СУММАТОР СВЧ СИГНАЛОВ
MICROWAVE SIGNAL ADDER

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, в телевидении, в измерительной технике.
При разработке устройств СВЧ возникает задача создания устройства сложения (деления) СВЧ сигналов с малыми потерями и хорошим согласованием. При сложении СВЧ сигналов необходимо, чтобы согласование любого из входов сумматора не зависело от согласования других входов сумматора. Это позволяет осуществлять сложение сигналов, например сложение СВЧ сигналов от нескольких передающих устройств, при выходе части передающих устройств из строя. При делении СВЧ сигналов необходимо, чтобы при отсутствии согласования одного из выходов не ухудшалось согласование со стороны входа делителя.
Так, в отдаленном аналоге заявляемого изобретения сложение (деление) СВЧ сигнала можно осуществлять с помощью кольцевого моста (Проектирование линзовых, сканирующих, широкодиапазонных антенн и фидерных устройств. Жук М.С., 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, соединенный с согласованной балластной нагрузкой.
При присоединении к двум входам передающих устройств СВЧ сигналы от них складываются, и выход из строя одного из передающих устройств не сказывается на работе второго. Однако это устройство имеет следующие недостатки:
- указанное устройство имеет большие габариты. Полная длина средней линии кольца равна 1,5λ (Проектирование линзовых, сканирующих, широкодиапазонных антенн и фидерных устройств, Жук М.С., Молочков Ю.Б. М., «Энергия», 1973);
- при рассогласовании одного из входов (выходе из строя одного из передающих устройств) увеличиваются потери СВЧ сигнала (половина мощности СВЧ сигнала, приходящего от исправного передающего устройства, рассеивается в согласованной балластной нагрузке), что уменьшает КПД устройства (уменьшается полезная мощность, поступающая в фидерный тракт) и, кроме того, вызывает дополнительный нагрев аппаратуры;
- в случае использования данного устройства в качестве делителя при ухудшении согласования одного из выходов, например, в случае неисправности одного из устройств, подключенных к этому выходу делителя, происходит значительное ухудшение согласования со стороны входа делителя.
Более близким аналогом, выбранным в качестве прототипа в связи с сходством выполняемой технической задачи, является сумматор (делитель) (Проектирование и расчет СВЧ элементов на полосковых линиях, Малорадский Л.Г., Явич Л.Р. М., «Советское Радио», 1972), состоящий из симметричного тройника, имеющий выход, 2 входа, расположенные по разные стороны от выхода на расстоянии, равном четверти длины волны от узла разветвления тройника, и активное сопротивление, одним концом подключенное к первому входу, вторым - ко второму. Сумматор обеспечивает развязку между входными плечами, хорошее согласование, меньшие потери и значительно меньшие габариты, так как полная длина средней линии равна 0,5λ. Однако и это устройство имеет следующие недостатки:
- при рассогласовании одного из входов (выходе из строя одного из передающих устройств) увеличиваются потери СВЧ сигнала (половина мощности СВЧ сигнала, приходящего от исправного передающего устройства, рассеивается в согласованной балластной нагрузке), что уменьшает КПД устройства (уменьшается полезная мощность, поступающую в фидерный тракт) и, кроме того, вызывает дополнительный нагрев аппаратуры;
- в случае использования данного устройства в качестве делителя при ухудшении согласования одного из выходов, например, в случае неисправности одного из устройств, подключенных к этому выходу делителя, происходит значительное ухудшение согласования со стороны входа делителя.
Технический результат предлагаемого изобретения - уменьшение потерь СВЧ сигнала, приходящего от одного входа к выходу при отсутствии согласования второго входа и сохранение хорошего согласования со стороны выхода при отсутствии согласования на одном из входов.
Указанный технический результат достигается тем, что в сумматоре СВЧ сигналов, содержащем симметричный тройник, имеющий выходное плечо и два входных четвертьволновых плеча, расположенные по разные стороны от выходного плеча, параллельно установлены коммутирующие диоды, включенные на расстоянии, равном четверти длины волны от узла разветвления тройника, а выходное плечо выполнено в виде четвертьволнового отрезка связанной линии, у которого на обоих концах вторичной линии параллельно подключены дополнительно коммутирующие диоды.
На фиг.1 показана схема предлагаемого сумматора.
Сумматор СВЧ сигналов содержит симметричный тройник, имеющий выходное плечо 1, два входных четвертьволновых плеча 2, 3, расположенные по разные стороны от выходного плеча 1, и коммутирующие диоды 4 и 5, включенные на расстоянии, равном четверти длины волны от узла разветвления тройника 6, причем выходное плечо 1 выполнено в виде четвертьволнового отрезка связанной линии, у которого на обоих концах вторичной линии 7 дополнительно параллельно подключены коммутирующие диоды 8, 9. Разделительные конденсаторы 10 служат для развязки СВЧ сигналов и смещающих напряжений.
Сумматор работает следующим образом.
0.5
Рассмотрим случай, когда к входам 2, 3 подключены одинаковые передающие устройства, работающие синфазно и на одной частоте, т.е. сумматор обеспечивает сложение СВЧ сигналов. В этом случае диоды 4, 5 закрыты (подано напряжение обратного смещения), диоды 9, 10 открыты (подан ток прямого смещения). Закрытые диоды 4, 5 представляют собой емкости малой величины и не оказывают влияние на проходящий по линиям СВЧ сигнал. Открытые диоды 9, 10 представляют собой резисторы с малым сопротивлением, в результате чего вторичная линия 8 оказывается соединенной с корпусом сумматора. Волновые сопротивления входных плеч 2, 3 и выходного плеча 1, при закрытых диодах 4, 5, и вторичной линией 8, соединенной с корпусом через открытые диоды 9, 10, подобраны таким образом, что устройство работает как обычный кольцевой сумматор (делитель), т.е. волновое сопротивление выходного плеча 1 равно волновому сопротивлению последующей части фидерного тракта, а волновое сопротивление входных плеч 2 и 3 меньше и составляет, например, для равновесного делителя на два Z1=Z0/(2), где Z1 - волновое сопротивление входного плеча 2 (3), Z0 - волновое сопротивление выходного плеча 1. (Устройства СВЧ. Д.М.Сазонов, А.Н.Гридин. Б.А.Мишустин. М., «Высшая школа», 1981 г.).
Рассмотрим случай рассогласования одного из входов (выхода из строя одного из передающего устройства). Пусть, для определенности, вход 2 рассогласован, при этом значения амплитуды и фазы отраженного сигнала могут принимать на входе 2 любые значения. В этом случае диод 4 открыт (подан ток прямого смещения) диоды 5, 9, 10 закрыты (подано напряжение обратного смещения). Открытый диод 4, отстоящий от узла разветвления тройника 6, на расстояние, равном четверти длины волны, отключает рассогласованный вход 2. Закрытый диод 5 не оказывает влияние на проходящий по линиям СВЧ сигнал. Диоды 9, 10 также закрыты, вторичная линия 8 не соединена с корпусом устройства, в результате волновое сопротивление выходного четвертьволнового плеча 1 становится меньше, чем при открытых диодах 9, 10. Волновое сопротивление выходного четвертьволнового плеча 1 подобрано таким образом, что оказывается равным волновому сопротивлению четвертьволнового входного плеча 3. Общая длина линий от входа 3 до выхода 1 составляет половину длины волны, это приводит к тому, что вход 3 согласован с выходом 1 (Основы радиотехники и радиолокации. A.M.Калашников, Я.В. Степук, книга 1, М., Военное издательство Министерства Обороны Союза ССР, 1959, с.162), и, следовательно, СВЧ сигнал с малыми потерями с входа 3 поступает на выход 1.
При использовании предлагаемого устройства в качестве делителя происходит следующее.
В случае согласованных плеч 2, 3, диоды 4, 5 закрыты (подано напряжение обратного смещения), диоды 9, 10 открыты (подан ток прямого смещения). Закрытые диоды 4, 5 не оказывают влияние на проходящий по линиям СВЧ сигнал. Открытые диоды 9, 10 соединяют вторичную линию 8 с корпусом делителя, в результате чего волновое сопротивление плеча 1 равно волновому сопротивлению последующей части фидерного тракта, и устройство работает как обычный делитель;
В случае рассогласования одного из плеч, например, плечо 2 рассогласовано, диод 4 открыт (подан ток прямого смещения) диоды 5, 9, 10 закрыты (подано напряжение обратного смещения). Открытый диод 4, отстоящий от узла разветвления тройника 6 на расстоянии, равном четверти длины волны, отключает рассогласованный вход 2, закрытый диод 5 не оказывает влияние на проходящий по линиям СВЧ сигнал, а закрытые диоды 9, 10 отключают вторичную линию 8 от корпуса, тем самым уменьшая величину волнового сопротивления плеча 1 до величины волнового сопротивления плеча 3, что позволяет обеспечить хорошее согласование со стороны плеча 1 при отсутствии согласования на одном из плеч, в данном случае 2-ом.
Таким образом, выполнения выходного плеча 1 в виде четвертьволновой связанной линии с коммутирующими диодами 9, 10 на концах вторичной линии 8, позволяющими изменять волновое сопротивление плеча 1, и установка коммутирующих диодов 4, 5 на расстоянии, равном четверти длины волны от узла разветвления тройника 6, позволяет, при использовании предлагаемого устройства в качестве сумматора СВЧ сигналов, обеспечить уменьшение потерь СВЧ сигнала, приходящего от одного входа (3) к выходу 1 при отсутствии согласования второго входа (2), а при использовании предлагаемого устройства в качестве делителя позволяет сохранить хорошее согласование со стороны выхода 1 при отсутствии согласования на одном из входов.