Переключатель-делитель СВЧ

Изобретение относится к области радиотехники СВЧ и может быть использовано в антенных системах широкополосных передающих систем для согласованного переключения СВЧ мощности между двумя антеннами и синфазного деления мощности между ними.

Известен широкополосный микрополосковый переключатель СВЧ (патент РФ №2339126, МКИ Н01Р 1/15, опубл. 20.11.2008 г. ), содержащий входную линию, к концу которой подключены две выходные линий через коммутаторы из последовательно соединенных трех p-i-n диодов, между которыми расположены разомкнутые шлейфы. Переключатель выполняет только функции переключения мощности между двумя выходами. Кроме того, из-за использования p-i-n диодов, включенных в линию передачи последовательно, величина переключаемой мощности невысокая.

Больший уровень переключаемой мощности обеспечивают переключатели с параллельным включением p-i-n диодов в линию передачи. Наиболее близким к заявляемому является выбранный в качестве прототипа переключатель (авт. свид. СССР №1497658, МКИ Н01Р 1/15, опубл. 30.07.89), содержащий кольцевую линию передачи, к которой на расстоянии четверти длины волны друг от друга подключены входная и две выходные линии. В выходных линиях на определенном расстоянии от точки подключения к кольцевой линии, меньше одной восьмой длины волны, параллельно линии передачи включены первый и второй коммутирующие диоды. При этом волновое сопротивление кольцевой линии больше волнового сопротивления входной и выходных линий. Известное устройство имеет ограниченные возможности, т.к. выполняет только функцию переключения мощности между двумя выходами.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей за счет выполнения переключателем дополнительной функции синфазного деления мощности при обеспечении согласования в широком диапазоне частот.

Для достижения указанной цели в переключатель-делитель СВЧ, содержащий кольцевую линию передачи, к которой на расстоянии четверти длины волны друг от друга подключены входная и две выходные линии, причем волновое сопротивление кольцевой линии находится в пределах от Z₀ до √2×Z₀, где Z₀ - волновое сопротивление входной и выходных линий, а в выходных линиях, на расстоянии от точки подключения к кольцевой линии меньше одной восьмой длины волны, параллельно кольцевой линии передачи включены первый и второй коммутирующие диоды, согласно изобретению дополнительно введены третий коммутирующий диод, идентичный первым двум, и подключенный к нему отрезок линии, закороченный на другом конце, при этом третий коммутирующий диод подключен к середине отрезка кольцевой линии между точками подключения выходных линий, а отрезок линии имеет длину меньше одной восьмой длины волны.

Введение дополнительного коммутирующего диода с отрезком линии, закороченным на конце, и подключение его к середине отрезка кольцевой линии, между точками подключения выходных линий, позволяет выполнять дополнительную функцию синфазного деления мощности между двумя выходами схемы. А длина отрезка линии, меньше одной восьмой длины волны, обеспечивает широкополосное согласование в широком диапазоне частот в режиме деления.

Сочетание отличительных признаков и свойства предлагаемого переключателя из литературы неизвестны, поэтому он соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.

На фиг. 1 приведена схема предлагаемого переключателя-делителя; на фиг. 2 - АЧХ предлагаемого переключателя-делителя в режиме переключения (а); на фиг. 3 - АЧХ в режиме деления (б).

Предлагаемый переключатель-делитель СВЧ (см. фиг. 1) содержит кольцевую линию передачи, состоящую из отрезков линий 1, 2, 3, 4, соединенных между собой последовательно в кольцо. К кольцевой линии в точке соединения отрезков 1, 2 подключена входная линия 5, в точке соединения отрезков 2, 3 отрезок выходной линии 6, в точке соединения отрезков 1, 4 отрезок выходной линии 7. На концах отрезков линий 6, 7 одним выводом включены первый 8 и второй 9 коммутирующие диоды соответственно, вторые выводы которых заземлены. К кольцевой линии в точке соединения отрезков 3, 4 подключен одним выводом третий коммутирующий диод 10, ко второму выводу которого подключен закороченный на конце отрезок линии 11.

Длина отрезков кольцевой линии 1, 2 между точками подключения входной линии 5 и выходных линий 6, 7 равна четверти длины волны в линии передачи на средней частоте рабочего диапазона частот. Длина отрезков кольцевой линии 3, 4 между точками подключения выходных линий 6, 7 и точкой подключения коммутирующего диода 10 равна одной восьмой длины волны в линии передачи на средней частоте рабочего диапазона частот. Волновое сопротивление отрезков кольцевой линии 1, 2, 3, 4 - Z_K выбирается из условия согласования в заданном диапазоне частот, больше Z₀- волнового сопротивления входной линии 5 и выходных линий 6, 7, но не более чем.

Длина отрезков выходных линий 6, 7, между точками подключения выходных линий 6, 7 к кольцевой линии 1. 2 .3. 4 и точкой подключения коммутирующих диодов 8. 9, меньше одной восьмой длины волны в линии передачи на средней частоте рабочего диапазона частот. Выбирается из условия согласования в заданном диапазоне частот в режиме переключения мощности, при выбранном волновом сопротивлении кольцевой линии Z_K (В.П. Петренко. Расчет широкополосного СВЧ переключателя. Радиотехника, 1989, №11, стр. 73-75).

Длина и волновое сопротивление отрезка линии 11 выбирается из условия согласования в заданном диапазоне частот в режиме деления мощности. При этом при его волновом сопротивлении, равном Z₀, длина отрезка линии 11 меньше одной восьмой длины волны.

Предлагаемый переключатель-делитель СВЧ работает следующим образом. В режиме переключения мощности диод 10 закрыт. Для соединения входа ВХ с выходом ВЫХ1 диод 9 закрывают и диод 8 открывают. Диод 8 шунтирует выходную линию передачи 6, и мощность не проходит на выход ВЫХ2. СВЧ мощность проходит с входа ВХ на выход ВЫХ1 в основном по отрезку линии передачи 1 и частично по отрезкам линии передачи 2, 3, 4, в которые включен короткозамкнутый шлейф, образованный отрезком выходной линии 6, закороченный диодом 8. Анализ схемы показывает, что при длине отрезка линии 6, равной нулю, схема переключателя эквивалентна схеме двухшлейфового фильтра. При этом переключатель согласован при волновом сопротивлении кольцевой линии Z_K, равной Z₀. Для увеличения ширины рабочего диапазона частот сопротивление кольцевой линии Z_K необходимо увеличивать при соответствующем увеличении длины отрезка линии 6.

В режиме переключения мощности, поступающей на вход ВХ, на выход ВЫХ2 диод 8 закрывают и диод 9 открывают. Переключатель-делитель СВЧ работает аналогичным образом.

В режиме деления мощности, поступающей на вход ВХ, между выходами ВЫХ1, ВЫХ2, диоды 8, 9 закрывают, диод 10 открывают. К кольцевой линии в точке соединения отрезков 3, 4 подключается через диод 10 короткозамкнутый отрезок 11.

СВЧ мощность с входа ВХ проходит на выходы ВЫХ1, ВЫХ2 через отрезки кольцевой линии 1 и 7, 2 и 6 соответственно. Вследствие симметрии схемы мощность делится поровну и синфазно. В режиме деления делитель представляет собой широкополосный трансформатор сопротивлений в виде четвертьволнового отрезка с короткозамкнутым шлейфом, образованный отрезком кольцевой линии 3, 4 и отрезком 11. При этом шлейф подключен к выводу с меньшим волновым сопротивлением, а резонансная частота его устанавливается длиной отрезка линии 11, равной средней частоте рабочего диапазона частот.

Так как волновое сопротивление отрезков 3, 4 кольцевой линии выбрано, исходя из условия согласования в режиме переключателя, больше волнового сопротивления входа, обеспечивается согласование и в режиме деления мощности. Имеется такое значение волнового сопротивления кольцевой линии, при котором обеспечивается одинаковое согласование в обоих режимах. На фиг. 2 представлены расчетные АЧХ переключателя делителя в режиме переключения и деления. Волновое сопротивление кольцевой линии, т.е. отрезков линий 1, 2, 3, 4, равно Z_K=65 Ом, волновое сопротивление отрезков линии 5, 6, 7, 11 равно Z₀=50 Ом, электрическая длина отрезков 6, 7, 11 на средней частоте диапазона частот равна 35 градусов. Видно, что предлагаемый переключатель-делитель в октавном диапазоне частот согласован по уровню КСВН меньше 1.2 как в режиме переключения, так и в режиме деления.

Технико-экономический эффект предлагаемого переключателя-делителя состоит в следующем. Установка одного дополнительного диода 10 и отрезка линии 11 обеспечивает, помимо режима переключения мощности между двумя выходами, режим согласованного синфазного деления мощности между выходами. При этом обеспечивается хорошее согласование в широком диапазоне частот в обоих режимах.

На предприятии был изготовлен макет предложенного переключателя-делителя. Макет выполнен на микрополосковой линии. При экспериментальной проверке были получены результаты, подтверждающие достижение поставленной цели. Макет в диапазоне частот с перекрытием 2.0 обеспечивал режимы деления и переключения мощности с дополнительными потерями не более 0.6 дБ, при КСВН со стороны входа ВХ меньше 1.25.