СУММАТОР СВЧ-СИГНАЛОВ
ADDER OF UHF SIGNALS

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ), в частности, к устройствам сложения (деления) 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 на большой уровень рабочей мощности, с малыми потерями и хорошим согласованием в широком частотном диапазоне, имеющие малые массогабаритные показатели, 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.
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 большие габариты. Полная длина средней линии кольца равна 1,5λ, (Проектирование линзовых, сканирующих, широкодиапазонных антенн и фидерных устройств, Жук М.С.и Молочков Ю.Б. М., «Энергия», 1973).
Другим устройством, с помощью которого можно осуществлять сложение (деление) СВЧ сигнала является кольцевой делитель (сумматор) (Проектирование и расчет СВЧ элементов на полосковых линиях, Малорадский Л.Г., Явич Л.Р. М., «Советское Радио», 1972), состоящий из симметричного тройника, имеющий вход и 2 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. Делитель (сумматор) мощности обеспечивает развязку между выходными плечами, хорошее согласование, малые потери и значительно меньшие габариты, так как полная длина средней линии равна 0,5λ.
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.).
- трудности подстройки, так как, сопротивление имеет конечные размеры, и необходимо менять расстояние между входом и выходами (это расстояние должно быть отлично от четверти длины волны) (Проектирование и расчет СВЧ элементов на полосковых линиях, Малорадский Л.Г., Явич Л.Р. М., «Советское Радио», 1972). Однако, в результате изготовления размеры элементов делителя (например, размеры проводников, расположение мест соединения сопротивления и проводников и т.д.), могут несколько отличаться от расчетных, что в свою очередь приводит к ухудшению параметров и затрудняет регулировку.
Другим аналогом, выбранным в качестве прототипа в связи со сходством выполняемой технической задачи является (сумматор) делитель (Делитель СВЧ сигналов, патент га 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.
Использование подстроенных элементов позволяет применять установленные на радиаторе сопротивления, рассчитанные на рассеяние сигнала большой мощности, что повышает рабочую мощность устройства. При этом сохраняются хорошее согласование, малые потери.
Однако, этому устройству присущи следующие недостатки:
- ухудшение параметров (согласования и потерь) при высоком уровне рабочей мощности, (особенно это сказывается в дециметровом диапазоне волн). Это обусловлено тем, что активное сопротивление имеет определенные размеры. Резисторы, расчитанные на большой уровень мощности имеют большие геометрические размеры. Это приводит к увеличению расстояния между участками выходных линий в местах подключения активного сопротивления (например, в дециметровом диапазоне волн длина участка включения сопротивления может быть сравнима с длиной волны), что и вызывает ухудшение параметров;
- радиатор, отводящий тепло от резистора, необходимо совмещать с корпусом устройства, поэтому размеры радиатора ограничены размерами корпуса устройства, что приводит к ограничению рабочей мощности;
- наличие большого по объему радиатора, совмещенного с корпусом устройства, приводит к большим массо-габаритным показателям делителя (сумматора) и конструктивным трудностям при размещении, особенно при размещении нескольких делителей, например, в передающем устройстве, и сложности при эксплуатации;
- сложности при регулировке, так как, при регулировке (изменения характеристик подстроенных элементов) необходимо частично разбирать устройство (снимать одну из крышек корпуса сумматора), что увеличивает время регулировки и ее усложнение, кроме того, для получения одинаковых характеристик выходов необходимо обеспечивать идентичность параметров подстроенных элементов.
Технический результат предлагаемого технического решения - улучшение согласования и уменьшение потерь при увеличении уровня рабочей мощности, улучшение конструктивных показателей (улучшение возможностей при размещении и использовании нескольких сумматоров), упрощение процесса регулировки.
Другой технический результат - улучшение согласования.
Указанный технический результат достигается тем, что в сумматор СВЧ сигналов, содержащий симметричный тройник, имеющий вход, два выхода, расположенные по разные стороны от входа на расстоянии равном четверти длины волны, активное сопротивление, подстроечные элемента, причем первый соединен с одним выводом активного сопротивления, второй с другим выводом активного сопротивления, введены две дополнительные полуволновые СВЧ линии (например, два кабеля), причем центральный проводник одной линии одним концом присоединен к одному выходу, вторым концом к одному выводу активного сопротивления, центральный проводник второй линии одним концом присоединен к другому выходу, вторым концом к другому выводу активного сопротивления.
Дополнительный результат достигается тем, что введен дополнительный подстроенный элемент, установленный параллельно активному сопротивлению.
В предложенном устройстве имеются существенные отличия от известных сумматоров (делителей).
В кольцевых сумматорах (делителях), например, выбранных в качестве аналога и прототипа, активное сопротивление должно находиться в непосредственной близости от участков выходных линий, и одним концом оно подключено к первой выходной линии, вторым - ко второй;
В кольцевом мосте нагрузка (активное сопротивление) расположена между выходами на расстоянии четверти длины волны от одного из выходов и трех четвертей от другого, т.е. две СВЧ линии имеют разные длины. Кроме того, у нагрузки (активное сопротивление) один конец подключен к месту соединения этих СВЧ линий, второй - «заземлен» (подключен к корпусу).
В предложенном устройстве активное сопротивление находится на удалении от участков выходных линий, и СВЧ линии соединяют выходы делителя с выводами активного сопротивления и имеют одинаковые длины.
Таким образом, во всех рассмотренных известных сумматорах (делителях) либо отсутствуют дополнительные СВЧ линии, центральные проводники которых одним концом присоединены к одному выходам делителя, вторыми концами к разным выводам активного сопротивления, либо СВЧ линии имеют разные длины и подключены к одному выводу активного сопротивления, второй вывод которого «заземлен».
Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию патентоспособности «изобретательский уровень».
Сущность изобретения будет более понятна из приведенного описания и прилагаемых к нему графических материалов.
На фиг. 1 показана схема предлагаемого устройства.
На фиг. 2 показана схема предлагаемого устройства (вариант).
На фиг. 3 показана схема предлагаемого по п. 2 устройства.
На чертеже и в тексте приняты следующие обозначения:
1 - выход сумматора;
2 - вход сумматора;
3 - выход сумматора;
4 - четвертьволновой отрезок СВЧ линии;
5 - четвертьволновой отрезок СВЧ линии;
6 - дополнительная полуволновые СВЧ линия;
7 - дополнительная полуволновые СВЧ линия;
8 -активное сопротивление;
9 - вывод активного сопротивления;
10 - вывод активного сопротивления;
11 - подстроенный элемент;
12 - дополнительный подстроенный элемент.
Сумматор СВЧ сигналов содержит симметричный тройник, выход 1 и два входа 2,3, расположенные по разные стороны от выхода 1 и соединенные с ним -четвертьволновые отрезки СВЧ линий 4,5, две дополнительные полуволновые СВЧ линии 6,7, причем центральный проводник линии 6 одним концом присоединен к входу 2, вторым концом к выводу 9 активного сопротивления 8, центральный проводник линии 7 одним концом присоединен к входу 3, вторым концом к выводу 10 активного сопротивления 8. Подстроечные элементы 11 могут быть подключены непосредственно к выводам 9,10 активного сопротивления 6 (см. Фиг. 1) Подстроечные элементы 11 могут быть также подключены в месте соединения входа 2 с дополнительной полуволновой СВЧ линией бив месте соединения входа 3 с дополнительной полуволновой СВЧ линией 7 (см. Фиг. 2).
Сумматор СВЧ сигналов может быть выполнен на сосредоточенных элементах (четвертьволновые отрезки 4,5 могут быть выполнены на сосредоточенных элементах) (Широкополосные устройства СВЧ на элементах с сосредоточенными параметрами, Карпов В.М., Малышев В.А., Перевощиков И.В. - М., Радио и связь 1984, с 54-62). От этого сущность изобретения не меняется.
Для улучшения согласования может быть введен дополнительный подстроенный элемент 12, установленный параллельно активному сопротивлению 8. (см. Фиг. 3).
Сумматор (делитель) СВЧ сигналов работает следующим образом.
СВЧ сигнал, поступивший на вход 1, разделяется поровну между двумя выходами 2,3, расположенными на расстоянии равном четверти длины волны от входа 1. Сигналы, поступившие на входы 2, 3, походят через четвертьволновые отрезки складываются и поступают на выход 1.
В том случае, если устройство использовать в качестве сумматора, то данное устройство работает следующим образом:
При условии, что сигналы, поступившие на входы 2, 3, имеют одинаковую амплитуду и фазу, через четвертьволновые отрезки 4,5 происходит сложение сигналов и они поступают на выход 1. В том случае, если сигналы, поступившие на входы 2, 3, имеют разные амплитуды и (или) фазы, то эти сигналы поступают на выход 1 не только через четвертьволновые отрезки 4, 5, соединяющие входы 2, 3 с выходом 1, но и через дополнительные полуволновые СВЧ линии 6,7 и активное сопротивление 8. Таким образом, на каждом из выходов 3,2 складываются по два сигнала в противофазе, тем самым достигается компенсация отраженного сигнала, то есть, достигается развязка между выходами 2 и 3. При этом половина мощности поступает на выходы 3, 2, а половина рассеивается на сопротивлении 8. Равенство (по мощности, и по фазе), а, следовательно, полная компенсация отраженных сигналов, приходящих на выходы 3, 2 достигается подстроенными элементами 11.
В том случае, если устройство использовать в качестве делителя, то данное устройство работает следующим образом:
СВЧ сигнал, поступивший на вход 1 разделяется поровну между двумя выходами 2, 3, расположенными на расстоянии равном четверти длины волны от входа 1. Сигналы на выходах 2, 3 равны и синфазны, если выходы 2, 3 согласованы. Согласование выходов 2,3 достигается присоединением к ним согласованных нагрузок (на фиг. 1 не показаны) и компенсированием паразитных реактивностей сопротивления 8 подстроенными элементами 11. В случае рассогласования одного из выходов, например, второго, сигнал, отраженный от выхода 2, поступает на выход 3 двумя путями: через дополнительные полуволновые СВЧ линии 6, 7 и активное сопротивление 8, и через четвертьволновые отрезки 4, 5, общая длина которых равна половине длины волны. Таким образом, на выходе 3 складываются два сигнала в противофазе, тем самым достигается компенсация отраженного сигнала, то есть, достигается развязка между выходами 2 и 3. При этом половина мощности поступает на выход 3, а половина рассеивается на сопротивлении 4. Равенство (по мощности, и по фазе), а, следовательно, полная компенсация отраженных сигналов, приходящих на выход 3 достигается подстроенным элементом 11. В силу симметрии делителя СВЧ сигналов аналогичные рассуждения справедливы и при рассогласовании выхода 3.
Введение двух дополнительных полуволновых СВЧ линий (например, двух кабелей), и присоединением к ним активного сопротивления позволяет не увеличивать расстояние между участками выходных линий в местах подключения активного сопротивления, что приводит к улучшению согласования и уменьшению потерь. Это же позволяет установить активное сопротивление на радиатор, который может быть больших размеров (размеры радиатор не ограничены размерами устройства), что и обеспечивает увеличение уровня рабочей мощности. Следует заметить также, что при использовании нескольких сумматоров их активные сопротивления устанавливаются на один радиатор, размеры которого меньше суммарного размера всех радиаторов, используемых в устройствах, выбранных в качестве прототипа, так как, устройства не выходят из строя одновременно.
Кроме того, введение двух дополнительных полуволновых СВЧ линий (например, двух кабелей), и присоединение к ним активного сопротивления позволяет упростить процесс регулировки делителя, так как исключает необходимость частично разбирать устройство (снимать одну из крышек корпуса делителя), что уменьшает время регулировки и упрощает размещение сумматоров, особенно при размещении нескольких сумматоров, например, в передающем устройстве, и за счет размещения упростить эксплуатацию и ремонт.
Введение дополнительного подстроенного элемента 12, установленного параллельно активному сопротивлению 8, позволяет, как показывают расчеты, улучшить согласование и упрощает процесс регулировки. Предварительное моделирование показало в этом случае уменьшение КСВ на 0.1-0,2. Введение дополнительного подстроенного элемента 12 упрощает процесс регулировки за счет смягчения требований к подстроенным элементам 11, к идентичности их параметров. Возможно использование только одного дополнительного подстроенного элемента 12 (без использования подстроенных элементов 11) для получения хорошего согласования.
Использование данного изобретения позволяет создать устройство сложения (деления) СВЧ сигналов на большой уровень рабочей мощности, с малыми потерями и хорошим согласованием, входы которого развязаны между собой, при этом уменьшается время регулировки, упрощается процесс регулировки и эксплуатации.