Результат интеллектуальной деятельности: СВЧ РАЗДЕЛИТЕЛЬНО-СУММИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО

Предлагаемое устройство относится к технике СВЧ и может быть использовано в выходных каскадах усилителей мощности СВЧ, применяемых в передатчиках различного назначения для наращивания уровня выходной мощности.

Актуальность разработки таких устройств существует уже более сорока лет с развитием микроминиатюризации аппаратуры СВЧ. В настоящее время эта концепция построения, основанная на принципе суммирования твердотельных усилителей, вытесняет электровакуумные приборы с высоковольтным питанием, опасным при эксплуатации. Естественно, разновидностей подобных устройств разработано немало. Скажем в работе С. В. Гармаша, А.А. Кищинского "Сравнительный анализ схем суммирования мощности СВЧ усилителей с октавной полосой частот" (ГосЦНИРТИ г. Москва, АО "Микроволновые системы", 01.02.2003) приводится пять типов сумматоров на основе направленных ответвителей. И такие типы сумматоров, на основе которых строятся усилители мощности, непрерывно совершенствуются, о чем свидетельствует например диссертация И.В. Муниной "Разработка и исследование направленных ответвителей с расширенными функциональными возможностями, выполненные с. применением многослойных технологий", Санкт - Петербург, 2015 г. Примером построения усилителя мощности СВЧ на базе делителей - сумматоров является патент на изобретение 2339157, МПК - H03F 3/60, пу6. 20.11.2008 г. "Многокаскадное устройство суммирования мощности СВЧ усилителей". Устройство представляет собой последовательное соединение каскадов с параллельным делением - суммированием множества усилителей с бинарным распределением по каскадам (в данном случае от 2 до 128 усилителей в каскаде). Аналогичное построение имеет полезная модель 132650 "Усилитель СВЧ высокого уровня мощности" пуб. 20.09.2013 г с тем отличием, что все делители и сумматоры одинаковы по построению с делением - суммированием на 2. В обоих случаях первый каскад является как бы разгонным, предварительным, а последующие наращивают мощность, что приводит к изменению режима работы последующих усилителей. Аналогичная ситуация наблюдается в "Многокаскадном балансном усилителе на СВЧ - транзисторах" по авт св. 2009610, МПК - H03F 3/60, пуб. 15.03.1994. В нем решается задача резкого уменьшения числа разделительных конденсаторов, что упрощает конструкцию и настройку устройства в целом. Последнее происходит по причине того, что конденсаторы вносят потери и рассогласование в тракт СВЧ.

Однако прототипом предлагаемого изобретения является патент на изобретение 2123231, «Сверхвысокочастотное разделительно - суммирующее устройство», МПК - H03F 3/60, публ. 10.12.1988. Ее формула изобретения: «Сверхвысокочастотное разделительно - суммирующее устройство, содержащее идентичные N - канальные делитель и сумматор мощности, выполненные в виде цепочечного соединения N -1 направленных ответвителей с различными переходными затуханиями, где N - натуральное число более 2, (N -1)×2 балластных резисторов, N усилительных модулей, при этом выходы делителя и входы сумматора соединены усилительными модулями, балластные резисторы подключены к соответствующим зажимам направленных ответвителей, а вход делителя и выход сумматора служат соответственно входом и выходом разделительно суммирующего устройства, отличающееся тем, что в него дополнительно введены две одинаковые линии задержки, а направленные ответвители выполнены двухшлейфными, при этом одна линия задержки включена перед усилительным модулем наиболее удаленного, а другая линия задержки включена после усилительного модуля ближайшего ко входу устройства.» Представленная формула требует пояснения. Само цепочечное построение ответвителей делителя и сумматора подразумевает различное их затухание, при котором сумма затуханий соответствующих ответвителей делителя и сумматора по цепочке должна быть одинаковой. При нарастании затухания ответвителей сумматора от входа к выходу-затухания соответствующих ответвителей делителя должно уменьшатся. Это обеспечивает как необходимость одинакового усиления всех модулей, так и равность суммирования мощностей этих усилительных модулей, работающих на пределе своих возможностей. Как следует из описания прототипа, в составе каждого из них (фиг. 1 прототипа) на входе и выходе имеются разделительные конденсаторы. Они там необходимы для предотвращения подсадки источников питания усилителей, что непременно возникает при использовании двухшлейфных ответвителей, которые гальванически связаны с балластными резисторами, а также входом и выходом устройства. Но, как отмечено выше, применение конденсаторов на высоком уровне сигнала СВЧ приводит к потерям мощности всего устройства. Последнее и послужило причиной создания и разработки нашего изобретения. Снижение числа разделительных конденсаторов работающих на высоком уровне мощности СВЧ в устройстве стало возможно при использовании ответвителей на связанных линиях. В настоящее время имеется несколько их модификаций. Наиболее простой и ясный вариант содержит первичную линию связи, параллельно которой с требуемым зазором, связанным с необходимым затуханием, проходит вторичная, другая линия определенной длины и конфигурации. Главное достоинство этого типа ответвителей состоит в том, что постоянный ток из вторичной линии, связанной с усилителем и источником питания, не проходит в первичную линию. Подчеркнем - это обстоятельство и позволяет применять такие связанные линии для гальванической развязки непрерывного соединения первичных линий, связанных со входом и выходом всего устройства, от вторичных линий ответвителей, связанных с усилителями и их источниками питания. Однако при этом вблизи и последовательно балластным резисторам (не важно - до или после) необходимо поставить конденсаторы для исключения подсадки источников питания. Но они будут при этом находится в поле низкой мощности СВЧ (балластные резисторы устанавливают у того конца вторичной линии ответвителя, где мощность менее входной на величину развязки порядка 20дБ). В итоге на высоком уровне мощности в устройстве достаточно иметь лишь два конденсатора в непрерывных первичных линиях ответвителей делителя и сумматора - после выхода первого от входа усилительного модуля и перед входом последнего. Очевидно, что конденсаторы на существенно низком уровне мощности СВЧ имеют и меньшие габариты и стоимость. Если у нашего прототипа на высоком уровне используется 8 конденсаторов, то в нашем устройстве их нужно лишь 2. Емкость последних конденсаторов должна быть такой, чтобы их сопротивление не только на рабочей частоте, но и на частотах гармоник было бы достаточно малым. А сопротивление на СВЧ емкости конденсаторов вблизи балластных резисторов было бы значительно меньше их номинала, обычно равного 50 Ом.

В несколько упрощенном виде прототип на 4 усилительных модулей представлен на фиг 1, а предложенное устройство - с использованием тех же 4 усилительных модулей в функциональном виде изображено на фиг 2. На этих, функциональных схемах НО означает направленный ответвитель, усилительный модуль-УМ„ Ср- разделительные конденсаторы возле УМ, а просто С-конденсатор возле балластных резисторов, обозначенных R. Цепочки из НО делителя обозначены как Д, а соответствующие цепочки сумматора - как С. У прототипа линии задержки обозначены Л3, а входы и выход обоих устройств обозначены как Вх и Вых.

Работает предложенное устройство следующим образом. Входной сигнал, допустим мощностью 40 Вт, поступает на «Вх» или на вход непрерывной линии из первичных линий направленных ответвителей делителя «Д» и далее по цепочке поступает на вторичные линии этих ответвителей. При этом на выходе вторичной линии первого ответвителя с переходным затуханием в 6 дБ входной сигнал уменьшается в 4 раза и далее с мощностью 10 Вт поступает на вход первого от входа усилительного модуля УМ, имеющего, как и все другие УМ, коэффициент усиления ровно 10. На второй НО делителя, имеющий ослабление 4,77 дБ, остаточный сигнал мощностью 30 Вт (40- 10) поступает на его первичную линию, отчего на его вторичной линии ослабляется в 3 раза, и на вход 2 - го УМ поступает, как и на 1 - й УМ, сигнал мощностью в 10 Вт.На 3 - й НО, имеющий ослабление в 3 дБ, остаточный сигнал поступает уже величиной 20 Вт (30 -10), а далее на его выходе, уменьшившись в 2 раза, величиной 10 Вт поступает на вход 3-го УМ, а остаточный сигнал мощностью 10 Вт(20-10) поступает через Ср на вход 4 - го УМ прямо по первичной непрерывной линии НО цепочки делителя Д. Таким образом все четыре УМ усиливают свои сигналы СВЧ в 10 раз и на их выходах образуются сигналы мощностью по 100 Вт. Далее все выходные, усиленные до 100 Вт, сигналы с выходов УМ обратным порядком относительно делителя поступают на соответствующие: входы НО сумматора. В результате чего на выходе «Вых» сумма мощностей от 4 - х УМ образуется общая мощность в 400 Вт.. Таким образом поставленная цель в виде сокращения потерь мощности СВЧ сигнала за счет Ср со всей очевидностью выполняется.

Реальная величина Ср в рабочем макете составляет 3,3 пФ, а С-100 пФ. Общие потери на СВЧ в конденсаторах в целом зависят от их реактивного сопротивления, добротности, потерь за счет отражений и составляют в диапазоне X около 0,2 дБ, что при нашем выигрыше в 6 конденсаторов Ср составит 1,2 дБ. Изготовлены и успешно испытаны два рабочих макета с выходной мощностью около 400 Вт в полосе более 5% диапазона Х.Реальная электрическая схема устройства вошла в состав » Усилителя выходного» РАВС. 434.816.036 33.