СУММАТОР СВЧ СИГНАЛОВ Российский патент 2021 года по МПК H01P5/16 

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ), в частности к устройствам сложения (деления) СВЧ сигналов, и может быть использовано для сложения (деления) СВЧ сигналов в фидерных трактах техники связи и радиолокационных устройств, телевидении, в измерительной технике.

При разработке устройств СВЧ возникает задача создания устройства сложения (деления) СВЧ сигналов на большой уровень рабочей мощности, с малыми потерями и хорошим согласованием в широком частотном диапазоне, имеющие малые массогабаритные показатели, при этом необходимо, чтобы входы сумматора были развязаны между собой. Развязка входов сумматора (делителя) позволяет осуществлять сложение (деление) сигналов, например, сложение СВЧ сигнала от нескольких генераторов при выходе одного или нескольких из строя.

Сложение (деление) СВЧ сигнала можно осуществлять с помощью кольцевого моста (Проектирование линзовых, сканирующих, широкодиапазонных антенн и фидерных устройств, Жук М.С. и Молочков Ю.Б., М., «Энергия», 1973). Кольцевые мосты могут быть выполнены на линиях различного типа: коаксиальных, симметричных и несимметричных полосковых линиях. Кольцевой мост содержит корпус и установленный внутри него проводник, выполненный в виде замкнутого кольца, выход, два входа, установленные по разные стороны от выхода на расстоянии, равном четверти длины волны, и второй выход, расположенный между входами на расстоянии четверти длины волны от одного из входов и трех четвертей от другого, и соединенный с согласованной нагрузкой.

При присоединении к двум входам генераторов, СВЧ сигналы от них складываются, и выход из строя одного из генераторов не сказывается на работе второго. В этом устройстве могут суммироваться сигналы большой мощности, так как мощность ограничивается, в основном, мощностью, которая способна выдержать согласованная нагрузка.

Однако указанное устройство имеет большие габариты. Полная длина средней линии кольца равна 1,5λ (Проектирование линзовых, сканирующих, широкодиапазонных антенн и фидерных устройств, Жук М.С. и Молочков Ю.Б. М., «Энергия», 1973).

Другим устройством, с помощью которого можно осуществлять сложение (деление) СВЧ сигнала является кольцевой делитель (сумматор) (Проектирование и расчет СВЧ элементов на полосковых линиях, Малорадский Л.Г., Явич Л.Р., М., «Советское Радио», 1972), состоящий из симметричного тройника, имеющий вход и 2 выхода, расположенные по разные стороны от входа на расстоянии равном четверти длины волны, и активное сопротивление, одним концом подключенное к первому выходу, вторым - ко второму. Делитель (сумматор) мощности обеспечивает развязку между выходными плечами, хорошее согласование, малые потери и значительно меньшие габариты, так как полная длина средней линии равна 0,5λ.

Однако этому устройству присущи следующие недостатки: - малый уровень рабочей мощности, так как активное сопротивление должно иметь небольшие размеры, что ограничивает мощность, рассеиваемую сопротивлением. Применение сопротивлений (резисторы типа Ρ1-2), в которых для увеличения рабочей мощности необходимо применять внешний радиатор, как правило, соединенный с корпусом устройства, приводит к значительному ухудшению параметров, из-за наличия паразитных реактивностей сопротивления (индуктивность и емкость выводов, емкость, образованная резистивным слоем и корпусом и т.п.).

Другим аналогом, выбранным в качестве прототипа в связи со сходством выполняемой технической задачи, является (сумматор) делитель (Делитель СВЧ сигналов, патент на полезную модель №113421, МПК Н01Р 5/16, опубл. 10.02.2012), содержащий симметричный тройник, имеющий вход, два выхода, расположенные по разные стороны от входа на расстоянии, равном четверти длины волны, и активное сопротивление, одним концом подключенное к первому выходу, вторым - ко второму, в котором введены два подстроечные элемента, причем первый подключен к одному выводу активного сопротивления, второй к другому выводу активного сопротивления.

Использование подстроечных элементов позволяет применять установленные на радиаторе сопротивления, рассчитанные на рассеяние сигнала большой мощности, что повышает рабочую мощность устройства. При этом сохраняются хорошее согласование, малые потери.

Однако недостатком этого устройства является невысокий уровень рабочей мощности, который может быть обусловлен тем, что активное сопротивление имеет небольшие размеры, отвод тепла на радиатор осуществляется с небольшой площади, что препятствует эффективному охлаждению сопротивления, приводит к перегреву сопротивления и, как следствие, ограничению рассеиваемой мощности. Увеличение количества резисторов приводит к увеличению площади, с которой осуществляется отвод тепла, но не позволяет сохранить хорошее согласование и малые потери. Это обусловлено тем, что активное сопротивление (резистор) имеет определенные геометрические размеры. Увеличение количества резисторов приводит к увеличению расстояния между участками выходных линий в местах подключения активных сопротивлений (например, в дециметровом диапазоне волн длина участка включения сопротивления может быть сравнима с длиной волны), что вызывает ухудшение параметров. Чтобы минимизировать расстояние между участками выходных линий в местах подключения активных сопротивлений, расстояние между резисторами необходимо сделать наименьшим, следовательно, резисторы должны быть установлены в одном месте на небольшой площади, что также ограничивает возможности эффективного охлаждения сопротивлений.

Технический результат предлагаемого технического решения - увеличение уровня рабочей мощности при сохранении хорошего согласования и малых потерь.

Другой технический результат предлагаемого технического решения - увеличение уровня рабочей мощности за счет перераспределения мощности рассеяния между активными сопротивлениями.

Указанный технический результат достигается тем, что в сумматор СВЧ сигналов, содержащий симметричный тройник, имеющий два выхода (входа), расположенные по разные стороны от выхода (входа) на расстоянии, равном четверти длины волны, активное сопротивление, включенное между входами (выходами) и подстроечные элементы, введены две дополнительные полуволновые СВЧ линии (например, два кабеля) и дополнительное активное сопротивление, при этом центральный проводник одной дополнительной линии одним концом присоединен к одному выводу активного сопротивления, вторым концом к одному выводу дополнительного активного сопротивления, центральный проводник второй линии одним концом присоединен к другому выводу активного сопротивления, вторым концом к другому выводу дополнительного активного сопротивления, причем величина сопротивлений (активного сопротивления, включенного между входами (выходами) и дополнительного активного сопротивления) отличаются от величины активного сопротивления, используемого в прототипе.

Дополнительный результат достигается тем, что активное сопротивление и дополнительное активное сопротивление имеют разные величины сопротивления.

В предложенном устройстве имеются существенные отличия от известных сумматоров (делителей).

В кольцевых сумматорах (делителях), например, выбранных в качестве аналога и прототипа, активное сопротивление должно находиться в непосредственной близости от участков выходных линий, и одним концом оно подключено к первой выходной линии, вторым - ко второй.

В кольцевом мосте нагрузка (активное сопротивление) расположена между выходами на расстоянии четверти длины волны от одного из выходов и трех четвертей от другого, т.е. две СВЧ линии имеют разные длины. Кроме того, у нагрузки (активное сопротивление) один конец подключен к месту соединения этих СВЧ линий, второй - «заземлен» (подключен к корпусу).

В делителе (сумматоре) используется одно активное сопротивление, одним концом подключенное к первому входу (выходу), вторым - ко второму.

В предложенном устройстве использовано 2 активных сопротивления, одно активное сопротивление установлено на расстоянии, равном четверти длины волны от выхода (входа), и одним концом подключенное к первому входу (выходу), вторым - ко второму входу (выходу). Второе (дополнительное) активное сопротивление соединено с первым сопротивлением с помощью дополнительных полуволновых СВЧ линий. Величина сопротивлений (активного сопротивления, включенного между выходами и дополнительного активного сопротивления) отличается от величины активного сопротивления, используемого в известных делителях (кольцевых делителях, кольцевых мостах).

Таким образом, во всех рассмотренных известных сумматорах (делителях) используются только одно активное сопротивление и отсутствуют дополнительные СВЧ линии.

Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию патентоспособности «изобретательский уровень».

Сущность изобретения будет более понятна из приведенного описания и прилагаемых к нему графических материалов.

На фиг. 1 показана схема предлагаемого устройства.

На чертеже и в тексте приняты следующие обозначения:

1 - выход сумматора;

2 - вход сумматора;

3 - вход сумматора;

4 - четвертьволновой отрезок СВЧ линии;

5 - четвертьволновой отрезок СВЧ линии;

6 -активное сопротивление;

7 - подстроечный элемент

8 - дополнительная полуволновая СВЧ линия;

9 - дополнительная полуволновая СВЧ линия;

10 - дополнительное активное сопротивление.

Сумматор СВЧ сигналов содержит симметричный тройник, выход 1 и два входа 2,3, расположенные по разные стороны от выхода 1 и соединенные с ним - четвертьволновые отрезки СВЧ линий 4, 5, активное сопротивление 6, включенное между выходами 2, 3, подстроечные элементы 7, две дополнительные полуволновые СВЧ линии 8, 9, дополнительное активное сопротивление 10. При этом центральный проводник одной дополнительной линии 8 одним концом присоединен к одному выводу активного сопротивления 6, вторым концом к одному выводу дополнительного активного сопротивления 10, центральный проводник второй линии 9 одним концом присоединен к другому выводу активного сопротивления 6, вторым концом к другому выводу дополнительного активного сопротивления 10. (Делитель СВЧ сигналов содержит соответственно вход 1 и два выхода 2, 3). Для создания дополнительных полуволновых СВЧ линий 8, 9 могут быть использованы кабели.

Подстроечные элементы 11 могут быть подключены непосредственно к выводам активного сопротивления 6. Подстроечные элементы 7 могут быть также подключены к выводам дополнительного активного сопротивления 10. Подстроечные элементы 7 могут быть установлены параллельно одному или обоим активным сопротивлениям 6, 10.

Активное сопротивление 6, как дополнительное активное сопротивление 10 может включать в себя несколько резисторов, соединенных между собой.

Сумматор СВЧ сигналов может быть выполнен на сосредоточенных элементах (четвертьволновые отрезки 4, 5 могут быть выполнены на сосредоточенных элементах) (Широкополосные устройства СВЧ на элементах с сосредоточенными параметрами, Карпов В.М., Малышев В.А., Перевощиков И.В. - М., Радио и связь 1984, с. 54-62). От этого сущность изобретения не меняется.

Сумматор (делитель) СВЧ сигналов работает следующим образом.

Если устройство использовать в качестве сумматора, то данное устройство работает следующим образом:

При условии, что сигналы, поступившие на входы 2, 3, имеют одинаковую амплитуду и фазу, через четвертьволновые отрезки 4, 5 происходит сложение сигналов и они поступают на выход 1.

В том случае, если сигналы, поступившие на входы 2, 3, имеют разные амплитуды и (или) фазы, то эти сигналы поступают на выход 1 не только через четвертьволновые отрезки 4, 5, соединяющие входы 2, 3 с выходом 1, но и через активное сопротивление 6, дополнительные полуволновые СВЧ линии 8, 9 дополнительное активное сопротивление 10. Таким образом, на каждом из выходов 3, 2 складываются сигналы в противофазе, тем самым достигается компенсация отраженного сигнала, то есть, достигается развязка между выходами 2 и 3. При этом половина мощности поступает на выходы 3, 2, а половина рассеивается на сопротивлениях 6, 10. Равенство (по мощности и по фазе), а следовательно, полная компенсация отраженных сигналов, приходящих на выходы 3, 2 может достигаться подстроечными элементами 7, которые могут быть подключены либо непосредственно к выводам активного сопротивления 6, либо подключены к выводам дополнительного активного сопротивления 10, либо могут быть установлены параллельно одному или обоим активным сопротивлениям 6, 10.

В том случае, если устройство использовать в качестве делителя, то данное устройство работает следующим образом:

СВЧ сигнал, поступивший на вход 1, разделяется поровну между двумя выходами 2, 3, расположенными на расстоянии, равном четверти длины волны от входа 1. Сигналы на выходах 2, 3 равны и синфазны, если выходы 2, 3 согласованы. Согласование выходов 2, 3 достигается присоединением к ним согласованных нагрузок (на фиг. 1 не показаны), компенсирование паразитных реактивностей сопротивлений 6, 10 может осуществляться подстроенными элементами 7.

В случае рассогласования одного из выходов, например, второго, сигнал, отраженный от выхода 2, поступает на выход 3 двумя путями: через активное сопротивление 6, дополнительные полуволновые СВЧ линии 6, 7 (общая длина которых равна длине волны), дополнительное активное сопротивление 8, и через четвертьволновые отрезки 4, 5, общая длина которых равна половине длины волны. Таким образом, на выходе 3 складываются два сигнала в противофазе, тем самым достигается компенсация отраженного сигнала, то есть, достигается развязка между выходами 2 и 3. При этом половина мощности поступает на выход 3, а половина рассеивается на сопротивлениях 6, 10. Равенство (по мощности, и по фазе), а следовательно, полная компенсация отраженных сигналов, приходящих на выход 3 достигается подстроенными элементом 7. В силу симметрии делителя СВЧ сигналов аналогичные рассуждения справедливы и при рассогласовании выхода 3.

Введение двух дополнительных полуволновых СВЧ линий (например, двух кабелей) 8, 9 и присоединением к ним дополнительного активного сопротивления 10 позволяет не увеличивать расстояние между участками выходных линий в местах подключения активного сопротивления 6, что приводит к улучшению согласования и уменьшению потерь. Увеличение уровня рабочей мощности происходит за счет увеличения количества активных сопротивлений (введением дополнительного активного сопротивления 10). Причем введение дополнительного активного сопротивления 10, расположенного вне корпуса сумматора (делителя) позволяет установить дополнительное активное сопротивление 10 на отдельный радиатор. Радиатор может быть больших размеров (размеры радиатора не ограничены размерами устройства).

Кроме того, использование двух различных активных сопротивлений позволяет использовать активное сопротивление 6 и дополнительное активное сопротивление 10 с разными значениями величины сопротивления, например, активное сопротивление 6 (набор резисторов) имеет значение сопротивления, равное 400 Ом, а дополнительное активное сопротивление 10 имеет значение сопротивления, равное 133 Ом. Следовательно, использование предложенного технического решения позволяет распределять рассеиваемую мощность между сопротивлениями. Это позволяет увеличивать рассеиваемую мощность с того сопротивления, которое легче охлаждать, например, имеет увеличенные размеры радиатора, большее «оребрение» радиатора, возможности принудительного охлаждения (воздушного или жидкостного) и т.п. Все это позволяет еще больше увеличить уровень рабочей мощности при сохранении хорошего согласования и малых потерь.

Использование данного изобретения позволяет создать устройство сложения (деления) СВЧ сигналов на большой уровень рабочей мощности, с малыми потерями и хорошим согласованием, входы которого развязаны между собой.

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот. Сумматор СВЧ сигналов содержит симметричный тройник, имеющий два выхода, расположенные по разные стороны от выхода на расстоянии, равном четверти длины волны, активное сопротивление, включенное между входами, подстроечные элементы, две дополнительные полуволновые СВЧ линии, дополнительное активное сопротивление, при этом центральный проводник одной дополнительной линии одним концом присоединен к одному выводу активного сопротивления, вторым концом к одному выводу дополнительного активного сопротивления, центральный проводник второй линии одним концом присоединен к другому выводу активного сопротивления, вторым концом к другому выводу дополнительного активного сопротивления. Технический результат предлагаемого технического решения - увеличение уровня рабочей мощности при сохранении хорошего согласования и малых потерь. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Дополнительный результат достигается тем, что активное сопротивление и дополнительное активное сопротивление имеют разные величины сопротивления.

1. Сумматор СВЧ сигналов, содержащий симметричный тройник, имеющий два входа, расположенные по разные стороны от выхода на расстоянии, равном четверти длины волны, активное сопротивление, включенное между входами, подстроечные элементы, отличающийся тем, что введены две дополнительные полуволновые СВЧ линии и дополнительное активное сопротивление, при этом центральный проводник одной дополнительной линии одним концом присоединен к одному выводу активного сопротивления, вторым концом к одному выводу дополнительного активного сопротивления, центральный проводник второй линии одним концом присоединен к другому выводу активного сопротивления, вторым концом к другому выводу дополнительного активного сопротивления.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что активное сопротивление и дополнительное активное сопротивление имеют разные величины сопротивления.