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). Будучи линейным и взаимным, делитель Уилкинсона может равноправно использоваться и в качестве сумматора мощности.

Подобные делители мощности в пленочном исполнении получили широкое распространение на практике по отношению к малосигнальным устройствам, т.е. там, где площади балластных развязывающих резисторов малы и, как следствие, малы их паразитные емкости. При работе на большом уровне мощности площади балластных резисторов и, следовательно, их паразитные емкости, увеличиваются, что приводит к резкому ухудшению согласования по входу и выходам, уменьшению развязки между выходными плечами, снижению прямой передачи, росту потерь в балластных резисторах, смещению по частоте минимума коэффициента стоячей волны напряжения (КСВН) и максимума развязки и пр. (см. К.Я. Аубакиров, В.И. Говорухин, Л.Г. Плавский, М.Г. Рубанович. Двухканальный синфазный сумматор-делитель мощности с компенсацией паразитных параметров балластного резистора. Радиотехника, N 6, 2011, с. 59-63).

Известен делитель мощности (см. авт. свид. СССР N 1798840, Н01Р 5/12, БИ N 8, 28.02.93), содержащий входное плечо, подключенное через четвертьволновые отрезки линии передачи к выходным плечам, при этом между выходными плечами включены балластные резисторы, выполненные в виде отрезков линии передачи с потерями и соединенные в звезду, к общей точке которых подключен короткозамкнутый шлейф длиной 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 передачи с потерями;

Z_Ш, - волновое сопротивление и длина шлейфа.

Введение в делитель мощности короткозамкнутого шлейфа длиной меньше четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона с индуктивным входным сопротивлением и выполнение балластных резисторов в виде отрезков линии передачи с потерями позволяют скомпенсировать их паразитную емкость и в значительной мере улучшить технические характеристики устройства (см. вышеуказанную статью К.Я. Аубакиров, В.И. Говорухин и др. Двухканальный синфазный сумматор-делитель мощности с компенсацией паразитных параметров балластного резистора. Радиотехника, N 6, 2011, с. 59-63). Однако их значения, касающиеся, в первую очередь, характеристик согласования по входу и выходам, недостаточно высоки. Повышение их возможно за счет совершенствования электрической схемы устройства и введения дополнительных элементов коррекции.

Известен также делитель мощности с оптимальными характеристиками по согласованию, являющийся прототипом предлагаемого изобретения, в котором использован другой вариант подключения балластных резисторов между смежными выходными плечами делителя мощности, при этом их соединение образует фигуру выпуклого многоугольника (см. Мазепова О.И., Мещанов В.П., Прохорова Н.И. и др. Справочник по элементам полосковой техники / Под ред. А.Л. Фельдштейна. - М.: Связь, 1979. 336 с.).

Однако заявленные высокие технические характеристики по согласованию могут быть получены только при использовании точечных (безреактивных) балластных резисторов. Применение балластных резисторов размером 4×8 мм² с площадью 32 мм² значительно ухудшает характеристики устройства, так, что его применение в практической аппаратуре оказывается нерациональным.

Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является улучшение согласования по входу и выходам делителя мощности с балластными резисторами с площадью, равной или большей 32 мм².

Поставленная задача достигается тем, что в делителе мощности, содержащем входное плечо, подключенное через разветвитель из четвертьволновых отрезков линии передачи к выходным плечам, между которыми включены балластные резисторы, соединение которых образует фигуру выпуклого многоугольника, каждый из балластных резисторов выполнен в виде отрезка однородной линии передачи с потерями прямоугольной формы, разделенного пополам металлизированной проводящей полоской с шириной, равной ширине введенного и присоединенного к ней короткозамкнутого шлейфа длиной меньше четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона.

Кроме того, в предлагаемый делитель мощности могут быть введены дополнительные короткозамкнутые шлейфы, подключенные к каждому выходному плечу, с длиной, определяемой из соотношения:

где γ₀ - длина волны в делителе мощности на центральной частоте рабочего диапазона;

Z_ВХЭ = Z_R(Z_ВХШ1 + Z_R thθ_R)/(Z_R + Z_ВХШ1 thθ_R) - входное сопротивление ветви выходного плеча делителя мощности, составленной из балластного резистора с параметрами Z_R, , и короткозамкнутого шлейфа с входным сопротивлением Z_ВХШ1 = jρ_Ш1tgθ_Ш1, ;

ρ_Ш1, ρ_Ш2 - волновые сопротивления короткозамкнутых шлейфов.

Исходные формулы, эквивалентные схемы плеча делителя мощности, расчетные соотношения и обозначения приведены в работах К.Я. Аубакиров, В.И. Говорухин, Плавский Л.Г., М.Г. Рубанович. Двухканальный синфазный сумматор-делитель мощности с компенсацией паразитных параметров балластного резистора. Радиотехника, N 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, 2014, с. 102-114.

На фиг. 1 приведена схема электрическая принципиальная предлагаемого n - канального делителя мощности, на фиг. 2 - вариант схемы электрической принципиальной предлагаемого n-канального делителя мощности с введенными дополнительными короткозамкнутыми шлейфами, подключенными к каждому выходному плечу делителя мощности, на фиг. 3 - изображение балластного резистора в виде отрезка однородной линии передачи с потерями прямоугольной формы, разделенного пополам металлизированной проводящей полоской с присоединенным к ней короткозамкнутым шлейфом, на фиг. 4 - частотные зависимости технических характеристик трехканального делителя мощности – прототипа с точечными (безреактивными) балластными резисторами, на фиг. 5 - частотные зависимости технических характеристик трехканального делителя мощности – прототипа с балластными резисторами размером 4×8 мм² каждый, на фиг. 6 - частотные зависимости технических характеристик предлагаемого трехканального делителя мощности с балластными резисторами в виде отрезка однородной линии передачи с потерями прямоугольной формы размером 4×8 мм² каждый, разделенного пополам металлизированной проводящей полоской с присоединенным к ней короткозамкнутым шлейфом, на фиг. 7 - то же, но с введенными дополнительными короткозамкнутыми шлейфами, подключенными к каждому выходному плечу делителя мощности.

Делитель мощности (фиг. 1) содержит входное плечо 1, подсоединенное через разветвитель 2 из четвертьволновых отрезков линии передачи 3 к выходным плечам 4, между которыми включены балластные резисторы 5, каждый из которых выполнен в виде отрезка однородной линии передачи с потерями прямоугольной формы, разделенного пополам металлизированной проводящей полоской 6 с введенным и присоединенным к ней короткозамкнутым шлейфом 7 длиной меньше четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона, соединение балластных резисторов образует фигуру выпуклого многоугольника. Выходные плечи 4 делителя мощности нагружены на сопротивления нагрузки 8.

В предлагаемый делитель мощности могут быть введены дополнительные короткозамкнутые шлейфы 9, подключенные к каждому выходному плечу (фиг. 2), с длиной, определяемой из соотношения:

(обозначения приведены выше).

Делитель мощности (фиг. 1) работает следующим образом. При поступлении входного СВЧ-сигнала на входное плечо 1 его мощность равномерно распределяется разветвителем 2 из четвертьволновых отрезков линии передачи 3 по всем выходным плечам 4 так, что при одинаковых и согласованных сопротивлениях нагрузки 8 эти мощности на всех выходных плечах 4 равны по величине и синфазны. Для случая минимальной площади балластных резисторов 5 делитель мощности представляет собой симметричный многополюсник и на центральной частоте является согласованным, а его выходы развязаны практически полностью. В мощных устройствах 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, и, следовательно, для обеспечения их работоспособности необходимо уменьшить влияние эффекта, связанного с использованием балластных резисторов с большой площадью.

В предлагаемом делителе мощности балластные резисторы подключены между смежными выходными плечами устройства, при этом их соединение образует фигуру выпуклого многоугольника. Компенсацию паразитной емкости производят у каждого резистора путем введения отдельного короткозамкнутого шлейфа с индуктивным входным сопротивлением, подключенного к металлизированной проводящей полоске резистора.

Дальнейшее повышение технических характеристик можно обеспечить за счет подключения к каждому выходному плечу делителя мощности дополнительного короткозамкнутого шлейфа. Действительно, выполнение балластных резисторов в виде отрезков однородных линий передачи с потерями прямоугольной формы определяет равномерный характер распределения паразитной емкости балластного резистора вдоль его длины. Первый короткозамкнутый шлейф с параметрами Z_Ш1, с индуктивным входным сопротивлением компенсирует распределенную паразитную емкость балластного резистора лишь частично, и поэтому подключение дополнительного второго короткозамкнутого шлейфа с параметрами Z_Ш2, с таким же индуктивным входным сопротивлением позволяет устранить вредное влияние паразитной емкости балластного резистора почти полностью.

Расчетные частотные зависимости технических характеристик предлагаемого и делителя мощности - прототипа в трехканальном варианте в диапазоне частот 600…1400 МГц с центральной частотой 1000 МГц представлены на фиг. 4…7. Четвертьволновые отрезки линии передачи 3 разветвителя 2 представлены идеализированными линиями с воздушным диэлектриком длиной 75 мм и волновым сопротивлением , где R₀=50 Ом - стандартное входное и выходное сопротивления делителя мощности, n=3 - число его выходных плеч. Короткозамкнутые корректирующие шлейфы 7 и 9 с шириной полоска w=0.2 мм (ρ_Ш=90 Ом) и длинами , , как и балластные резисторы 5 выполнены на подложке из поликора с h=1 мм и толщиной полоска 0.008 мм.

Потенциальные возможности делителя мощности - прототипа с точечными (безреактивными) балластными резисторами представлены на фиг. 4. Коэффициент прямой передачи |S₂₁| одинаков в рассматриваемой полосе частот 0.6…1.4 ГГц и близок к теоретическому значению -4.77 дБ. Параметр |S₂₃|, характеризующий развязку между выходными плечами устройства, превышает 70 дБ на центральной частоте рабочего диапазона, ширина полосы пропускания по уровню -25 дБ равна 248.6 МГц. Качество согласования по входу и выходам устройства определяется шириной его полосы согласования по уровню допустимого значения КСВН. Для делителя мощности - прототипа с идеализированными точечными балластными резисторами полоса согласования по входу по уровню KCBH₁=1,5 равна 460 МГц, по выходам, значительно превышает рассматриваемый диапазон частот 0.6…1.4 ГГц даже по уровню КСВН₂,₃≤1.15.

Указанные технические характеристики могут быть получены на относительно низких рабочих частотах, например в метровом диапазоне длин волн, где геометрические размеры элементов схемы, в частности балластных резисторов, малы по сравнению с четвертью длины волны верхней частоты рабочего диапазона. В рассматриваемом дециметровом диапазоне длин волн представленные на фиг. 4 частотные зависимости не могут быть получены принципиально вследствие необходимости использовать балластные резисторы с достаточно большими геометрическими размерами, определяемыми уровнем рассеиваемой на них мощности.

Изменение технических характеристик делителя мощности - прототипа при использовании балластных резисторов с базовым размером 4×8 мм² площадью 32 мм² (см. вышеуказанную работу К.Я. Аубакиров, В.И. Говорухин, Л.Г. Плавский, М.Г. Рубанович. Двухканальный синфазный сумматор-делитель мощности с компенсацией паразитных параметров балластного резистора. Радиотехника, N 6, 2011, с. 59-63) показано на фиг. 5. Коэффициент прямой передачи |S₂₁| снизился на 3.9 дБ (в 2.46 раза). Частотные зависимости параметра |S₂₃| сместились в область верхних частот на 380 МГц и в значительной мере оказались вне рассматриваемого рабочего диапазона частот. Характеристики согласования настолько неудовлетворительны, что не позволяют использовать само это понятие для их описания. Представленные на фиг. 5 результаты показывают нерациональность использования такого устройства в инженерной практике.

Частотные зависимости технических характеристик предложенного делителя мощности с использованием в качестве каждого балластного резистора отрезка однородной линии передачи с потерями прямоугольной формы с теми же размерами 4×8 мм² и площадью 32 мм², разделенного пополам металлизированной проводящей полоской с введенным и присоединенным к ней короткозамкнутым корректирующим шлейфом длиной меньше четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона с индуктивным входным сопротивлением (фиг. 3) показаны на фиг. 6. Коэффициент прямой передачи |S₂₁| на центральной частоте рабочего диапазона уменьшился на 0.98 дБ, неравномерность его частотной зависимости в полосе частот 0.8…1.2 ГГц увеличилась до 0.67 дБ. Параметр развязки |S₂₃| на центральной частоте уменьшился до приемлемого для практики значения 36.6 дБ, полоса пропускания по этому параметру составила 700 МГц, т.е. расширилась примерно на 450 МГц относительно исходного идеализированного варианта устройства (фиг. 4).

Минимальное значение КCBH₁=1.59 на центральной частоте диапазона f₀=1000 МГц, полоса согласования по входу по уровню КCBH₁=1.75 равна 309.4 МГц. Минимальное значение КСВН_2,3=1.17 на частоте 660 МГц, полоса согласования по выходам смещена в область низших частот, ее ширина превышает 800 МГц. Полученные технические характеристики устройства недостаточно высоки, однако при сравнении их с характеристиками делителя мощности - прототипа с балластными резисторами такого же размера 4×8 мм² и площади 32 мм² (фиг. 5) становится очевидным их существенное улучшение, что позволяет рекомендовать предложенный делитель мощности для использования в реальной аппаратуре СВЧ диапазона.

Как указывалось, паразитная емкость каждого балластного резистора, выполненного в виде отрезка однородной линии передачи с потерями прямоугольной формы, распределена равномерно вдоль его длины, и поэтому для ее полной компенсации необходимо использовать дополнительный короткозамкнутый шлейф также с индуктивным входным сопротивлением, подключенный к каждому выходному плечу делителя мощности. Длина этого шлейфа определяется из соотношения (обозначения приведены выше).

Частотные зависимости технических характеристик предложенного делителя мощности с введенными дополнительными короткозамкнутыми шлейфами, подключенными к каждому выходному плечу, показаны на фиг. 7. Обращает внимание существенное улучшение симметрии всех частотных зависимостей и соответствие их максимального для |S₂₃| и минимальных для КСВН значений центральной частоте диапазона ƒ₀=1000 МГц.

Коэффициент прямой передачи |S₂₁| вырос на 0.16 дБ, неравномерность его частотной зависимости в полосе частот 0.8…1.2 ГГц составила 0.83 дБ, что на 0.15 дБ больше, чем для варианта фиг. 1. Параметр развязки |S₂₃| равен 37.4 дБ, т.е. на 0.75 дБ выше, чем для варианта фиг.1, полоса пропускания по этому параметру по уровню -25 дБ превышает 800 МГц, хотя и незначительно смещена в область низших частот (сравните ее со значением 248.6 МГц для делителя мощности - прототипа с идеализированными балластными точечными резисторами).

Минимальные значения KCBH₁=1.19, КСВН_2,3=1.136 соответствуют центральной частоте рабочего диапазона, полоса согласования по уровню KCBH₁=КСВН_2,3=1.5 равна по входу 335 МГц, по выходам 374 МГц.

Таким образом, технический результат изобретения состоит в улучшение согласования по входу и выходам делителя мощности при использовании балластных резисторов с площадью равной или больше 32 мм².