СУММАТОР СВЧ СИГНАЛОВ
ADDER OF MICROWAVE 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 и радиолокационных устройств, телевидении, 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, имеющего 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 это устройство имеет малый уровень рабочей мощности, так как, использование активного сопротивления, рассчитанного на большую рабочую мощность, приводит к значительному ухудшению параметров из-за наличия паразитных реактивностей сопротивления (индуктивность и емкость выводов, емкость, образованная резистивным слоем и корпусом и т.п.). Это объясняется тем, что для увеличения рабочей мощности необходимо применять внешний радиатор, который, как правило, соединен с корпусом устройства.
Другим аналогом, выбранным в качестве прототипа в связи со сходством выполняемой технической задачи, является (сумматор) делитель (Делитель СВЧ сигналов, патент на полезную модель №113421 кл. МПК Н01Р 5/16, опубл. 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 подстроечных 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 недостатком этого устройства является невысокий уровень рабочей мощности, который может быть обусловлен следующими причинами:
- использование более мощного сопротивления ограничивается тем, что мощное сопротивление имеет такую величину паразитных реактивностей (прежде всего, емкости), что невозможно получить хорошее согласование и малые потери даже при помощи подстроечных элементов. Увеличение количества резисторов приводит к увеличению площади, с которой осуществляется отвод тепла, но не позволяет сохранить хорошее согласование и малые потери. Это объясняется наличием паразитных реактивностей сопротивления (прежде всего, емкостью), которые складываются и влияние которых невозможно скомпенсировать использованием подстроечных элементов.
Технический результат предлагаемого технического решения - увеличение уровня рабочей мощности при сохранении хорошего согласования и малых потерь.
Другой технический результат предлагаемого технического решения - упрощение конструкции, увеличение полосы рабочих частот при сохранении большого уровня рабочей мощности.
Дополнительный технический результат увеличение уровня рабочей мощности, увеличение развязки между входами при сохранении хорошего согласования и малых потерь.
Указанный технический результат достигается тем, что в сумматор СВЧ сигналов, содержащий симметричный тройник, имеющий два выхода (входа), расположенные по разные стороны от входа (выхода), соединенные линиями передачи с выходом (входом), активное сопротивление, включенное между линиями, введена дополнительная СВЧ линия передачи, соединяющая радиатор активного сопротивления с внешним радиатором, имеющим непосредственный (электрический и тепловой) контакт с корпусом сумматора. Корпус сумматора может являться внешним радиатором, который охлаждает все активное сопротивление (радиатор активного сопротивления с установленным на нем резистивным слоем). Дополнительная СВЧ линия передачи позволяет осуществить удаленное соединение активного сопротивления (радиатора активного сопротивления) с внешним радиатором, имеющим непосредственный контакт с корпусом устройства.
Другой технический результат предлагаемого технического решения достигается тем, что дополнительная СВЧ линия передачи, соединяющая радиатор активного сопротивления с внешним радиатором (корпусом сумматора) выполнена в виде подстроечного элемента.
Дополнительный результат достигается тем, что дополнительная СВЧ линия передачи, соединяющая радиатор активного сопротивления с внешним радиатором (корпусом сумматора) состоит, по крайней мере, из двух отрезков, имеющих разное волновое сопротивление.
В предложенном устройстве имеются существенные отличия от известных сумматоров (делителей):
В делителях (патент ЕР 1017124 А1, патент CN 204243166 U, Основы проектирования СВЧ интегральных схем В.Б. Кирильчук, Д.В. Лихачевский, ч. 2, Минск БГУИО, 2012, с. 232, 233), введены дополнительные СВЧ линии, однако эти линии подключены к линиям передачи, соединяющие выходы делителя с его входом. В заявляемом устройстве введена дополнительная линия передачи, соединяющая радиатор активного сопротивления с внешним радиатором, имеющим непосредственный контакт с корпусом сумматора;
В делителе (сумматоре), взятом за прототип (Делитель СВЧ сигналов, патент на полезную модель №113421 кл. МПК Н01Р 5/16, опубл. 10.02.2012), активное сопротивление установлено непосредственно на внешний радиатор;
В делителе (сумматоре) (Делитель СВЧ сигналов, патент на полезную модель №118125 кл. МПК Н01Р 5/16, опубл. 10.07.2012), активное сопротивление установлено на радиатор через диэлектрик (диэлектрик, установлен между корпусом внешнего радиатора и корпусом активного сопротивления);
В делителе (сумматоре) (Делитель СВЧ сигналов, патент га полезную модель №173580 кл. МПК Н01Р 5/16 опубл. 31.08.2017), активное сопротивление установлено непосредственно на радиатор, но введен диэлектрик, установленный между корпусом радиатора и корпусом делителя.
Таким образом, во всех рассмотренных известных сумматорах (делителях) активное сопротивление установлено на радиатор либо непосредственно на корпус, либо через диэлектрик.
Использование дополнительной СВЧ линии, в том числе и в качестве подстроечного элемента (шлейфа), известно. В известных технических решениях шлейф соединяет центральный проводник устройства с корпусом устройства через непосредственный гальванический контакт (А.Л. Драбкин и др. Антенно-фидерные устройства, издание 2-е, доп. И переработ., М., «Сов. Радио», 1974 г., стр. 462-465). Отличием предложенного технического решения от известных является то, что дополнительная СВЧ линия соединяет радиатор активного сопротивления с корпусом сумматора. В конструкции сопротивления радиатор гальванически не соединен с выводами сопротивления и через них с центральными проводниками сумматора. Следовательно, в предложенном техническом решении отсутствует непосредственная гальваническая связь между центральными проводниками линий передачи, соединяющие между собой входы и выход сумматора.
Кроме того, в предложенном техническом решении дополнительная СВЧ линия служит не только для улучшения электрических параметров, но и для отвода тепла.
Таким образом, аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественными всем признакам заявленного устройства, отсутствуют. Следовательно, заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности «новизна».
Заявляемое техническое решение, не следуют явным образом из уровня техники. Не выявлена также известность существенных признаков из заявляемого технического решения, влияющих на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует условию 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 чертеже и в тексте приняты следующие обозначения:
1 - выход сумматора;
2 - вход сумматора;
3 - вход сумматора;
4 -активное сопротивление;
5 - радиатор активного сопротивления;
6 - резистивный слой активного сопротивления;
7 - дополнительная СВЧ линия передачи, соединяющая радиатор активного сопротивления с внешним радиатором, имеющим непосредственный контакт с корпусом устройства;
8 - корпус сумматора (внешний радиатор);
9, 10 - отрезки дополнительной СВЧ линии передачи.
Сумматор СВЧ сигналов содержит симметричный тройник, выход 1 и два входа 2, 3, расположенные по разные стороны от выхода 1, активное сопротивление 4, состоящее из радиатора активного сопротивления 5 с установленным на нем резистивным слоем 6, включенное между выходами 2, 3, дополнительную СВЧ линию 7, соединяющую радиатор активного сопротивления 5 с корпусом сумматора (внешним радиатором) 8, который обычно является внешним радиатором для активного сопротивления 4 (радиатора активного сопротивления 5 с установленным на нем резистивным слоем 6). Дополнительная СВЧ линия передачи 7 выполнена из материала, обладающего высокой теплопроводностью (например, из меди).
Дополнительная СВЧ линия передачи 7, соединяющая радиатор активного сопротивления 5 с корпусом сумматора 8 состоит, по крайней мере, из двух отрезков 9,10, имеющих разное волновое сопротивление.
Сумматор (делитель) СВЧ сигналов работает следующим образом.
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, 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 СВЧ линии, соединяющие входы 2, 3 с выходом 1, но и через активное сопротивление 4 (через резистивный слой активного сопротивления 6). Таким образом, на каждом из выходов 3, 2 складываются сигналы 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 4. Равенство (по мощности и по фазе), а, следовательно, полная компенсация отраженных сигналов, приходящих на выходы 3, 2 может достигаться подстроечными элементами, аналогичными подстроенным элементам прототипа (на Фиг. 1 не показаны).
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), компенсирование паразитных реактивностей сопротивления 4 может осуществляться подстроечными элементами, аналогичными элементам используемых в сумматоре, взятом за прототип (Делитель СВЧ сигналов, патент на полезную модель №113421 кл. МПК Н01Р 5/16, опубл. 10.02.2012) (на фиг. 1 не показаны).
Сумматор (делитель) СВЧ сигналов может быть как одноступенчатым, так и многоступенчатым (Основы проектирования СВЧ интегральных схем В.Б. Кирильчук, Д.В. Лихачевский, ч. 2, Минск БГУИО, 2012, с. 232, 235).
Тепло, выделяющиеся в резистивном слое активного сопротивления 6 отводится через радиатор активного сопротивления 5 по дополнительной СВЧ линии 7 на корпус сумматора (внешний радиатор) 8.
Введение дополнительной линии 7, не имеющей контакта с корпусом в месте установки резистора, соединяющей радиатор активного сопротивления с корпусом сумматора (корпусом радиатора) 8, за счет выполнения ее из материала с хорошей теплопроводностью, позволяет эффективно отводить тепло от сопротивления 4, обеспечивая высокую рабочую мощность. В тоже время, осуществление электрического контакта радиатора 5 активного сопротивления 4 с корпусом сумматора 8 через дополнительную СВЧ линия передачи 7 позволяет обеспечить хорошее согласование и малые потери, что было бы невозможным при установке (осуществление электрического контакта) активного сопротивления 5 непосредственно на корпус сумматора 8.
Использование подстроечных элементов, присоединенных одним концом к центральному проводнику СВЧ линий сумматора, а другим - к корпусу устройства приводит к увеличению потерь сигнала, ухудшению согласования в полосе рабочих частот (А.П. Дорохов Расчет и конструирование антенно-фидерных устройств, издательство Харьковского Государственного Университета, г. Харьков, 1960 г., стр. 319-322). Использование дополнительной СВЧ линия 7 в качестве подстроечного элемента позволяет обойтись без подстроечных элементов аналогичным подстроенным элементам, используемых в сумматоре, взятом за прототип (Делитель СВЧ сигналов, патент на полезную модель №113421 кл. МПК Н01Р 5/16, опубл. 10.02.2012), что упрощает конструкцию, увеличивает полосу рабочих частот, т.е. уменьшает потери сигнала, улучшает согласование при сохранении большого уровня рабочей мощности в широкой полосе рабочих частот.
Выполнение дополнительной линии 7 в виде двух или более отрезков, имеющих разное волновое сопротивление, позволяет, увеличить развязку между входами при сохранении большого уровня рабочей мощности, малых потерь сигнала.
Расчеты показывают, что использование предложенного технического решения позволит увеличить уровень рабочей мощности по сравнению с делителем СВЧ сигналов, выбранным в качестве прототипа (Патент на полезную модель №113421 кл. МПК Н01Р 5/16, опубл. 10.02.2012) при условии, что радиатор активного сопротивления в прототипе не соединен с корпусом, не менее чем в 10 раз при сохранении хорошего согласования и малых потерь СВЧ сигнала.
На дату подачи заявки был создан двухступенчатый СВЧ сумматор (делитель) дециметрового диапазона волн с использованием сопротивления типа Р1-2-100 Ом, дополнительные подстроенные элементы не применялись. Роль подстроечных элементов выполняла дополнительная линия, состоящая из 3-х отрезков с разными волновыми сопротивлениями. Параметры дополнительной СВЧ линии (отрезков) определяется диапазоном частот, параметрами активного сопротивления, параметрами линий передачи сумматора и т.п. Экспериментально установлено, что длина дополнительной СВЧ линии, состоящей из 3-х отрезков меньше, чем длина дополнительной СВЧ линии, состоящей из 1-ого отрезка. Это приводит к добавочному повышению рабочей мощности за счет более эффективного отвода тепла от сопротивления из-за снижения теплового сопротивления дополнительной СВЧ линии.
Проведенные сравнительные испытания показали, что делитель имеет хорошее согласование (КСВ менее 1,7). Потери по сравнению с СВЧ сумматором (делителем), выполненным по схеме прототипа, уменьшены на 4 дБ.
При использовании дополнительной линии в виде трех отрезков, имеющих разное волновое сопротивление, происходит увеличение развязки между входами на 5 дБ.
Использование предложенного технического решения позволит увеличить уровень рабочей мощности, увеличить развязку между входами при сохранении хорошего согласования и малых потерь.