Делитель высокочастотных сигналов Российский патент 2023 года по МПК H01P5/16 

Изобретение относится к области высокочастотной техники и может быть использовано для деления или сложения синфазных сигналов при построении многоканальных усилителей мощности, используемых в радиопередающих системах различного назначения, а также в медицинской хирургической высокочастотной аппаратуре и физиотерапевтических приборах.

Известен делитель (сумматор) высокочастотных сигналов мостового типа с одним входом и двумя выходами, выполненный на трех четвертьволновых отрезках несимметричной линии передачи и одном отрезке несимметричной линии передачи, длина которого составляет 3/4 длины волны. Волновое сопротивление всех отрезков несимметричной линии передачи, включенных в виде замкнутого кольца, одинаково и в раз больше входного сопротивления. Кроме того, данный делитель (сумматор) высокочастотных сигналов содержит балластный (активный) резистор, величина которого равна входному сопротивлению. Один вывод балластного резистора соединен с общим корпусом, а другой вывод подключен к замкнутому кольцу на расстоянии четверти длины волны от первого выхода и три четверти длины волны от второго выхода устройства (см. книгу: Устройства сложения и распределения мощностей высокочастотных колебаний / В.В. Заенцев, В.М. Катушкина, С.Е. Лондон, З.И. Модель; под ред. З.И. Моделя. – М.: Сов. Радио, 1980. – 296 с. См. рис. 1.9 на стр. 12). Описанный делитель (сумматор) высокочастотных сигналов имеет высокое качество согласования на центральной частоте полосы пропускания за счет того, что высокочастотные сигналы, распространяющиеся в замкнутом кольце, поступают на балластный резистор в противофазе. В этом случае выходы оказываются электрически развязанными. Основным недостатком этого устройства является узкая полоса рабочих частот, порядка 5%. Это обусловлено большим изменением фазы в самом длинном отрезке несимметричной линии передачи.

Более широкой полосой рабочих частот обладает делитель (сумматор) высокочастотных сигналов, содержащий балластный резистор и два четвертьволновых отрезка несимметричной линии передачи, начала которых соединены вместе и подключены ко входу устройства. Концы каждого из четвертьволновых отрезков несимметричной линии передачи соединены с выводами балластного резистора, которые подключены соответственно к первому и второму выходу делителя (сумматора) высокочастотных сигналов. Сопротивление балластного резистора равно удвоенному значению входного сопротивления делителя (сумматора) высокочастотных сигналов, а волновое сопротивление обоих четвертьволновых отрезков несимметричной линии передачи в раз превышает входное сопротивление (см. книгу: Устройства сложения и распределения мощностей высокочастотных колебаний / В.В. Заенцев, В.М. Катушкина, С.Е. Лондон, З.И. Модель; под ред. З.И. Моделя. – М.: Сов. Радио, 1980. – 296 с. См. рис. 1.7 на стр. 12). Описываемый делитель (сумматор) высокочастотных сигналов обладает электрической симметрией относительно выходов и содержит только два четвертьволновых отрезка несимметричной линии передачи. Поэтому полоса рабочих частот составляет порядка 10%. Недостатком описываемого делителя (сумматора) высокочастотных сигналов является работа на малом уровне мощности входного сигнала. Это обусловлено тем, что мощность балластного резистора должна быть сопоставима с мощностью сигнала, подводимого ко входу. Поэтому в данном устройстве при работе на высоком уровне мощности требуется мощный балластный резистор, который имеет паразитную индуктивность и паразитную емкость. При этом на частотах менее 100 МГц паразитной индуктивностью мощных балластных резисторов, как правило, можно пренебречь, поскольку она не превышает 2-4 нГ. Величина паразитной емкости, которая равна нескольким пФ при уровне мощности 100-200 Вт, приводит к существенному рассогласованию по обоим выходам и входу, а также уменьшению развязки между выходами делителя (сумматора) высокочастотных сигналов, что недопустимо при большом уровне мощности входного сигнала.

Известен делитель (сумматор) высокочастотных сигналов, являющийся прототипом предлагаемого изобретения и содержащий симметричный тройник, имеющий вход и два выхода, расположенные по разные стороны от входа и соединенные четвертьволновыми линиями передачи со входом, балластный (активный) резистор, одним концом подключенный к первому выходу, вторым - ко второму выходу, два подстроечных элемента, причем первый подключен к одному выводу балластного резистора, а второй к другому выводу балластного резистора (патент на полезную модель №113421, кл. МПК Н01Р 5/16, опубликовано 10.02.2012). Анализ частотных свойств прототипа в компьютерном схемотехническом САПР показал, что подстроечные элементы позволяют увеличить уровень мощности входного сигнала за счет компенсации влияния паразитной емкости мощного балластного резистора только в узкой полосе рабочих частот. Каждый подстроечный элемент и половина паразитной емкости образуют колебательную систему, настроенную в резонанс на центральной частоте полосы пропускания. При этом подстроечный элемент представляет собой разомкнутый на конце отрезок линии передачи, длина которого больше четверти длины волны. Это приводит к существенному уменьшению полосы частот качественного согласования за счет резонансной компенсации с помощью подстроечного элемента паразитной емкости балластного резистора. Отметим, что значительная длина двух подстроечных элементов существенно увеличивает габаритные размеры делителя (сумматора) высокочастотных сигналов.

Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является расширение полосы рабочих частот и уменьшение габаритных размеров при сохранении высокого уровня мощности входного сигнала.

Поставленная задача достигается тем, что делитель высокочастотных сигналов, выполненный в виде симметричного тройника, имеющего один вход и два выхода, расположенные по разные стороны от входа, и содержащий два одинаковых отрезка линий передачи, одними концами соединенные между собой и со входом, а другими концами подключенные к соответственно к первому и второму выходу, балластный резистор, включенный между первым и вторым выходом, и два подстроечных элемента, при этом в делитель высокочастотных сигналов введен третий подстроечный элемент, выполненный в виде конденсатора, включенного между входом и общим корпусом, емкость которого равна

,

где: С - емкость третьего подстроечного элемента в виде конденсатора;

- центральная частота входного сигнала;

- входное сопротивление делителя высокочастотных сигналов;

первый и второй подстроечные элементы выполнены в виде конденсаторов, каждый из которых одним выводом подключен к одному из выходов, а другим соединен с общим корпусом, при этом их емкость равна

,

где: – емкость первого подстроечного элемента в виде конденсатора;

- емкость второго подстроечного элемента в виде конденсатора;

- результирующая паразитная емкость балластного резистора;

длина каждого из отрезков линий передачи выбрана равной

,

где: L – длина отрезков линий передачи;

- длина волны, соответствующая частоте ;

- относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика

отрезков линий передачи;

а волновое сопротивление принято превышающим в 1,5 раза входное сопротивление делителя высокочастотных сигналов.

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого делителя высокочастотных сигналов. На фиг. 2 приведены частотные зависимости коэффициента стоячей волны (КСВ) по входу (кривая 1) и каждому из выходов (кривая 2) делителя высокочастотных сигналов. На фиг. 3 приведена частотная зависимость развязки между выходами делителя высокочастотных сигналов. На фиг. 4 приведены графики частотной зависимости КСВ по выходу для прототипа (пунктирная линия) и предлагаемого устройства (сплошная линия).

Делитель высокочастотных сигналов содержит вход 1, два выхода 2 и 3, два одинаковых отрезка линии передачи 4 и 5, которые соответственно соединяют выходы 2 и 3 со входом 1. Балластный резистор 6 включен между выходами 2 и 3. Подстроечные элементы в виде конденсаторов 7 и 8 подключены соответственно к выводам балластного резистора 6 и общему корпусу. Третий подстроечный элемент 9 в виде конденсатора подключен ко входу и общему корпусу.

Предлагаемый делитель высокочастотных сигналов работает следующим образом. При подаче высокочастотного сигнала на вход 1 происходит равное деление мощности этого сигнала на выходах 2 и 3. При этом в балластном резисторе 6 мощность не выделяется, поскольку делитель высокочастотного сигнала выполнен в виде симметричного тройника, следовательно, к выводам балластного резистора 6 подводятся одинаковые и синфазные напряжения. В результате этого обеспечивается развязка между выходами 2 и 3 не менее 25 дБ в полосе частот, в которой КСВ по каждому из выходов 2, 3 не превышает значения 1,2. Следует отметить, что сопротивление балластного резистора, также как в прототипе и в аналогах, равно удвоенному значению входного сопротивления делителя высокочастотных сигналов.

Для определения коэффициента отражения предлагаемого делителя высокочастотных сигналов относительно каждого из выходов 2 и 3, воспользуемся известным методом четного и нечетного возбуждения для симметричных устройств. В режиме нечетного возбуждения на выходы 2 и 3 подаются противофазные сигналы. Вследствие этого по оси симметрии имеет место режим нулевого потенциала, что соответствует режиму короткого замыкания. В режиме нечетного возбуждения проводимость на центральной частоте для одного из выходов, например 2, с учетом паразитной емкости балластного резистора 6 будет равна

, (1)

где: – физическая длина отрезков линий передачи 4 и 5,

указанная в формуле изобретения.

Подставив в соотношение (1) значение длины L отрезка линии передачи 4 и значение емкости подстроечного элемента в виде конденсатора 7, как указано в формуле изобретения, находим

. (2)

Как видно из соотношения (2), при выбранных в соответствии с формулой изобретения параметрах элементов делителя высокочастотных сигналов для режима нечетного возбуждения реальная часть проводимости равна , а мнимая часть практически близка к 0. Это означает, что в режиме нечетного возбуждения для выходов 2 и 3 на центральной частоте обеспечивается режим полного согласования.

В режиме четного возбуждения на выходы 2 и 3 подаются синфазные сигналы. В этом случае по оси симметрии напряжения одинаковые, что соответствует режиму холостого хода. В рассматриваемом симметричном устройстве для обеспечения режима согласования при выполнении равенства мнимая часть проводимости в режиме четного возбуждения также должна быть равна . Тогда реальная часть проводимости будет равна .

По известным значениям и в соответствии с методом четного и нечетного возбуждения определяем значение коэффициента отражения относительно выходов 2 и 3 для предлагаемого делителя высокочастотных сигналов

, (3)

Подставив в соотношение (3) найденные выше значения и получим, что на центральной частоте при указанных формуле изобретения параметрах отрезков линий передачи и значений емкостей трех подстроечных элементов коэффициент отражения . То есть, каждый из выходов 2 и 3 оказывается согласованным. Поскольку в рабочем режиме на балластном резисторе 6 мощность не рассеивается, то в соответствии с законом сохранения энергии по входу 1 также поддерживается режим согласования.

Метод четного и нечетного возбуждения позволяет рассчитать развязку между выходами 2 и 3 по следующему соотношению

, (4)

где: - развязка между выходами 2 и 3 на центральной

частоте .

Из соотношения (4) следует, что на центральной частоте выходы 2 и 3 оказываются полностью развязанными, что является необходимым условием для функционирования делителя высокочастотных сигналов.

Результаты расчета в компьютерной САПР частотной зависимости КСВ по входу (кривая 1) и по выходу (кривая 2) предлагаемого делителя высокочастотных сигналов приведены на фиг. 2. Из рассмотрения графиков фиг. 2 видно, что на центральной частоте в предлагаемом устройстве наблюдается режим полного согласования как по входу 1, так и по выходам 2 и 3. На графике фиг. 3 приведен результат моделирования частотной зависимости развязки между выходами 2 и 3. Как видно из графика фиг. 3, при полном согласовании по входу 1 и выходам 2 и 3 на центральной частоте развязка максимальна. Необходимо отметить, чем лучше качество согласования, тем больше развязка. На графике фиг. 4 приведены результаты моделирования в компьютерной САПР частотной зависимости КСВ для прототипа (пунктирная линия) и предлагаемого устройства (сплошная линия). Расчеты выполнены для центральной частоты МГц и результирующей паразитной емкости балластного резистора 55,6 пФ. Как видно из рассмотрения графиков фиг. 4, предлагаемый сумматор высокочастотных сигналов имеет полосу рабочих частот 6,9 МГц, а прототип - 4,3 МГц, что в 1,6 раза больше. Увеличение полосы рабочих частот в предлагаемом устройстве объясняется не используются резонансные режимы. В данном случае подстроечные элементы в виде конденсаторов 7, 8 и 9 совместно с отрезками линий передачи 4 и 5 образуют структуры типа фильтра нижних частот с широкой полосой пропускания.

При аварийном отключении одной из нагрузок делителя высокочастотных сигналов часть мощность входного высокочастотного сигнала рассеивается на балластном резисторе 6, который должен быть рассчитан на эту мощность. Чем больше мощность балластного резистора, тем больше его паразитная емкость. В таблице 1 приведены результаты расчета значений максимально допустимой паразитной емкости балластного резистора, влияние которой может быть скомпенсировано в предлагаемом устройстве для различных значений центральной частоты .

Таблица 1. Значения максимально допустимой паразитной емкости

балластного резистора.

, МГц 25 50 100 200 400 800 , пФ 59,73 29,94 15,00 7,50 3,75 1,88

В настоящее время в качестве мощных балластных резисторов широкое применение нашли планарные пленочные резисторы с диэлектрической подложкой из бериллиевой керамики, которая эффективно отводит рассеиваемую мощность на внешний радиатор. Балластные резисторы такого типа на уровень мощности 100-200 Вт имеют общую паразитную емкость от 2 пФ до 10 пФ. Как следует из формулы изобретения, половина этой емкости входит в состав емкости подстроечных элементов. Проведенные расчеты показали, что на частоте 27 МГц емкости подстроечных элементов 7 и 8 равны 27,8 пФ. Такое значение емкости позволяет заместить результирующую паразитную емкость пФ балластного резистора с рассеиваемой мощностью несколько кВт. Отметим, что в этом случае в делителе высокочастотных сигналов остается только один подстроечный элемент 9, а функцию подстроечных элементов 7 и 8 выполняет паразитная емкость балластного резистора.

Большие значения емкостей подстроечных элементов 7 и 8 обеспечивают работу на высоком уровне мощности входного высокочастотного сигнала. Большие значения емкостей обеспечены за счет того что, предложено выбрать значение волнового сопротивления отрезков линий передачи 4 и 5, равное . При общепринятом значении Ом волновое сопротивление отрезков линий передачи 4 и 5 составляет 75 Ом. Данное значение является стандартным для коаксиальных кабелей.

Как показывают расчеты, выполненные по соотношениям, приведенным в формуле изобретения, на частоте 200 МГц значение емкости подстроечных элементов 7 и 8 равно 3,75 пФ. Если это значение удвоить, то получим результирующую паразитную емкость балластного резистора 6, равную 7,5 пФ. Из практики известно, что такому значению паразитной емкости соответствует допустимая рассеиваемая мощность порядка 250 Вт при использовании балластного резистора 6, реализованного по пленочной технологии на диэлектрической подложке из бериллиевой керамики. При этом максимально допустимая мощность на входе делителя высокочастотных сигналов на частоте 200 МГц составит 500 Вт. Таким образом, предлагаемое устройство работоспособно на высоком уровне мощности входного сигнала.

Как было показано выше, предлагаемое устройство имеет в 1,6 раза большую полосу рабочих частот по сравнению с прототипом и характеризуется высокой технологичностью, поскольку содержит только конденсаторы, планарный пленочный резистор и два отрезка линий передачи с длиной на 22% меньше . Указанная длина отрезков линий передачи позволяет уменьшить габаритные размеры. Кроме того, выполнение подстроечных элементов в виде конденсаторов также существенно уменьшает габаритные размеры. В диапазоне частот 20-100 МГц в качестве отрезков линий передачи используется коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 75 Ом, обладающий хорошими экранирующими свойствами. В диапазоне частот 200-2000 МГц технологически целесообразно использовать микрополосковые линии передачи. Отсутствие катушек индуктивности в предлагаемом устройстве уменьшает потери на излучение, что актуально при работе на высоком уровне мощности. Приведенные выше технические характеристики имеют хорошее совпадение с экспериментальными результатами, полученными при испытании опытного образца.

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к делителям сигналов. Делитель высокочастотных сигналов содержит один вход и два выхода, два одинаковых отрезка линий передачи, одни концы которых соединены между собой и со входом делителя, а другие концы соответственно подключены к первому и второму выходам, балластный резистор, выводы которого соединены с первым и вторым выходами, и три подстроечных элемента, выполненные в виде конденсаторов, один из выводов которых соответственно подключен ко входу и к первому и второму выходам, а оставшиеся выводы подстроечных элементов соединены с общим корпусом. Волновое сопротивление отрезков линий передачи выбрано в 1,5 раза больше входного сопротивления делителя высокочастотных сигналов. Емкость третьего элемента определяется по формуле , а длина отрезков линий передачи равна . Технический результат - расширение полосы рабочих частот и уменьшение габаритных размеров. 4 ил., 1 табл.

Делитель высокочастотных сигналов, выполненный в виде симметричного тройника, имеющего один вход и два выхода, расположенные по разные стороны от входа, и содержащий два одинаковых отрезка линий передачи, одними концами соединенные между собой и со входом, а другими концами подключенные соответственно к первому и второму выходам, балластный резистор, включенный между первым и вторым выходами, и два подстроечных элемента, отличающийся тем, что в него введен третий подстроечный элемент, выполненный в виде конденсатора, включенного между входом и общим корпусом, емкость которого равна

,

где: С - емкость третьего подстроечного элемента в виде конденсатора;

- центральная частота входного сигнала;

- входное сопротивление делителя высокочастотных сигналов;

первый и второй подстроечные элементы выполнены в виде конденсаторов, каждый из которых одним выводом подключен к одному из выходов, а другим соединен с общим корпусом, при этом их емкость равна

,

где: – емкость первого подстроечного элемента в виде конденсатора;

- емкость второго подстроечного элемента в виде конденсатора;

- результирующая паразитная емкость балластного резистора;

длина каждого из отрезков линий передачи выбрана равной

,

где: L – длина отрезков линий передачи;

- длина волны, соответствующая частоте ;

- относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика

отрезков линий передачи;

а волновое сопротивление принято превышающим в 1,5 раза входное сопротивление делителя высокочастотных сигналов.