ДЕЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ
POWER DIVIDER

Изобретение относится к технике СВЧ и может найти широкое применение в системах активных фазированных антенных решеток, радиопередающих устройствах и системах, использующих мощность СВЧ.
Известен многоканальный синфазный делитель мощности, содержащий разветвитель, к выходам плеч 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, N1. p.116-118). За прошедшие более чем 50 лет это устройство многократно усовершенствовалось и составило основу большого числа авторских свидетельств и патентов. Делитель с сосредоточенными балластными резисторами может быть принят в качестве базового, поскольку его технические характеристики близки к идеальным (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). Будучи линейным и взаимным, делитель Уилкинсона может равноправно использоваться и в качестве сумматора мощности.
Известен делитель мощности (см. Устройство сложения мощности, авт. свид. СССР №1170534, H01P 5/12, БИ №28. 30.07.85), содержащий входные плечи, каждое из которых подключено к балластному резистору и к четвертьволновому отрезку линии передачи, при этом балластные резисторы соединены в звезду, а концы четвертьволновых отрезков линии 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.
cтU
При работе на большом уровне мощности площади балластных резисторов в пленочном исполнении, как и их паразитные параметры, увеличиваются, что приводит к резкому ухудшению основных технических характеристик устройства - согласования по входам, развязки между ними, снижению коэффициента прямой передачи, росту потерь в балластных резисторах, смещению по частоте минимумов к и максимума развязки и др.
Известен многоканальный 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 к 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 четвертьволновых 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 предыдущем случае, достижение высоких значений указанных характеристик не может быть реализовано в данном 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 шлейф, короткозамкнутый и заземленный на конце, 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;
m
ш
Z, ℓ - волновое сопротивление и длина шлейфа.
В прототипе увеличение рабочей мощности устройства достигается подключением к общей точке соединенных в звезду балластных резисторов короткозамкнутого и заземленного на конце шлейфа с длиной меньшей четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона. Этот шлейф компенсирует паразитные параметры балластных резисторов и улучшает основные технические характеристики делителя мощности: согласование по входу и выходам, развязку между ними, увеличивает коэффициент прямой передачи и, как следствие, рабочую мощность на выходах. Однако, несмотря на существенное улучшение указанных технических характеристик, их значения недостаточно высоки, что, в первую очередь, касается развязки между выходами делителя, то есть обеспечения их независимой работы при различных условиях нагрузки и эксплуатации, и параметров согласования по входу и выходам устройства.
Задачей предлагаемого изобретения является улучшение развязки между выходными плечами и согласования по входу и выходам делителя мощности.
ш1
ш2
Поставленная задача достигается тем, что в делитель мощности, содержащий входное плечо, подключенное через четвертьволновые отрезки линии передачи к выходным плечам, между которыми включены соединенные в звезду балластные резисторы, выполненные в виде отрезков линии передачи с потерями, и к общей точке которых подключен короткозамкнутый и заземленный на конце шлейф, длина которого ℓ меньше четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона, к каждому выходному плечу подключен короткозамкнутый и заземленный на конце шлейф с длиной ℓ, также меньшей четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона.
На фиг.1 приведена схема электрическая принципиальная предлагаемого делителя мощности на n каналов, на фиг.2 - схема электрическая принципиальная предлагаемого делителя мощности на 2 канала, на фиг.3 - частотные зависимости параметров предлагаемого делителя мощности на 2 канала.
Делитель мощности (фиг.1) содержит входное плечо 1, подсоединенное через четвертьволновые отрезки линии передачи 2 к выходным плечам 3, к каждому из которых подключен корректирующий шлейф 4, короткозамкнутый и заземленный на конце с длиной, меньшей четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона, и балластный резистор 5, выполненный в виде отрезка линии передачи с потерями, все балластные резисторы соединены в звезду, и к их общей точке подключен короткозамкнутый и заземленный на конце шлейф 6 с длиной, также меньшей четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона. Выходные плечи 3 делителя нагружены на сопротивления нагрузки 7.
Делитель мощности (фиг.1) работает следующим образом. При поступлении входного СВЧ сигнала на входное плечо 1 его мощность равномерно распределяется через одинаковые четвертьволновые отрезки линии передачи 2 по всем выходным плечам 3, так что при одинаковых и согласованных сопротивлениях нагрузки 7 эти мощности на всех выходных плечах 3 равны по величине и синфазны. Для случая минимальной площади балластных резисторов делитель мощности представляет собой симметричный многополюсник и на центральной частоте является полностью согласованным, а его выходы развязаны практически идеально. В устройствах большой мощности оказывается необходимым использовать балластные резисторы с большой площадью для рассеяния значительной мощности в случае рассогласования или выхода из строя одной из нагрузок. Технические характеристики таких делителей мощности значительно ухудшаются, а, следовательно, для обеспечения их работоспособности необходимо скорректировать влияние эффекта, связанного с использованием балластных резисторов с большой площадью. Это частично реализовано в устройстве-прототипе за счет подключения к общей точке включенных в звезду балластных резисторов короткозамкнутого и заземленного на конце шлейфа 6. В предлагаемом устройстве введены дополнительные шлейфы 4, подключенные к выходным плечам параллельно сопротивлениям нагрузки 7, а это обеспечивает не только существенное улучшение развязки между выходными плечами и согласование по входу и выходам делителя мощности, но и приближение их к базовому, то есть идеализированному варианту устройства.
ш2
Результаты моделирования двухканального делителя мощности для базового делителя и делителя мощности - прототипа приведены в указанной выше работе (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). Частотные зависимости характеристик предлагаемого делителя мощности в двухканальном исполнении (фиг.2) представлены на фиг.3. Сравнение их с соответствующими зависимостями для базового делителя и делителя мощности - прототипа показывает, что подключение к каждому выходному плечу делителя мощности (фиг.2) короткозамкнутого и заземленного на конце шлейфа длиной ℓ, меньшей четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона, обеспечивает то, что:
- симметрия зависимостей для предлагаемого делителя мощности улучшилась по сравнению с делителем мощности - прототипом и практически близка к таковой для базового делителя;
12
- параметр S=-61.4 дБ, характеризующий развязку между выходами устройства, увеличился на 26.67 дБ по сравнению с делителем мощности - прототипом и всего лишь на 0.14 дБ уступает базовому делителю;
стU0
стU1,2
- коэффициенты стоячей волны напряжения: по входу K=1.05 на частоте 965 мГц, по выходу K=1.004 близки к соответствующим значениям для базового делителя;
10
20
- коэффициент прямой передачи S=S=-3.194, то есть повысился на 4.2% по сравнению с делителем мощности - прототипом;
ш2
Таким образом, подключение к каждому выходному плечу делителя мощности короткозамкнутого и заземленного на конце шлейфа длиной ℓ, меньшей четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона, существенно улучшило развязку между выходными плечами и согласование по входу и его выходам.