СИММЕТРИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
BALANCING DEVICE

Изобретение относится к области радиоэлектроники, а именно к устройствам СВЧ, и может быть использовано в радиотехнических устройствах, телевидении, системах связи в составе двухтактных усилителей мощности, балансных смесителей, антенных систем и др.
Известно симметрирующее устройство (см. N. Marchand "Transmission-Line Conversion Transformers," Electronics, Vol. 17, pp. 142-146, Dec. 1944). Данное симметрирующее устройство содержит два отрезка связанных четвертьволновых линий передачи и широко применяется в дециметровом и в нижней части сантиметрового диапазона частот.
Недостатком данного симметрирующего устройства являются большие габариты (общая длина симметрирующего устройства составляет половину длины волны) особенно в нижней части дециметрового диапазона.
oo
oe
Также известно симметрирующее устройство (см. НО C.Y. "New Analysis Techniques Builds Better Baluns" // Microwaves & RF, 1985. - P. 99-102.), являющееся прототипом предлагаемого изобретения. Оно содержит: один отрезок связанных линий передачи равной ширины и длиной в четверть длины волны. Порт 1 является входом устройства, на который подают напряжение, порт 2 закорочен на землю, а порт 3 и 4 - порты, к которым подключается нагрузка. Связанные линии одинаковой длины и ширины имеют следующие параметры: y - проводимость нечетного типа возбуждения, y - проводимость четного типа возбуждения, θ - электрическая длина линии, θ=90°.
В общем случае данное устройство не обеспечивает одинаковую амплитуду сигналов на выходах 3 и 4 и разность фаз между ними в 180°, что требуется для нормальной работы симметрирующего устройства. Это следует из того, что элементы полной проводимости в прямом направлении  и  y - матрицы, которая для данного устройства имеет вид:
oo
oe
oo
oe
oo
oe
где Σ=y+y, р=y-y, S=j·tgθ, S′=j·sinθ, θ - электрическая длина, y и y - волновые проводимости нечетного и четного видов возбуждения соответственно, не равны между собой.
21
31
В результате анализа математической модели, приведенной выше, видно, что коэффициенты прямой передачи сигнала в плечи не равны, y≠y, также устройство-прототип не обеспечивает разность фаз выходных сигналов в 180 градусов. Таким образом, недостатком прототипа является неидентичность коэффициентов прямой передачи сигнала на выходы без сохранения разности фаз между выходными сигналами в 180 градусов.
Задачей (технический результат) предлагаемого изобретения является получение следующих рабочих характеристик: идентичность коэффициентов прямой передачи сигнала на выходы с разностью фаз между ними в 180 градусов во всей полосе рабочих частот.
Поставленная задача достигается тем, что в известном симметрирующем устройстве, которое содержит отрезок связанных линий передачи, один из концов которых соединен с общим корпусом, указанный отрезок связанных линий передачи выполнен из четвертьволновых линий разной ширины с подключенными параллельно к входному зажиму и выходному зажиму, гальванически связанных с входным зажимом, дополнительных короткозамкнутых четвертьволновых шлейфов.
1
2
1
1
2
2
1
1
2
2
2
2
2
2
2
2
1
1
1
1
На Фиг. 1 представлено предлагаемое симметрирующее устройство, на Фиг. 2 известное симметрирующее устройство Маршанда, на Фиг. 3 приведен прототип предлагаемого симметрирующего устройства. На Фиг. 4 приведены частотные характеристики модулей коэффициентов отражения по входу устройства-прототипа ρ(f′) и предлагаемого устройства ρ(f′), на Фиг. 5 - модули коэффициентов передачи сигнала по напряжению со входа в выходные плечи 3 и 4 устройства - прототипа t2(f′) и t3(f′) и предлагаемого устройства t2(f′) и t3(f′), на Фиг. 6 - разность фаз устройства - прототипа h2(f′)-h3(f′) и предлагаемого устройства h2(f′)-h3(f′), на Фиг. 7 приведены частотные характеристики модулей коэффициентов отражения по входу, на Фиг. 8 - модулей коэффициентов передачи сигнала по напряжению с входа 1 в выходные плечи 3 и 4, на Фиг. 9 - разность фаз выходных сигналов, сплошная кривая ρ(f′) - модуль коэффициента отражения по входу, кривые t2(f′) и t3(f′) - модули коэффициентов передачи по напряжению, кривая h2(f′)-h3(f′) - разность фаз выходных сигналов) и устройства с одним шлейфом (пунктирные кривая ρ(f′) - модуль коэффициента отражения по входу, кривые t2(f′) и t3(f′) - модули коэффициентов передачи по напряжению, кривая h2(f′)-h3(f′) - разность фаз выходных сигналов.
ш1
ш2
В предлагаемом симметрирующем устройстве используется отрезок связанных линий передачи разной ширины, где параллельно входу и одному из выходов подключены дополнительные четвертьволновые короткозамкнутые шлейфы Ш1 и Ш2, волновые проводимости которых равны соответственно y и y. Матрица данного устройства имеет следующий вид:
где , , , , S=j·sinθ, S′=j·tgθ, θ - электрическая длина.
На Фиг. 4, 5, 6 приведены рабочие характеристики предлагаемого симметрирующего устройства с дополнительными четвертьволновыми короткозамкнутыми шлейфами и прототипа при отсутствии шлейфов в зависимости от нормированной частоты f′.
а
b
b
Предлагаемое симметрирующее устройство (Фиг. 1) содержит две связанные линии передачи разной ширины  и . К входу 1 и к выходу 3 симметрирующего устройства подключены дополнительные короткозамкнутые шлейфы, конец второй линии  закорочен на общий корпус.
Отметим, что под соединением с общим корпусом в предлагаемом устройстве понимается общая шина с нулевым потенциалом.
Как видно из рассмотрения структуры, показанной на Фиг. 1, симметрирующее устройство представляет собой отрезок связанных линий передачи разной ширины, к выходным зажимам 3 и 4 которых должны подключаться одинаковые активные нагрузки.
вх
вх
а
b
Как известно, четвертьволновый отрезок связанных линий обладает свойствами трансформировать подключаемые к выходным зажимам 3 и 4 нагрузки в нужную величину входного активного сопротивления R на входе 1 симметрирующего устройства, то есть обеспечивать заданный коэффициент трансформации. При этом чтобы получить идентичную передачу сигнала на выходы 3 и 4, необходимо обеспечить одинаковый вклад в величину входного активного сопротивления R от трансформации нагрузок, подключаемых к выходным зажимам 3 и 4. В предлагаемом устройстве это достигается использованием отрезка связанных линий передачи разной ширины  и  при выполнении условия .
b
Однако на других частотах идентичность передачи сигнала на выходы 3 и 4 нарушается. Это связано с тем, что конец 2 линии  соединен с общим корпусом, что эквивалентно шунтированию нагрузки, подключаемой к выходному зажиму 4, закороченным четвертьволновым шлейфом. В предложенном симметрирующем устройстве полная идентичность передачи сигнала на выходы 3 и 4 на всех частотах обеспечивается подключением к выходному зажиму 3 дополнительного короткозамкнутого четвертьволнового шлейфа Ш2 с волновой проводимостью .
b
ш1
В данном устройстве к выходному зажиму 3 подключен дополнительный короткозамкнутый четвертьволновый шлейф Ш2 и подключенный к выходному зажиму 4 четвертьволновый отрезок линии передачи , соединенный с общим корпусом, ухудшают полосовые свойства устройства, что компенсируется подключением к входному зажиму 1 дополнительного короткозамкнутого четвертьволнового шлейфа Ш1 с волновой проводимостью y и небольшой коррекцией волновых проводимостей связанных линий передачи при нечетном возбуждении  и .
Таким образом, в предложенном симметрирующем устройстве использование отрезка связанных линий разной ширины с подключенными к входному 1 и к выходному 3 зажимам дополнительных короткозамкнутых четвертьволновых шлейфов улучшает полосовые свойства и обеспечивает полную идентичность передачи сигнала на выходы с разностью фаз между ними в 180 градусов во всей полосе рабочих частот.
г
н1
н2
Количественное доказательство того, что в предложенном симметрирующем устройстве обеспечивается улучшение полосовых свойств и обеспечивается полная идентичность передачи сигнала на выходы с разностью фаз между ними в 180 градусов во всей полосе рабочих частот, проведем с помощью компьютерного моделирования в частотной области для следующих исходных данных: R=50 Ом, R=R=50 Ом (на графиках приведена нормированная частота f′).
Для этого примера в соответствии с результатами, приведенными в НО C.Y. "New Analysis Techniques Builds Better Baluns" // Microwaves & RF, 1985. - P. 99-102, и по соотношениям, указанным в формуле изобретения, были определены значения элементов предлагаемого симметрирующего устройства, показанного на Фиг. 1:
ш1
ш2
y=1/35.35 См, y=1/500 См.
2
2
2
2
2
1
1
1
1
Результаты компьютерного моделирования АЧХ предлагаемого симметрирующего устройства при подключенном одном дополнительном четвертьволновом короткозамкнутом шлейфе Ш2 к выходному зажиму 3 (сплошная кривая ρ(f′) - модуль коэффициента отражения по входу, кривые t2(f′) и t3(f′) - модули коэффициентов передачи по напряжению, кривая h2(f′)-h3(f′) - разность фаз выходных сигналов) и прототипа (пунктирные кривая K1(f′) модуль коэффициента отражения по входу, кривые t2(f′) и t3(f′) - модули коэффициентов передачи по напряжению, кривая h2(f′)-h3(f′) - разность фаз выходных сигналов) приведены на Фиг. 7, 8, 9. Как видно из рассмотрения графиков Фиг. 8, 9, прототип в полосе пропускания имеет недопустимо большую неидентичность амплитуд сигналов на выходах с разностью фаз между ними, отличающейся от 180 градусов. Подключение дополнительного четвертьволнового короткозамкнутого шлейфа Ш2, волновая проводимость которого выбрана по соотношению, приведенному в формуле изобретения, обеспечивает полную идентичность рабочих характеристик в полосе пропускания с разностью фаз между ними 180 градусов.
Влияние второго подключенного дополнительного четвертьволнового короткозамкнутого шлейфа Ш1 к входному зажиму 1 на рабочие характеристики показано на графиках Фиг. 10, 11, 12, полученных также с помощью компьютерного моделирования для приведенных выше параметров предлагаемого симметрирующего устройства. Как видно из рассмотрения этих графиков в сравнении с Фиг. 7, 8, 9, подключение к входному зажиму 1 шлейфа Ш1 обеспечивает существенное улучшение полосовых свойств.
Следует отметить также, что использование отрезка связанных линий разной ширины с подключенными к входному 1 и к выходному 3 зажимам дополнительных короткозамкнутых четвертьволновых шлейфов позволяет обеспечить полную идентичность передачи сигнала на выходы с разностью фаз между ними в 180 градусов во всей полосе рабочих частот при любом значении , что снимает ограничения, накладываемые на  прототипом, и улучшает конструктивную реализацию симметрирующего устройства.
Это было достигнуто путем использования отрезка связанных линий передачи разной ширины с подключенными параллельно к входному зажиму и выходному зажиму, гальванически связанных со входным зажимом, двух дополнительных короткозамкнутых четвертьволновых шлейфов к симметрирующему устройству-прототипу, которое содержит отрезок связанных линий передачи, один из концов которых соединен с общим корпусом, второй конец закорочен на землю, а два оставшихся выходят к нагрузке.