Широкополосное устройство сложения мощностей четырёх генераторов электрических колебаний с улучшенной развязкой

Устройство относится к радиотехнике и может быть использовано в радиосвязи, в частности, в мощных широкополосных транзисторных радиопередающих устройствах.
В современных радиопередающих устройствах большой мощности широкое распространение получил принцип построения оконечного каскада радиопередатчика, основанный на суммировании мощности отдельных генераторов (модулей).
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.
Диапазонные свойства сумматоров мощности определяются КСВ σ и развязкой ξ входов.
Свойство электрической развязки означает, что при соблюдении условий баланса сумматора токи одного из генераторов, протекающие через нагрузочную и развязывающие цепи, должны взаимно компенсироваться на зажимах другого генератора, не создавая тем самым напряжения на этих зажимах, в результате чего генераторы работают независимо друг от друга.
В том случае, если все отрезки линий имеют равную длину и согласованы (нагружены на сопротивления, равные волновым), то вне зависимости от их длины генераторы будут согласованы и развязаны друг от друга, причем нижняя рабочая частота сумматора будет определяться величиной продольной индуктивности отрезков линий, размещенных на ферритовых сердечниках, а верхняя рабочая частота будет неограниченно большой [С.Е. Лондон. Устройство для сложения мощностей генераторов электрических колебаний. Авт. свид. СССР № 543144. Опубликовано 15.01.77. Бюллетень №2., 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., Патент US4774481 «Wideband transmission line signal combiner/divider», Sep. 27, 1988, Figure 3., Andrei Grebennikov. Power Combiners, Impedance Transformers and Directional Couplers. High Frequency Electronics. December 2007.].
Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому является мостовой сумматор мощности четырёх генераторов по патенту US 6407648 «Four-way non-directional power combiner», Nov. 15, 1999, Figure 1, принятый за прототип.
Схема устройства-прототипа приведена на фиг. 1, где обозначено:
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 – отрезки коаксиального кабеля;
1.1, 2.1, 3.1, 4.1, 5.1, 6.1, 7.1, 8.1 – внутренние проводники кабелей;
1.2, 2.2, 3.2, 4.2, 5.2, 6.2, 7.2 и 8.2 – оплетки отрезков коаксиальных
кабелей;
«н» – начала внутренних проводников и оплеток кабелей;
«к» – концы внутренних проводников и оплеток кабелей;
R1 – R5 – первый, второй, третий, четвертый и пятый балластные
резисторы.
Устройство-прототип содержит восемь одинаковых по длине отрезка коаксиального кабеля 1 – 8, которые располагаются на отдельных ферритовых сердечниках, и пять балластных резисторов R1 – R5. Начала внутренних проводников 1.1, 1.2, 1.3, 1.4 отрезков коаксиального кабеля 1, 2, 3, 4 соединены с соответствующими входами устройства. Начала внутренних проводников 5.1 и 8.1 подключены к выходу устройства. Конец внутреннего проводника 1.1 отрезка коаксиального кабеля 1 соединен с концом внутреннего проводника 6.1 отрезка коаксиального кабеля 6 и одним выводом второго балластного резистора R2. Другой вывод балластного резистора R2 соединен с концами внутренних проводников 2.1 и 5.1 отрезков коаксиальных кабелей 2 и 5. Один вывод балластного резистора R1 соединен с концом оплетки 2.2 отрезка коаксиального кабеля 2, объединенным с концом оплетки 6.2 отрезка коаксиального кабеля 6, другой вывод балластного резистора R1 соединен с концом оплетки 1.2 отрезка коаксиального кабеля 1, объединенным с концом оплетки 5.2 отрезка коаксиального кабеля 5.
Конец внутреннего проводника 3.1 отрезка коаксиального кабеля 3 соединен с концом внутреннего проводника 8.1 отрезка коаксиального кабеля 8 и одним выводом четвертого балластного резистора R4, другой вывод которого соединен с концами внутренних проводников 4.1 и 7.1 отрезков коаксиального кабеля 4 и 7. Один вывод третьего балластного резистора R3 соединен с концом оплетки 4.2 отрезка коаксиального кабеля 4, объединенным с концом оплетки 8.2 отрезка коаксиального кабеля 8, другой вывод балластного резистора R3 соединен с концом оплетки 3.2 отрезка коаксиального кабеля , объединенным с концом оплетки 7.2 отрезка коаксиального кабеля 7.
Один вывод пятого балластного резистора R5 соединен с началом внутреннего проводника 6.1 отрезка коаксиального кабеля 6, объединенным с началом оплетки 8.2 отрезка коаксиального кабеля 8, другой вывод балластного резистора R5 соединен с началом оплетки 5.2 отрезка коаксиального кабеля 5, объединенным с началом внутреннего проводника 7.1 отрезка коаксиального кабеля 7.
Начало оплёток 1.2, 2.2, 3.2, 4.2, 6.2, 7.2 отрезков коаксиальных кабелей 1, 2, 3, 4, 5, 6 и 7 соединены с общим («земляным») проводником.
Работает устройство-прототип следующим образом.
В согласованном режиме равноамплитудные и синфазные сигналы генераторов поступают на первый, второй, третий и четвертый генераторные входы сумматора и распространяются соответственно по отрезкам коаксиального кабеля 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 к выходу и суммируются в нагрузке сумматора без отражений, если ее сопротивление равно волновому сопротивлению каждого из отрезков линии передачи 1 – 8, при этом потенциалы на выводах балластных резисторов R1 – R5 одинаковы, и мощность в балластные резисторы не передается.
Изменение амплитуд и фаз сигналов, поступающих на генераторные входы сумматора, приводит к перераспределению сигналов между нагрузкой сумматора, подключенной к его выходу, и балластными резисторами R1 – R5. 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 балластные резисторы R1 – R5 и рассеивается в них.
Недостатком устройства-прототипа является снижение уровня развязки между входами с уменьшением рабочей частоты сумматора.
Задача предлагаемого технического решения – устранение снижения уровня развязки между входами сумматора с уменьшением рабочей частоты.
Для решения поставленной задачи в устройство, содержащее восемь одинаковых по длине отрезков коаксиального кабеля, расположенных на отдельных ферритовых сердечниках, и пять балластных резисторов, причем начала внутренних проводников первого, второго, третьего и четвертого отрезков коаксиального кабеля подключены к соответствующим входам устройства; начала внутренних проводников пятого и восьмого отрезков коаксиального кабеля подключены к выходу устройства, при этом первый балластный резистор включен между объединенными концами оплеток первого и пятого отрезков коаксиального кабеля и объединенными концами оплеток второго и шестого отрезков коаксиального кабеля; второй балластный резистор включен между соединенными концами внутренних проводников второго и пятого отрезков коаксиального кабеля и концами внутренних проводников первого и шестого отрезков проводников коаксиального кабеля; третий балластный резистор включен между соединенными концами оплеток третьего и седьмого отрезков коаксиального кабеля и соединенными концами четвертого и восьмого оплеток отрезков проводников коаксиального кабеля; четвертый балластный резистор включен между соединенными концами четвертого и седьмого отрезков внутренних проводников коаксиального кабеля и соединенными концами третьего и восьмого отрезков внутренних проводников коаксиального кабеля; пятый балластный резистор включен между точкой соединения начала шестого отрезка внутреннего проводника и начала восьмого отрезка оплетки коаксиального кабеля и точкой соединения начала пятого отрезка оплетки коаксиального кабеля и начала седьмого отрезка проводника коаксиального кабеля, согласно полезной модели, введены восемь катушек индуктивности, которые включены между концами каждого внутреннего проводника отрезка коаксиального кабеля и общим проводом соответственно, при этом величина индуктивности введённых катушек индуктивности равна величине индуктивности оплеток отрезков коаксиального кабеля.
На фиг. 2 представлена схема предлагаемого устройства, где обозначено:
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 – первый – восьмой отрезки коаксиального кабеля;
1.1, 2.1, 3.1, 4.1, 5.1, 6.1, 7.1, 8.1 – внутренние проводники кабелей;
1.2, 2.2, 3.2, 4.2, 5.2, 6.2, 7.2, 8.2 – оплетки отрезков коаксиальных
кабелей;
9 – 16 – катушки индуктивности;
R1, R2, R3, R4, R5 – первый – пятый балластные резисторы;
н, к – начало и конец внутреннего проводника и оплетки каждого
отрезка коаксиального кабеля.
Предлагаемое устройство сложения мощностей (сумматор) содержит восемь одинаковых по длине отрезка 1 – 8 коаксиального кабеля, которые располагаются на отдельных ферритовых сердечниках, пять балластных резисторов R1 – R5 и восемь катушек индуктивности 9 – 16. Начала внутренних проводников 1.1, 1.2, 1.3, 1.4 отрезков коаксиального кабеля 1, 2, 3, 4 соединены с соответствующими входами устройства сложения. Начала внутренних проводников 5.1 и 7.1 подключены к выходу устройства. Конец внутреннего проводника 1.1 отрезка коаксиального кабеля 1 соединен с концом внутреннего проводника 6.1 отрезка коаксиального кабеля 6 и одним выводом второго балластного резистора R2. Другой вывод балластного резистора R2 соединен с концами внутренних проводников 2.1 и 5.1 отрезков коаксиальных кабелей 2 и 5. Один вывод первого балластного резистора R1 соединен с концом оплетки 2.2 отрезка коаксиального кабеля 2, объединенным с концом оплетки 6.2 отрезка коаксиального кабеля 6, другой вывод балластного резистора R1 соединен с концом оплетки 1.2 отрезка коаксиального кабеля 1, объединенным с концом оплетки 5.2 отрезка коаксиального кабеля 5.
Конец внутреннего проводника 3.1 отрезка коаксиального кабеля 3 соединен с концом внутреннего проводника 8.1 отрезка коаксиального кабеля 8 и одним выводом четвертого балластного резистора R4, другой вывод которого соединен с концами внутренних проводников 4.1 и 7.1 отрезков коаксиального кабеля 4 и 7. Один вывод третьего балластного резистора R3 соединен с концом оплетки 4.2 отрезка коаксиального кабеля 4, объединенным с концом оплетки 8.2 отрезка коаксиального кабеля 8, другой вывод балластного резистора R3 соединен с концом оплетки 3.2 отрезка коаксиального кабеля , объединенным с концом оплетки 7.2 отрезка коаксиального кабеля 7.
Один вывод вывод пятого балластного резистора R5 соединен с началом внутреннего проводника 6.1 отрезка коаксиального кабеля 6, объединенным с началом оплетки 8.2 отрезка коаксиального кабеля 8, другой вывод балластного резистора R5 соединен с началом оплетки 5.2 отрезка коаксиального кабеля 5, объединенным с началом внутреннего проводника 7.1 отрезка коаксиального кабеля 7. Начало оплёток 1.2, 2.2, 3.2, 4.2, 6.2, 7.2 отрезков коаксиальных кабелей 1, 2, 3, 4, 6 и 7 соединены с общим («земляным») проводником. Кроме того, для повышения развязки входов устройства введены восемь катушек индуктивности 9 – 16, соединяющие концы внутренних проводников 1.1, 2.1, 3.1, 4.1, 5.1, 6.1, 7.1 и 8.1 отрезков коаксиального кабеля 1 – 8 с общим («земляным») проводником соответственно, причем величина индуктивности введённых катушек 9 – 16 равна величине индуктивности оплеток 1.2, 2.2, 3.2, 4.2, 5.2, 6.2, 7.2 и 8.2 отрезков коаксиального кабеля 1 – 8 соответственно.
Работает предлагаемое устройство сложения (сумматор) следующим образом.
В согласованном режиме равноамплитудные и синфазные сигналы генераторов поступают на первый, второй, третий и четвертый генераторные входы сумматора и распространяются соответственно по всем отрезкам коаксиального кабеля 1, 2 3, 4, 5, 6 7, 8 к выходу и суммируются в нагрузке сумматора, при этом потенциалы на выводах балластных резисторов R1 – R5 одинаковы, и мощность в балластные резисторы R1 – R5 не передается.
Изменение амплитуд или фаз сигналов, поступающих на генераторные входы сумматора приводит к перераспределению сигналов между нагрузкой сумматора, подключенной к его выходу и балластными резисторами R1 – R5. При отключении одного или нескольких генераторов, часть мощности оставшихся генераторов передается в нагрузку, подключенную к выходу сумматора, другая часть мощности упомянутых генераторов рассеивается в балластных резисторах R1 – R5, причем режим работы этих генераторов остается неизменным.
Благодаря введенным в схему сумматора индуктивностям 9 – 16 устраняется асимметрия балансных выводов отрезков коаксиального кабеля 1 – 8 на нижних частотах относительно «земляного» потенциала, вызванная протеканием синфазных составляющих токов по внешней стороне оплеток 1.2, 2.2, 3.2, 4.2, 5.2, 6.2, 7.2 и 8.2 отрезков коаксиального кабеля 1 – 8 [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.].
На фиг. 3. представлена зависимость развязки между генераторными входами сумматора мощности ξ от частоты (устройство-прототип – кривая 1, предлагаемое устройство – кривая 2).
Как видно из приведенных на фиг. 3 данных, развязка между генераторными входами предлагаемого устройства сложения гораздо выше, чем в устройстве-прототипе.