ДЕЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ

Изобретение относится к устройствам связи источника сигнала с нагрузками и может использоваться в качестве широкополосного делителя мощности в измерительных приборах.

Известны делители мощности (Устройства сложения и распределения высокочастотных колебаний / В.В.Заенцев, В.М.Катушкина, С.Е.Лондон, З.И.Модель; Под ред. З.И.Моделя. - М.: Сов. Радио. 1980. - 296 с.), выполненные в виде мостовых устройств - трансформаторных, кольцевых (изготовленных из отрезков двухпроводных и связанных линий передачи), многосекционных устройств.

Недостатком таких устройств являются относительно небольшие полосы рабочих частот.

Наиболее близким к заявляемому объекту является делитель мощности проводник (Agilent Technologies. What differentiates a power splitter and power divider and when should one be utilized over the other? - http://www.home.agilent.com/cgi-bin/pub/agilent/library), содержащий один вход и два выхода, два резистора, имеющих одинаковые сопротивления и подключенных первыми концами к названному входу, а вторыми концами - к названным выходам, и общий проводник. Резисторы, включенные в выходные плечи, имеют сопротивления, равные выходному сопротивлению источника сигнала и сопротивлению нагрузок (равные Z₀ - волновым сопротивлениям трактов, к которым подключены плечи делителя мощности). Достоинством устройства-прототипа является то, что оно осуществляет деление мощности сигналов, начиная с низких частот (через делитель мощности могут протекать и постоянные токи). Ослабление низкочастотных сигналов между входом и выходами устройства-прототипа составляет 6,02 дБ, ослабление между выходами - 12,04 дБ. Коэффициент стоячей волны по напряжению (К_стU) на низких частотах со стороны входа составляет К_стUвх=1,00, со стороны выходов - К_стUвых=1,67.

Недостатком этого устройства является то, что на сверхвысоких частотах (СВЧ) характеристики такого делителя мощности существенно ухудшаются, особенно К_стUвых (более важный параметр, чем К_стUвх), что сказывается на точности измерения параметров различных четырехполюсников приборами, в которых используется такой делитель мощности. Некомпенсированные на сверхвысоких частотах реактивности делителя мощности ограничивают его диапазон рабочих частот сверху.

Основная техническая задача, на достижение которой направлено предлагаемое решение, - расширение диапазона рабочих частот делителя мощности в сторону СВЧ.

Основная техническая задача достигается тем, что делитель мощности, содержащий один вход и два выхода, резисторы, имеющие одинаковые сопротивления и подключенные первыми концами к названному входу, а вторыми концами - к названным выходам, и общий проводник, согласно предложенному решению выполнен в виде узла, содержащего металлический корпус, имеющий форму прямоугольного параллелепипеда, в центральной части которого образована проходная камера, в трех его боковых стенках выполнены сквозные цилиндрические отверстия, доходящие до проходной камеры и имеющие с внешних сторон корпуса кольцевые выемки, оси цилиндрических отверстий с кольцевыми выемками расположены в плоскости, проходящей через центр корпуса параллельно его нижнему и верхнему основаниям, идентичные входной фланцевый коаксиальный разъем и два выходных фланцевых коаксиальных разъема, имеющих кольцевые выступы для их введения в кольцевые выемки корпуса и закрепленных на трех внешних боковых поверхностях корпуса при помощи стягивающих винтов и резьбовых отверстий в корпусе, размещенную в проходной камере диэлектрическую пластину, на обеих сторонах которой нанесены плоские квадратные резисторы и полосковые проводники, соединенные с концами резисторов и с концами расположенных в проходной камере центральных проводников фланцевых коаксиальных разъемов, при этом части центральных проводников, проходящие внутри фланцевых коаксиальных разъемов и в сквозных цилиндрических отверстиях корпуса до границ проходной камеры, имеют одинаковое круглое сечение и, совместно с внутренними поверхностями цилиндрических отверстий корпуса и частями внутренних цилиндрических поверхностей фланцевых коаксиальных разъемов, имеющими такой же внутренний диаметр, как и цилиндрические отверстия корпуса, образуют отрезки коаксиальной линии с волновым сопротивлением Z₀, в концевой части каждого центрального проводника фланцевых коаксиальных разъемов разъема, входящего в проходную камеру, образованы, путем удаления сегментных участков, две внешние плоскопараллельные поверхности, расстояние между которыми равно половине диаметра части центрального проводника фланцевых коаксиальных разъемов разъема, расположенного в цилиндрическом отверстии корпуса, и образована параллельная этим поверхностям осевая продольная щель, ширина которой в 1,1-1,3 раза больше толщины диэлектрической пластины, а длина и ширина диэлектрической пластины составляет соответственно от 0,94 до 0,96 длины и ширины прямоугольной проходной камеры, длина сторон резисторов находится в пределах 0,5-1,0 диаметра частей центральных проводников фланцевых коаксиальных разъемов, расположенных в боковых цилиндрических отверстиях корпуса, нанесенные с обеих сторон диэлектрической пластины резисторы соприкасаются между собой вершинами двух прямых углов, внутренний угол между сторонами резисторов, прилегающих к этим вершинам и выполняющих роль первых концов резисторов, составляет 60°, концевые части полосковых проводников, соединяющих первые концы резисторов, имеют ширину, равную длине одной стороны резистора, располагаются вдоль поперечных осей обеих поверхностей диэлектрической пластины и доходят до ее продольного края, вторые концы резисторов соединены с полосковыми проводниками, каждый из которых включает тридцатиградусный сектор круга, центром которого является другая вершина резистора, находящаяся на диагонали с одной из соприкасающихся между собой вершин резисторов, и полосковый проводник, имеющий ширину, равную длине одной стороны резистора, и проходящий вдоль продольной оси диэлектрической пластины до ее ближайшего края, концы полосковых проводников диэлектрической пластины введены в продольные щели центральных проводников фланцевых коаксиальных разъемов и гальванически соединены с внутренними поверхностями щелей при помощи токопроводящего клея, верхнее и нижнее основания проходной камеры выполнены в виде трехсторонних прямоугольных двухступенчатых пьедесталов, ступени которых образованы со стороны ее трех боковых стенок, имеющих сквозные цилиндрические отверстия, и концы ступенек которых достигают сплошной стенки корпуса, длина проходной камеры равна расстоянию между торцевыми сегментами концевых участков центральных проводников выходных фланцевых коаксиальных разъемов, а ее ширина - удвоенному расстоянию от центра проходной камеры до торцевых сегментов концевого участка центрального проводника входного фланцевого коаксиального разъема, длина и ширина первой и второй прямоугольных ступеней каждого пьедестала составляют 0,86-0,88 и 0,76-0,78 от длины и 0,92-0,94 и 0,79-0,81 от ширины проходной камеры, расстояния между основаниями пьедесталов, граничащими со стенками проходной камеры, первыми ступенями пьедесталов и вторыми ступенями пьедесталов, имеющими прямоугольные поверхности, выбираются соответственно в пределах 3,4-3,6, 2,0-2,3 и 1,4-1,6 диаметра частей центральных проводников фланцевых коаксиальных разъемов, проходящих в сквозных цилиндрических отверстиях корпуса до границ проходной камеры, в нижнем и верхнем основаниях корпуса, включая пьедесталы, выполнены сквозные двухступенчатые отверстия, цилиндрические части которых, имеющие больший диаметр, расположены со стороны внешних поверхностей нижнего и верхнего оснований корпуса, а резьбовые части их, имеющие меньший диаметр, расположены со стороны вторых ступеней пьедесталов, и вкрученные в резьбовые части названных двухступенчатых отверстий корпуса четыре подстроечных винта, концы которых расположены в проходной камере с обеих сторон диэлектрической пластины и два из которых расположены над верхними резисторами, а два - под нижними, при этом свободная концевая часть центрального проводника входного фланцевого коаксиального разъема выполняет роль входа делителя мощности, свободные концевые части центральных проводников выходных фланцевых коаксиальных разъемов - роли первого и второго выходов делителя мощности, а сам корпус и внешние части разъемов - роль общего проводника.

В частном случае его корпус может быть выполнен из остова, изготовленного в виде прямоугольного параллелепипеда с прямоугольной боковой выемкой, параллельные поверхности которой расположены симметрично относительно плоскости, проходящей на одинаковом расстоянии от его первой и третьей внешних боковых поверхностей, а дно прямоугольной боковой выемки расположено между второй внешней боковой поверхностью и плоскостью, проходящей через центры его первой и третьей внешних боковых поверхностей, параллельно второй внешней боковой поверхности, из бруска-вставки прямоугольного поперечного сечения, длина которого равна высоте остова, длина меньшей из сторон сечения бруска-вставки на 0,05-0,10 мм меньше, чем ширина выемки остова, а длина большей из сторон сечения бруска-вставки равна расстоянию от дна выемки до второй внешней боковой поверхности остова, и из двух идентичных прямоугольных крышек, каждая из которых имеет центральный прямоугольный выступ, заканчивающийся трехсторонним прямоугольным двухступенчатым пьедесталом, в центрах первой, второй и третьей внешних боковых поверхностей остова выполнены сквозные цилиндрические отверстия с кольцевыми выемками под кольцевые выступы фланцевых коаксиальных разъемов, и на диагоналях трех названных внешних боковых поверхностей выполнены резьбовые отверстия для подсоединения фланцев коаксиальных разъемов к остову, со стороны верхней и нижней поверхностей остова выполнены по три резьбовых отверстия, оси которых проходят в плоскостях, параллельных первой, второй и третьей внешним боковым поверхностям остова, первые и третьи резьбовые отверстия расположены по обе стороны от выемки на равном расстоянии от второй боковой поверхности и прорезанной выемкой четвертой боковой поверхности, а вторые резьбовые отверстия - в плоскости, проходящей через середину выемки, с торцевых сторон бруска-вставки изготовлены резьбовые отверстия, аналогичные резьбовым отверстиям, выполненным со стороны внешних нижней и верхней поверхностей остова, ось этих резьбовых отверстий смещена относительно внешней, более узкой, стороны бруска-вставки на такое же расстояние, на какое смещена относительно второй внешней боковой поверхности остова ось резьбовых отверстий, находящихся под выемкой, в крышках выполнены сквозные отверстия для крепежных винтов, у которых оси совпадают с осями резьбовых отверстий остова, образованных со стороны его нижней и верхней поверхностей, и с осью торцевых резьбовых отверстий бруска-вставки, введенного в выемку остова, причем зазоры, образованные между большими поверхностями бруска-вставки и внутренними параллельными поверхностями выемки остова, и зазоры, образованные между поверхностями центральных прямоугольных выступов крышек, за исключением трехсторонних прямоугольных пьедесталов, и поверхностями отверстия, образованного поверхностями дна выемки остова, внутренней поверхностью бруска-вставки и параллельными поверхностями выемки остова, заполнены токопроводящим клеем.

В частном случае значение сопротивлений между его входом и выходами может быть выбрано в пределах (0,4-1,0)Z₀, где Z₀ - волновое сопротивление подсоединяемых трактов.

На фиг.1, фиг.2, фиг.3 изображен внешний вид предлагаемого делителя мощности (приведены его три проекции), а на фиг.4 показан продольный разрез устройства, на фиг.5 - поперечный разрез устройства. На фиг.6 изображена конструкция остова делителя мощности, на фиг.7 - разрез А-А остова, на фиг.8 показана конструкция прямоугольной крышки с центральным прямоугольным выступом, заканчивающимся трехсторонним прямоугольным двухступенчатым пьедесталом, на фиг.9 в увеличенном масштабе относительно других элементов и узлов показан внешний вид диэлектрической пластины с нанесенными на обе ее поверхности одинаковыми полосковыми проводниками и одинаковыми резисторами (концы первого, второго и третьего полосковых проводников, расположенные с обеих сторон диэлектрической пластины и доходящие до ее краев, соединяются в делителе мощности параллельно, при этом соединяются параллельно и два первых резистора и два вторых), а на фиг.10 - внешний вид фланцевого коаксиального разъема. На фиг.11 и 12 приведены расчетные значения коэффициента стоячей волны по напряжению со стороны входа и выходов делителя мощности и значения ослабления сигнала между входом и первым или вторым выходом и между выходами устройства для низкочастотных сигналов в зависимости от значения сопротивления резисторов (сопротивления параллельно соединенных резисторов).

На фиг.1-10 обозначено:

1 - остов делителя мощности;

2 - первый выходной фланцевый коаксиальный разъем;

3 - второй выходной фланцевый коаксиальный разъем;

4 - входной фланцевый коаксиальный разъем;

5 и 6 - верхняя и нижняя прямоугольные крышки с центральными прямоугольными выступами, заканчивающимися трехсторонними прямоугольными двухступенчатыми пьедесталами;

7 - внутренняя гнездовая часть входного фланцевого коаксиального разъема 4;

8 - фланец входного коаксиального разъема 4;

9 - стягивающий винт, при помощи которого фланец 8 соединяется с остовом 1;

10 - винт, при помощи которого верхняя крышка 5 соединяется с остовом 1;

11 - брусок-вставка, расположенный в прямоугольной боковой выемке остова 1;

12 - резьбовое отверстие, при помощи которого делитель мощности устанавливается на основание радиоэлектронного устройства, в состав которого он входит;

13 - слой токопроводящего клея между параллельными стенками остова 1 и параллельными поверхностями бруска-вставки 11;

14 - слой токопроводящего клея, расположенный между поверхностью выемки остова 1 и поверхностью центрального прямоугольного выступа прямоугольной крышки 5;

15 - центральный проводник фланцевого коаксиального разъема;

16 - концевая часть центрального проводника фланцевого коаксиального разъема с продольной щелью;

17 - кольцевой выступ фланцевого коаксиального разъема;

18 - проходная камера;

19 - двухступенчатое отверстие с резьбовой частью, расположенное в прямоугольной крышке 6;

20 - подстроенный винт, ввернутый в резьбовую часть двухступенчатого отверстия 19;

21 - сегментный участок концевой части центрального проводника фланцевого коаксиального разъема 4;

22 и 23 - внутренние цилиндрические отверстия одного диаметра, расположенные в остове 1 и в каждом фланцевом коаксиальном разъеме;

24 - диэлектрическая пластина с нанесенными на обе ее поверхности одинаковыми полосковыми проводниками и одинаковыми резисторами;

25 - цилиндрическое отверстие в остове 1, внутри которого проходит центральный проводник 15;

26 - кольцевая канавка остова 1, в которую входит выступ второго фланцевого коаксиального разъема 4;

27 - резьбовое отверстие, в которое вкручивается стягивающий винт 9;

28 - прямоугольная боковая выемка остова;

29 - прямоугольный выступ верхней крышки 10, заканчивающийся трехсторонним прямоугольным двухступенчатым пьедесталом;

30, 31 и 32 - полосковые проводники;

33 и 34 - резисторы;

35 - осевая продольная щель центрального проводника 15 для размещения в ней края диэлектрической пластины 24 с концами полосковых проводников 30.

Делитель мощности собирают из отдельных узлов (фланцевых коаксиальных разъемов 2, 3 и 4) и отдельных деталей следующим образом. Сначала к остову 1 присоединяют при помощи стягивающих винтов 9 выходные фланцевые разъемы 2, 3 и входной фланцевый разъем 4. При помощи металлической пластины, толщина и ширина которой равны толщине и длине диэлектрической пластины 24, проверяется параллельность осевых продольных щелей 35 в концевых частях центральных проводников 15 названных разъемов (проверка осуществляется через прямоугольную боковую выемку 28 остова 1). Если таковая отсутствует, заменяют неисправный разъем на исправный. Затем на концы полосковых проводников 30, 31 и 32 диэлектрической пластины 24 с ее обеих сторон наносят слои токопроводящего клея и диэлектрическую пластину 24 вставляют в три продольные щели трех центральных проводников 15 фланцевых коаксиальных разъемов 2, 3 и 4 до упора с концом щели 35 центрального проводника 15 входного фланцевого коаксиального разъема 4. Вставляют в прямоугольную боковую выемку 28 остова 1 прямоугольные выступы нижней 6 и верхней 5 крышек, заканчивающихся трехсторонними прямоугольными двухступенчатыми пьедесталами (в резьбовые части двухступенчатых отверстий 19 которых ввернуты подстроечные винты 20) до касания крышек 6 и 5 с остовом 1, при этом пьедесталы должны быть обращены в сторону входного фланцевого коаксиального разъема 4. Длина сторон поперечного сечения центральных прямоугольных выступов крышек на 0,05-0,10 мм меньше, чем длина сторон поперечного сечения отверстия, образуемого после введения бруска-вставки в выемку остова до ее внешних ребер. Затем на параллельные основания (поверхности) бруска-вставки 11, которые при его установке в прямоугольную боковую выемку 28 остова 1 будут соприкасаться со стенками этой выемки, наносят слой 13 токопроводящего клея и брусок-вставку 11 вводят в прямоугольную боковую выемку 28 до упора. После этого из образовавшегося в остове 1 прямоугольного отверстия удаляют прямоугольные выступы верхней 5 и нижней 6 крышек, заканчивающихся трехсторонними прямоугольными двухступенчатыми пьедесталами. Затем смазывают токопроводящим клеем 14 оба прямоугольных выступа с четырех сторон (смазывают поверхности выступов, прилегающие к крышкам 5 и 6), вставляют выступы на прежние места и прикрепляют крышки 5 и 6 к остову 1 и бруску-вставке 11 при помощи винтов 10. Затем делитель мощности подвергают термообработке для ускорения засыхания слоев токопроводящего клея.

Повышение верхней рабочей частоты в предлагаемом устройстве, имеющем коаксиальные вход и выходы при полосковом исполнении самого делителя мощности, обусловлено несколькими факторами.

Во-первых, в устройстве используется симметричное расположение полосковых линий и резисторов, нанесенных на обе стороны диэлектрической пластины, относительно горизонтальной плоскости, проходящей через оси входного коаксиального разъема 4, первого 2 и второго 3 выходных коаксиальных разъемов (концы полосковых проводников 30, 31 и 32, расположенные с одной стороны диэлектрической пластины 24, соединены с аналогичными концами полосковых проводников, расположенных с другой стороны пластины), а также используется воздушная среда, заполняющая пространство между диэлектрической пластиной 24 и общим для всего устройства проводником, нижние и верхние части которого также расположены симметрично относительно названной плоскости. Это приводит к уменьшению потерь в делителе мощности на СВЧ, так как СВЧ-токи в диэлектрической пластине не протекают.

Во-вторых, в устройстве осуществлено согласование между отрезками коаксиальных линий передачи и отрезками полосковых линий передачи посредством двухступенчатых переходов в каждом из трех плеч - двух пар ступенек на концевых частях центральных проводников разъемов и двух пар ступенек, образованных в общем для всего устройства проводнике (в двух прямоугольных двухступенчатых пьедесталах). Эти переходы выполняют роль согласующих элементов.

И, в-третьих, в делителе мощности осуществлено заполнение токопроводящим клеем образующихся при сборке устройства микрощелей между поверхностями прямоугольной боковой выемки 28 остова 1 и бруска-вставки 11 и поверхностями прямоугольных выступов верхней 5 и нижней 6 крышек, что устраняет паразитные резонансы на верхних рабочих частотах устройства.

Наиболее согласованным одновременно по входу и выходам делитель мощности будет при сопротивлениях параллельно соединенных резисторов R=31,2 Ом, но при этом он будет иметь несколько меньшие ослабления сигнала между входом и выходами и между выходами, чем он имеет при сопротивлениях параллельно соединенных резисторов R=50 Ом. При R=50 Ом он будет полностью согласован по входу на высоких частотах. Выполненные расчеты в частотной области от 1 МГц - 20 ГГц для этих двух случаев приведены в таблице.

Расчетные значения К_стUвх, К_стUвых, L_вх-вых и L_{вых-вых} у предлагаемого делителя мощности

Как было отмечено выше, в измерительных устройствах, в которых используются делители мощности, иногда более важной характеристикой является зависимость К_стUвых от частоты, чем зависимость К_стUвх от частоты. В этом случае целесообразно выбирать R=31,2 Ом. Возможен также выбор R в диапазоне сопротивлений 31,2-50,0 Ом.

Таким образом, предложенная совокупность существенных признаков позволяет улучшить параметры делителя мощности, имеющего коаксиальные вход и выходы и, собственно, полосковый делитель мощности, на СВЧ.