ДЕЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ

Изобретение относится к технике СВЧ и может найти широкое применение в системах активных фазированных антенных решеток, радиопередающих устройствах и системах, использующих мощность СВЧ.

Известен делитель мощности, содержащий разветвитель из четвертьволновых отрезков линий передачи, к выходам которого подключены балластные развязывающие резисторы, включенные звездой (Wilkinson E.J. An N-hybrid power divider //IRE Trans. on microwave theory and techniques. 1960. v. MTT-8, N 1. p. 116-118). За прошедшие более чем 50 лет это устройство многократно усовершенствовалось и составило основу большого числа авторских свидетельств и патентов. Будучи линейным и взаимным, делитель Уилкинсона может равноправно использоваться и в качестве сумматора мощности.

Известен делитель мощности (см. Устройство сложения мощности, авт. свид. СССР №1170534, Н01Р 5/12, БИ №28. 30.07.85), содержащий входные плечи, каждое из которых подключено к балластному резистору и четвертьволновому отрезку линии передачи, при этом балластные резисторы соединены в звезду, концы четвертьволновых отрезков линий передачи подключены к выходному плечу и к общей точке балластных резисторов подключен короткозамкнутый четвертьволновый шлейф. Подавление четных гармоник суммируемых генераторов успешно выполняется на центральной частоте диапазона, для которой входное сопротивление четвертьволнового шлейфа бесконечно велико и, следовательно, этот шлейф не влияет на работу устройства. При этом четные гармоники суммируемых генераторов закорачиваются на землю, поскольку для них длина шлейфа не четверть-, а полуволновая, либо кратная ей, а входное сопротивление такого шлейфа равно нулю.

При работе на большом уровне мощности площади балластных резисторов в пленочном исполнении и, как следствие, их паразитные параметры увеличиваются, что приводит к резкому ухудшению технических характеристик устройства - согласования по входам, развязки между ними, снижению коэффициента прямой передачи, росту потерь в балластных резисторах, смещению по частоте минимумов КСВН и максимума развязки и др.

Известен также делитель мощности (см. авт. свид. СССР №849342, Н01Р 5/12, БИ №27. 25.07.81), содержащий разветвитель, к выходным плечам которого подключены развязывающие резисторы, включенные звездой; ко входу и к каждому из выходов плеч разветвителя подключены короткозамкнутые шлейфы, а в каждое плечо разветвителя включен конденсатор, причем емкость конденсатора и длина каждого из короткозамкнутых шлейфов определяются соответственно из соотношений

где n - число плеч;

ƒ₀ - центральная частота рабочего диапазона;

R₀ - выходное сопротивление каждого плеча делителя;

λ₀ - длина волны в делителе мощности;

ρ - волновое сопротивление короткозамкнутого шлейфа.

Уменьшение потерь и сокращение габаритов устройства достигается эквивалентной заменой четвертьволновых трансформирующих отрезков линии передачи разветвителя П-образными полураспределенными звеньями, составленными из двух короткозамкнутых шлейфов в параллельных ветвях и сосредоточенной емкости в последовательной ветви каждого П-звена. Однако выбор элементов П-звеньев по приведенным соотношениям не позволяет скомпенсировать ухудшение технических характеристик устройства большой мощности с увеличенной площадью балластных резисторов в пленочном исполнении. Как и в предыдущем случае, достижение высоких значений указанных выше технических характеристик не может быть реализовано в данном устройстве.

Кроме того, известен делитель мощности (см. авт. свид. СССР №1798840, Н01Р 5/12, БИ №8. 28.02.93), являющийся прототипом предлагаемого изобретения и содержащий входное плечо, подключенное через четвертьволновые отрезки линии передачи к выходным плечам, при этом между выходными плечами включены балластные резисторы, соединенные в звезду и к общей точке которых подключен короткозамкнутый шлейф, при этом балластные резисторы выполнены в виде отрезков линии передачи с потерями, длина шлейфа выбрана меньше четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона, а его входное сопротивление выбрано из соотношений:

где Z_C, L - волновое сопротивление и длина отрезка линии передачи с потерями;

γ - постоянная распространения в линии с потерями;

Z_ш, - волновое сопротивление и длина шлейфа.

В прототипе увеличение рабочей мощности достигается подключением к общей точке соединенных в звезду балластных резисторов короткозамкнутого шлейфа с длиной меньшей четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона. Этот шлейф компенсирует паразитные параметры балластных резисторов и улучшает согласование по входу и выходам, развязку между выходами, увеличивает коэффициент прямой передачи и, как следствие, рабочую мощность на выходах.

Однако, несмотря на существенное улучшение указанных технических характеристик, их значения недостаточно высоки, что в первую очередь касается развязки между выходами делителя, то есть обеспечения их независимой работы при различных условиях нагрузки и эксплуатации, и коэффициента прямой передачи.

Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является улучшение развязки между выходными плечами делителя мощности и увеличение коэффициента его прямой передачи.

Поставленная задача достигается тем, что в делитель мощности, содержащий входное плечо, подключенное через четвертьволновые отрезки линии передачи к выходным плечам, между которыми включены соединенные в звезду балластные резисторы, выполненные в виде отрезков линии передачи с потерями, и к общей точке которых подключен короткозамкнутый шлейф, длина которого меньше четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона, введена емкость, подключенная к его входному плечу и выбираемая из соотношения

где ω₀=2πƒ₀, ƒ₀ - центральная частота рабочего диапазона,

R=R₀=R_н - стандартное значение входного и выходных сопротивлений делителя мощности,

n - число выходных плеч (каналов) делителя мощности,

- входное сопротивление ветви плеча делителя мощности, составленной из последовательно соединенных балластного резистора в виде отрезка линии передачи с потерями с параметрами Z_R, , и короткозамкнутого корректирующего шлейфа с входным сопротивлением Z_вхш=inρ_шtgθ_ш=iX, , откуда ,

λ₀ - длина волны в делителе мощности.

Исходные формулы, эквивалентные схемы плеча делителя мощности, расчетные соотношения и обозначения приведены в работах К.Я. Аубакиров, В.И. Говорухин, Л.Г. Плавский, М.Г. Рубанович Двухканальный синфазный сумматор-делитель мощности с компенсацией паразитных параметров балластного резистора. Радиотехника, №6, 2011, с. 59-63 и В.И. Говорухин, М.Г. Рубанович, Н.Э. Унру Многоканальные синфазные сумматоры-делители мощности Уилкинсона с компенсацией паразитных параметров балластных резисторов. Вопросы радиоэлектроники, серия Общетехническая, вып. 3, с. 102-114.

На фиг. 1 приведена схема электрическая принципиальная предлагаемого n-канального делителя мощности, на фиг. 2 - схема электрическая принципиальная предлагаемого двухканального делителя мощности, на фиг. 3 - частотные зависимости технических характеристик предлагаемого двухканального делителя мощности.

Делитель мощности (фиг. 1) содержит входное плечо 1 с подключенной емкостью 2, подсоединенное через четвертьволновые отрезки линии передачи 3 к выходным плечам 4, к каждому из которых подключен балластный резистор 5, выполненный в виде отрезка линии передачи с потерями, все балластные резисторы соединены в звезду и к их общей точке подключен короткозамкнутый шлейф 6 с длиной меньшей четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона. Выходные плечи 4 делителя нагружены на сопротивления нагрузки 7.

Делитель мощности (фиг. 1) работает следующим образом. При поступлении входного СВЧ сигнала на входное плечо 1, его мощность равномерно распределяется через одинаковые четвертьволновые отрезки линии передачи 3 по всем выходным плечам 4, так что при одинаковых и согласованных сопротивлениях нагрузки 7 эти мощности на всех выходных плечах 4 равны по величине и синфазны. Для случая минимальной площади балластных резисторов делитель мощности представляет собой симметричный многополюсник и на центральной частоте является полностью согласованным, а его выходы развязаны практически идеально. В устройствах большой мощности оказывается необходимым использовать балластные резисторы с большой площадью для рассеяния значительной мощности в случае рассогласования или выхода из строя одной из нагрузок. Технические характеристики таких делителей мощности значительно ухудшаются, а следовательно, для обеспечения их работоспособности необходимо скорректировать влияние эффекта, связанного с использованием балластных резисторов с большой площадью. Это частично реализовано в устройстве-прототипе за счет подключения к общей точке включенных в звезду балластных резисторов короткозамкнутого шлейфа 6. В предлагаемом устройстве к входному плечу делителя мощности подключена дополнительная емкость 2 (фиг. 1), что обеспечивает улучшение развязки между выходными плечами и увеличение коэффициента его прямой передачи.

Результаты исследования двухканального делителя мощности - прототипа приведены в статье К.Я. Аубакиров, В.И. Говорухин, Л.Г. Плавский, М.Г. Рубанович. Двухканальный синфазный сумматор-делитель мощности с компенсацией паразитных параметров балластного резистора. - Радиотехника, №6, 2011, с. 59-63. Частотные зависимости технических характеристик предлагаемого двухканального делителя мощности (фиг. 2) представлены на фиг. 3. Сравнение этих характеристик показывает, что введение малой по величине дополнительной емкости С_доп=0.59 пФ, подключенной к входному плечу делителя мощности (фиг. 2), обеспечивает:

- параметр ⎜S_ik⎜=-58.74 дБ, характеризующий развязку между выходными плечами устройства, увеличился на 24 дБ по сравнению с делителем мощности - прототипом и практически соответствует делителю с безреактивным балластным резистором;

- коэффициенты стоячей волны напряжения: по входу KCBH₁=1.104 на частоте 961 МГц, по выходу КСВН₄=1.036 на частоте 826 МГц близки к соответствующим значениям для делителя мощности-прототипа;

- коэффициент прямой передачи ⎜S₄₁⎜=-3.139 дБ повысился на 3.5% по сравнению с делителем мощности - прототипом.

Таким образом, введение емкости, подключенной к входному плечу делителя мощности, существенно улучшило развязку между его выходными плечами и увеличило коэффициент прямой передачи.