Устройство сложения мощностей двух генераторов электрических колебаний

Предлагаемое устройство относится к радиотехнике и может быть использовано в радиосвязи, в частности, в мощных широкополосных транзисторных радиопередающих устройствах КВ диапазона.
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 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 на ферритовые сердечники.
Большой простотой 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 первого отрезка коаксиального кабеля 1 соединен с концом внутреннего проводника 4.1 четвертого отрезка коаксиального кабеля 4 и одним выводом балластного резистора R2, другой вывод которого соединен с концами внутренних проводников 2.1 и 3.1 второго 2 и третьего 3 отрезков коаксиального кабеля. Начало оплетки 3.1 третьего отрезка коаксиального кабеля 3 соединено со вторым генераторным входом сумматора Вх. 2, а начало внутреннего проводника 2.1 второго отрезка коаксиального кабеля 2 соединено с выходом сумматора Вых. и с началом внутреннего проводника 4.1 четвертого отрезка коаксиального кабеля 4.
Кроме того, один вывод балластного резистора R1 соединен с концом оплетки 3.2 третьего отрезка коаксиального кабеля 3, соединенным с концом оплетки 4.2 четвертого отрезка коаксиального кабеля 4, причем начало оплетки 3.2 третьего отрезка коаксиального кабеля 3 и начало оплетки 4.2 четвертого отрезка коаксиального кабеля 4 соединены с общим («земляным») проводником. Другой вывод балластного резистора R1 соединен с концом оплетки 1.2 первого отрезка коаксиального кабеля 1, соединенным с концом оплетки 2.2 второго отрезка коаксиального кабеля 2, причем начало оплетки 1.2 первого отрезка коаксиального кабеля 1 и начало оплетки 2.2 второго отрезка коаксиального кабеля 2 соединены с общим («земляным») проводником.
Работает устройство-прототип следующим образом.
В согласованном режиме равно амплитудные и синфазные сигналы генераторов поступают на первый и второй генераторные входы сумматора Вх. 1 и Вх. 2 и распространяются соответственно по четырем 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 большое количество моточных узлов, выполненных из отрезков коаксиального кабеля, расположенных на отдельных ферритовых сердечниках.
Задача предлагаемого технического решения – сокращение количества моточных узлов в устройстве, выполненных из отрезков коаксиального кабеля, расположенных на отдельных ферритовых сердечниках, что упрощает устройство и повышает технологичность его изготовления.
Для решения поставленной задачи в устройстве сложения мощностей двух генераторов электрических колебаний, содержащем два одинаковых по длине отрезка коаксиального кабеля, расположенных на отдельных ферритовых сердечниках, и два балластных резистора, при этом начало внутреннего проводника первого отрезка коаксиального кабеля соединено с первым генераторным входом сумматора, конец внутреннего проводника первого отрезка коаксиального кабеля соединен со вторым выводом второго резистора, первый вывод которого соединен с концом внутреннего проводника второго отрезка коаксиального кабеля, начало которого подсоединено к выходу сумматора; первый вывод первого балластного резистора соединен с концом оплетки первого отрезка коаксиального кабеля и с концом оплетки второго отрезка коаксиального кабеля, причем начало оплетки первого отрезка коаксиального кабеля и начало оплетки второго отрезка коаксиального кабеля соединены с общим проводником, согласно полезной модели, второй вывод первого балластного резистора соединен с общим проводником, второй вывод второго балластного резистора подсоединен к выходу устройства, кроме того, конец внутреннего проводника второго отрезка коаксиального кабеля соединен со вторым генераторным входом сумматора.
На фиг. 2 представлена схема предлагаемого устройства, где обозначено:
1, 2 – первый и второй 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;
R1, R2 – первый и второй балластные резисторы;
н, к – начало и конец внутреннего проводника и оплетки отрезка коаксиального кабеля.
Предлагаемое устройство (сумматор) содержит два одинаковых по длине отрезка коаксиального кабеля 1 и 2, расположенных на отдельных ферритовых сердечниках, и два балластных резистора R1 и R2. Начало внутреннего проводника 1.1 первого отрезка коаксиального кабеля 1 соединено с первым генераторным входом сумматора Вх. 1, конец внутреннего проводника 1.1 первого отрезка коаксиального кабеля 1 соединен с выходом сумматора Вых., началом внутреннего проводника 2.1 второго отрезка коаксиального кабеля 2 и вторым выводом второго балластного резистора R2, первый вывод которого соединен со вторым генераторным входом сумматора Вх. 2 и с концом внутреннего проводника 2.1 второго отрезка коаксиального кабеля 2. Первый вывод первого балластного резистора R1 соединен с концом оплетки 1.2 первого отрезка коаксиального кабеля 1 и с концом оплетки 2.2 второго отрезка коаксиального кабеля 2, причем начало оплетки 1.2 первого отрезка коаксиального кабеля 1 и начало оплетки 2.1 второго отрезка коаксиального кабеля 2 соединены с общим («земляным») проводником. Второй вывод первого балластного резистора R1 соединен с общим («земляным») проводником,
Работает предлагаемое устройство следующим образом.
В согласованном режиме равно амплитудные и синфазные сигналы генераторов поступают на первый Вх. 1 и второй Вх. 2 генераторные входы сумматора и распространяются соответственно по первому 1 и второму 2 отрезкам коаксиальных кабелей и к выходу сумматора, суммируются в нагрузке сумматора без отражений, если сопротивление нагрузки сумматора равно волновому сопротивлению каждого из отрезков коаксиальных кабелей 1 и 2, 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.
КСВ входов сумматора σ и степень их развязки ξ являются важнейшими характеристиками мостового устройства. 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. Сиверс, 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.]. Эти величины, определяющие в предлагаемом устройстве диапазонные свойства, зависят от величины фазового набега в отрезках коаксиального кабеля. Так, например, при длине указанных отрезков в предлагаемом устройстве 680 мм величина развязки ξ составляет 21дБ (фиг. 3), а КСВ входов сумматора σ не превышает 1,2 (фиг. 4), что позволяет рекомендовать использование такого устройства в усилителях мощности транзисторных радиопередающих устройствах КВ диапазона.
Таким образом, за счет исключения двух трансформаторов и изменения схемы включения балластных резисторов сокращается количество моточных узлов, что приводит к упрощению устройства и повышению технологичности его изготовления.