Многоканальный полосковый делитель мощности

Предлагаемое устройство относится к СВЧ-технике и может быть использовано для деления и суммирования сигналов в различных СВЧ-схемах, в том числе в схемах сложения мощностей нескольких передатчиков, схемах усиления СВЧ-мощности, в системах запитки фазированных антенных решеток (ФАР) и т.д.

Многоканальные делители-сумматоры мощности, как правило, строятся по так называемой бинарной схеме, представляющей собой каскадное соединение двухканальных ячеек деления мощности. При этом легче и проще всего обеспечивается фазовая идентичность каналов - один из наиболее важных параметров данных устройств.

С точки зрения уменьшения габаритов и массы предпочтительней полосковые варианты конструктивной реализации многоканальных делителей. Поэтому они наиболее широко используются во многих инженерных решениях, в частности, при разработке устройств, работающих на высоких уровнях мощности.

Выбор базовой ячейки деления для многоканального бинарного делителя определяется многими факторами. В технике СВЧ известно значительное число двухканальных делителей мощности, причем некоторые из них могут служить базовой ячейкой при построении многоканальных делителей. Так, широко используемый кольцевой делитель мощности (Малорацкий Л.Г. и др. "Проектирование и расчет СВЧ-элементов на полосковых линиях, М., Сов. радио", 1972, стр. 132) малогабаритен, имеет хорошие радиотехнические характеристики в достаточно широком диапазоне частот, но только при условии малости ( ) размеров входящего в его конструкцию балластного резистора, обуславливающего развязку между выходными плечами делителя. Поскольку рост канализируемой устройством средней мощности однозначно приводит к необходимости повышения мощности балластного резистора, а следовательно, - и его размеров, то происходит резкое ухудшение основных радиотехнических характеристик этого элемента - в первую очередь, возрастают активные потери, разносятся по диапазону частот точки минимального КСВН со входа делителя и максимальной развязки между выходными плечами и т.п. (Заикин Б.М. и др. "Исследование влияния длины резистора на частотные характеристики синфазного направленного делителя мощности СВЧ", Вопросы судостроения, серия ОТ, 1976, вып. 17). Практически применение подобного устройства в сантиметровом диапазоне частот возможно, если мощность на входе делителя не превышает 10 Вт.

Для деления и суммирования мощностей более высокого уровня интерес представляют мостовые устройства, содержащие развязанные от входа плечи с подключенными к ним поглощающими нагрузками, рассеивающими мощность, просачивающуюся в эти плечи вследствие неидеальности развязки в широком диапазоне частот, а также вследствие наличия несинфазных составляющих у сигналов, отраженных от нагрузок выходных плеч делителя. Предельная средняя мощность в таком устройстве определяется допустимой мощностью рассеивания поглощающей нагрузки в развязанных плечах, размеры которой могут быть выполнены достаточно большими в соответствии с требуемой мощностью рассеяния без ухудшения параметров делителя.

К устройствам такого типа относятся широко используемые в СВЧ-технике кольцевые 4-плечие мосты, описанные, например, в в книге "Конструирование и расчет полосковых устройств", под редакцией И.С. Ковалева, М., "Сов. радио", 1974.

Однако 4-плечие кольцевые мосты при использовании в достаточно широком диапазоне частот имеют присущую им амплитудную и фазовую неидентичность выходных плеч. Этот недостаток отсутствует у кольцевого моста, имеющего 5 плеч (Г.А. Илларионова "Гибридное кольцевое соединение с пятью плечами", "Вопросы радиоэлектроники", серия ОТ, вып. 24, 1967, стр. 19-30). В связи с этим его использование для построения многоканальных делителей мощности весьма перспективно.

Примером использования 5-плечего моста для построения многоканальных делителей мощности являются разработанные на нашем предприятии устройства деления ГК2.207.117. Рассмотрим конструкцию этого делителя, принятого нами в качестве прототипа, так как он наиболее близок по функциональному и конструктивному исполнению к предложенному устройству. Делитель содержит две корпусные пластины, между которыми расположен плоский полосковый проводник. Проводник выполнен в виде каскадного соединения двухканальных ячеек деления, использующих 5-плечие мосты и содержащих полутораволновые кольцевые проводники, входные, выходные и нагруженные на поглощающие нагрузки развязанные плечи. Такое каскадное соединение плоских двухканальных ячеек деления приводит к сравнительно большим габаритам многоканального делителя мощности по глубине, что определяет значительные габариты, вес и металлоемкость систем, в которых он используется. Причем в современных ФАР, представляющих собой конструктивное и схемное объединение в ограниченном объеме большого количества различных функциональных устройств (систем деления СВЧ-мощности, приемников, фазовращателей, блоков питания, блоков управления положением луча и т.д.) с их глубиной однозначно связана масса, материалоемкость и трудоемкость изготовления. Так, известно, что для ФАР, содержащей несколько тысяч каналов и соответственно - большое количество блоков деления мощности, уменьшение ее глубины только на 1 см эквивалентно сокращению массы изделия примерно на 120÷125 кг.

Поэтому целью настоящего изобретения является создание компактных многоканальных полосковых делителей мощности для использования в ФАР с минимальными габаритами и массой.

Поставленная цель достигается тем, что в полосковом делителе мостового типа, содержащем полосковый проводник, расположенный между двумя корпусными пластинами параллельно им и выполненный в виде каскадного соединения двухканальных ячеек деления, построенных по мостовой схеме и содержащих полутораволновые кольцевые проводники, входные, выходные и нагруженные на поглощающие нагрузки развязанные плечи, дополнительно введена третья корпусная пластина, параллельная имеющимся, а полосковый проводник размещен в обеих полостях между корпусными пластинами, причем соединенные между собой входные и выходные плечи ячеек и связывающие их фрагменты кольцевых проводников расположены в одной полости, а развязанные плечи с примыкающими к ним фрагментами кольцевых проводников и нагрузками - в другой; при этом разноэтажные фрагменты каждой ячейки связаны между собой с помощью отрезков кольцевого проводника, проходящих через отверстия в средней корпусной пластине и перпендикулярных ей.

Таким образом, в отличие от плоской конструкции полоскового делителя, принятого за прототип, конструкция предложенного устройства является 3-мерной, но поскольку она состоит исключительно из плоских Т-образных фрагментов полосковых линий и построена на базе 5-плечих кольцевых мостов, то она является достаточно близким аналогом плоского многоканального делителя, принятого нами за прототип.

Сущность изобретения поясняется с помощью фиг.1 и 2, на которой в 3-х проекциях изображен предлагаемый делитель.

Устройство состоит из двух наружных корпусных пластин 1 и одной внутренней 2, образующих две параллельные СВЧ-полости - полость передачи 3 и полость поглощения 4, внутри которых размещен двухслойный полосковый проводник 5, представляющий собой каскадное соединение ячеек деления 6. Каждая ячейка, выполненная по схеме 5-плечего кольцевого моста, состоит из:

а) замкнутого полутораволнового кольцевого проводника, образованного двумя четвертьволновыми отрезками полосковой линии 7, последовательно соединенными между собой в полости 3 полуволновым отрезком 8, размещенным в полости 4 и двумя четвертьволновыми отрезками 9, расположенными в соответствующих отверстиях центральной корпусной пластины симметрично ей;

б) входного 10 и двух выходных 11 плеч, расположенных в полости 3 и примыкающих соответственно к месту стыка и к краям отрезков 7;

в) двух развязанных плеч моста 12, расположенных в полости 4 и примыкающих к месту стыка отрезков 9 и полуволнового отрезка 8.

Развязанные плечи 12 одновременно являются и центральными проводниками сдвоенных поглощающих нагрузок 13, размещенных также в полости 4. Входные и выходные плечи каждой ячейки каскадно соединены отрезками полосковых линий и образуют в полости 3 ветвящуюся систему передачи (деления-суммирования) мощности, а элементы, расположенные в полости 4, обеспечивают поглощение и рассеивание контрфазных составляющих, попадающих в выходные плечи ячеек. Фиксация полосковых проводников в обеих полостях обеспечивается цилиндрическими опорами 14 "прошивающими" проводники в местах их установки.

Работа предложенного устройства основана на известных свойствах делителей, построенных по схеме каскадного соединения двухканальных ячеек деления.

Сигнал, попадающий во входное плечо ячейки первого каскада, делится на две синфазные составляющие, затем каждая составляющая еще раз на две, и так далее. Суммирование синфазных сигналов идет в обратном порядке. Мостовая схема ячеек деления обеспечивает высокую развязку между их выходными плечами, так как синфазные составляющие попадающих в них сигналов попадают во входное плечо, а контрфазные - рассеиваются в нагрузках. Воздушно-полосковое исполнение делителей и объемная с хорошим теплоотводом конструкция нагрузок позволяют использовать такие делители для распределения сигналов высокого уровня импульсной и средней мощности.

Широкополостность 5-плечих модифицированных мостов обеспечивает высокие амплитудно-фазовые характеристики многокаскадных делителей, а вышеизложенная двухполостная воздушно-полосковая конструкция позволяет, обеспечив работоспособность этих устройств в условиях высокого уровня импульсной и средней мощности, реализовать их в весьма малогабаритную конструкцию, что особенно важно для систем распределения мощности фазированных антенных решеток. Все элементы предлагаемого устройства просты по конфигурации и могут изготавливаться по технологии, использующей прогрессивные методы формообразования - штамповки, литья и т.п.

Результаты проводимых работ показывают, что габариты и масса многоканального делителя сокращаются не менее чем в два раза по сравнению с прототипом. Кроме того, подобная конструкция, в совокупности с торцевыми коаксиально-полосковыми переходами, позволяет расположить многоканальный делитель параллельно апертуры, что дает возможность сократить глубину системы запитки ФАР до размеров, определяемых толщиной данного делителя (20÷30 мм).