ДЕЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ
POWER DIVIDER

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, 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). Эта исходная схема делителя мощности является базовой, поскольку на ее основе предложено большое число вариантов, обеспечивающих достижение более высоких технических характеристик, расширение областей применения устройства и решение других, в том числе и новых, задач. Делитель мощности с двумя выходными плечами и, соответственно, с двумя четвертьволновыми отрезками линии передачи в разветвителе, между которыми включен балластный развязывающий резистор, широко известен в литературе (см. Малорацкий Л.Г., Явич Л.Р. Проектирование и расчет СВЧ-элементов на полосковых линиях. -М.: Советское радио, 1972. - 232 с.) и также многократно усовершенствовался.
Известен делитель мощности, содержащий отрезок входной линии передачи, соединенный четвертьволновыми отрезками линий с двумя выходными плечами, между которыми включена балластная нагрузка, отличающийся тем, что с целью расширения рабочей полосы частот и увеличения развязки балластная нагрузка выполнена в виде двух резисторов, между которыми дополнительно включен полуволновый отрезок связанных линий, замкнутых на конце (см. Делитель мощности, авт. свид. СССР №496625, Н01Р 5/12, БИ №47. 23.04.76).
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 входу и выходам, развязки между ними, снижению коэффициента прямой передачи, росту потерь в балластных резисторах, смещению по частоте минимумов коэффициента стоячей волны напряжения (КСВН) и максимума развязки и др. (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, №6, 2011, с. 59-63). Кроме того, введение замкнутого на конце полуволнового отрезка связанных линий усложняет схему и увеличивает габариты устройства.
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, отличающийся тем, что 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, так как для них длина шлейфа не четверть, а полуволновая, либо кратная ей, а входное сопротивление такого шлейфа равно нулю.
Как и в предыдущем случае, достижение высоких значений технических характеристик не может быть реализовано в данном устройстве, поскольку этот короткозамкнутый четвертьволновый шлейф не способен корректировать вредное влияние паразитных параметров пленочного балластного резистора с увеличенной площадью.
Известен также делитель мощности (см. авт. свид. СССР №849342, Н01Р 5/12, БИ №27. 25.07.81), содержащий разветвитель, к выходам плеч которого подключены развязывающие резисторы, включенные звездой, отличающийся тем, что 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;
0
ƒ - центральная частота рабочего диапазона;
0
R - выходное сопротивление каждого плеча делителя;
0
λ - длина волны в делителе мощности;
ρ - волновое сопротивление короткозамкнутого шлейфа.
Уменьшение потерь и сокращение габаритов устройства достигается эквивалентной заменой 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 предыдущих случаях, достижение высоких значений указанных технических характеристик не может быть реализовано и в этом устройстве, поскольку оно принципиально не отличается от приведенных выше.
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:
,
,
C
где Z, L - волновое сопротивление и длина отрезка линии передачи с потерями;
γ - постоянная распространения в линии с потерями;
,  - волновое сопротивление и длина шлейфа.
Для варианта с двумя выходными плечами, балластный развязывающий резистор выполнен также в виде отрезка линии передачи с потерями, к средней точке которого подключен короткозамкнутый шлейф длиной меньше четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона. Этот шлейф компенсирует паразитные параметры балластного резистора и повышает развязку между выходными плечами делителя мощности, улучшает согласование по его входу и выходам, увеличивает коэффициент прямой передачи и, следовательно, рабочую мощность.
Однако, несмотря на существенное улучшение технических характеристик устройства, их значения все еще недостаточно высоки, что, в первую очередь, касается развязки между его выходными плечами и согласования по входу и выходам.
Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является улучшение развязки между выходными плечами делителя мощности и согласования по его входу и выходам.
Поставленная задача достигается тем, что в делитель мощности, содержащий входное плечо, подключенное через четвертьволновые отрезки линий передачи к двум выходным плечам, между которыми включен балластный развязывающий резистор, выполненный в виде отрезка линии передачи с потерями, к средней точке которого подключен короткозамкнутый шлейф длиной меньше четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона, введены два разомкнутых шлейфа длиной также меньше четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона, подключенные к входным контактным площадкам балластного развязывающего резистора, выполненного в виде отрезка неоднородной линии передачи с потерями в форме круга, разделенного пополам металлизированной проводящей полоской с присоединенным к ней указанным короткозамкнутым шлейфом, ширина которого равна ширине металлизированной полоски, при этом входные контактные площадки резистора расположены симметрично по обе стороны диаметра, перпендикулярного указанной металлизированной полоске.
Также, в предлагаемый делитель мощности может быть введен дополнительный короткозамкнутый шлейф длиной меньше четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона, присоединенный к его входному плечу.
На фиг. 1 приведена схема электрическая принципиальная предлагаемого делителя мощности; на фиг. 2 - вариант схемы электрической принципиальной предлагаемого делителя мощности с введенным короткозамкнутым шлейфом, присоединенным к его входному плечу; на фиг. 3 - изображение балластного развязывающего резистора в форме круга с короткозамкнутым шлейфом и двумя введенными разомкнутыми шлейфами; на фиг. 4 - расчетные частотные зависимости технических характеристик делителя мощности - прототипа, на фиг. 5 - технические характеристики предлагаемого делителя мощности, на фиг. 6 -технические характеристики предлагаемого делителя мощности с дополнительным короткозамкнутым шлейфом.
Делитель мощности (фиг. 1) содержит входное плечо 1, подключенное через четвертьволновые отрезки 2 к двум выходным плечам 3, между которыми включен балластный развязывающий резистор 4, выполненный в виде отрезка неоднородной линии передачи с потерями в форме круга, разделенного пополам металлизированной проводящей полоской с присоединенным к ней короткозамкнутым шлейфом 5. К входным контактным площадкам 6 балластного развязывающего резистора 4, присоединенным к двум выходным плечам 3 делителя мощности, подключены два введенных разомкнутых шлейфа 7 длиной меньше четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона. Входные плечи делителя нагружены на сопротивления нагрузки 8.
На изображении балластного развязывающего резистора (фиг. 3) показан отрезок неоднородной линии передачи с потерями в форме круга 9, разделенного пополам металлизированной проводящей полоской 10 с присоединенным к ней короткозамкнутым шлейфом 5, ширина которого равна ширине этой металлизированной полоски 10. Две входные контактные площадки 6 резистора с присоединенными к ним двумя разомкнутыми шлейфами 7 расположены симметрично по обе стороны диаметра 11, перпендикулярного металлизированной полоске 10.
В предлагаемый делитель мощности может быть введен короткозамкнутый шлейф 12 длиной также меньше четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона, присоединенный к его входному плечу (фиг. 2).
Делитель мощности (фиг. 1) работает следующим образом. При поступлении входного СВЧ-сигнала на входное плечо 1, его мощность равномерно распределяется через одинаковые четвертьволновые отрезки линий передачи 2 по двум выходным плечам 3, так что при одинаковых и согласованных сопротивлениях нагрузки 8 эти мощности на выходных плечах 3 равны по величине и синфазны. Для случая минимальной площади балластного резистора делитель мощности представляет собой симметричный шестиполюсник и на центральной частоте является полностью согласованным, а его выходы развязаны практически идеально. В устройствах большой мощности оказывается необходимым использовать балластный резистор с большой площадью для рассеяния значительной мощности в случае рассогласования или выхода из строя одной из нагрузок. При этом пропорционально увеличиваются паразитные параметры резистора, прежде всего его паразитная емкость, что приводит к резкому ухудшению развязки между выходными плечами, согласования по входу и выходам, снижению прямой передачи, росту потерь в балластном резисторе, смещению по частоте минимумов КСВН и максимума развязки и др. Компенсация этого нежелательного влияния достигается подключением к средней точке балластного развязывающего резистора короткозамкнутого шлейфа длиной меньше четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона, как это выполнено в делителе мощности - прототипе (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, №6, 2011, с. 59-63). Несмотря на существенное улучшение технических характеристик, их значения недостаточно высоки, что, в первую очередь, касается развязки между выходными плечами и согласования по входу и выходам устройства.
В предлагаемом делителе мощности повышение этих характеристик достигается введением в него двух разомкнутых шлейфов длиной меньше четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона, подключенных к входным контактным площадкам балластного развязывающего резистора, выполненного в виде отрезка неоднородной линии передачи с потерями в форме круга, разделенного пополам металлизированной проводящей полоской с присоединенным к ней короткозамкнутым шлейфом, при этом входные контактные площадки резистора расположены симметрично по обе стороны диаметра, перпендикулярного указанной металлизированной полоске.
Действительно, введение двух разомкнутых шлейфов, как элементов дополнительной коррекции паразитных параметров резистора, а также использование более совершенной круговой формы балластного резистора, фигуры с наименьшим периметром, а следовательно, с наименьшим значением краевой составляющей общей паразитной емкости балластного резистора, по сравнению с прямоугольной формой балластного резистора - отрезком однородной линии передачи с потерями, в делителе мощности - прототипе, позволяет улучшить развязку между выходными плечами делителя и улучшить согласование по входу и выходам.
Повышение этих характеристик может быть достигнуто введением в делитель мощности дополнительного элемента корреляции - короткозамкнутого шлейфа длиной меньше четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона, присоединенного к его входному плечу (фиг. 2).
r
шл
r
2
2
Расчетные частотные зависимости технических характеристик предлагаемого и делителя мощности - прототипа в диапазоне частот 0,6…1,4 ГГц с центральной частотой 1.0 ГГц представлены на фиг. 4…6, при этом фиг. 4 соответствует делителю мощности - прототипу, фиг. 5 - предлагаемому делителю мощности, фиг. 6 - предлагаемому делителю мощности с дополнительным введенным короткозамкнутым шлейфом. Четвертьволновые отрезки линий передачи представлены идеализированными линиями с воздушным диэлектриком ε=1 длиной 75 мм и волновым сопротивлением  Ом. Балластные развязывающие резисторы выполнены на подложке из поликора толщиной 1 мм в виде отрезка однородной линии передачи с потерями прямоугольной формы размерами 4*8 мм площадью 32 мм в делителе мощности - прототипе (фиг. 4) (см. вышеуказанную статью К.Я. Аубакиров, В.И. Говорухин и др. …) и отрезка неоднородной линии передачи с потерями круговой формы с той же площадью 32 мм на фиг. 5 и 6. Одинаковые площади балластных резисторов в сопоставляемых схемах обеспечивают одинаковое значение емкостей плоского конденсатора, но краевые составляющие общих емкостей различны, что и определяет отличие частотных свойств делителей мощности. Корректирующие короткозамкнутые шлейфы 5 выполнены также на поликоре с шириной полоски w=0.2 мм (ρ=90 Ом), расчетные значения длин шлейфов =6.2 мм на фиг. 4 для делителя мощности-прототипа и =5.45 мм на фиг. 5 для предложенного делителя мощности. Корректирующие разомкнутые шлейфы с w=0.2 мм имеют длину =1,1 мм - фиг. 3. Короткозамкнутый корректирующий шлейф, присоединенный к входному плечу делителя - фиг. 2 и 6 представлен, как и четвертьволновые отрезки, идеализированной линией с воздушным диэлектриком ε=1 с ρ=90 Ом и длиной 31,5 мм.
Сравнение зависимостей на фиг. 4 и 5 показывает:
- параметр , характеризующий развязку между выходными плечами, повысился на 15.8 дБ (в 6,17 раза) по сравнению с делителем мощности - прототипом, полоса пропускания по уровню - 25 дБ расширилась на 88 МГц или на 24,2%;
1
2,3
1
2,3
- параметром, характеризующим качество согласования по входу и выходам делителя мощности, как известно, является коэффициент стоячей волны напряжения (КСВН), соответственно, по входу КСВН, по выходам КСВН, допустимое значение которого КСВН=1,2 определяет ширину полосы согласования устройства по этому параметру. Для предложенного делителя мощности полоса согласования по входу KCBH по уровню 1,2 расширилась на 205,2 МГц или на 90,15%. Аналогичное расширение полосы согласования по выходам КСВН по тому же уровню 1,2 составило 64,9 МГц или на 15% больше. Отметим также существенное улучшение симметрии частотных зависимостей этих характеристик в предложенном устройстве.
При введении дополнительного короткозамкнутого шлейфа, присоединенного к входному плечу делителя мощности, параметр  повысился на 0,97 дБ (в 1,12 раз), при сужении полосы пропускания устройства по этому параметру в 1,8 раза. Полоса согласования по входу так же уменьшилась, а по выходу - увеличилась в 1,1 раза.
Таким образом, использование в качестве балластного развязывающего резистора отрезка неоднородной линии передачи с потерями в форме круга и подключение к его входным контактным площадкам двух разомкнутых шлейфов позволило повысить развязку между выходными плечами делителя на 15.8 дБ (в 6,17 раз), расширить полосу пропускания по этому параметру на 24.2%, существенно улучшить согласование по входу на 90% и выходам на 15%.
Введение короткозамкнутого шлейфа, присоединенного к входному плечу делителя мощности, позволило дополнительно повысить развязку на 0,97 дБ (в 1,12 раз), а также расширить полосу согласования по выходам в 1,1 раза. Наблюдаемое сокращение полосы пропускания по развязке и полосы согласования по входу позволяет использовать этот вариант схемы для делителей мощности с ограниченной полосой рабочих частот, но с ослабленными требованиями к цепям нагрузки.