ДЕЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ
POWER DIVIDER

Изобретение относится к технике СВЧ и может найти применение в системах активных фазированных антенных решеток, радиопередающих и других устройствах и системах СВЧ.
Известен делитель мощности, содержащий разветвитель, к выходам которого подключены балластные развязывающие резисторы, включенные звездой (Wilkinson E.J. An N-hybrid power divider // IRE Trans, on microwave theory and techniques. 1960. v. MTT-8, N 1. p. 116-118). Эта исходная схема делителя мощности является базовой, поскольку на ее основе предложено большое число вариантов, обеспечивающих достижение более высоких технических характеристик, расширение областей применения устройства и решение других, в том числе и новых, задач. Делитель мощности с двумя выходными плечами и соответственно с двумя четвертьволновыми отрезками линии передачи в разветвителе, между которыми включен балластный развязывающий резистор, широко известен в литературе (см. Малорацкий Л.Г., Явич Л.Г. Проектирование и расчет СВЧ элементов на полосковых линиях. - М.: Советское радио, 1972. - 232 с).
Известен делитель мощности, содержащий отрезок входной линии передачи, соединенный четвертьволновыми отрезками линий с двумя выходными плечами, между которыми включена балластная нагрузка, отличающийся тем, что с целью расширения рабочей полосы частот и увеличения развязки балластная нагрузка выполнена в виде двух резисторов, между которыми дополнительно включен полуволновый отрезок связанных линий, замкнутых на конце (см. Делитель мощности, авт. свид. СССР №496625, H01P 5/12, БИ №47. 23.04.76).
При работе на большом уровне мощности площади балластных резисторов в пленочном исполнении и, как следствие, их паразитные параметры увеличиваются, что приводит к резкому ухудшению технических характеристик устройства - согласования по входу и выходам, развязки между ними, снижению коэффициента прямой передачи, росту потерь в балластных резисторах, смещению по частоте минимумов КСВН и максимума развязки и др. (см. К.Я. Аубакиров, В.И. Говорухин, Л.Г. Плавский, М.Г. Рубанович. Двухканальный синфазный сумматор-делитель мощности с компенсацией паразитных параметров балластного резистора. - Радиотехника, №6, 2011, с. 59-63). Кроме того, введение замкнутого на конце полуволнового отрезка связанных линий усложняет схему и увеличивает габариты устройства.
Известен делитель мощности (см. Устройство сложения мощности, авт. свид. СССР №1170534, Н01Р 5/12, БИ №28. 30.07.85), содержащий входные плечи, каждое из которых подключено к балластному резистору и четвертьволновому отрезку линии передачи, при этом балластные резисторы соединены в звезду, концы четвертьволновых отрезков линий передачи подключены к выходному плечу, отличающийся тем, что к общей точке балластных резисторов подключен короткозамкнутый четвертьволновый шлейф. Подавление четных гармоник суммируемых генераторов успешно выполняется на центральной частоте диапазона, для которой входное сопротивление четвертьволнового шлейфа бесконечно велико, и, следовательно, этот шлейф не влияет на работу устройства. При этом четные гармоники суммируемых генераторов закорачиваются на землю, поскольку для них длина шлейфа не четверть, а полуволновая либо кратная ей, а входное сопротивление такого шлейфа равно нулю. Как и в предыдущем случае, достижение высоких значений технических характеристик не может быть реализовано в данном устройстве.
Известен также делитель мощности (см. авт. свид. СССР №849342, H01P 5/12, БИ №27. 25.07.81), содержащий разветвитель, к выходам плеч которого подключены развязывающие резисторы, включенные звездой, отличающийся тем, что ко входу и к каждому из выходов плеч разветвителя подключены короткозамкнутые шлейфы, а в каждое плечо разветвителя включен конденсатор, причем емкость конденсатора и длина каждого из короткозамкнутых шлейфов определяются соответственно из соотношений
где n - число плеч;
0
f - центральная частота рабочего диапазона;
0
R - выходное сопротивление каждого плеча делителя;
0
λ - длина волны в делителе мощности;
ρ - волновое сопротивление короткозамкнутого шлейфа.
Уменьшение потерь и сокращение габаритов устройства достигается эквивалентной заменой трансформирующих отрезков линии передачи разветвителя П-образными полураспределенными звеньями, составленными из двух короткозамкнутых шлейфов в параллельных ветвях и сосредоточенной емкости в последовательной ветви каждого П-звена. Однако выбор элементов П-звеньев по приведенным соотношениям не позволяет скомпенсировать ухудшение технических характеристик устройства большой мощности с увеличенной площадью балластных резисторов в пленочном исполнении. Как и в предыдущих случаях, достижение высоких значений указанных технических характеристик не может быть реализовано и в этом устройстве.
Кроме того, известен делитель мощности (см. авт. свид. СССР №1798840, H01P 5/12, БИ №8. 28.02.93), являющийся прототипом предлагаемого изобретения и содержащий входное плечо, подключенное через четвертьволновые отрезки линии передачи к выходным плечам, при этом между выходными плечами включены балластные резисторы, соединенные в звезду и к общей точке которых подключен короткозамкнутый шлейф, при этом балластные резисторы выполнены в виде отрезков линии передачи с потерями, длина шлейфа выбрана меньше четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона, а его входное сопротивление выбрано из соотношений:
C
где Z, L - волновое сопротивление и длина отрезка линии передачи с потерями;
γ - постоянная распространения в линии с потерями;
ш
ш
Ζ, l - волновое сопротивление и длина шлейфа.
Для делителя мощности с двумя выходными плечами балластный развязывающий резистор выполнен в виде отрезка линии передачи с потерями, к средней точке которого подключен короткозамкнутый шлейф длиной меньше четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона. Этот шлейф компенсирует паразитные параметры балластного резистора и улучшает развязку между выходными плечами делителя мощности, согласование по его входу и выходам, увеличивает коэффициент прямой передачи и, как следствие, рабочую мощность.
Однако, несмотря на существенное улучшение указанных технических характеристик делителя, их значения недостаточно высоки, что в первую очередь касается развязки между его выходными плечами и согласования по входу и выходам. Как следствие, применение устройства в современной радиоэлектронной аппаратуре не позволяет обеспечить высокие эксплуатационные характеристики аппаратуры в целом.
Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является повышение развязки между выходными плечами делителя мощности и улучшение согласования по его входу и выходам.
Поставленная задача достигается тем, что в делителе мощности, содержащем входное плечо, подключенное через четвертьволновые отрезки линий передачи к выходным плечам, между которыми включен балластный развязывающий резистор, выполненный в виде отрезка линии передачи с потерями, к средней точке которого подключен короткозамкнутый шлейф длиной меньше четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона, указанный отрезок линии передачи с потерями выполнен неоднородным в форме двух идентичных соприкасающихся кругов, ширина участка сопряжения которых равна ширине упомянутого короткозамкнутого шлейфа, при этом ширина участков сопряжения балластного развязывающего резистора с четвертьволновыми отрезками линий передачи равна ширине этих отрезков, упомянутые участки сопряжения балластного резистора с четвертьволновыми отрезками линий передачи и с короткозамкнутым шлейфом расположены на продолжении прямой линии, соединяющей центры упомянутых кругов.
На фиг. 1 приведена схема электрическая принципиальная предлагаемого делителя мощности; на фиг. 2 - предлагаемый балластный развязывающий резистор; на фиг. 3 - частотные зависимости параметров делителя мощности с предлагаемым исполнением балластного развязывающего резистора, на фиг. 4 - частотные зависимости параметров делителя мощности-прототипа.
Делитель мощности (фиг. 1) содержит входное плечо 1, подключенное через четвертьволновые отрезки линии передачи 2 к двум выходным плечам 3, между которыми включен балластный развязывающий резистор 4, выполненный в виде отрезка неоднородной линии передачи с потерями в форме двух идентичных соприкасающихся кругов 5, к участку сопряжения которых 6 подключен короткозамкнутый шлейф 7 (фиг. 2). Ширина участка сопряжения 6 равна ширине шлейфа 7. Участки сопряжения 8 балластного резистора 4 с четвертьволновыми отрезками линий передачи 2, с шириной, равной ширине этих отрезков 2, как и упомянутый участок сопряжения 6 расположены на продолжении прямой линии 9, соединяющей центры 10 упомянутых кругов 5. Выходные плечи 3 делителя нагружены на сопротивления нагрузки 11.
Делитель мощности работает следующим образом. При поступлении входного СВЧ сигнала на входное плечо 1 его мощность равномерно распределяется через одинаковые четвертьволновые отрезки линий передачи 2 по двум выходным плечам 3, так что при одинаковых и согласованных сопротивлениях нагрузки 11 эти мощности на всех выходных плечах 3 равны по величине и синфазны. Для случая минимальной площади балластного резистора делитель мощности представляет собой симметричный шестиполюсник и на центральной частоте является полностью согласованным, а его выходы развязаны практически идеально. В устройствах большой мощности оказывается необходимым использовать балластный резистор с большой площадью для рассеяния значительной мощности в случае рассогласования или выхода из строя одной из нагрузок. При этом пропорционально увеличиваются паразитные параметры резистора, прежде всего его паразитная емкость, что приводит к резкому ухудшению развязки между выходными плечами, согласования по входу и выходам, снижению прямой передачи, росту потерь в балластном резисторе, смещению по частоте минимумов КСВН и максимума развязки и др. Компенсация этого нежелательного влияния достигается подключением к средней точке балластного развязывающего резистора короткозамкнутого шлейфа длиной меньше четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона, как это выполнено в делителе мощности-прототипе (см. К.Л. Аубакиров, В.И. Говорухин, Л.Г. Плавский, М.Г. Рубанович. Двухканальный синфазный сумматор-делитель мощности с компенсацией паразитных параметров балластного резистора. - Радиотехника, №6, 2011, с. 59-63). Несмотря на существенное улучшение технических характеристик, их значения недостаточно высоки, что, в первую очередь, касается развязки между выходными плечами и согласования по входу и выходам устройства.
В предлагаемом делителе мощности повышение развязки между выходными плечами и улучшение согласования по входу и выходам достигается использованием в качестве балластного развязывающего резистора отрезка неоднородной линии передачи с потерями в форме двух идентичных соприкасающихся кругов (фиг. 2). Действительно, перераспределение паразитной емкости вдоль длины балластного развязывающего резистора, выполненного в указанном виде, по сравнению с аналогичным отрезком однородной линии передачи с потерями в делителе мощности-прототипе, позволяет повысить развязку между выходными плечами делителя и улучшить согласование по его входу и выходам.
r
шл
шл
шл
<mrow><mi>ρ</mi><mo>=</mo><msub><mi>R</mi><mn>0</mn></msub><msqrt><mi>n</mi></msqrt><mo>=</mo><mn>50</mn><msqrt><mn>2</mn></msqrt><mo>=</mo><mn>70.71</mn></mrow>
2
2
2
Расчетные частотные зависимости технических характеристик делителя мощности в предлагаемом варианте приведены на фиг. 3. Четвертьволновые отрезки линий передачи представлены идеализированными линиями с воздушным диэлектриком ε=1 длиной 75 мм и волновым сопротивлением
Ом. Балластный развязывающий резистор выполнен на подложке из поликора толщиной h=1 мм в виде отрезка неоднородной линии передачи с потерями в форме двух идентичных соприкасающихся кругов (фиг. 2), при этом их общая площадь равна 32 мм, как и в делителе мощности-прототипе с балластным резистором в виде отрезка однородной линии передачи с потерями прямоугольной формы размерами 4*8 мм и той же площадью 32 мм (см. вышеуказанную статью К.Я. Аубакиров, В.И. Говорухин и др.…). Одинаковые площади балластных резисторов в обоих сопоставляемых делителях мощности обеспечивают одинаковое значение паразитных емкостей балластных резисторов. Корректирующие короткозамкнутые шлейфы выполнены также на поликоре с шириной полоска w=0.2 мм (ρ=90 Ом), расчетные значения длин шлейфов l=5.45 мм на фиг. 2 и l=6.2 мм для делителя мощности-прототипа.
Сравнение зависимостей на фиг.3 и 4 показывает:
23
- параметр |S|, характеризующий развязку между выходными плечами, повысился на 44.23 дБ по сравнению с делителем мощности-прототипом, полоса пропускания по уровню -25 дБ расширилась на 50.3 МГц или на 11.5%;
1
2,3
1
2,3
2,3
- параметром, характеризующим качество согласования по входу и выходам делителя мощности, как известно, является коэффициент стоячей волны напряжения (КСВН), соответственно, по входу КСВН, по выходам КСВН, допустимое значение которого КСВН=1.2 определяет ширину полосы согласования устройства по этому параметру. Для предложенного делителя мощности полоса согласования по входу КСВН, по уровню 1.2 расширилась на 75.4 МГц или на 15% по сравнению с устройством-прототипом. Аналогичное расширение полосы согласования по выходам КСВН по тому же уровню 1.2 составило 83.07 МГц или на 27% больше. Минимальное значение КСВН также несколько улучшилось с 1.144 на частоте 916.8 МГц для устройства-прототипа до 1.116 на частоте 1025.5 МГц для предложенного делителя мощности. Отметим также существенное улучшение симметрии частотных зависимостей этих характеристик в предложенном устройстве.
Таким образом, использование в качестве балластного развязывающего резистора отрезка неоднородной линии передачи с потерями в форме двух идентичных соприкасающихся кругов позволило повысить развязку на 44.23 дБ, расширить полосу пропускания по развязке на 11.5%, улучшить согласование по входу и выходам предложенного делителя мощности, что расширило полосу согласования по входу на 15%, по выходам на 27%.