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 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, N1. 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 линий 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 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, поскольку 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 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 линий 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 линий 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 паразитную емкость 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 выходными плечами делителя мощности, то есть обеспечения их независимой работы при различных условиях нагрузки и эксплуатации.
Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является повышение развязки между выходными плечами делителя мощности.
Поставленная задача достигается тем, что в делителе мощности, содержащем 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, указанный отрезок линии передачи с потерями выполнен в форме квадрата, разделенного пополам металлизированной проводящей полоской с шириной равной ширине присоединенного к ней упомянутого короткозамкнутого шлейфа.
На фиг. 1 приведена схема электрическая принципиальная предлагаемого делителя мощности, на фиг. 2 - предлагаемый балластный развязывающий резистор в виде отрезка линии передачи с потерями в форме квадрата, на фиг. 3 - балластный развязывающий резистор в виде аналогичного отрезка линии передачи с потерями, но в форме прямоугольника в делителе мощности-прототипе, на фиг. 4 - частотные зависимости технических характеристик предлагаемого делителя мощности, на фиг. 5 - частотные зависимости технических характеристик делителя мощности-прототипа.
Делитель мощности (фиг. 1) содержит входное плечо 1, подключенное через четвертьволновые отрезки линий передачи 2 к двум выходным плечам 3, между которыми включен балластный развязывающий резистор 4, выполненный в виде отрезка линии передачи с потерями в форме квадрата, разделенного пополам металлизированной проводящей полоской с присоединенным к ней короткозамкнутым шлейфом 5. Выходные плечи 3 делителя нагружены на сопротивления нагрузки 6.
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 6 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. Несмотря на существенное улучшение технических характеристик, их значения недостаточно высоки, что, в первую очередь, касается развязки между выходными плечами устройства.
В предлагаемом делителе мощности повышение технических характеристик достигается выполнением балластного развязывающего резистора в форме квадрата (фиг. 2), а не прямоугольника (фиг. 3), как в делителе мощности-прототипе.
Действительно, в делителе мощности с двумя выходными плечами балластный развязывающий резистор в виде отрезка линии передачи с потерями представляет собой последовательное соединение двух одинаковых балластных резисторов по одному на каждое выходное плечо устройства (см., например, Делитель мощности, авт. свид. СССР N 496625, Н01Р 5/12, БИ N 47, 23.04.76). Вследствие этого, длина резистора вдвое превышает длину каждого из составляющих резисторов и, следовательно, резистор имеет прямоугольную форму с равномерно распределенной вдоль его длины паразитной емкостью.
К средней точке балластного резистора подключен упомянутый короткозамкнутый шлейф, индуктивное входное сопротивление которого компенсирует часть общей паразитной емкости резистора на участке его длины, примыкающем к месту подключения шлейфа. При этом значение развязки между выходными плечами устройства можно получить на уровне меньшем 38 дБ.
Повышение развязки может быть достигнуто введением дополнительных элементов коррекции, в частности, подключением к каждому выходному плечу параллельно его сопротивлению нагрузки дополнительного короткозамкнутого шлейфа длиной также меньшей четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона. Аналогичное корректирующее действие этих двух дополнительных шлейфов компенсирует оставшуюся часть нескомпенсированной паразитной емкости резистора и позволяет повысить значение развязки до 61.4 дБ, т.е. более чем на 24 дБ (в 15.8 раз), (см. Патент РФ N 2485641 С1; МПК Н01Р 5/12 (2006.01). Делитель мощности / Говорухин В.И., Рубанович М.Г., Сулайманов Р.Т., Заявка N2011146811/07; заявл. 17.11.2011, опубл. 20.06.2013).
Трудности практической реализации такого устройства в планарном исполнении с тремя близко расположенными шлейфами заставляет искать другое, более простое техническое решение со столь же высокими техническими характеристиками.
Таким простым и эффективным решением является использование в качестве балластного развязывающего резистора отрезка линии передачи с потерями в форме квадрата (фиг. 2).
2
В известных схемах двухканальных делителей мощности, реализованных на керамических подложках из поликора толщиной 1 мм с диэлектрической проницаемостью ε=9.6 в качестве балластного развязывающего резистора используют отрезок линии передачи с потерями прямоугольной формы размером 4*8 мм и площадью 32 мм.
2
В предлагаемом делителе мощности в качестве балластного резистора, как указывалось, использован аналогичный отрезок линии передачи с потерями в форме квадрата с длиной стороны 5.66 мм и той же площадью 32 мм. Одинаковые площади балластных резисторов в сравниваемых схемах делителей мощности обеспечивают одинаковые значения емкостей плоского конденсатора, но меньший примерно на 6% периметр резистора квадратной формы по сравнению с исходной прямоугольной формой в устройстве-прототипе, позволяет уменьшить значение краевой составляющей общей паразитной емкости резистора и получить выигрыш в частотных свойствах предлагаемого делителя мощности.
Длина металлизированной проводящей полоски  разделяющей пополам резистор квадратной формы, на 41.5% превышает длину аналогичной разделительной полоски  в резисторе прямоугольной формы, что повышает эффективность корректирующего действия короткозамкнутого шлейфа. Дальнейшее повышение этого эффекта достигается за счет сокращения на 29% высоты балластного резистора в форме квадрата.
Как следствие, значение развязки между выходными плечами предложенного делителя мощности превышает 62 дБ.
0
Расчетные частотные зависимости технических характеристик предлагаемого делителя мощности и устройства-прототипа в диапазоне частот 0.6…1.4 ГГц с центральной частотой 1.0 ГГц представлены на фиг. 4 и 5, при этом фиг. 4 соответствует предлагаемому, а фиг. 5 - делителю мощности-прототипу. Четвертьволновые отрезки линий передачи представлены идеализированными линиями с воздушным диэлектриком ε=1 длиной 75 мм и волновым сопротивлением  где R=50 Ом - стандартное значение входного и выходного сопротивлений устройства. Короткозамкнутые корректирующие шлейфы в обеих схемах с шириной полоска w=0.2 мм  как и балластные резисторы, выполнены на подложке из поликора с h=1 мм и толщиной полоска 0.0083 мм, расчетные значения длин шлейфов  мм для известного и  для предлагаемого вариантов исполнения балластных резисторов. Поверхностное сопротивление резистивной пленки в известном варианте схемы равно 50 Ом/, в предлагаемом - 100 Ом/.
Сравнение зависимостей на фиг. 4 и 5 показывает повышение развязки между выходными плечами  предлагаемого делителя мощности до 62.8 дБ, т.е. на 24.9 дБ (в 17.7 раза) больше по сравнению с прототипом. Остальные технические характеристики устройства сохранились примерно на том же уровне.
Таким образом, выполнение балластного развязывающего резистора в виде отрезка линии передачи с потерями в форме квадрата, разделенного пополам металлизированной проводящей полоской с шириной равной ширине присоединенного к ней короткозамкнутого шлейфа, повышает развязку между выходными плечами делителя мощности не менее, чем на 24.9 дБ (в 17.7 раз).