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 многоканальный синфазный делитель мощности, содержащий входное плечо, подключенное через четвертьволновые отрезки линии передачи к выходным плечам, между которыми включены балластные развязывающие резисторы, соединенные в звезду (Wilkinson E.J. An N-hybrid power divider // IRE Trans, on microwave theory and techniques. 1960. v. MTT-8, N 1. p.116-118). За прошедшие более чем 50 лет это устройство многократно усовершенствовалось и составило основу большого числа авторских свидетельств и патентов. Будучи линейным и взаимным делитель Уилкинсона может равноправно использоваться и в качестве сумматора мощности.
При работе на большом уровне мощности площади балластных резисторов в пленочном исполнении, как и их паразитные параметры, увеличиваются, что приводит к резкому ухудшению основных технических характеристик устройства - согласования по входу и выходам, развязки между выходными плечами, снижение коэффициента прямой передачи, рост потерь в балластных резисторах, смещение 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).
Известен делитель мощности (см. авт.свид. СССР №849342, Н01Р 5/12, БИ №27. 25.07.81), содержащий разветвитель, к выходам плеч которого подключены балластные развязывающие резисторы, включенные звездой, к входу и к каждому из выходов плеч разветвителя подключены короткозамкнутые шлейфы, а в каждое плечо разветвителя включен конденсатор, причем емкость и длина каждого из короткозамкнутых шлейфов определяются соответственно из соотношений
,
где N - число плеч;
0
f - 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 четвертьволновых 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 предыдущем случае, достижение высоких технических характеристик не может быть реализовано в данном устройстве.
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, 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:
;
,
C
где Z, L - волновое сопротивление и длина отрезка линии передачи с потерями;
γ - постоянная распространения в линии с потерями;
ш
ш
Z, l - волновое сопротивление и длина шлейфа.
В прототипе увеличение рабочей мощности достигается подключением к общей точке соединенных в звезду балластных резисторов короткозамкнутого шлейфа с длиной, меньшей четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона. Этот шлейф компенсирует паразитные параметры балластных резисторов и улучшает согласование по входу и выходам, развязку между выходами, увеличивает коэффициент прямой передачи и, как следствие, рабочую мощность на выходах.
Однако, несмотря на существенное улучшение указанных технических характеристик, их значения недостаточно высоки, что, в первую очередь, касается развязки между выходными плечами делителя, то есть обеспечения их независимой работы при различных условиях нагрузки и эксплуатации, и КСВН по входу.
Принципиальным недостатком делителя мощности - прототипа являются технологические ограничения реализации устройств с числом выходных плеч, большим пяти при использовании стандартных керамических материалов подложки, таких как поликор и брокерит (см. В.И. Говорухин, М.Г. Рубанович. Многоканальные синфазные сумматоры - делители мощности Уилкинсона с корректирующим шлейфом. Материалы XI международной конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения - АПЭП-2012", Новосибирск, НГТУ, 2012, CFP2471-PRT, ISBN 978-1-4673-2839-5. т. 4, с. 118-121).
Задачей предлагаемого изобретения является повышение развязки между выходными плечами, улучшение согласования по входу, а также выполнение делителей с большим числом выходных плеч, что расширяет их функциональные возможности.
Поставленная задача достигается тем, что в делитель мощности, 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, введены четвертьволновый отрезок линии передачи, включенный между входным плечом и общей точкой четвертьволновых отрезков линии передачи, и дополнительный короткозамкнутый шлейф длиной меньше четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона, присоединенный к входному плечу делителя мощности.
Кроме того, в предлагаемый делитель мощности может быть введен разомкнутый шлейф длиной меньше четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона, присоединенный к общей точке четвертьволновых отрезков линии передачи.
На фиг.1 приведена схема электрическая принципиальная предлагаемого делителя мощности, на фиг.2 - вариант схемы электрической принципиальной предлагаемого делителя мощности с введенным разомкнутым шлейфом, присоединенным к общей точке четвертьволновых отрезков линии передачи, на фиг.3 - расчетные частотные зависимости технических характеристик делителя мощности-прототипа с числом выходных плеч, равным пяти, на фиг.4 - технические характеристики предлагаемого делителя мощности с введенными четвертьволновым отрезком линии передачи и дополнительным короткозамкнутым шлейфом, нафиг.5 - технические характеристики предлагаемого делителя мощности с введенным разомкнутым шлейфом, присоединенным к общей точке четвертьволновых отрезков разветвителя.
Делитель мощности (фиг.1) содержит входное плечо 1, к которому подключены введенные дополнительный короткозамкнутый шлейф 2 и четвертьволновый отрезок линии передачи 3, присоединенный к общей точке 4 четвертьволновых отрезков линии передачи 5, концы которых подключены к выходным плечам 6, при этом между выходными плечами 6 включены балластные резисторы 7, выполненные в виде отрезков линии передачи с потерями и соединенные в звезду, к общей точке которых подключен короткозамкнутый шлейф 8 длиной меньше четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона. Выходные плечи 6 нагружены на сопротивления нагрузки 9.
В предлагаемый делитель мощности может быть введен разомкнутый шлейф 10 длиной меньше четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона, присоединенный к общей точке 4 четвертьволновых отрезков линии передачи 5 (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 линии передачи 5 по всем выходным плечам 6, так что при одинаковых и согласованных сопротивлениях нагрузки 9 эти мощности на всех выходных плечах 6 равны по величине и синфазны. Для случая минимальной площади балластных резисторов 7 делитель мощности представляет собой симметричный многополюсник и на центральной частоте является полностью согласованным, а его выходы развязаны практически идеально. В устройствах большой мощности 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, а следовательно, для обеспечения их работоспособности необходимо скорректировать влияние эффекта, связанного с использованием балластных резисторов с большой площадью. Это частично реализовано в устройстве-прототипе за счет подключения к общей точке включенных в звезду балластных резисторов 7 короткозамкнутого шлейфа 8. В предлагаемом устройстве к входному плечу подключены введенные четвертьволновый отрезок линии передачи 3, включенный между входным плечом и общей точкой 4 четвертьволновых отрезков линии передачи 5 и дополнительный короткозамкнутый шлейф 2 длиной меньше четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона. Кроме того, в предлагаемый делитель мощности может быть введен разомкнутый шлейф 10 длиной меньше четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона, присоединенный к общей точке 4 четвертьволновых отрезков линии передачи 5. Эти элементы обеспечивают существенное повышение развязки между выходными плечами делителя мощности, улучшение согласования по входу, а также выполнение делителей с большим числом выходных плеч, что расширяет их функциональные возможности.
0
р
0
p
<mrow><msub><mi>ρ</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>p</mi></msub><mo>/</mo><msqrt><mi>n</mi></msqrt><mo>=</mo><mn>90</mn><mo>/</mo><msqrt><mn>5</mn></msqrt><mo>=</mo><mn>40.25</mn></mrow>
Расчетные частотные зависимости технических характеристик предлагаемого (фиг.1 и 2) и делителя мощности-прототипа с числом выходных плеч, равным пяти, в диапазоне частот 600…1400 МГц с центральной частотой 1000 МГц представлены на фиг.3…5, при этом фиг.3 соответствует делителю мощности-прототипу с R=50 Ом, ρ=111.8 Ом, фиг.4 - предлагаемому делителю мощности (фиг.1) с введенными дополнительным короткозамкнутым шлейфом 2 и четвертьволновым отрезком линии передачи 3, R=50 Ом, ρ=90 Ом,
Ом, фиг.5 - предлагаемому делителю мощности, дополненному разомкнутым шлейфом 10 (фиг.2). Сравнение зависимостей на фиг.3…5 показывает:
<mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>i</mi><mi>k</mi></mrow></msub></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow>
1
1
- параметр
i, k=2…6, i≠k, характеризующий развязку между выходными плечами устройства, повысился на 15.7%, или на 1.27 дБ, для варианта - фиг.1 и в 2.7 раза, или на 8.68 дБ, для варианта - фиг.2. Наблюдаемое сокращение полосы пропускания устройства по уровню -25 дБ в 1.34 раза малозначительно, поскольку полученное значение ширины полосы пропускания Δƒ=475.85 МГц существенно выше аналогичного показателя для КСВН;
1
1
- коэффициент стоячей волны напряжения по входу KCBH для всех вариантов делителей мощности близок к единице (1.02…1.031) на частотах, соответствующих их минимальному значению. Полоса пропускания по уровню KCBH=1.2 расширялась в 2.9 раза для варианта - фиг.1 (со 152.6 МГц до 446.25 МГц) и в 2.5 раза для варианта - фиг.2 (до 380.6 МГц);
<mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>i</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow>
- коэффициент прямой передачи
, i=2…6, для делителя мощности-прототипа -7.267 дБ меньше идеального значения -6.99 дБ на 3.2%. Его улучшение до -7.136 дБ для варианта - фиг.2 составляет около 1.5%.
Таким образом, введение в устройство-прототип указанных элементов коррекции позволило повысить развязку между выходными плечами в 2.7 раза (на 8.68 дБ) и расширить его полосу пропускания в 2.5 раза.
Покажем возможность увеличения числа выходных плеч в предложенном делителе мощности. В делителе мощности-прототипе волновое сопротивление четвертьволновых отрезков разветвителя выбирается из соотношения (см. вышеуказанную работу Wilkinson E.J. An N-hybrid power divider //IRE Trans, on microwave theory and techniques. 1960. v. MTT-8, N 1. p.116-118)
,
0
где R=50 Ом - стандартное значение входного и выходного сопротивлений n-плечевого делителя мощности.
p
r
r
Для рассматриваемого устройства с числом выходных плеч, равным пяти, ρ=5045=111.8 Ом. При реализации устройства на подложке из поликора ε=9.6 толщиной h=1 мм ширина микрополосковой линии составит W=0.0775 мм, что требует применения специальной технологии с повышенной разрешающей способностью. Кроме того, устройства с такой W=0.0775 мм не могут быть использованы на большом уровне мощности. Применение брокерита с ε=6.6 и h=1 мм увеличивает ширину полоска до W=0.16 мм, что близко к рекомендуемому минимальному значению W=0.2 мм, соответствующему стандартной технологии изготовления микрополосковых элементов. Вышесказанное позволяет сделать вывод о невозможности реализации делителя мощности-прототипа с числом выходных плеч больше пяти. Даже в этих пределах n≤5 увеличение их числа сопровождается уменьшением развязки между выходными плечами, ухудшением согласования по входу, сокращением полосы пропускания устройства.
<mrow><msub><mi>ρ</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>p</mi></msub><mo>/</mo><msqrt><mi>n</mi></msqrt></mrow>
<mrow><msub><mi>n</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>ρ</mi><mrow><mi>p</mi><mi>max</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>ρ</mi><mrow><mn>1</mn><mi>min</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>=</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mn>90</mn></mrow><mrow><mn>20</mn></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>≅</mo><mn>20</mn></mrow>
Рmax
max
min
max
max
Выполнение делителя мощности с большим числом выходных плеч достигается при введении между входом 1 делителя мощности и общей точкой 4 четвертьволновых отрезков 5 разветвителя четвертьволнового трансформирующего отрезка 3 с волновым сопротивлением
. Задавая реализуемую на практике по стандартной технологии ширину четвертьволновых отрезков разветвителя, например, W=0.2 мм, что соответствует ρ=90 Ом (см. Бахарев С.И., Вольман В.И., Либ Ю.Н. и др. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств / Под ред. В.И. Вольмана. - М.: Радио и связь, 1982. - 328 с.), можно реализовать делитель мощности по предлагаемой схеме с числом выходных плеч n=20, что в четыре раза превышает n=5 для делителя мощности-прототипа. Действительно, учитывая рекомендуемое минимальное значение волнового сопротивления микрополосковых линий передачи ρ=20 Ом (см. Сазонов Д.М., Гридин А.Н., Мишустин Б.А. Устройства СВЧ / Под ред. Д.М. Сазонова. - М.: Высшая школа, 1981. - 295 с., ил.), можно показать, что
. Таким образом, увеличение максимального числа выходных плеч с n=5 до n=20 расширяет функциональные возможности предложенного делителя мощности.