального делителя мощности: расширило его полосу пропускания, повысило развязку между каналами, улучшило согласование по входу, а также позволяет выполнить делители мощности с большим числом каналов, что расширяет области их применения.

Изобретение относится к технике СВЧ и может найти применение в системах активных фазированных антенных решеток, радиопередающих и других устройствах и системах СВЧ. Технический результат - расширение полосы пропускания, повышение развязки между каналами, улучшение согласования по входу. Для этого многоканальный делитель мощности содержит разветвитель, состоящий из четвертьволновых отрезков линии передачи, балластные развязывающие резисторы, соединенные в звезду, при этом между входом делителя мощности и входом разветвителя введен четвертьволновой отрезок линии передачи. 4 ил.

Многоканальный делитель мощности, содержащий разветвитель из четвертьволновых отрезков линии передачи, к выходам которого подключены балластные развязывающие резисторы, соединенные в звезду, отличающийся тем, что между входом делителя мощности и входом разветвителя введен четвертьволновый отрезок линии передачи, волновое сопротивление которого ρ₁ выбирается из соотношения
,
при R₀=R_вх,
,
где n - число каналов делителя мощности;
ρ₂ - реализуемое волновое сопротивление четвертьволновых отрезков разветвителя;
R₀ - сопротивление каждого выхода разветвителя;
R_вх - входное сопротивление делителя мощности.