РАДИОЧАСТОТНЫЙ СУММАТОР МОЩНОСТИ, ФУНКЦИОНИРУЮЩИЙ КАК ФИЛЬТР ВЫСШИХ ГАРМОНИК
RADIO-FREQUENCY POWER ADDER, FUNCTIONING AS HIGHER HARMONICS FILTER

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к конструкции фильтра высших гармоник, в частности, к радиочастотному сумматору мощности, функционирующему как фильтр высших гармоник.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Фильтры высших гармоник необходимы для создания радиочастотных усилителей мощности класса F. От этих фильтров требуется как повышение эффективности усилителей путем отражения мощности, которую несут нечетные гармоники, так и суммирование мощности от нескольких усилителей (радиочастотных модулей) и подведение ее к нагрузке. Требования к такому устройству особенно высоки при конструировании компактных высокоэффективных радиочастотных генераторов/усилителей.
В настоящее время существует несколько патентов, касающихся этой проблемы: US 4562409, US 4926145, US 6242984B1, US 4238747 и т.д. Все упомянутые патенты описывают устройства, которые решают проблему параллельного суммирования мощности с подавлением нежелательных более высоких мод, распространяющихся на частотах более высоких, чем рабочая. Во всех патентах используются радиальная линия передачи, с которой соединено множество радиочастотных модулей, и выходная коаксиальная линия.
В патенте US 4,238,747 описано устройство фильтрации мод для предотвращения нежелательных мод в многомодовой конструкции, использующей радиальное множество резонансных щелей на дне полости фильтра. Верхняя часть полости фильтра включает центральную секцию переменной высоты, чтобы обеспечить селекцию мод во взаимодействии с резонансными щелями. Цилиндрическая резонансная полость имеет радиальную структуру резонансных щелей в нижней пластине и центральную часть переменной высоты в верхней пластине устройства. Селекцией мод устройства фильтрации мод можно управлять путем варьирования высоты центральной части верхней пластины, а также путем изменения длины, ширины и глубины радиальных щелей. Селекцию мод также можно варьировать путем заполнения радиальных щелей абсорбирующим материалом на различную глубину.
В патенте US 4,926,145 описан радиальный сумматор/делитель мощности, в котором эффективно поглощается энергия, соответствующая нежелательным модам более высокого порядка в радиальной лини передачи, включая моды m=1 и m=2. В упомянутом радиальном сумматоре/делителе мощности для подавления нежелательных мод обеспечены радиальные щели, некоторым нежелательным модам, которые адекватно не подавляются радиальным щелями, предоставляется возможность распространяться в центральной коаксиальной линии передачи, и они подавляются там при помощи продольных щелей во внешнем проводнике. В альтернативном варианте центральная линия передачи сумматора/делителя имеет форму круглого волновода, и средство подавления содержит тонкие расположенные на расстоянии друг от друга соосные цилиндры из рассеивающего материала.
В патенте US 4,562,409 описан распределитель/сумматор мощности, по типу относящийся к соединению через объемный резонатор, который может распределять или суммировать микроволновую электрическую мощность в широкой полосе частот с небольшими вносимыми потерями. Распределитель/сумматор мощности, по типу относящийся к соединению через объемный резонатор, включает первый объемный резонатор, эффективно резонирующий с цилиндрической модой TO, n, O, и множество вторых объемных резонаторов, установленных по периферии первого объемного резонатора и проходящих радиально и симметрично относительно первого объемного резонатора. Все вторые объемные резонаторы имеют одинаковые форму и размер, в результате чего между первым объемным резонатором и каждым из вторых объемных резонаторов устанавливается соединение по магнитному полю, для распределения или суммирования микроволновой мощности в микроволновом усилителе.
В объемном резонаторе высшие гармоники подавляются радиальными щелями в проводниках радиальной линии и продольными щелями во внешнем проводнике выходной коаксиальной линии; все щели заполнены абсорбирующим рассеивающим материалом. Эти патенты решают проблему суммирования мощности и фильтрации сигнала. В упомянутых патентах мощность высших гармоник рассеивается либо в стенках сумматора, либо в диэлектрическом материале, но не отражается обратно в радиочастотные модули, как это заявлено в описании настоящего изобретения.
Патент US 6,242,984 относится к модулям твердотельного усилителя мощности (SSPA), которые делят сигнал на множество частей, используют распределенные усилители для усиления частей и рекомбинируют усиленные части в один выходной сигнал.
SSPA модуль в соответствии с представленным изобретением содержит вход сигнала и радиальный делитель, соединенный с входом сигнала и содержащий множество проходящих по радиусу волноводов. SSPA модуль также включает выход сигнала и радиальный сумматор, соединенный с выходом сигнала и содержащий множество проходящих по радиусу волноводов. Соединения между делителем и сумматором обеспечены множеством вертикально проходящих волноводов. SSPA модуль также включает множество обрабатывающих схем, например MMIC усилителей, соединенных с волноводами сумматора. Волновод к микрополосковому переходу также может использоваться для соединения сигналов, распространяющихся в волноводах к микрополосковым линиям и от этих линий, которые соединены с обрабатывающими схемами. В общем случае переход включает секцию волновода с верхним проводящим слоем, который задает первую щель и вторую щель, ограничивающие переходную область, примыкающую к микрополосковой секции, чтобы создать волновод к микрополосковому переходу.
В патентах US 4562409 и US 6242984B1 сигнал от каждого радиочастотного модуля сначала вводится в объемный резонатор на основе прямоугольного волновода, который соединен через магнитное поле с сегментом радиальной линии с коаксиальным выходом. Эта конструкция предполагает два последовательных резонатора, что можно использовать для отражения третьей гармоники.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Таким образом, требуются фильтры как для увеличения эффективности усилителей путем отражения мощности, которую несут нечетные гармоники, так и для одновременного суммирования мощности от нескольких усилителей (радиочастотных модулей) и подведения ее к нагрузке.
Задачей настоящего изобретения является предложить радиальный радиочастотный фильтр, который решает проблему увеличения эффективности усилителей путем отражения мощности, которую несут нечетные гармоники, и одновременного суммирования мощности от нескольких усилителей (радиочастотных модулей) и подведения ее к нагрузке.
Согласно одному аспекту изобретения, предлагается радиочастотный сумматор мощности, функционирующий как фильтр высших гармоник, содержащий:
- по меньшей мере, одну пару установленных соосно металлических проводников в форме диска, по меньшей мере, один из которых имеет центральное осевое отверстие для размещения волновода, причем обращенные друг к другу поверхности металлических проводников в форме диска симметричны относительно плоскости симметрии этих проводников с созданием множества следующих друг за другом радиально сообщающихся концентрических полостей, имеющих форму равнобедренного трапецоида с различными основаниями в сечении, при этом меньшее основание каждого трапецоида расположено ближе к центральной оси, причем
количество концентрических полостей составляет (2k+1), где k - число фильтруемых гармоник сигнала;
все концентрические полости упомянутого множества полостей имеют одинаковую радиальную длину;
все концентрические полости упомянутого множества полостей имеют разный угол у основания трапецоида, который зависит от волнового импеданса сегмента радиальной линии передачи, созданной каждой из концентрических полостей;
- множество рупорных антенн, установленных равномерно по периферии металлических проводников в форме диска и соединенных с этими проводниками, причем радиальная длина полости каждой рупорной антенны из упомянутого множества равна радиальной длине концентрической полости, и внешняя сторона каждой рупорной антенны выполнена с возможностью соединения с радиочастотным модулем, который является источником радиочастотного сигнала и имеет выход в форме полосковой линии;
концентрические полости в металлических проводниках в форме диска и полости в рупорных антеннах образуют сегменты радиальных нерассеивающих линий передачи, в которых распространяется электромагнитная Т-волна, причем величина импеданса каждого сегмента имеет постоянное значение импеданса линии в цилиндрической секции, параллельной центральной оси, который определяется значениями комплексных выходных импедансов радиочастотного модуля по анализируемой гармонике.
Согласно еще одному аспекту изобретения, предлагается радиочастотный сумматор мощности, функционирующий как фильтр высших гармоник, содержащий:
- по меньшей мере, одну пару установленных соосно металлических проводников в форме диска, по меньшей мере, один из которых имеет центральное осевое отверстие для размещения волновода, причем обращенные друг к другу поверхности металлических проводников в форме диска симметричны относительно плоскости симметрии этих проводников с созданием множества следующих друг за другом радиально сообщающихся концентрических полостей, имеющих форму равнобедренного трапецоида с различными основаниями в сечении, при этом меньшее основание каждого трапецоида расположено ближе к центральной оси, причем
количество концентрических полостей составляет (2k+1), где k - число фильтруемых гармоник сигнала;
все концентрические полости упомянутого множества полостей имеют одинаковую радиальную длину;
все концентрические полости упомянутого множества полостей имеют разный угол у основания трапецоида, который зависит от волнового импеданса сегмента радиальной линии передачи, созданной каждой из концентрических полостей;
- множество рупорных антенн, изготовленных как единое целое с металлическими проводниками в форме диска и установленных равномерно по периферии металлических проводников в форме диска, причем радиальная длина полости каждой рупорной антенны из упомянутого множества равна радиальной длине концентрической полости, и внешняя сторона каждой рупорной антенны выполнена с возможностью соединения с радиочастотным модулем, который является источником радиочастотного сигнала и имеет выход в форме полосковой линии;
концентрические полости в металлических проводниках в форме диска и полости в рупорных антеннах образуют сегменты радиальных нерассеивающих линий передачи, в которых распространяется электромагнитная Т-волна, причем величина импеданса каждого сегмента имеет постоянное значение волнового импеданса в цилиндрической секции, параллельной центральной оси, которое определяется значениями комплексного выходного сопротивления радиочастотного модуля по анализируемой гармонике.
Предпочтительно число концентрических полостей в упомянутом множестве полостей является нечетным числом, равным, по меньшей мере, трем.
Предпочтительно металлические проводники в форме диска изготовлены из меди.
Предпочтительно число рупорных антенн определяется числом соединенных радиочастотных модулей, причем каждый из радиочастотных модулей имеет выходную мощность, и суммарная выходная мощность радиочастотных модулей представляет собой выходную мощность сумматора мощности.
Предпочтительно второй металлический проводник в форме диска содержит элемент для соединения с концом волновода.
Предпочтительно при соединении конца волновода, изготовленного в форме коаксиального волновода, внешний проводник соединен с одним из дисков, а внутренний проводник соединен с другим диском.
Предпочтительно при соединении волновода с сумматором мощности оба металлических проводника соединены с внешним проводником коаксиального волновода.
Предпочтительно радиочастотный сумматор мощности содержит корпус в форме полого цилиндра для размещения металлических проводников в форме диска, причем корпус установлен соосно проводникам и имеет множество окон в стенке цилиндрической стороны, равное числу рупорных антенн, для соединения радиочастотных модулей с рупорными антеннами, и центральное отверстие в, по меньшей мере, одной торцевой поверхности для прохождения коаксиального волновода.
Полученное преимущество или вклад в заявляемое решение представляет собой унификацию нерезонансного сумматора мощности и фильтра со ступенчатой линией на основе радиальных линий передачи. Основными преимуществами предлагаемого изобретения являются следующие:
- множество устройств на основе настоящего изобретения можно легко интегрировать в один сумматор мощности;
- нечетные гармоники отражаются обратно в радиочастотные модули, чтобы обеспечить высокоэффективную работу твердотельного микроволнового усилителя;
- геометрия проводящих стенок радиального фильтра при отсутствии резонирующих полостей дает низкое полезное рассеяние мощности.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Более подробное описание заявляемого изобретения будет сделано со ссылкой на конкретные варианты его реализации, которые изображены на приложенных чертежах, которые не считаются ограничивающими его объем. Аспекты изобретения будут описаны и объяснены с дополнительной конкретикой и подробностями с использованием сопровождающих чертежей, из которых:
на Фиг. 1 приведен схематичный вид радиочастотного сумматора мощности, функционирующего как фильтр высших гармоник (продольное сечение), согласно изобретению;
на Фиг. 2 приведен схематичный вид концентрических полостей, созданных в радиочастотном сумматоре мощности, с рупорными антеннами, согласно изобретению;
на Фиг. 3 приведен общий вид металлических проводников в форме диска и рупорных антенн (вид с частичным сечением), созданных как единое целое с этими проводниками, согласно изобретению;
на Фиг. 4 приведен вид сверху металлических проводников в форме диска с рупорными антеннами, согласно изобретению;
на Фиг. 5 приведен схематичный вид еще одного варианта концентрических полостей, созданных в радиочастотном сумматоре мощности, с рупорными антеннами (продольное сечение), причем концентрические полости имеют форму, отличную от показанной на Фиг. 1, согласно изобретению;
на Фиг. 6 приведен схематичный вид еще одного варианта концентрических полостей, созданных в радиочастотном сумматоре мощности, с рупорными антеннами (продольное сечение), где концентрические полости имеют форму, отличную от показанной на Фиг. 1, причем внешний проводник соединен с одним из дисков, а внутренний проводник соединен с другим диском, согласно изобретению;
на Фиг. 7 приведен схематичный вид радиочастотного сумматора мощности, функционирующего как фильтр высших гармоник (продольное сечение), причем корпус содержит два отверстия для прохождения коаксиального волновода, согласно изобретению;
на Фиг. 8 приведен общий вид радиочастотного сумматора мощности, функционирующего как фильтр высших гармоник, согласно изобретению;
на Фиг. 9 приведен схематичный вид радиочастотного сумматора мощности (продольное сечение), содержащего две пары установленных соосно металлических проводников в форме диска, согласно изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИ
Радиочастотный сумматор 1 мощности (Фиг. 1), функционирующий как фильтр высших гармоник, содержит, по меньшей мере, одну пару установленных соосно металлических проводников 2, 3 в форме диска. По меньшей мере, один из упомянутых проводников 2 имеет центральное осевое отверстие 4 для размещения волновода 5. Обращенные друг к другу поверхности металлических проводников 2, 3 в форме диска имеют форму, симметричную относительно плоскости симметрии А-А этих проводников, с созданием множества следующих друг за другом, радиально сообщающихся концентрических полостей 6, 7, 8, имеющих форму равнобедренных трапецоидов (Фиг. 2) с различными основаниями B-B1, C-C1, D-D1, E-E1, F-F1, G-G1 в сечении, при этом меньшее основание B-B1, D-D1, F-F1 каждого трапецоида расположено ближе к центральной оси.
Число концентрических полостей составляет (2k+1), где k - число фильтруемых гармоник сигнала. На Фиг. 2 устройство содержит три концентрических полости 6, 7, 8.
Все концентрические полости 6, 7, 8 упомянутого множества полостей имеют одинаковую радиальную длину L и различный угол α1, α2, α3 у основания трапецоида, причем угол зависит от волнового импеданса сегмента радиальной линии передачи, созданной каждой из концентрических полостей.
Радиочастотный сумматор 1 мощности (Фиг. 1) содержит множество рупорных антенн 9 (Фиг. 3), установленных равномерно по периферии металлических проводников 2, 3 в форме диска и соединенных с этими проводниками. Радиальная длина М (Фиг. 2) полости каждой рупорной антенны 9 упомянутого множества равна радиальной длине L концентрической полости, и внешняя сторона 10 каждой рупорной антенны 9 выполнена с возможностью соединения с радиочастотным модулем, который является источником радиочастотного сигнала и имеет выход в форме полосковой линии.
Концентрические полости 6, 7, 8 в металлических проводниках в форме диска и полости рупорных антенн 9 образуют сегменты радиальных нерассеивающих линий передачи, в которых распространяется электромагнитная Т-волна, причем импеданс каждого сегмента имеет постоянное значение импеданса линии в цилиндрической секции, параллельной центральной оси, который определяется значениями комплексных выходных импедансов радиочастотного модуля по анализируемой гармонике. Стрелкой Y показано направление электрического поля.
Согласно второму аспекту заявляемого изобретения, радиочастотный сумматор 1 мощности, функционирующий как фильтра высших гармоник, имеет ту же конструкцию, что и в первом варианте, но множество рупорных антенн 9 выполнены как единое целое с металлическими проводниками в форме диска и установлены равномерно по периферии этих проводников (Фиг. 4). Аналогично первому варианту радиальная длина M полости каждой рупорной антенны из упомянутого множества равна радиальной длине L концентрической полости, и внешняя сторона каждой рупорной антенны выполнена с возможностью соединения с радиочастотным модулем, который является источником радиочастотного сигнала и имеет выход в форме полосковой линии.
Число концентрических полостей в упомянутом множестве полостей представляет собой нечетное число, равное, по меньшей мере, трем.
Предпочтительно металлические проводники 2, 3 в форме диска изготовлены из меди. Также можно изготовить их из сплава, например из алюминия с медным покрытием.
В общем случае число рупорных антенн 9 определяется числом соединенных радиочастотных модулей 11, причем каждый из радиочастотных модулей имеет выходную мощность, и суммарная выходная мощность радиочастотных модулей 11 является выходной мощностью сумматора мощности.
Предпочтительно второй металлический проводник 3 в форме диска содержит элемент 12 (Фиг. 1, Фиг. 5) для соединения с концом 13 волновода 5.
При соединении конца волновода 5, изготовленного в форме коаксиального волновода (Фиг. 5, Фиг. 6), внешний проводник 14 соединен с одним из дисков 2, а внутренний проводник 15 соединен с другим диском 3.
В другом варианте при соединении волновода 5 с сумматором мощности оба металлических проводника 2, 3 соединены с внешним проводником 14 коаксиального волновода 5.
Радиочастотный сумматор мощности далее содержит корпус 16 (Фиг. 1) в форме полого цилиндра для размещения металлических проводников 2, 3 в форме диска. Упомянутый корпус 16 установлен соосно проводникам и имеет множество окон 18 в стенке 17 цилиндрической стороны, число окон 17 равно числу рупорных антенн 9 для соединения радиочастотных модулей 11 с рупорными антеннами 9. Упомянутый корпус 16 содержит центральное отверстие 19 в, по меньшей мере, одной торцевой поверхности 20 для прохождения коаксиального волновода 5.
На Фиг. 7 показано, что упомянутый корпус 16 содержит два центральных отверстия 19, 21 на обеих торцевых поверхностях 20, 22 для соответствующего прохождения коаксиального волновода 5.
На Фиг. 8 приведен общий вид радиочастотного сумматора 1 мощности, функционирующего как фильтр высших гармоник.
Предпочтительно радиочастотный сумматор 1 мощности содержит две или более пар установленных соосно металлических проводников в форме диска. На Фиг. 9 показано, что радиочастотный сумматор 1 мощности содержит две пары установленных соосно металлических проводников в форме диска.
Радиочастотный сумматор 1 мощности, функционирующий как фильтр высших гармоник, работает следующим образом.
Фундаментальная гармоника подается в радиочастотные модули 11. Упомянутые радиочастотные модули 11 создают гармоники высшего порядка. Все гармоники подаются в радиочастотный сумматор 1 мощности.
Гармоники высшего порядка необходимо отфильтровать.
Во время работы радиочастотного сумматора 1 мощности, функционирующего как фильтр высших гармоник, фундаментальная гармоника проходит через все сегменты линий передачи, созданных рупорными антеннами и концентрическими полостями. Сигналы от всех радиочастотных модулей, состоящие только из фундаментальной гармоники, суммируются и подаются в выходной коаксиальный волновод.
Гармоники высшего порядка, число которых определяется в соответствии с суммарным числом сегментов линий передачи, созданных рупорными антеннами и концентрическими полостями, отражаются "в фазе" (фаза отраженной волны равна фазе падающей волны) и затем подаются обратно в каждый радиочастотный модуль. Комплексный коэффициент отражения определяется импедансами рупорных антенн и импедансами концентрических полостей, возбужденными на волне типа Т.