Широкополосное устройство сложения мощностей генераторов электрических колебаний с улучшенной развязкой

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована в радиосвязи, в частности в мощных широкополосных транзисторных радиопередающих устройствах.
В современных радиопередающих устройствах большой мощности широкое распространение получил метод сложения мощности отдельных транзисторных генераторов с помощью мостовых устройств.
Известны двухвходовые мостовые устройства, которые применяются как самостоятельно, так и в составе более сложных сумматоров, выполненных, например, по бинарному принципу [Combining units for а 1 kW wideband HF amplifier. Application Note AN98032. Philips Semiconductors. 1998 Mar 23.]. Разнообразные варианты таких устройств получают преобразованием классического моста Уинстона на основе принципа взаимности, использования дополнительных трансформаторов и фазокомпенсирующих линий, объединения точек, имеющих одинаковый потенциал, совмещением с помощью согласованных линий пар сопротивлений противоположных плеч в одно, а также и других методов [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., Лондон С.Е., Томашевич С.В. Справочник по высокочастотным трансформаторным устройствам. - М.: Радио и связь, 1984.].
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 его входов σ и их развязкой ξ.
Большой простотой и симметрией отличается, например, мостовые схемы сумматоров, выполненные на одном отрезке линии передачи [Гребенников_2011, Шахгильдян_2003, AN749, Алексеев_1978].
При этом мостовые устройства с минимальным числом отрезков линии передачи, например, сумматоры со сложением токов или напряжений в нагрузке оказываются недостаточно широкополосны, поскольку их полоса рабочих частот сверху ограничена фазовым набегом в линиях передачи, который не должен превышать 7 [Проектирование радиопередающих устройств: Учеб. пособие для вузов / В.В. Шахгильдян, В.А. Власов, В.Б. Козырев и др.; Под ред. В.В. Шахгильдяна. - 3-е изд., перераб. и доп. М.: Радио и связь, 1993-512 с.].
В то же время среди мостовых устройств существуют схемы сложения мощностей двух генераторов, в которых фазовый набег в линиях передачи не является фактором, ограничивающим верхнюю рабочую частоту.
Таким свойством обладают схемы, представляющие собой цепи неминимально-фазового типа, признаком которых является наличие двух или более каналов прохождения сигнала. В одном из этих каналов располагается полезная нагрузка, в другом - балластный резистор. При этом входы сумматора оказываются взаимно развязанными [Генераторы высоких и сверхвысоких частот: Учеб. пособие / О.В. Алексеев., А.А. Головков, А.В. Митрофанов и др. - М.; Высш. шк., 2003. - 326 с.].
Свойство электрической развязки означает, что при соблюдении условий баланса мостовой схемы 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 передачи 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 передачи, размещенных на ферритовых сердечниках, а верхняя рабочая частота будет неограниченно большой [С.Е. Лондон. Устройство для сложения мощностей генераторов электрических колебаний, а.с. СССР №543144, 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 US 4774481, Гребенников А.В., Никифоров В.В., Рыжиков А.Б. Мощные транзисторные усилительные модули для УКВ ЧМ и ТВ вещания // Электросвязь. - 1996. - №3. - С. 28-31., 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 двух генераторов, представленный в патенте US 4774481, принятый за прототип.
Схема устройства-прототипа приведена на фиг. 1, где обозначено:
1, 2, 3, 4 - первый, второй, третий и четвертый отрезки коаксиального кабеля, расположенные на отдельных ферритовых сердечниках;
1.1, 1.2 - внутренний проводник и оплетка первого отрезка коаксиального кабеля;
2.1, 2.2 - внутренний проводник и оплетка второго отрезка коаксиального кабеля;
3.1, 3.2 - внутренний проводник и оплетка третьего отрезка коаксиального кабеля;
4.1, 4.2 - внутренний проводник и оплетка четвертого отрезка коаксиального кабеля;
н, к - начало и конец внутреннего проводника и оплетки каждого отрезка коаксиального кабеля;
R1, R2 - балластные резисторы.
Устройство-прототип содержит четыре одинаковых по длине отрезка коаксиального кабеля 1-4, которые расположены на отдельных ферритовых сердечниках, и два балластных резистора R1 и R2. При этом внутренние проводники отрезков коаксиального кабеля 1-4 обозначены 1.1, 2.1, 3.1 и 4.1, а оплетки указанных отрезков коаксиального кабеля - 1.2, 2.2, 3.2 и 4.2 соответственно. Начала и концы внутренних проводников и оплеток отрезков коаксиального кабеля 1-4 обозначены буквами «н» и «к», причем начало внутреннего проводника 1.1 отрезка коаксиального кабеля 1 соединено с первым генераторным входом сумматора Вх 1, конец внутреннего проводника 1.1 отрезка коаксиального кабеля 1 соединен с концом внутреннего проводника 4.1 отрезка коаксиального кабеля 4 и первым выводом балластного резистора R2, второй вывод которого соединен с концами внутренних проводников 2.1 и 3.1 отрезков коаксиального кабеля 2 и 3. Начало оплетки 3.1 отрезка коаксиального кабеля 3 соединено со вторым генераторным входом сумматора Вх 2, а начало внутреннего проводника 2.1 отрезка коаксиального кабеля 2 соединено с выходом сумматора Вых и с началом внутреннего проводника 4.1 отрезка коаксиального кабеля 4.
Первый вывод балластного резистора R1 соединен с концом оплетки 3.2 отрезка коаксиального кабеля 3, соединенным с концом оплетки 4.2 отрезка коаксиального кабеля 4, причем начало оплетки 3.2 отрезка коаксиального кабеля 3 и начало оплетки 4.2 отрезка коаксиального кабеля 4 соединены с общим («земляным») проводником. Кроме того, второй вывод балластного резистора R1 соединен с концом оплетки 1.2 отрезка коаксиального кабеля 1, соединенным с концом оплетки 2.2 отрезка коаксиального кабеля 2, причем начало оплетки 1.2 отрезка коаксиального кабеля 1 и начало оплетки 2.2 отрезка коаксиального кабеля 2 соединены с общим («земляным») проводником.
Работает устройство-прототип следующим образом.
В согласованном режиме равноамплитудные и синфазные сигналы генераторов поступают на первый и второй генераторные входы сумматора Вх 1 и Вх 2 и распространяются соответственно по отрезкам коаксиального кабеля 1-4 к выходу сумматора, и суммируются в нагрузке сумматора без отражений, если сопротивление нагрузки сумматора равно волновому сопротивлению каждого из отрезков коаксиальных кабелей 1-4, при этом потенциалы на выводах балластных резисторов R1 и R2 одинаковы, и мощность в балластные резисторы R1 и R2 не передается.
Изменение амплитуд и фаз сигналов, поступающих на генераторные входы сумматора Вх 1 и Вх 2, приводит к перераспределению сигналов между нагрузкой сумматора, подключенной к его выходу Вых и балластными резисторами R1 и R2. 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 и R2 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 широкополосное устройство сложения мощностей генераторов электрических колебаний с улучшенной развязкой, содержащее четыре одинаковых по длине отрезка коаксиального кабеля, расположенных на отдельных ферритовых сердечниках, первый и второй балластные резисторы, причем начала внутренних проводников первого и третьего отрезков коаксиального кабеля являются первым и вторым генераторными входами сумматора соответственно; конец внутреннего проводника первого отрезка коаксиального кабеля соединен с концом внутреннего проводника четвертого отрезка коаксиального кабеля и одним выводом второго балластного резистора, другой вывод которого соединен с концами внутренних проводников второго и третьего отрезков коаксиального кабеля; начало внутреннего проводника второго отрезка коаксиального кабеля соединено с началом внутреннего проводника четвертого отрезка коаксиального кабеля, и является выходом сумматора; один вывод первого балластного резистора соединен с концом оплетки третьего отрезка коаксиального кабеля, соединенным с концом оплетки четвертого отрезка коаксиального кабеля, причем начала оплетки третьего и четвертого отрезков коаксиального кабеля соединены с общим проводником; другой вывод первого балластного резистора соединен с концом оплетки первого отрезка коаксиального кабеля, соединенным с концом оплетки второго отрезка коаксиального кабеля, при этом начала оплетки первого и второго отрезков коаксиального кабеля подсоединены к общему проводнику, согласно полезной модели, введены четыре катушки индуктивности, подключенные к концам внутренних проводников отрезков коаксиального кабеля с первого по четвертый соответственно, другие выводы этих катушек индуктивности соединены с общим проводником, причем величина индуктивности введенных катушек выбирается равной величине индуктивности оплеток соответствующих отрезков коаксиального кабеля.
На фиг. 2 представлена схема предлагаемого устройства, где обозначено:
1, 2, 3, 4 - первый, второй, третий и четвертый отрезки коаксиального кабеля;
1.1, 1.2 - внутренний проводник и оплетка первого отрезка коаксиального кабеля;
2.1, 2.2 - внутренний проводник и оплетка второго отрезка коаксиального кабеля;
3.1, 3.2 - внутренний проводник и оплетка третьего отрезка коаксиального кабеля;
4.1, 4.2 - внутренний проводник и оплетка четвертого отрезка коаксиального кабеля;
5, 6, 7, 8 - первая, вторая, третья и четвертая катушки индуктивности;
R1, R2 - первый и второй балластные резисторы;
н, к - начало и конец внутреннего проводника и оплетки отрезка коаксиального кабеля.
Предлагаемое устройство (сумматор) содержит четыре одинаковых по длине отрезка коаксиального кабеля 1-4, расположенных на отдельных ферритовых сердечниках, и два балластных резистора R1 и R2, причем начало внутреннего проводника 1.1 отрезка коаксиального кабеля 1 соединено с генераторным входом сумматора Вх 1, конец внутреннего проводника 1.1 отрезка коаксиального кабеля 1 соединен с концом внутреннего проводника 4.1 отрезка коаксиального кабеля 4 и первым выводом балластного резистора R2, второй вывод которого соединен с концами внутренних проводников 2.1 и 3.1 отрезков коаксиальных кабелей 2 и 3, начало внутреннего проводника 3.1 отрезка коаксиального кабеля 3 соединено с генераторным входом Вх 2 сумматора, начало внутреннего проводника 2.1 отрезка коаксиального кабеля 2 соединено с выходом сумматора Вых и соединено с началом внутреннего проводника 4.1 отрезка коаксиального кабеля 4, первый вывод балластного резистора R1 соединен с концом оплетки 3.2 отрезка коаксиального кабеля 3, соединенным с концом оплетки 4.2 отрезка коаксиального кабеля 4, причем начало оплетки 3.2 отрезка коаксиального кабеля 3 и начало оплетки 4.2 отрезка коаксиального кабеля 4 соединены с общим («земляным») проводником, второй вывод балластного резистора R1 соединен с концом оплетки 1.2 отрезка коаксиального кабеля 1, соединенным с концом оплетки 2.2 отрезка коаксиального кабеля 2, причем начало оплетки 1.2 отрезка коаксиального кабеля 1 и начало оплетки 2.1 отрезка коаксиального кабеля 2 соединены с общим («земляным») проводником. К концам внутренних проводников 1.1, 1.2, 1.3 и 1.4 отрезков коаксиальных кабелей 1-4 подключены соответственно выводы катушек индуктивности 5, 6, 7 и 8, другие выводы которых соединены с общим («земляным») проводником, при этом величина индуктивности упомянутых катушек равна величине индуктивности оплетки 1.2, 2.2, 3.2 или 4.2 одного из соответствующего отрезка коаксиального кабеля 1-4.
Работает предлагаемое устройство следующим образом.
В согласованном режиме равноамплитудные и синфазные сигналы генераторов поступают на первый и второй генераторные входы сумматора Вх 1 и Вх 2 и распространяются соответственно по отрезкам коаксиальных кабелей 1-4 к выходу сумматора и суммируются в нагрузке сумматора без отражений, если сопротивление нагрузки сумматора равно волновому сопротивлению каждого из отрезков коаксиальных кабелей 1-4, при этом потенциалы на выводах балластных резисторов R1 и R2 одинаковы, и мощность в балластные резисторы R1 и R2 не передается.
Изменение амплитуд и фаз сигналов, поступающих на генераторные входы сумматора Вх 1 и Вх 2, приводит к перераспределению сигналов между нагрузкой сумматора, подключенной к его выходу Вых и балластными резисторами R1 и R2. 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 и R2 и рассеивается в них.
Таким образом, благодаря введенным в схему сумматора катушкам индуктивности 5, 6, 7 и 8 устраняется вызванное протеканием синфазной составляющей тока по внешней стороне оплеток 1.2, 2.2, 3.2 и 4.2 отрезков коаксиального кабеля 1-4 и нарастающее с понижением рабочей частоты различие в сопротивлении между общим («земляным») проводником и концами внутренних проводников 1.1,2.1,3.1 и 4.1 отрезков коаксиального кабеля 1-4, а также между общим («земляным») проводником и концами оплеток 2.1, 2.2, 3.2 и 4.2 отрезков коаксиального кабеля 1-4. В результате улучшается симметрия мостовой схемы сумматора в области низких рабочих частот и, соответственно, улучшается развязка между входами сумматора.
На фиг. 3. представлена зависимость развязки между генераторными входами сумматора ξ от частоты F (устройство-прототип - кривая 1, предлагаемое устройство - кривая 2).
Как видно из приведенных на фиг. 3 данных развязка между генераторными входами предлагаемого сумматора, в отличие от устройства-прототипа, не снижается при уменьшении рабочей частоты.