УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЛОЖЕНИЯ МОЩНОСТИ СВЧ СИГНАЛОВ

Полезная модель относится к области электрорадиосвязи, в частности к устройствам передачи сигналов, содержащих симметрирующие и компенсирующие устройства, и может быть использована в передающих СВЧ устройствах.
Известно устройство сложения мощностей, приведенное в статье А.Н. Лебедева-Карманова и А.Л. Файнштейна «Техника современных мощных телевизионных передатчиков дециметрового диапазона», «Вопросы радиоэлектроники», серия ТРС, 1968 г., вып. 2, стр. 67-82, рис. 2. Это устройство содержит делитель малого уровня мощности, блок фазирования, два усилителя мощности, синфазный мост сложения, СВЧ нагрузку, два коммутатора СВЧ на два положения и две линии связи между коммутаторами. В этом устройстве при исправных усилителях мощности их выводы подключены через два коммутатора СВЧ на два положения к мосту сложения, суммарный выход которого через коммутатор на три положения подключен к выходу устройства сложения мощностей. При отказе одного из двух усилителей мощности другой усилитель через один коммутатор на два положения, один коммутатор на три положения и линию связи между ними подключается к выходу устройства, минуя мост сложения. В этом устройстве СВЧ сигналы с выхода каждого из действующих усилителей мощности проходят через два коммутатора, один из которых является двухпозиционным, а другой - трехпозиционным, и через линию связи между этими коммутаторами. Такие СВЧ коммутаторы являются сложными СВЧ устройствами и имеют достаточно существенные потери, например, двухпозиционный коммутатор: 0,3÷0,5 дБ, трехпозиционный коммутатор: 0,5÷1 дБ. Кроме того, переключение коммутаторов происходит в ручном режиме, что занимает несколько секунд. Это является существенными недостатками известного устройства сложения мощностей СВЧ сигналов.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому, является «Устройство для сложения мощности СВЧ сигналов» (RU №161296 U1, опубл. 20.04.2016 г., МПК H01F 3/00). Оно содержит блок фазирования, два усилителя мощности СВЧ сигналов, синфазный мост сложения, первый направленный ответвитель, первый датчик сигнала, второй направленный ответвитель, второй датчик сигнала, щелевой мост с управляемой заслонкой, первый управляемый дискретный фазовращатель на 90°, второй управляемый дискретный фазовращатель на 90° схема «И», устройство управления заслонкой, первое устройство управления фазовращателем, второе устройство управления фазовращателем. Входы блока фазирования являются входами устройства для сложения мощности СВЧ сигналов, к каждому выходу блока фазирования подключен вход усилителя мощности СВЧ сигналов. Выход первого усилителя мощности СВЧ сигналов подключен к входу первого направленного ответвителя, первый выход которого соединен с входом первого датчика мощности, а второй его выход соединен с первым входом щелевого моста с заслонкой. Выход второго усилителя мощности СВЧ сигналов подключен к входу второго направленного ответвителя, первый выход которого соединен с входом второго датчика мощности, а второй выход второго направленного ответвителя соединен с вторым входом щелевого моста с заслонкой. Выход первого датчика мощности соединен с первым входом схемы «И» и с входом второго устройства управления фазовращателем, выход которого соединен с первым входом второго дискретного фазовращателя на 90°. Выход второго датчика мощности соединен с вторым входом схемы «И» и с входом первого устройства управления фазовращателем, выход которого подключен к первому входу первого дискретного фазовращателя на 90°, выход первого дискретного фазовращателя на 90° подключен к первому входу синфазного моста сложения. Выход второго управляемого дискретного фазовращателя на 90° подключен ко второму входу синфазного моста сложения, первый выход щелевого моста с заслонкой соединен со вторым входом первого дискретного фазовращателя на 90°, второй выход щелевого моста с заслонкой подключен к второму входу второго дискретного фазовращателя на 90°, выход схемы «И» соединен с входом устройства управлением заслонкой, выход которого подключен к заслонке щелевого моста, выход синфазного моста сложения является выходом устройства для сложения мощности СВЧ сигналов.
Существенными недостатками известного устройства для сложения СВЧ сигналов являются:
а) наличие механически движущейся заслонки в щелевом мосте не обеспечивает воздушной и радио герметичности волноводного тракта, что требуется во многих применениях;
б) образование значительного шумового спектра в выходном СВЧ сигнале системы для сложения СВЧ сигналов при воздействии вибрации и ударов за счет наличия в известной конструкции подвижных элементов, что недопустимо во многих применениях;
в) недостаточное быстродействие срабатывания устройства для сложения СВЧ сигналов (~0,5 сек.) при отказе одного из двух усилителей.
Задачей предлагаемого устройства для сложения мощности СВЧ сигналов является улучшение характеристик заявляемого устройства.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является снижение шумового спектра в выходном сигнале при воздействии вибрации и ударов, а также значительное увеличение быстродействия срабатывания устройства для сложения мощности СВЧ сигналов.
Сущность заявляемого технического решения состоит в том, устройство для сложения мощности СВЧ сигналов содержит блок фазирования, два усилителя мощности СВЧ сигналов, синфазный мост сложения, первый направленный ответвитель, первый датчик мощности, второй направленный ответвитель, второй датчик мощности, щелевой мост, первый управляемый дискретный фазовращатель, второй управляемый дискретный фазовращатель, первая схема «И». Входы блока фазирования являются входами устройства для сложения мощности СВЧ сигналов. К каждому выходу блока фазирования подключен вход усилителя мощности СВЧ сигналов, выход первого усилителя мощности СВЧ сигналов подключен к входу первого направленного ответвителя, первый выход которого соединен с входом первого датчика мощности, а второй его выход соединен с первым входом щелевого моста, выход второго усилителя мощности СВЧ сигналов подключен к входу второго направленного ответвителя, первый выход которого соединен с входом второго датчика мощности. Второй выход второго направленного ответвителя соединен с вторым входом щелевого моста, выход первого датчика мощности соединен с первым входом первой схемы «И», выход второго датчика мощности соединен с вторым входом первой схемы «И», выход первого управляемого дискретного фазовращателя подключен к первому входу синфазного моста сложения. Выход второго управляемого дискретного фазовращателя подключен ко второму входу синфазного моста сложения, первый выход щелевого моста соединен с первым входом первого управляемого дискретного фазовращателя, второй выход щелевого моста подключен к первому входу второго управляемого дискретного фазовращателя, выход синфазного моста сложения является выходом устройства для сложения мощности СВЧ сигналов.
Новыми признаками, обеспечивающими достижение технического результата являются: введение первой схемы «НЕ», второй схема «НЕ», третьей схемы «НЕ», второй схемы «И», третьей схемы «И», четвертой схемы «И», пятой схемы «И», первого коммутатор тока, второго коммутатора тока, третьего коммутатора тока и четвертого коммутатора тока. Выход первого датчика мощности соединен с входом второй схемы «НЕ» и с вторым входом третьей схемы «И», выход второго датчика мощности подключен к входу третьей схемы «НЕ» и к второму входу четвертой схемы «И». Выход первой схемы «И» соединен с входом первой схемы «НЕ», выход которой подключен к первым входам второй, третьей, четвертой, пятой схем «И», выход второй схемы «НЕ» соединен с вторым входом второй схемы «И», выход третьей схемы «НЕ» соединен с вторым входом пятой схемы «И». Выход второй схемы «И» подключен к входу первого коммутатора тока, выход которого подключен к второму входу первого управляемого дискретного фазовращателя, выход третьей схемы «И» соединен с входом второго коммутатора тока, выход которого подключен к третьему входу первого управляемого дискретного фазовращателя. Выход четвертой схемы «И» соединен с входом третьего коммутатора тока, выход которого подключен к второму входу второго управляемого дискретного фазовращателя, выход пятой схемы «И» соединен с входом четвертого коммутатора тока, выход которого подключен к третьему входу управляемого дискретного фазовращателя, причем первый и второй управляемые дискретные фазовращатели выполнены с фазами +45°, 0°, -45°.
На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства для сложения мощности СВЧ сигналов.
Устройство для сложения мощности СВЧ сигналов состоит из блока фазирования 1, первого СВЧ усилителя 2, второго СВЧ усилителя 3, первого направленного ответвителя 4, первого датчика мощности 5, второго направленного ответвителя 6, второго датчика мощности 7, щелевого моста 8, первого фазовращателя с фазами +45°, 0°, -45° 9, второго фазовращателя с фазами +45°, 0°, -45° 10, синфазного моста сложения 11, первой схемы «И» 12, первой схемы «НЕ» 13, второй схемы «НЕ» 14, третьей схемы «НЕ» 15, второй схемы «И» 16, третьей схемы «И» 17, четвертой схемы «И» 18, пятой схемы «И» 19, первого коммутатора тока 20, второго коммутатора тока 21, третьего коммутатора 22, четвертого коммутатора тока 23.
Выходы блока фазирования 1 соединены соответственно с входами СВЧ усилителей 2 и 3. Выход первого СВЧ усилителя 2 подключен к входу первого направленного ответвителя 4, первый выход которого соединен с входом первого датчика мощности 5, а второй его выход соединен с первым входом щелевого моста 8. Выход второго СВЧ усилителя 3 подключен к входу второго направленного ответвителя 6, первый выход которого соединен с входом второго датчика мощности 7, а второй его выход соединен с вторым входом щелевого моста 8. Первый выход щелевого 8 подключен к первому входу первого фазовращателя с фазами +45°, 0°, -45°. Второй выход щелевого моста 8 соединен с первым входом второго фазовращателя с фазами +45°, 0°, -45°. Выход первой схемы «И» 12 подключен к входу первой схемы «Не» 13, выход которой соединен с первыми входами второй схемы «И» 16, третьей схемы «И» 17, четвертой схемы «И» 18, пятой схемы «И» 19. Выход первого датчика мощности 5 соединен с входом второй схемы «Не» 14 и с вторым входом третьей схемы «И» 17, а выход второй схемы «Не» 14 подключен к второму входу второй схемы «И» 16. Выход второго датчика мощности 7 соединен с входом третьей схемы «Не» 15 и с вторым входом четвертой схемы «И» 18, а выход третьей схемы «Не» 15 подключен к второму входу пятой схемы «И» 19. Выход второй схемы «И» 16 соединен с входом первого коммутатора тока 20, выход третьей схемы «И» 17 соединен с входом второго коммутатора тока 21, выход четвертой схемы «И» 18 подключен к входу третьего коммутатора тока 22, выход пятой схемы «И» 19 соединен с входом четвертого коммутатора тока 23. Выход первого коммутатора тока 20 соединен с вторым входом первого фазовращателя с фазами +45°, 0°, -45° 9, а к его третьему входу подключен выход второго коммутатора тока 21. Выход третьего коммутатора тока 22 соединен с вторым входом второго фазовращателя с фазами +45°, 0°, -45°, а к его третьему входу подключен выход четвертого коммутатора тока 23. Выход первого фазовращателя с фазами +45°, 0°, -45° 9 соединен с первым входом синфазного моста сложения 11, а выход второго фазовращателя с фазами +45°, 0°, -45° 10 подключен к второму входу синфазного моста сложения 11. Выход синфазного моста 11 является выходом устройства для сложения мощностей СВЧ сигналов.
Устройство для сложения мощности СВЧ сигналов работает следующим образом. Входной сигнал, пройдя через блок фазирования 1, делится на два сигнала с одинаковыми амплитудами и фазами, которые поступают на входы первого и второго СВЧ усилителей 2 и 3, где усиливаются по мощности. При исправных первого и второго СВЧ усилителей 2 и 3 эти сигналы через направленные ответвители 4 и 6 проходят на первый и второй датчики мощности 5 и 7, которые формируют два сигнала логической «1», поступающих на входы первой схемы «И» 12. При этом на ее выходе образуется сигнал логической «1», проходящий на первые входы второй схемы «И» 16, третьей схемы «И» 17, четвертой схемы «И» 18, пятой схемы «И» 19. Одновременно с этим сигнал логической «1» с выхода датчика мощности 5 поступает на второй вход третьей схемы «И» 17 и на вход второй схемы «НЕ» 14, на выходе которой появляется логический сигнал «0», поступающий на второй вход второй схемы «И» 16. Сигнал логической «1» с выхода датчика мощности 7 поступает на второй вход четвертой схемы «И» 18 и на вход третьей схемы «НЕ» 15, на выходе которой появляется логический сигнал «0», который проходит на второй вход пятой схемы «И» 19. В результате все схемы «И» 16, 17, 18, 19 закрываются и на их выходах образуются логические сигналы «0», при этом коммутаторы тока 20, 21, 22, 23 запираются и сигналы управления на входы 2 и 3 фазовращателей с фазами +45°, 0°, -45° 9 и 10 не поступают. В этом случае фазовращатели 9 и 10 являются волноводами с одинаковой электрической длиной, в связи с чем сигналы с выходов СВЧ усилителей 2 и 3, пройдя через щелевой мост 8 и фазовращатели 9 и 10, складываются в синфазном мосте сложения 11. В результате мощность сигнала на выходе системы сложения равна сумме мощностей сигналов на выходах СВЧ усилителей 2 и 3 за вычетом потерь в щелевом мосте 8, фазовращателях 9 и 10 и синфазном мосте сложения 11.
При отказе СВЧ усилителя 2 сигнал на выходе СВЧ усилителя 3, пройдя через щелевой мост 8, делится на его выходах на две части равных по амплитуде, а фаза сигнала на выходе 1 щелевого моста 8 на 90° больше фазы сигнала на его выходе 2. На выходе датчика мощности 5 образуется логический сигнал «0», при этом на выходе схемы «И» 12 появляется логический сигнал «0», на выходе схемы «НЕ» 13 образуется логический сигнал «1», который поступает на первые входы схем «И» 16, 17, 18, 19. Логический сигнал «0» приходит на вход схемы «НЕ» 14, на выходе которой появляется логический сигнал «1», поступающий на второй вход схемы «И» 16. После этого схема «И» 16 открывается и открывает коммутатор тока 20. С выхода коммутатора тока 20 на второй вход фазовращателя с фазами +45°, 0°, -45° 9 подается ток, который сдвигает фазу сигнала на -45°. Одновременно с этим открывается схема «И» 18, так как на первый ее вход поступает логический сигнал «1» с выхода схемы «НЕ» 13, а на второй вход подается логический сигнал «1» с выхода датчика мощности 7. После этого включается коммутатор тока 22, который подает ток на вход 2 фазовращателя 10, сдвигающий фазу сигнала на выходе фазовращателя 10 на +45°. В результате на выходах фазовращателей 9 и 10 образуются сигналы с одинаковыми амплитудами и фазами +45°, которые при прохождении синфазного моста 11 складываются и на выходе устройства для сложения мощности СВЧ сигналов образуется сигнал, мощность которого равна мощности сигнала на выходе действующего СВЧ усилителя 3.
При отказе СВЧ усилителя 3 сигнал на выходе СВЧ усилителя 2, пройдя через щелевой мост 8, делится на его выходах на две части равные по амплитуде, а фаза сигнала на выходе 2 щелевого моста 8 на 90° больше фазы сигнала на его выходе 1. На выходе датчика мощности 7 образуется логический сигнал «0», при этом на выходе схемы «И» 12 появляется логический сигнал «0», на выходе схемы «НЕ» 13 образуется логический сигнал «1», который поступает на первые входы схем «И» 16, 17, 18, 19. Логический сигнал «0» приходит на вход схемы «НЕ»15, на выходе которой появляется логический сигнал «1», открывающий коммутатор тока 23. С выхода коммутатора 23 на третий вход фазовращателя с фазами +45°, 0°, -45° 10 подается ток, который сдвигает фазу сигнала на его выходе на -45°. Одновременно с этим открывается схема «И» 17, так как на ее первый вход подается логический сигнал «1» с выхода схемы «НЕ» 13, а на второй вход поступает логический сигнал «1» с выхода датчика мощности 5. После этого включается коммутатор тока 21, который подает ток на вход 3 фазовращателя с фазами +45°, 0°, -45  9, сдвигающий фазу сигнала на выходе этого фазовращателя на +45°. В результате на выходах фазовращателей с фазами +45°, 0°, -45° 9 и 10 образуются сигналы с одинаковыми амплитудами и фазами +45°, которые при прохождении синфазного моста 11 складываются и на выходе устройства для сложения мощности СВЧ сигналов образуется сигнал, мощность которого равна мощности сигнала на выходе действующего СВЧ усилителя 2.
Блок фазирования может быть выполнен в виде двух управляемых СВЧ фазовращателей, первый и второй управляемые фазовращатели с фазами +45°, 0°, -45° 9 и 10 могут быть выполнены в виде ферритовых фазовращателей с управляющим квадрупольным магнитным полем, которые позволяют выставлять как положительную, так и отрицательную фазу; они имеют малые потери и могут работать при высоких уровнях мощности СВЧ сигнала, (см. например, СВЧ аттенюатор-фазовращатель, патент на полезную модель №166302 от 27.06.2016, автор Мамонов А.И.). Коммутаторы тока 20, 21, 22, 23 могут быть выполнены в виде логических микросхем, нагруженных на токовые ключи.
Предлагаемое устройство для сложения мощности СВЧ сигналов а) не имеет движущихся элементов и поэтому не создает шумового спектра в выходном СВЧ сигнале при воздействии вибраций и ударов; б) обеспечивает воздушную и радиогерметичность; в) при выходе из строя одного СВЧ усилителя производит подключение действующего СВЧ усилителя к выходу системы сложения СВЧ сигналов в автоматическом режиме в течение 0,4…0,5 мсек, что примерно в 1000 раз быстрее, чем у прототипа.