УСТРОЙСТВО СУММИРОВАНИЯ МОЩНОСТИ СВЧ (ВАРИАНТЫ)
MICROWAVE POWER SUMMATION DEVICE (VERSIONS)

Изобретение относится к радиотехнике СВЧ и может быть использовано в радиопередающих устройствах радиотехнических систем дециметрового и сантиметрового диапазонов длин волн.
Известно устройство сложения мощности СВЧ, содержащее пятиканальные делитель и сумматор, направленные ответвители и усилители, включенные между выходами делителя и входами сумматора (а.с. СССР №1607074, кл. H03F 3/60).
Известно также разделительно-суммирующее устройство СВЧ, содержащее N-канальный делитель, N-канальный сумматор, N усилителей, включенных между выходами делителя и входами сумматора, (N-1) двухшлейфных направленных ответвителей (патент РФ №2224241, кл. H03F 3/60).
Известен усилитель СВЧ, который содержит N-канальный делитель, N-канальный сумматор и N усилителей, включенных между выходами делителя и входами сумматора (патент РФ №2273932, кл. H03F 3/60). В данном устройстве наряду с увеличением выходной мощности путем сложения выходных мощностей N усилителей, усиление мощности также производится за счет неоднократной передачи сигнала через усилители мощности.
Однако данные устройства не обеспечивают суммирование мощности большого числа усилителей, имеют низкий КПД, обусловленный разбросом параметров как делителей, так и самих усилителей.
Наиболее близким аналогом заявляемого устройства является многокаскадное устройство суммирования мощности СВЧ усилителей (патент РФ №2439157, кл. H03F 3/189, 3/60), в котором выходной каскад усиления содержит K-канальные (например, 4-канальные) делитель и сумматор, K M-канальных (например, 32-канальные) делителей и сумматоров, N усилителей, включенных между выходами M-канальных делителей и входами M-канальных сумматоров, где N=KЧM, причем M-канальные делители и сумматоры попарно объединены в блоки делитель-сумматор, и выходы M-канальных делителей и входы M-канальных сумматоров ориентированы в одну сторону.
Выходной каскад данного устройства выполнен по параллельной схеме с использованием мостовых устройств, выполненных в виде 3-дБ направленных ответвителей на связанных полосках. Данное устройство позволяет повысить КПД, производить частотную коррекцию уровня суммарной мощности, уменьшить массогабаритные характеристики, повысить надежность работы.
Однако данное устройство не обеспечивает регулирование выходной мощности, а применение параллельной схемы увеличивает габариты устройства.
Задачей изобретения является создание устройства суммирования мощности СВЧ (выходного каскада) в составе передающего устройства в сантиметровом и дециметровом диапазонах длин волн с возможностью регулирования деления мощности, регулирования коэффициентов связи, повышения КПД устройства, уменьшения массогабаритных характеристик.
Техническим результатом при реализации изобретения является повышение КПД устройства за счет возможности регулирования деления мощности и регулирования коэффициентов связи, уменьшения массогабаритных характеристик.
Влияние на достижение указанных технических результатов оказывают следующие существенные признаки.
F
Устройство суммирования мощности СВЧ содержит K-канальные делитель и сумматор, K M-канальных делителей и сумматоров и N усилителей, где N=K×М. Каждый выход K-канального делителя соединен с входом одного из M-канальных делителей, каждый выход M-канальных делителей соединен с входом одного из N усилителей, выход каждого усилителя соединен с одним из входов M-канальных сумматоров, выход каждого M-канального сумматора соединен с одним из входов K-канального сумматора. M-канальные делители и сумматоры попарно объединены в блоки делитель-сумматор. Выходы M-канальных делителей и входы M-канальных сумматоров ориентированы в одну сторону и выполнены в виде коаксиальных разъемов с пружинными контактами по внутреннему и внешнему проводникам. При этом в дециметровом диапазоне длин волн в устройстве суммирования мощности СВЧ K- и M-канальные делители и сумматоры выполнены в виде последовательно установленных полосковых направленных ответвителей с возможностью регулирования коэффициентов связи. Каждый делитель и сумматор выполнен в виде трубы прямоугольного сечения и содержит общий проводник, полосковые проводники, первый коаксиальный разъем, K или M вторых коаксиальных разъемов, полосковые нагрузки и механизмы регулирования. Каждый механизм регулирования содержит диэлектрический стержень. Общий проводник и полосковые проводники размещены в трубе, первый коаксиальный разъем размещен на одном торце трубы, второй торец трубы при этом заглушен. Вторые коаксиальные разъемы и полосковые нагрузки размещены снаружи на одной узкой стенке трубы, а механизмы регулирования размещены снаружи на другой узкой стенке трубы. Общий проводник одним концом соединен с центральным проводником первого коаксиального разъема, а другим концом соединен с центральным проводником второго коаксиального разъема, наиболее удаленного от первого коаксиального разъема. Один конец каждого полоскового проводника соединен с центральным проводником соответствующего второго коаксиального разъема, другой конец соединен с соответствующей полосковой нагрузкой. Диэлектрические стержни соединены с общим проводником через отверстия, выполненные в другой узкой стенке трубы, и имеют возможность перемещения для изменения зазоров между общим проводником и полосковыми проводниками. В сантиметровом диапазоне длин волн в устройстве суммирования мощности СВЧ K-канальные делитель и сумматор выполнены F-ступенчатыми с использованием 2-1 регулируемых двойных волноводно-коаксиальных E-тройников. Каждый E-тройник содержит поворотную пластину, ось, коаксиальный разъем и коаксиальную нагрузку. В общей стенке E-тройника перед разветвлением выполнен вырез, в котором в плоскости общей стенки установлена поворотная пластина. Поворотная пластина жестко закреплена на оси. Один конец оси соединен с центральным проводником коаксиального разъема, установленного снаружи на одной стенке E-тройника и соединенного с коаксиальной нагрузкой, а другой конец выведен наружу через отверстие в общей стенке Е-тройника на другую стенку. Ось имеет возможность поворота для изменения угла наклона поворотной пластины к плоскости общей стенки Е-тройника. Каждый M-канальный делитель и сумматор выполнен в виде последовательно установленных волноводно-полосковых направленных ответвителей с возможностью регулирования коэффициентов связи. Каждый M-канальный делитель и сумматор содержит волновод в виде трубы прямоугольного сечения, полосковые проводники, коаксиальные разъемы, полосковые нагрузки и регулировочные механизмы. Полосковые проводники размещены внутри волновода в плоскости широких стенок, коаксиальные разъемы, полосковые нагрузки и регулировочные механизмы размещены снаружи волновода на одной узкой стенке волновода. Один конец каждого полоскового проводника соединен с центральным проводником соответствующего коаксиального разъема, другой конец соединен с соответствующей полосковой нагрузкой. Каждая полосковая нагрузка имеет возможность поворота вокруг коаксиальных разъемов посредством регулировочного механизма для изменения угла наклона полоскового проводника к широким стенкам волновода.
Регулирование деления мощности и регулирование коэффициентов связи позволяет осуществить стабилизацию и регулирование выходной мощности, и, следовательно, повысить КПД. Применение делителей и сумматоров последовательного типа позволяет сократить габариты устройства.
Последовательное или параллельно-последовательное построение выходного каскада устройства суммирования мощности СВЧ позволяет, исходя из диапазона длин волн, параметров усилителя мощности, требуемого уровня суммарной мощности, допустимых габаритов передающего устройства и размещенных в нем других необходимых элементов, рационально компоновать устройство.
Отличительными признаками в предлагаемом выходном каскаде устройства суммирования мощности СВЧ в дециметровом диапазоне длин волн является то, что K- и M-канальные делители и сумматоры выполнены в виде последовательно установленных полосковых направленных ответвителей с возможностью регулирования коэффициентов связи. В сантиметровом диапазоне длин волн K-канальные делитель и сумматор выполнены F-ступенчатыми с использованием регулируемых двойных волноводно-коаксиальных E-тройников. M-канальные делители и сумматоры выполнены в виде последовательно установленных волноводно-полосковых направленных ответвителей с возможностью регулирования коэффициентов связи.
На фиг.1 представлена схема построения устройства суммирования мощности СВЧ.
На фиг.2 представлена конструкция K-канального делителя мощности СВЧ с использованием последовательно установленных полосковых направленных ответвителей с возможностью регулирования коэффициентов связи.
На фиг.3 представлено сечение по А-А (см. фиг.2).
На фиг.4 представлены основные характеристики полоскового направленного ответвителя с регулируемым коэффициентом связи.
На фиг.5 представлено устройство суммирования мощности СВЧ с трехступенчатыми K-канальными делителем и сумматором с использованием регулируемых двойных волноводно-коаксиальных Е-тройников и с M-канальными делителями и сумматорами с использованием последовательно установленных волноводно-полосковых направленных ответвителей с возможностью регулирования коэффициентов связи.
На фиг.6 представлен разрез по Б-Б, выполненный вдоль общей стенки регулируемого двойного волноводно-коаксиального Е-тройника (см. фиг.5).
На фиг.7 представлен разрез по В-В, выполненный под углом α вдоль полоскового проводника (см. фиг.5).
На фиг.8 приведены основные характеристики волноводно-полоскового направленного ответвителя с регулируемым коэффициентом связи.
Устройство суммирования мощности СВЧ в дециметровом диапазоне длин волн (см. фиг.1, 2, 3) содержит K-канальные делитель (ДМ-K) 1 и сумматор (CM-K) 2, K M-канальных делителей (ДМ-М) 3 и K M-канальных сумматоров (CM-M) 4, N усилителей (УМ-КМ) 5, где K и M - натуральные числа и N=K×M. ДМ-К 1 выполнен в виде трубы 6 прямоугольного сечения, на одном торце которой размещен первый коаксиальный разъем 7, а другой торец заглушен. ДМ-K 1 содержит K вторых коаксиальных разъемов 8, общий проводник 9, K-1 полосковых проводников 10, K-1 полосковых нагрузок 11, K-1 крышек 12. Вторые коаксиальные разъемы 8, полосковые нагрузки 11 и крышки 12 расположены на одной узкой стенке трубы 6. Общий проводник 9 и полосковые проводники 10 размещены внутри трубы 6. Общий проводник 9 одним концом соединен с центральным проводником первого коаксиального разъема 7, а другим концом соединен с центральным проводником второго коаксиального разъема 8, наиболее удаленного от первого коаксиального разъема 7.
Один конец каждого полоскового проводника 10 соединен с центральным проводником соответствующего второго коаксиального разъема 8, а другой конец соединен с соответствующей полосковой нагрузкой 11. Полосковые нагрузки 11 имеют возможность перемещения в радиальном направлении для компенсации погрешности изготовления полосковых проводников 10. Осевые перемещения полосковой нагрузки 11 ограничены крышкой 12. Механизм регулирования размещен на другой узкой стенке трубы 6 и содержит диэлектрический стержень 13, гайку 14 и фланец 15. На этой же стенке трубы 6 выполнены отверстия, через которые проходят диэлектрические стержни 13. Один конец каждого диэлектрического стержня 13 закреплен на общем проводнике 9, а другой конец выведен наружу трубы 6 и на нем установлена гайка 14. Осевое перемещение гайки 14 ограничено фланцем 15, жестко закрепленным на другой узкой стенке трубы 6.
СМ-К 2 выполнен аналогично ДМ-K 1. ДМ-М 3 и СМ-М 4 выполнены аналогично ДМ-K 1 и СМ-K 2 и отличаются количеством вторых коаксиальных разъемов 8 (М вместо K). В ДМ-K 1 и ДМ-М 3 первый коаксиальный разъем 7 является входом, а вторые коаксиальные разъемы 8 являются выходами. В СМ-K 2 и СМ-М 4 первый коаксиальный разъем 7 является выходом, а вторые коаксиальные разъемы 8 являются входами.
Каждый второй коаксиальный разъем 8 ДМ-K 1 соединен с первым коаксиальным разъемом 7 соответствующего ДМ-М 3, каждый второй коаксиальный разъем 8 ДМ-М 3 соединен с коаксиальным входом (на чертеже не показан) одного из УМ-KМ 5, коаксиальный выход (на чертеже не показан) каждого УМ-KМ 5 соединен с соответствующим вторым коаксиальным разъемом 8 одного из K СМ-М 4, а первый коаксиальный разъем 7 каждого СМ-М 4 соединен с соответствующим вторым коаксиальным разъемом 8 СМ-К 2.
опт
В зависимости от требуемого коэффициента связи C регулировкой зазора s (см. фиг.3) и подбором оптимальной толщины t полосковой линии в области лицевой связи общего проводника 9 и полосковых проводников 10 при фиксированной ширине w обеспечивается наилучшее согласование (коэффициент стоячей волны по напряжению КСВН<1,1) и направленность не менее 26 дБ. Регулировка размера s (см. фиг.2, 3) обеспечивается вращением гайки 14, в результате чего происходит перемещение диэлектрического стержня 13, закрепленного на общем проводнике 9. За счет перемещения и деформации общего проводника 9 в месте крепления диэлектрического стержня 13 обеспечивается регулировка размера s в области лицевой связи с каждым из полосковых проводников 10.
F
F
Устройство суммирования мощности СВЧ в сантиметровом диапазоне длин волн (см. фиг.1, 5, 6, 7) содержит F-ступенчатые K-канальные делитель ДМ-К 1 и сумматор СМ-К 2, где К=2, К M-канальных делителей ДМ-М 3 и K M-канальных сумматоров СМ-М 4, N усилителей 5 УМ-КМ, где F, K, М - натуральные числа и N=K×М. ДМ-K 1 содержит 2-1 Е-тройников 16 (регулируемых двойных волноводно-коаксиальных), отличающихся длиной каналов в каждой ступени деления. ДМ-К 1 содержит первый фланцевый разъем 17 и K вторых фланцевых разъемов 18. Каждый Е-тройник 16 содержит общую стенку 19, поворотную пластину 20, ось 21, коаксиальный разъем 22, коаксиальную нагрузку (на чертеже не показана) и гайку 23. В общей стенке 19 перед разветвлением выполнен вырез, в котором в плоскости общей стенки 19 установлена поворотная пластина 20, жестко закрепленная на оси 21. Один конец оси 21 соединен с центральным проводником коаксиального разъема 22, а другой конец выведен наружу через отверстие в общей стенке 19 на другую стенку. Ось 21 имеет возможность поворота для изменения угла наклона поворотной пластины 20 к плоскости общей стенки 19. Коаксиальный разъем 22 установлен снаружи на одной стенке Е-тройника 16 и соединен с коаксиальной нагрузкой (на чертеже не показана). Развязка выходов ДМ-К 1, а также регулирование деления мощности обеспечивается введением дополнительных коаксиальных разъемов 22, соединенных с полосковыми нагрузками (на чертеже не показаны). Регулирование деления мощности осуществляется изменением угла наклона поворотной пластины 20 к плоскости общей стенки 19 за счет поворота оси 21.
Каждый M-канальный делитель и сумматор выполнен в виде последовательно установленных волноводно-полосковых направленных ответвителей с возможностью регулирования коэффициентов связи и содержит волновод 24 в виде трубы прямоугольного сечения, фланцевый разъем 25, полосковые проводники 26, коаксиальные разъемы 8, полосковые нагрузки 11, крышки 12 и регулировочные механизмы (на чертеже не показаны). Полосковые проводники 26 размещены внутри волновода 24 в плоскости широких стенок, коаксиальные разъемы 8, полосковые нагрузки 11 и регулировочные механизмы размещены снаружи волновода 24 на одной узкой стенке. Один конец каждого полоскового проводника 26 соединен с центральным проводником соответствующего коаксиального разъема 8, другой конец соединен с соответствующей полосковой нагрузкой 11. Каждая полосковая нагрузка 11 и каждый полосковый проводник 26 имеют возможность поворота вокруг коаксиальных разъемов 8. Осевые перемещения полосковой нагрузки 11 ограничены крышкой 12.
Изменение угла наклона α полоскового проводника 26 к широкой стенке волновода 24 (см. фиг.5) осуществляется за счет поворота полосковой нагрузки 11 вокруг коаксиальных разъемов 8 с помощью регулировочного механизма (на чертеже не показан).
СМ-K 2 выполнен аналогично ДМ-K 1. В ДМ-K 1 первый фланцевый разъем 17 является входом, а K вторых фланцевых разъемов 18 являются выходами. В СМ-K 2 первый фланцевый разъем 17 является выходом, а K вторых фланцевых разъемов 18 являются входами.
СМ-М 4 выполнен аналогично ДМ-М 3. В ДМ-М 3 фланцевый разъем 25 является входом, а коаксиальные разъемы 8 являются выходами. В СМ-М 4 фланцевый разъем 25 является выходом, а коаксиальные разъемы 8 являются входами.
Каждый из K вторых фланцевых разъемов 18 ДМ-К 1 соединен с фланцевым разъемом 25 одного из K ДМ-М 3, каждый из М коаксиальных разъемов 8 каждого из K ДМ-М 3 соединен с коаксиальным разъемом (на чертеже не показан) одного из УМ-КМ 5, коаксиальный разъем (на чертеже не показан) каждого УМ-КМ 5 соединен с одним из коаксиальных разъемов 8 одного из К СМ-М 4, а фланцевый разъем 25 каждого СМ-М 4 соединен с одним из К вторых фланцевых разъемов 18 СМ-K 2.
Коэффициент связи полоскового проводника 26 определяется углом его наклона α к широкой стенке волновода 24. Зависимость коэффициента связи C от угла наклона α приведены на фиг.8. Диапазон регулируемых связей составляет не менее 40 дБ при максимальном коэффициенте связи C не менее - 6 дБ. Неравномерность коэффициента связи в полосе частот более 20% не превышает 5%.
Устройство суммирования мощности СВЧ в дециметровом диапазоне длин волн (см. фиг.1, 2) работает следующим образом.
Сигнал поступает на первый коаксиальный разъем 7 ДМ-K 1 и с помощью общего проводника 9 и полосковых проводников 10 делится поровну между K вторыми коаксиальными разъемами 8, с которых поступает на первый коаксиальный разъем 7 соответствующих ДМ-М 3 и аналогично делится поровну между М вторыми коаксиальными разъемами 8. Далее сигнал поступает в УМ-KМ 5, усиливается и передается на вторые коаксиальные разъемы 8 СМ-М 3, где с помощью полосковых проводников 10 и общего проводника 9 суммируется и передается на первый коаксиальный разъем 7, с которых поступает на вторые коаксиальные разъемы 8 СМ-K 2 и аналогично суммируются. На первый коаксиальный разъем 7 СМ-K 2 поступает усиленный в N=K×M раз сигнал.
Устройство суммирования мощности СВЧ в сантиметровом диапазоне длин волн (см. фиг.5, 6, 7) работает следующим образом.
Сигнал поступает на первый фланцевый разъем 17 ДМ-K 1, последовательно делится пополам в Е-тройниках 16 каждой ступени и через вторые фланцевые разъемы 18 поступает на фланцевые разъемы 25 соответствующих ДМ-М 3, где с помощью волновода 24 и полосковых проводников 26 делится поровну на М коаксиальных разъемов 8 и поступает в УМ-KМ 5, усиливается и передается на коаксиальные разъемы 8 СМ-М 4, где с помощью волновода 24 и полосковых проводников 26 суммируется в Е-тройниках 16 каждой ступени и на фланцевый разъем 17 СМ-k 2 поступает усиленный в N=K×M раз сигнал.
Таким образом, данная конструкция устройства суммирования мощности СВЧ позволяет производить регулирование выходной мощности и повысить КПД за счет корректировки коэффициентов связи, уменьшить массогабаритные характеристики, повысить надежность работы устройства в целом.