Широкополосное устройство сложения мощностей ВЧ генераторов электрических колебаний

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована в радиосвязи, в частности в мощных широкополосных транзисторных радиопередающих устройствах.
В современных радиопередающих устройствах большой мощности широкое распространение получил метод сложения мощности отдельных транзисторных генераторов с помощью мостовых устройств. При соблюдении условий баланса мостовой схемы токи одного из генераторов, взаимно компенсируются на зажимах другого генератора, не создавая тем самым напряжения на этих зажимах, в результате чего генераторы работают независимо друг от друга.
Важнейшими характеристиками мостовых сумматоров являются КСВ входов σ и степень их развязки ξ. Для практического использования считается достаточным обеспечить в диапазоне рабочих частот σ ≤ 1,2 и ξ ≥ 20 дБ [Проектирование и техническая эксплуатация радиопередающих устройств/М.А. Сиверс, Г.А. Зейтленок, Ю.Б. Несвижский и др.: Учеб. пособие для вузов. – М.: Радио и связь, 1989., Широкополосные радиопередающие устройства (Радиочастотные тракты на полупроводниковых приборах)/Алексеев О.В., Головков А.А., Полевой В.В., Соловьев А.А.; Под ред. О.А. Алексеева. – М.: Связь, 1978.]
Конструктивно сумматоры выполняются из отрезков линий передачи, в качестве которых могут служить, например, отрезки двухпроводной линии, полоскового или коаксиального кабеля, намотанные при необходимости на ферритовые сердечники, т.е. линии передачи применяются в форме трансформаторов типа длинной линии.
Известны устройства сложения двух ВЧ генераторов, выполненные с использованием двух трансформаторов типа длинной линии, на основе отрезков коаксиального кабеля [Широкополосные радиопередающие устройства (Радиочастотные тракты на полупроводниковых приборах) Алексеев О.В., Головков А.А., Полевой В.В., Соловьев А.А.; Под ред. О.А. Алексеева. – М.: Связь, 1978., Andrei Grebennikov, «RF AND MICROWAVE TRANSMITTER DESIGN». A JOHN WILEY and SONS. 2011.; Устройства сложения и распределения мощностей высокочастотных колебаний В.В. Заенцев, В.М. Катушкина, С.Е. Лондон, З.И. Модель; Под ред. З.И. Моделя. – М.: Сов. радио, 1980., Проектирование радиопередающих устройств: Учеб. пособие для вузов/В.В. Шахгильдян, В.А.Власов, В.Б. Козырев и др.; Под ред. В.В. Шахгильдяна. – 3-е изд., перераб. и доп. М.: Радио и связь, 1993 – 512 с., H. Granberg. BROADBAND TRANSFORMERS AND POWER COMBINING TECHNIQUES FOR RF. APPLICATION NOTE AN749, Motorola. 1993].
Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому является мостовой сумматор мощности двух генераторов, представленный в [Дегтярь Г.А. Трансформаторы в цепях согласования и сложение мощностей радиочастотных генераторов: Учеб. пособие. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2003. – 504 с. – (Серия «Учебники НГТУ»), Рис.П.5.8.], принятый за прототип.
Схема устройства-прототипа представлена на фиг. 1, где обозначено:
1, 2 – первый и второй отрезки коаксиального кабеля;
1.1, 1.2 – внутренний проводник и оплетка первого отрезка коаксиального кабеля;
2.1, 2.2 – внутренний проводник и оплетка второго отрезка коаксиального кабеля;
3 – балластный резистор;
н, к – начала и концы внутренних проводников и оплеток отрезков коаксиального кабеля.
Устройство-прототип (сумматор) содержит два одинаковых по длине отрезка коаксиального кабеля 1 и 2, которые располагаются на отдельных ферритовых сердечниках, и балластный резистор 3 (фиг. 1). Причем начало внутреннего проводника 1.1 отрезка коаксиального кабеля 1 соединено с первым генераторным входом сумматора, конец внутреннего проводника 1.1 отрезка коаксиального кабеля 1 соединен с концом внутреннего проводника 2.1 отрезка коаксиального кабеля 2 и первым выводом балластного резистора 3. Второй вывод балластного резистора 3 соединен с концом оплетки 1.2 отрезка коаксиального кабеля 1 и концом внутреннего проводника 2.1 отрезка коаксиального кабеля 2.
Начало внутреннего проводника 2.1 отрезка коаксиального кабеля 2 соединено со вторым генераторным входом, а начало оплетки 1.2 отрезка коаксиального кабеля 1 соединено с выходом сумматора и началом оплетки 2.2 отрезка коаксиального кабеля 2.
Работает устройство-прототип следующим образом.
В согласованном режиме равно амплитудные и синфазные сигналы генераторов поступают на первый и второй генераторные входы сумматора и распространяются соответственно по отрезкам коаксиального кабеля 1 и 2 к выходу сумматора, где суммируются в нагрузке сумматора без отражений, если ее сопротивление равно волновому сопротивлению каждого из отрезков коаксиального кабеля 1 и 2, при этом потенциалы на выводах балластного резистора 3 одинаковы, и мощность в балластный резистор не передается.
Изменение амплитуд и фаз сигналов, поступающих на генераторные входы сумматора, приводит к перераспределению сигналов между нагрузкой сумматора, подключенной к его выходу и балластным резистором 3. В наихудшем случае, например, при отключении одного из генераторов, половина мощности второго работающего генератора передается в нагрузку сумматора, а другая половина этой мощности передается в балластный резистор 3 и рассеивается в нем.
Недостатком устройства-прототипа является низкая верхняя рабочая частота, определяемая допустимым значением развязки между входами сумматора ξ ≥ 20 дБ
Задача предлагаемого технического решения – расширение рабочего диапазона сумматора в область верхних частот.
Для решения поставленной задачи в широкополосном устройстве сложения мощностей ВЧ генераторов электрических колебаний, содержащем два одинаковых по длине отрезка коаксиального кабеля, расположенные на отдельных ферритовых сердечниках, а также балластный резистор, причем начала внутренних проводников первого и второго отрезков коаксиального кабеля соединены с первым и вторым входами соответственно, согласно полезной модели, начало оплетки первого отрезка коаксиального кабеля соединено с концом оплетки второго отрезка коаксиального кабеля, начало которого соединено с концом оплетки первого отрезка коаксиального кабеля, при этом балластный резистор включен между точками соединения начала и конца оплеток первого и второго отрезков коаксиального кабеля соответственно, кроме того, концы внутренних проводников первого и второго отрезков коаксиального кабеля объединены и являются выходом устройства.
Схема предлагаемого устройства представлена на фиг. 2, где обозначено:
1, 2 – первый и второй отрезки коаксиального кабеля;
1.1, 1.2 – внутренний проводник и оплетка первого отрезка коаксиального кабеля;
2.1, 2.2 – внутренний проводник и оплетка второго отрезка коаксиального кабеля;
3 – балластный резистор;
н, к – начала и концы внутренних проводников и оплеток отрезков коаксиального кабеля.
Предлагаемое устройство (сумматор) содержит два одинаковых по длине отрезка коаксиального кабеля 1 и 2 , которые располагаются на отдельных ферритовых сердечниках, и балластный резистор 3, причем начало внутреннего проводника 1.1 первого отрезка коаксиального кабеля 1 соединено с первым генераторным входом сумматора, начало внутреннего проводника 2.1 второго отрезка коаксиального кабеля 2 соединено со вторым генераторным входом, начало оплетки 1.2 первого отрезка коаксиального кабеля 1 соединено с концом оплетки 2.2 второго отрезка коаксиального кабеля 2, начало которого соединено с концом оплетки 1.2 первого отрезка коаксиального кабеля. Кроме того, балластный резистор 3 включен между началами оплеток первого 1.2 и второго 2.2 отрезков коаксиальных кабелей 1 и 2. При этом концы внутренних проводников первого 1.1 и второго 2.1 отрезков коаксиального кабеля 1 и 2 соединены с выходом устройства.
Работает предлагаемое устройство следующим образом.
В согласованном режиме равно амплитудные и синфазные сигналы генераторов поступают на первый и второй генераторные входы сумматора и распространяются соответственно по отрезкам коаксиального кабеля 1 и 2 к выходу сумматора, где суммируются в нагрузке сумматора без отражений, если ее сопротивление равно волновому сопротивлению каждого из отрезков линии передачи 1 и 2, при этом потенциалы на выводах балластного резистора 3 одинаковы, и мощность в балластный резистор не передается.
Изменение амплитуд и фаз сигналов, поступающие на оба генераторные входы сумматора приводит к перераспределению сигналов между нагрузкой сумматора, подключенной к его выходу и балластным резистором 3. В наихудшем случае, например, при отключении одного из генераторов, половина мощности второго работающего генератора передается в нагрузку сумматора, а другая половина этой мощности передается в балластный резистор 3 и рассеивается в нем. При этом наличие балластного резистора обеспечивает электрическую развязку входов сумматора.
На фиг. 3. представлена зависимость развязки ξ между входами сумматора от частоты (устройство-прототип – кривая 1, предлагаемое устройство – кривая 2).
Как видно из приведенных на фиг. 3 данных в предлагаемом устройстве частота, на которой развязка между входами сумматора ξ ≥ 20 дБ гораздо выше, чем в устройстве-прототипе.