ШИРОКОПОЛОСНЫЙ СУММАТОР СВЧ-СИГНАЛОВ
BROADBAND ADDER OF MICROWAVE SIGNALS

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ), в частности, к устройствам деления (сложения) СВЧ сигналов и может быть использовано для сложения (деления) СВЧ сигналов в фидерных трактах техники связи, радиолокационных устройств, телевидении, в измерительной технике.
При разработке устройств СВЧ возникает задача создания устройства сложения (деления) СВЧ сигналов большого уровня рабочей мощности, с малыми потерями и хорошим согласованием в широком частотном диапазоне, при этом необходимо, чтобы входы сумматора были развязаны между собой. Развязка входов сумматора (делителя) позволяет осуществлять сложение (деление) сигналов, например, сложение СВЧ сигнала от нескольких генераторов при выходе одного или нескольких из строя. Сумматор является взаимным устройством, следовательно, это устройство может как складывать сигналы (выступать в качестве сумматора СВЧ сигналов), так и разделять сигнал на несколько (выступать в качестве делителя СВЧ сигналов).
Сложение (деление) СВЧ сигнала можно осуществлять с помощью кольцевого моста (Проектирование линзовых, сканирующих, широкодиапазонных антенн и фидерных устройств, Жук М.С. и Молочков Ю.Б. М., «Энергия», 1973). Кольцевые мосты могут быть выполнены на линиях различного типа: коаксиальных, симметричных и несимметричных полосковых линиях. Кольцевой мост содержит корпус и установленный внутри него проводник, выполненный в виде замкнутого кольца, выход, два входа, установленные по разные стороны от выхода на расстоянии равном четверти длины волны, и второй выход, расположенный между входами на расстоянии четверти длины волны от одного из входов и трех четвертей от другого, и соединенный с согласованной нагрузкой.
При присоединении к двум входам генераторов СВЧ сигналы от них складываются, и выход из строя одного из генераторов не сказывается на работе второго. В этом устройстве могут суммироваться сигналы большой мощности, так как мощность ограничивается, в основном, мощностью, которая способна выдержать согласованная нагрузка.
Однако указанное устройство имеет малую ширину диапазона рабочих частот, обусловленную наличием большого количества резонансных отрезков.
Сложение (деление) СВЧ сигнала можно осуществлять также с помощью сумматора (делителя) (Проектирование и расчет СВЧ элементов на полосковых линиях, Малорадский Л.Г., Явич Л.Р. М., «Советское Радио», 1972) состоящего из симметричного тройника, имеющего вход и 2 выхода, расположенных по разные стороны от входа на расстоянии равном четверти длины волны, активного сопротивления, одним концом подключенного к первому выходу, вторым - ко второму. Сумматор (делитель) мощности обеспечивает развязку между выходными плечами, хорошее согласование, малые потери. Однако, этому устройству присущи следующие недостатки:
- малый уровень рабочей мощности, так как активное сопротивление должно иметь небольшие размеры, что ограничивает мощность, рассеиваемую сопротивлением. Применение сопротивлений (резисторы типа Р1-2), в которых для увеличения рабочей мощности необходимо применять внешний радиатор, как правило, соединенный с корпусом устройства, приводит к значительному ухудшению параметров из-за наличия паразитных реактивностей сопротивления (индуктивность и емкость выводов, емкость, образованная резистивным слоем и корпусом и т.п.).
- малую ширину диапазона рабочих частот, обусловленную наличием резонансных отрезков равных четверти длины волны.
Сумматор (делитель) (Делитель СВЧ сигналов, Патент на полезную модель №113421, кл. МПК Н01Р 5/16, опубликовано 10.02.2012), содержащий симметричный тройник, имеющий вход, два выхода, расположенные по разные стороны от входа на расстоянии равном четверти длины волны и активное сопротивление, одним концом подключенное к первому выходу, вторым - ко второму, в котором введены два подстроечные элемента, причем первый подключен к одному выводу активного сопротивления, второй к другому выводу активного сопротивления, позволяет достичь увеличения уровня рабочей мощности при сохранении хорошего согласования, малых потерь.
Однако указанное устройство имеет малую ширину диапазона рабочих частот, обусловленную наличием резонансных отрезков равных четверти длины волны.
Для увеличения ширины диапазона рабочих частот используют многозвенный сумматор (делитель) мощности. Подобный сумматор (делитель) содержит симметричный тройник, имеющий вход, два выхода, расположенные по разные стороны от входа, соединенные с выходом ступенчатыми переходами с включенными между активными нагрузочными сопротивлениями (Проектирование и расчет СВЧ элементов на полосковых линиях, Малорадский Л.Г., Явич Л.Р. М., «Советское Радио», 1972 с. 136-146).
Более близким аналогом, выбранным в качестве прототипа в связи с сходством выполняемой технической задачи, является сумматор (делитель) (СВЧ цепи - Анализ и автоматическое проектирование, Фуско, Пер. с англ._М., Радио и связь, 1990, с. 271), который содержит симметричный тройник, имеющий вход, два выхода, расположенные по разные стороны от входа, соединенные с выходом двухступенчатыми переходами с включенным между ступенями активным нагрузочным сопротивлением.
Сумматор (делитель) мощности обеспечивает развязку между выходными плечами, хорошее согласование, малые потери в широком диапазоне рабочих частот.
Однако это устройство имеет малый уровень рабочей мощности, так как активное сопротивление имеет сравнительно небольшие размеры, что ограничивает мощность, рассеиваемую сопротивлением (резистивным слоем). Применение резистора, способного рассеивать большую мощность и устанавливаемого на внешний радиатор (как правило, для этого используется корпус устройства) приводит к значительному ухудшению параметров из-за наличия паразитных реактивностей резистора (индуктивность и емкость выводов) а также емкости, образованной резистором (резистивным слоем) и корпусом и т.п.
Технический результат предлагаемого технического решения -увеличение уровня рабочей мощности при сохранении хорошего согласования, малых потерь в широком диапазоне рабочих частот.
Указанный технический результат достигается тем, что в сумматор СВЧ сигналов, содержащий симметричный тройник, имеющий выход, два входа, расположенные по разные стороны от выхода, соединенные с выходом двухступенчатыми переходами с включенным между ступенями активным нагрузочным сопротивлением, введен отрезок линии передач, соединяющий место стыковки входов с выходом, причем этот отрезок линии передач имеет меньшее волновое сопротивление, чем волновое сопротивление выхода.
На фиг. 1 показана схема предлагаемого устройства,
На чертеже и в тексте приняты следующие обозначения:
1 - выход сумматора (делителя);
2 - вход сумматора (делителя);
3 - вход сумматора (делителя);
4, 5 - двухступенчатые переходы;
6, 7 - ступени двухступенчатых переходов
8 - активное сопротивление;
9 - отрезок линии передач, соединяющий двухступенчатые переходы с выходом.
Широкополосный сумматор (делитель) СВЧ сигналов содержит симметричный тройник, выход 1 и два входа 2, 3, расположенные по разные стороны от выхода 1, соединенные с входами 2, 3 двухступенчатыми переходами 4, 5 с включенным между ступенями 6, 7 активным нагрузочным сопротивлением 8, отрезок линии передач 9, соединяющий входы 2, 3 с выходом 1, причем этот отрезок линии передач 9 имеет меньшее волновое сопротивление, чем волновое сопротивление выхода 1.
Широкополосный сумматор (делитель) СВЧ сигналов работает следующим образом.
СВЧ сигналы, поступившие на два входа 2, 3 поступают через двухступенчатые переходы 4, 5 на выход 1 и складываются с малыми потерями. Сложение с малыми потерями происходит в том случае, если СВЧ сигналы имеют одинаковую фазу и амплитуду (для равноамплитудного сумматора). В случае если СВЧ сигнал поступает только на один вход 2 (3), за счет наличия ступеней 6, 7 двухступенчатых переходов 4, 5 и активного сопротивления 8, включенного между ступенями 6, 7 происходит компенсация отраженных сигналов и достигается согласование входа 2 (3). При этом половина мощности с входа 2 (3) поступает на выход 1, а половина рассеивается на сопротивлении 8. Для сохранения работоспособности сопротивления 8 необходимо, чтобы температура резистивного слоя не превышала определенной максимальной температуры (Р1-2 ОЖО.467.155ТУ, Р1-17 РКМУ.434110.001 ТУ). Для этого сопротивление 8 устанавливают на внешний радиатор, который, как правило, имеет хороший тепловой, и хороший электрический контакт с корпусом устройства. В результате этого электрические параметры сумматора ухудшаются (ухудшается согласование, увеличиваются потери, уменьшается диапазон рабочих частот). С целью устранения вредного влияния паразитных реактивностей, прежде всего емкости, образованной резистором (резистивным слоем) и корпусом, введен отрезок линии передачи 9, соединяющий двухступенчатые переходы 4, 5 с выходом 1. Причем отрезок линии 9 передач имеет меньшее волновое сопротивление, чем волновое сопротивление выхода 1. Размеры отрезка линии 9 зависят от реактивностей, прежде всего емкости, образованной резистором 8 (резистивным слоем) и корпусом устройства.
Таким образом, сумматор (делитель) обеспечивает сложение сигналов, например, сложение сигналов двух синфазных генераторов. При этом, так как выходы заявляемого устройства развязаны, то выход из строя одного из генераторов не сказывается на работе второго.
Использование отрезка линии 9 позволяет применять установленные на радиаторе, соединенном с корпусом сопротивления, рассчитанные на большую мощность, что значительно повышает рабочую мощность устройства. При этом сохраняются хорошее согласование и малые потери в широкой полосе рабочих частот.
Предварительные проработки показывают, что рабочая мощность возрастают в 4 5 раз, при этом уровень затухания СВЧ сигнала и согласование в рабочей полосе частот не ухудшились по сравнению с базовой моделью.
Использование предложенного технического решения позволит увеличить уровень рабочей мощности при сохранении хорошего согласования и малых потерь в широкой полосе рабочих частот.