ШИРОКОПОЛОСНОЕ УСТРОЙСТВО СЛОЖЕНИЯ МОЩНОСТЕЙ ГЕНЕРАТОРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

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.
Генераторы, объединяемые с помощью мостовых устройств, предварительно настраиваются отдельно на стандартную нагрузку и после объединения режимы работы транзисторов в этих генераторах практически не меняются, так как плечи мостовых сумматоров согласованы и взаимно развязаны.
КСВ входов мостовых сумматоров σ и степень их развязки ξ являются важнейшими характеристиками указанных устройств. Для практического использования считается достаточным обеспечить в диапазоне рабочих частот σ≤1,2 и ξ≥20 дБ [Проектирование и техническая эксплуатация радиопередающих устройств /М.А. Сивере, Г.А. Зейтленок, Ю.Б. Несвижский и др.: Учеб. пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 1989., Широкополосные радиопередающие устройства (Радиочастотные тракты на полупроводниковых приборах)/Алексеев О.В., Головков А.А., Полевой В.В., Соловьев А.А.; Под ред. О.А. Алексеева. - М.: Связь, 1978.].
Известны двухвходовые мостовые устройства, которые применяются как самостоятельно, так и в составе более сложных сумматоров, выполненных, например, по бинарному принципу [Combining units for a 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. При этом мостовые устройства с минимальным числом отрезков, например, сумматоры со сложением токов или напряжений в нагрузке [Радиопередающие устройства: Учебник для вузов/В.В. Шахгильдян, В.Б. Козырев, А.А. Ляховкин и др.; Под ред. В.В. Шахгильдяна. - 3-е изд., перераб. и доп.- М.: Радио и связь, 2003.] согласно упомянутому выше критерию σ=1,2 и ξ=20 дБ оказываются недостаточно широкополосны, поскольку их характеристики имеют периодический характер и полоса рабочих частот сверху ограничена фазовым набегом в линиях передачи, который не должен превышать 30…40°.
В то же время среди мостовых устройств существуют схемы сложения мощностей двух генераторов, также являющиеся модификациями классического моста Уинстона, не обладающие периодичностью частотных характеристик [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 US 4774481 «Wideband transmission line signal combiner/divider», Sep.27, 1988, Figure 3., Гребенников A.B., 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.]. В этих устройствах фазовый набег в линиях передачи уже не является фактором, ограничивающим верхнюю рабочую частоту.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является мостовой сумматор мощности двух генераторов, представленный в [Andrei Grebennikov, «RF AND MICROWAVE TRANSMITTER DESIGN». A JOHN WILEY and SONS. 2011. p.168, fig.4.14], принятый за прототип.
Устройство-прототип содержит четыре одинаковых по длине отрезка линии передачи, первый и четвертый из которых расположены на отдельных ферритовых сердечниках. В качестве линии передачи может использоваться, например, коаксиальный кабель, а также балластный резистор, причем начало первого проводника первого отрезка линии передачи и начало второго проводника второго отрезка линии передачи объединены и соединены с первым генераторным входом сумматора, на который подается сигнал от первого из суммируемых генераторов относительно общей шины (земли), с которой соединены начало второго проводника первого отрезка линии передачи и начало первого проводника второго отрезка линии передачи, конец первого проводника первого отрезка линии передачи и конец второго проводника четвертого отрезка линии передачи объединены и соединены с выходом сумматора, сигнал с которого снимается относительно общей шины (земли), с которой соединены конец первого проводника второго отрезка линии передачи и конец второго проводника третьего отрезка линии передачи, начало первого проводника третьего отрезка линии передачи и начало второго проводника четвертого отрезка линии передачи объединены и соединены со вторым генераторным входом сумматора, на который подается сигнал от второго из суммируемых генераторов относительно общей шины (земли), с которой соединены начало второго проводника третьего отрезка линии передачи и начало первого проводника четвертого отрезка линии передачи, конец первого проводника третьего отрезка линии передачи соединен с концом второго проводника первого отрезка линии передачи, конец первого проводника четвертого отрезка линии передачи соединен с концом второго проводника второго отрезка линии передачи, первый вывод балластного резистора соединен с концом второго проводника первого отрезка линии передачи, второй вывод балластного резистора соединен концом второго проводника второго отрезка линии передачи.
Характерной особенностью устройства-прототипа является отсутствие зависимости его параметров от длины отрезков линии передачи. Теоретически, если все отрезки линии передачи согласованы (нагружены на сопротивления, равные волновым), то вне зависимости от их длины генераторы будут идеально согласованы и развязаны друг от друга, причем нижняя рабочая частота сумматора будет определяться величиной индуктивности намагничивания отрезков линии передачи, размещенных на ферритовых сердечниках, а верхняя рабочая частота будет неограниченно большой.
Однако при использовании на практике в устройстве-прототипе мощного балластного резистора упомянутое условие широкополосности не соблюдается из-за того, что такой резистор имеет паразитную емкость относительно общей шины (земли), пренебречь которой можно лишь в том случае, когда ее импеданс на верхней рабочей частоте на порядок превышает активное сопротивление балластного резистора [Радиопередающие устройства /М.В. Балакирев, Ю.С. Вохмяков, А.В. Журиков и др.; Под ред О.А. Челнокова. - М.: Радио и связь, 1982. - 256 с.]. В противном случае мостовой сумматор становится неуравновешенным, условия согласования отрезков линии передачи нарушаются, характеристики устройства приобретают периодический характер, особенно проявляющийся на частотах нечетных четвертьволновых резонансов. В результате верхняя рабочая частота, на которой обеспечиваются требуемое качество согласования входов сумматора и их взаимная развязка оказывается недостаточно высокой, что является недостатком устройства-прототипа.
Задача предлагаемого технического решения - увеличение верхней рабочей частоты мостового сумматора мощности двух генераторов.
Для решения поставленной задачи в устройство, сложения мощностей генераторов электрических колебаний, содержащее четыре одинаковых по длине отрезка линии передачи, первый и четвертый из которых расположены на отдельных ферритовых сердечниках, и балластный резистор, причем начало первого проводника первого отрезка линии передачи и начало второго проводника второго отрезка линии передачи объединены и соединены с первым генераторным входом сумматора, предназначенным для приема сигнала от первого из суммируемых генераторов, несимметричным относительно общей шины, с которой соединены начало второго проводника первого отрезка линии передачи и начало первого проводника второго отрезка линии передачи, конец первого проводника первого отрезка линии передачи и конец второго проводника четвертого отрезка линии передачи объединены и соединены с выходом сумматора, несимметричным относительно общей шины, с которой соединены конец первого проводника второго отрезка линии передачи и конец второго проводника третьего отрезка линии передачи, начало первого проводника третьего отрезка линии передачи и начало второго проводника четвертого отрезка линии передачи объединены и соединены со вторым входом сумматора, предназначенным для приема сигнала от второго из суммируемых генераторов, несимметричным относительно общей шины, с которой соединены начало второго проводника третьего отрезка линии передачи и начало первого проводника четвертого отрезка линии передачи, конец первого проводника третьего отрезка линии передачи соединен с концом второго проводника первого отрезка линии передачи, конец первого проводника четвертого отрезка линии передачи соединен с концом второго проводника второго отрезка линии передачи, согласно полезной модели, введен пятый отрезок линии передачи, аналогичный по конструкции первому и четвертому отрезкам линии передачи, начало первого проводника соединено с первым выводом балластного резистора, начало второго проводника пятого отрезка линии передачи соединено со вторым выводом балластного резистора, конец первого проводника пятого отрезка линии передачи соединен с концом второго проводника первого отрезка линии передачи, а конец второго проводника пятого отрезка соединен с концом второго проводника второго отрезка линии передачи.
На фиг.1 представлена схема предлагаемого устройства, где обозначено:
1, 2, 3, 4, 5 - первый, второй, третий, четвертый и пятый отрезки линии передачи;
1.1, 1.2 - первый и второй проводники первого отрезка линии передачи;
2.1, 2.2 - первый и второй проводники второго отрезка линии передачи;
3.1, 3.2 - первый и второй проводники третьего отрезка линии передачи;
4.1, 4.2 - первый и второй проводники четвертого отрезка линии передачи;
5.1, 5.2 - первый и второй проводники пятого отрезка линии передачи;
6 - балластный резистор;
Вх. 1, Вх. 2 - первый и второй, несимметричные относительно общей шины входы сумматора;
Вых. - выход сумматора;
н, к - начало и конец каждого проводника отрезка линии передачи.
Предлагаемое устройство содержит первый отрезок линии передачи 1, второй отрезок линии передачи 2, третий отрезок линии передачи 3, четвертый отрезок линии передачи 4, пятый отрезок линии передачи 5 и балластный резистор 6. Начало первого проводника 1.1 первого отрезка линии передачи 1 и начало второго проводника 2.2 второго отрезка линии передачи 2 объединены и соединены с первым генераторным входом сумматора Вх. 1, предназначенным для приема сигнала от первого из суммируемых генераторов, несимметричным (заземленным) относительно общей шины, с которой соединены начало второго проводника 1.2 первого отрезка линии передачи 1 и начало первого проводника 2.1 второго отрезка линии передачи 2. Конец первого проводника 1.1 первого отрезка линии передачи 1 и конец второго проводника 4.2 четвертого отрезка линии передачи 4 объединены и соединены с выходом сумматора Вых., сигнал с которого снимается относительно общей шины («земли»), с которой соединены конец первого проводника 2.1 второго отрезка линии передачи 2 и конец второго проводника 3.2 третьего отрезка линии передачи 3. Начало первого проводника 3.1 третьего отрезка линии передачи 3 и начало второго проводника 4.2 четвертого отрезка линии передачи 4 объединены и соединены со вторым генераторным входом сумматора Вх. 2, предназначенным для приема сигнала от второго из суммируемых генераторов, несимметричным относительно общей шины, с которой соединены начало второго проводника 3.1 третьего отрезка линии передачи 3 и начало первого проводника 4.1 четвертого отрезка линии передачи 4. Конец первого проводника 3.1 третьего отрезка линии передачи 3 соединен с концом второго проводника 1.2 первого отрезка линии передачи 1, конец первого проводника 4.1 четвертого отрезка линии передачи 4 соединен с концом второго проводника 2.2 второго отрезка линии передачи 2. Начало первого проводника 5.1 пятого отрезка линии передачи 5 соединено с первым выводом балластного резистора 6, начало второго проводника 5.2 пятого отрезка линии передачи 5 соединено со вторым выводом балластного резистора 6, конец первого проводника 5.1 пятого отрезка линии передачи 5 соединен с концом второго проводника 1.2 первого отрезка линии передачи 1, а конец второго проводника 5.2 пятого отрезка линии передачи 5 соединен с концом второго проводника 2.2 второго отрезка линии передачи 2.
Первый отрезок линии передачи 1, второй отрезок линии передачи 2, третий отрезок линии передачи 3, четвертый отрезок линии передачи 4 и пятый отрезок линии передачи 5 имеют равную длину. Первый отрезок линии передачи 1, четвертый отрезок линии передачи 4 и пятый отрезок линии передачи 5 расположены на одинаковых ферритовых сердечниках.
В качестве отрезков линии передачи могут использоваться отрезки двухпроводной линии, радиочастотного коаксиального или полоскового кабеля.
В качестве ферритовых сердечников для отрезков линии передачи могут использоваться сердечники, содержащие одно или несколько ферритовых колец, сложенных столбиком, или сердечники типа «бинокль», выполненные в виде двух столбиков из наборов ферритовых колец. В последнем случае появляется возможность отвода тепла от сердечника путем его прижатия к теплоотводящей поверхности или установки между ферритовыми кольцами пластин-радиаторов [Несвижский Ю.Б. «Высокочастотные ферриты в радиопередающей технике». М., «Связь», 1976, Патент США US 4897626 «Cooling electromagnetic devices», Jan. 30, 1990.]. Кроме того, диапазон рабочих частот сумматора расширяется в область нижних частот за счет увеличения индуктивности намагничивания обмотки [Inder Bahl. «Lumped elements for RF and microwave circuits», Artech House Microwave Library, 2003.].
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 линии передачи 1,2 и 3,4 к выходу сумматора Вых. и суммируются в нагрузке сумматора без отражений, если ее сопротивление равно волновому сопротивлению каждого из отрезков линии передачи 1-4, при этом потенциалы на концах первого 5.1 и второго 5.2 проводников пятого отрезка линии передачи 5 одинаковы, и мощность в балластный резистор 6 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 балластным резистором 6. В наихудшем случае, например, при отключении одного из генераторов, половина мощности второго работающего генератора передается в нагрузку сумматора, а другая половина этой мощности передается через отрезок линии передачи 5 в балластный резистор 6 и рассеивается в нем.
Благодаря изолирующему действию отрезка линии передачи 5 устраняется негативное влияние паразитной емкости балластного резистора 6 на равновесие моста и, в отличие от устройства-прототипа, четвертьволновые резонансы в отрезках линии передачи не проявляются. В результате диапазон рабочих частот сумматора мощности расширяется в область более высоких частот, что подтверждается результатами компьютерного моделирования устройства-прототипа и предлагаемого устройства, выполненного на основе сосредоточенной П-образной модели балластного резистора [О. Петраков. «Исследование PSpice-моделей аналоговых радиоэлементов». Журнал «Радио», №8, 2003.], представленными на фиг.2 и фиг.3. При этом полагалось, что в качестве балластного используется 800-ваттный 100-омнный фланцевый резистор типа RFP-800-100R фирмы Anaren, имеющий паразитную емкость 14 пФ.
На фиг.2. представлена зависимость развязки между генераторными входами сумматора мощности от частоты (устройство-прототип - кривая 1, предлагаемое устройство - кривая 2); на фиг.3 - зависимость КСВ генераторных входов сумматора мощности от частоты (устройство-прототип - кривая 1, предлагаемое устройство - кривая 2).
Как видно из приведенных на фиг.2 и фиг.3 данных в устройстве-прототипе частота, на которой развязка генераторных входов ξ достигает величины 20 дБ, равна 86,5 МГц, в то время как в предлагаемом устройстве эта частота возрастает до 195,5 МГц. КСВ генераторных входов сумматора σ=1,2 в устройстве-прототипе и предлагаемом устройстве достигается на частотах 72,5 МГц и 181,5 МГц соответственно.
То есть предлагаемое устройство является гораздо более широкополосным, чем устройство-прототип.